1.
Úvod Organická chemie vždy patřila a stále patří mezi stěžejní obory chemické a její dnešní podoba je
výsledkem více než 150-letého výzkumu.
1.1. Nejdůležitější historické mezníky Přestože již v průběhu 18. století byla řada organických sloučenin vyisolovaných z přírodního materiálu známá v čistém stavu, nebylo známo téměř nic o jejich složení. To bylo umožněno až s rozvojem analytických metod.
1.1.1.
Stanovení sumárního vzorce
Stanovení sumárního vzorce bylo prvním předpokladem pro další možný rozvoj. Tomu ovšem předcházelo zjištění, že zkoumaná látka (tehdy pouze isolovaná z přírodních zdrojů) je chemickým individuem. Stejně jako dnes k tomu sloužily různé separační metody a za kriterium byla považována skutečnost, že i po vícenásobném podrobení se těmto metodám nedošlo u zkoumané látky ke změnám fyzikálních konstant (t.t., t.v.). O kvantitativní stanovení C a H se zasloužil především Liebig (1803 – 1873), který vypracoval metodu, jak po spálení přesné navážky zkoumané sloučeniny kvantitativně zachytit vzniklou vodu a CO2 a stanovit tak procentové zastoupení C a H. Stanovení dusíku v organických sloučeninách se provádělo Dumasovou metodou (1800 – 1884) založenou na oxidativní destrukci zkoumané sloučeniny a kvantitativnímu zachycení elementárního dusíku volumetricky (případné oxidy dusíku vzniklé při oxidativní destrukci byly zredukovány měděnou síťkou). Stanovení ostatních prvků se provádělo mineralizací zkoumané sloučeniny a jejím převedením do iontové formy a následným použitím metod anorganické analýzy. Kyslík se v té době přímo nestanovoval, ale dopočítával se do 100 %. Takže, bylo-li u zkoumané sloučeniny zjištěno např. W%C, X%H, Y%N a Z%N, byl vzájemný poměr prvků vypočten dělením jednotlivých procentových hodnot atomovou hmotností příslušného prvku, takže poměr C:H:N:O = W/12:X:Y/14:Z/16. V případě, že výsledkem jsou nikoliv celá čísla, podělí se všechny hodnoty nejmenším z nich, takže poměr lze pak formulovat jako C:H:N:O = w:x:y:z, kde w,x,y a z jsou celá čísla. Tomuto poměru pak odpovídají všechny sloučeniny sumárního vzorce Cw.nHx.nNy.nOz.n, kde n = 1,2,3… . Toto číslo n pak mohlo být vypočteno až po stanovení molekulární hmotnosti (M.h.) (tehdy obvykle kryoskopickou nebo ebulioskopickou metodou) zkoumané sloučeniny velmi jednoduchým způsobem:
n=
Mh 12w +x + 14y + 16z
Např. je-li W = 40,45; X = 7,87; Y = 15,73; Z = 35,96, je C : H : N : O = 40,45/12 : 7,87 : 15,73/14 : 35,96/16 = 3,37 : 7,87 : 1,12 : 2,25 Takže w = 3,37/1,12 ≅ 3; x = 7,87/1,12 ≅ 7; y = 1,12/1,12 = 1; z = 2,25/1,12 ≅ 2, což odpovídá sumárním vzorcům C3nH7nNnO2n.
9
Kryoskopickou metodou byla stanovena M.h. = 178, takže
178
n=
3.12 +7 + 14 + 2.16
=2
Sumární vzorec tedy je C6H14N2O4.
1.1.2.
Strukturní teorie
Dalším velmi významným mezníkem pak bylo uvedení sumárního vzorce do souladu s tehdejšími znalostmi o mocenství prvků. Zde nastaly velké potíže při aplikování jednoduchých principů, které platily pro všechny tehdy známé sloučeniny anorganické. Veškeré nesrovnalosti vymizely teprve až po vyslovení následujících principů (1858), které je možno považovat za základ strukturní teorie a tím i za základ organické chemie jako vědní disciplíny. Atom uhlíku je čtyřvazný a všechny vazby jsou rovnocenné, ale může se vázat nejen k jiným atomům, ale i k dalším atomům C a to nejen vazbou jednoduchou, ale i vazbami dvojnými i trojnými. V tomto smyslu tuto strukturní teorii vyslovili nezávisle na sobě Kekule (1829 – 1896), Bullerov (1828 – 1886) a Couper (1831 – 1892). Uvedená teorie měla zcela zásadní význam. U velmi jednoduchých sloučenin umožňovala na základě sumárního vzorce určit jednoznačně jejich strukturu, u složitějších pak navrhnout struktur více a byla tak vysvětlena isomerie, tj., že jednomu sumárnímu vzorci může odpovídat více vzorců strukturních. Skutečnou strukturu jednotlivých isomerů pak bylo nutno určit na základě strukturní analýzy, což byla v 19. století záležitost velmi pracná a zdlouhavá. Přesto se již tehdy podařilo určit jednoznačnou strukturu velkého množství sloučenin, které pak bylo možno třídit na základě uhlíkatého řetězce na sloučeniny alifatické a cyklické a tyto dále roztřídit na isocyklické a heterocyklické.
1.1.3.
První organická syntéza
Neméně významným mezníkem bylo experimentální vyvrácení vitalistické teorie, podle které organické sloučeniny mohou vznikat pouze v živých organismech díky „životní síle“ (vis vitalis) (Berzelius). Ve prospěch této teorie hovořily prvotní nezdary při pokusu o syntézu organických sloučenin metodami tehdy známými v chemii anorganické . Za první organickou syntézu je považována syntéza močoviny (Wöhler 1828):
+ NH4 O C N
H2N C NH2 O
i když tentýž autor již v roce 1824 získal kyselinu šťavelovou hydrolýzou dikyanu:
O N C C N
+
2 H2O
+
+ 2 H3O
C OH C O OH
10
+
+ 2 NH 4
V dalších letech 19. století pak nastal velmi prudký rozvoj syntetické organické chemie, který trvá dodnes.
1.2.
Předmět organické chemie a její postavení mezi ostatními obory
1.2.1.
Předmět organická chemie
Z historického pohledu se předmět organické chemie měnil. Původně to byla pouze chemie látek isolovaných z přírodních zdrojů (rostliny, živočichové, houby, mikroorganismy). Po rozvoji organické syntézy byla organická chemie definována jako chemie sloučenin uhlíku a to platí v podstatě do současnosti, i když je známa celá řada sloučenin, které mají všechny vlastnosti organických sloučenin, aniž by obsahovaly atomy C jako je např. borazin B3H6N3. Vezmeme-li v úvahu tyto skutečnosti, můžeme pak za organickou chemii považovat chemii všech sloučenin, u nichž se vyskytují kovalentní vazby bez ohledu na atomy, které se na těchto vazbách podílejí. V tomto případě by organická chemie byla neobyčejně rozsáhlá (patřily by k ní sloučeniny všech prvků, kromě solí alkalických kovů a solí kovů podskupiny Ca) a chemie anorganická by se zúžila pouze na ryze iontové sloučeniny. Z toho vyplývá, že veškerá dělítka na různé chemické discipliny nejsou smysluplné. Chemii je třeba brát jako jednolitý celek a jednotlivé discipliny mají spíše historické opodstatnění a dále opodstatnění související s určitými specifickými záležitostmi týkajícími se metod výzkumu a tříděním poznatků do menších celků, což je významné např. i z hlediska didaktického.
1.2.2.
Postavení mezi ostatními obory
Postavení organické chemie mezi ostatními disciplínami rovněž vychází z historického základu. Na jedné straně proto souvisí organická chemie s chemií anorganickou, ze které vlastně vznikla, na druhé straně je to biochemie, na kterou můžeme nahlížet jako na syntézy a přeměny organických sloučenin v živých systémech (a nejstarší podoba biochemie se v podstatě shodovala s tehdejší chemií organickou – jednalo se pouze o zjišťování a isolaci organických látek z živých systémů) a dále makromolekulární chemie, která se může týkat nejen např. syntézy polymerů, ale i např. nukleotidů a proteinů. V obou těchto disciplínách je organická chemie základem, ze kterého vznikly. Je samozřejmé, že metodika jak syntetická, tak i metodika řešení struktur organických sloučenin je založena na fyzikálně chemických principech ( thermodynamické zákonitosti, reakční kinetika, katalýzy, spektrální metody). To vše jen potvrzuje skutečnost, že chemie je jediný celek vzájemně se prolínajících disciplín, které byly uměle formulovány.
11
1.3.
Prezentace
výsledků
a
nových
poznatků
základního výzkumu a literatura organické chemie 1.3.1.
Chemická periodika
Chemická periodika publikující výsledky základního výzkumu byly od počátku základním zdrojem informací i pro chemii organickou. K nejstarším patří časopisy zveřejňující původní vědecké práce ze všech oborů chemických např. německý Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft, Journal für Praktische Chemie, anglický Journal of Chemical Society, americký Journal of American Chemical Society, rakouský Monatshefte fuer Chemie, francouzský Bulletin de la Societe Chemique de France,
švýcarský Helvetica
Chimica Acta, ruský Žurnal Organičeskoj Chimii, dále i časopisy zaměřené na organickou chemii (např. Journal of Organic Chemistry, Journal of Heterocyclic Chemistry atd.). U nás je nejvýznamnějším časopisem Collection of Czechoslovak Chemical Communications.
1.3.2.
Referátové časopisy
Vzhledem k tomu, že již v 19. století nových poznatků přibývalo téměř geometrickou řadou, nebylo v silách jedince obsáhnout všechny informace o organické chemii jako celku ani o dílčích problémech v tomto oboru. Z tohoto důvodu vznikly referátové časopisy, jejichž úkolem bylo pořídit stručný a výstižný výtah všech původních vědeckých prací publikovaných ve všech časopisech celého světa. V každém tomto výtahu byla samozřejmě uvedena i úplná citace toho časopisu, ze kterého byl článek abstrahován. Za určité časové období (nejméně 1 rok) pak byl tento referátový časopis vždy doplněn registry autorskými, věcnými, vzorcovými a případně i dalšími, což umožňovalo rychle se zorientovat v dané problematice. Je samozřejmé, že abstrakt uvedený v těchto referátových časopisech bývá opožděný za původní prací asi o 1 měsíc i déle. Nejstarším referátovým časopisem byl Chemisches Zentralblatt, který byl vydáván od roku 1830 do roku 1969. Přestaly vycházet i další referátové časopisy, jako byly British Abstract, Referatnyj žurnal po Chemii. Nejvýznamnějším referátovým časopisem v současnosti je Chemical Abstract (vydáván od roku 1906), který splňuje i ta nejpřísnější kriteria pro referátové časopisy a je v podstatě jediným úplným zdrojem informací ze všech oblastí chemie a oborů příbuzných.
1.3.3.
Kompendia organické chemie
Kompendia mají za úkol v knižní formě obsáhnout veškeré původní vědecké práce z organické chemie za určitý, většinou několikaletý časový úsek. Nejdůležitějším kompendiem, který vychází dodnes je Beilsteins Handbuch der organischen Chemie. Zde jsou veškeré poznatky organické chemie účelně roztříděny do 27 dílů. První řada (H = Hanptwerk) zahrnuje literaturu do roku 1909. Na tuto základní řadu navazují 1. doplňky (EI), u kterých každý ze 27 dílů odpovídá příslušnému dílu H a zahrnuje literaturu asi do r. 1919, druhé doplňky (E II) zahrnující literaturu asi do r. 1929, třetí doplňky (E III) a 4. doplňky (E IV), které zahrnují literaturu až do roku 1959.
12
1.3.4.
Učebnice organické chemie
Úkolem učebnic je podat stručný a ucelený obraz buď o organické chemii jako celku nebo určitých specifických úsecích organické chemie. Žádná učebnice nemůže pochopitelně ani zdaleka nahradit kompendium, ale umožňuje rychle se orientovat v příslušném oboru. Jednotlivé učebnice se mohou lišit jak svým zaměřením, ale i rozsahem a způsobem zpracování a konečně i tím, pro koho je určena – zda pro začínajícího studenta nebo pro erudovaného odborníka. Na tomto místě budou uvedeny jen některé základní učebnice organické chemie našich i slovenských autorů, dále některé do češtiny přeložené učebnice autorů zahraničních a konečně nejvýznamnější zahraniční učebnice organické chemie v originále. (1)
O. Červinka a kol.: Chemie organických sloučenin, SNTL (1987).
(2)
O. Červinka, V. Dědek, M. Ferles: Organická chemie, SNTL, ALFA (1980).
(3)
O. Červinka, V. Dědek, M. Ferles: Organická chemie, SNTL (1969).
(4)
D. J.Cram, G. S. Hammond: Organická chemie, Akademia Praha (1969).
(5)
M. Orchin a kol.: Organická chemie, Příručný naučný slovník, SNTL (1986).
(6)
P. Hrnčiar: Organická chémia, Bratislava (1977).
(7)
J. Kováč, Š. Kováč: Organická chémia, Alfa (1977).
(8)
J. Mc Murry: Organic Chemistry, U.S.A. (2001).
(9)
J. March: Advanced Organic Chemistry, Wiley (1992).
(10)
Beyer – Walter: Lehrbuch der Organischen Chemie, Stuttgart (1991).
(11)
L. Fieser, M. Fieser: Organische Chemie, Weinneim (1972).
(12)
Obsáhlou pětidílnou učebnicí organické chemie je E. H. Rodd: Chemistry of Carbon Compounds Elsevier (1962).
13
