SZERVES KÉMIAI ALAPISMERETEK

1. FEJEZET

SZERVES KÉMIAI ALAPISMERETEK

A SZERVES KÉMIA TUDOMÁNNYÁ VÁLÁSA

A szerves kémia a szénvegyületek tudománya. Ez az összegzö meghatározás sok évszázadra visszatekintö, változatos, misztikumoktól sem mentes tudományos fejlödés eredményeként fogalmazható meg. A szerves kémia hatalmas mennyiségü ismeretanyag tárháza, igen nagy számú egymással szorosan összefüggö vagy éppen csupán érintölegesen kapcsolatban álló tudományterület 646f54g összessége. Interdiszciplináris jellege különösen napjainkban meghatározó a biológia tudományok vonatkozásában. Tudománytörténete a többi természettudományhoz hasonlóan sokszínü és tanulságos.

A szerves (organikus) kémia megjelölést elsöként Berzelius svéd kémikus használta 1806-ban megjelent könyvében. Az élölényeket felépítö és azok által termelt anyagokra vonatkozó ismerteket szerves kémia címen foglalta össze, megkülönböztetve az ásványi eredetü anyagok kémiájától, azaz a szervetlen (anorganikus) kémiától.

A szerves vegyületek elkülönített tanulmányozását a 19. század elejének természettudományos gondolkodására jellemzö és általánosan elfogadott ún. életerö (vis vitalis) elmélet indokolta, miszerint az élö szervezetek által termelt anyagokat laboratóriumban, mesterséges úton nem lehet elöállítani, az ilyen anyagok keletkezéséhez életerö szükséges.

A szerves kémia mint önálló tudomány tehát a 19. század elejétöl kezdve létezik, ám tudománnyá válásának változatos folyamata egyidös az emberiség történetével, hiszen az anyagismeret a kezdetektöl fogva a mindenkori emberi tudás része volt.

Az ókorban a szerves kémiai technológia kezdeteit a csávafestés, a börcserzés, az ecetkészítés mindennapi gyakorlata jelentette. A kenyér kelesztésének, a sör és a bor erjesztésének kémiai folyamatai ugyancsak ismertek voltak.

A növényeknek a gyógyításban, varázslásban való széles körü hasznosítása is többnyire tudatos megfigyelésekre és valós ismeretekre utalnak. A növényi kivonatokat máig galenusi készítményeknek nevezzük, utalva Galenos görög-római orvosra, aki elsöként foglalta írásba De materia medica címen a növényi anyagok kivonásával és felhasználásával kapcsolatos korabeli ismereteket.

A középkor az alkímia kora, amikor a bölcsek kövét és az élet vizét kutatták, azaz az aranycsinálás és az örök élet titkának felfedezése volt a tudományos cél. A tudománytörténet az alkímia korát jatrokémia (orvosi vegytan) korának is nevezi. Európában Paracelsust tekintjük az orvosi vegytan megteremtöjének, aki Galenos csak növényi kivonatokat használó orvoslásával szemben fémeket és szervetlen sókat is alkalmazott a gyógyításban.

A középkorban az alkimisták eröfeszítései ugyan nem vezettek eredményre, de kísérletezö kedvük a laboratóriumi technika kialakulásában, a kezdetleges laboratóriumok létrehozásában, a jelenségek kísérletes megfigyelésében mégis jelentös.

A kémia és általában a tudományos gondolkodásmód fejlödéstörténetét a 18. század közepétöl az ismeretek jelentös bövülése jellemezte. Az anyagmegmaradás elvének (Lomonoszov, 1750) és az analitikai vizsgálati módszerek jelentöségének felismerése, valamint az utóbbiak kidolgozása és kezdetleges alkalmazása (Lavoisier, 1789; Dumas, 1827; Liebig, 1831) segítették a valós kémiai tudás megszerzését. Ezekben az években ismerik fel az égés és az alapvetö életfolyamatok lényegét és összefüggéseit. Növényi és állati szervezetekböl egységes kristályos anyagokat (Scheele: oxálsav, borkösav, tejsav, húgysav stb.) izolálnak. Sokáig azt gondolták, hogy a növények csak savas természetü anyagokat termelnek, ezért nagy feltünést keltett, hogy Sertürner (1805) az ópiumból egy bórikus (bázikus) anyagot izolált, amit morfinnak nevezett el.

A tudományos szemlélet alakításában az igazi fordulópontot Wöhler nevezetes kísérletei jelentették 1824-ben és 1828-ban, amelyek végérvényesen megdöntötték a vis vitalis elméletet, bizonyítván, hogy a szerves vegyületek laboratóriumi körülmények között, tehát vegyi úton is elöállíthatók az ásványvilág anyagaihoz hasonlóan.

Wöhler elsö kísérletében a dicián hidrolízisével sóskasavat (oxálsavat) állított elö. A diciánt higany-cianid höbontásával nyerte.

Második kísérletében az ammónium cianát hevítésével karbamidhoz jutott. A karbamid az emberi és állati szervezet nitrogén-anyagcseréjének végterméke.

Ezek az ismeretek jelentösen segítették a szintetikus szerves kémia fejlödését. A köszénkátrányból desztillációval nyert benzol, fenol és anilin a festékipar legfontosabb alapanyagai lettek. Ugyanakkor a szintetikus úton való alapanyaggyártás is elterjedt és több természetes eredetü alapanyag benzolból kiinduló szintézisét ugyancsak megvalósították: például Zinyin 1841-ben a benzolból nyert nitrobenzol redukciójával anilinhez jutott.

A 19. század elején a kísérleti tapasztalatok rohamosan gyültek, miközben a vegyületek szerkezetéröl csak homályos elképzelések voltak. Egymásután születtek a különbözö elméletek a molekulák szerkezetéröl (gyökelmélet 1832, szubsztitúciós elmélet 1838, típuselmélet 1853), miközben az egyes tanok hívei között heves viták folytak. 1858-ban végül megszületett a struktúratan (Butlerov, Cooper, Kekule), ami kimondta:

a)      Az atomok határozott számú vegyértékeik útján kapcsolódnak molekulákká.

b)      A szén vegyületeiben négyvegyértékü, a vegyértékek egyenrangúak és ezekkel a szénatomok egymással összekapcsolódva láncokat képezhetnek.

c)      A molekulákban az atomok meghatározott rendben kapcsolódnak egymáshoz. Egy vegyületnek csak egy képlet felel meg.

Ezt követöen gyorsan elterjedtek a vegyületek ábrázolására a ma is használt szerkezeti képletek. A szerkezeti képlet a molekula tömegét és azon belül az atomok kapcsolódási sorrendjét (konstitucióját) mutatja meg, vagyis azt fejezi ki, hogy egy-egy atom hány másik atommal és hányszoros kötéssel kapcsolódik.

A szénatomok közötti kettös és hármas kötések kialakulásának lehetösége sok vegyület szerkezetének a megismerését tette lehetövé, ám a benzol összegképletének (C₆H₆) megfelelö pontos struktúrát ezek alapján sem tudták felírni. Kekule 1865-ben zseniálisan ismerte fel, hogy a szénatomok gyürüvé is összekapcsolódhatnak és ezek alapján felvázolta a benzol gyürüs szerkezetét.

A benzol sajátságos kémiai tulajdonságai azonban nehezen voltak értelmezhetök a Kekule-formula szerint. A benzol szerkezete több mint 60 évig a tudományos viták középpontjában állt.

Az 1820-as években, több esetben is tapasztalták, hogy két vegyületnek bár azonos volt az összegképlete, de a tulajdonságaik mégis eltéröek voltak. A jelenséget 1830-ban Berzelius izomériának (görögül: azonos részekböl felépülö) nevezte el. Az izoméria egyik különleges formáját, az optikai izomériát 1847-ben Pasteur fedezte fel a szölösavval (borkösavval) végzett kísérletei során: a racém borkösavat szétválasztotta két optikailag aktív módosulatra, és a polarizált fény síkjának ellentétes irányú elforgatását a belsö molekuláris szerkezetkülönbséggel magyarázta. Ezek a vizsgálatok irányították elöször a kutatók figyelmét a molekula térbeli elrendezödésének fontosságára. A borkösav kristályok tükörképi szimmetriája elvezetett a szénatom tetraéderes vegyérték-orientációjának felismeréséig, amit 1874-ben van't Hoff és Le Bel fogalmaztak meg, és ezzel lerakták a sztereokémia alapjait.

Az újabb ismeretek birtokában egyre több természetes anyag szerkezetét sikerült felderíteni. A lebontás és a szerkezetbizonyító szintézisek elvét sikerrel alkalmazták, például az antracén, az alizarin (Perkin, 1869), az indigó (Baeyer, 1880), a terpének (Wallach, 1884) szerkezetének felderítésére és szintézisére. Kiemelkedö Emil Fischer munkája, aki a szénhidrátok, a purinvázas vegyületek és a fehérjék szerkezetének és térszerkezetének felderítésében ért el kimagasló eredményeket. Munkájáért 1902-ben a szerves kémikusok közül elsöként kapott Nobel-díjat.

A 19. század utolsó évtizedeiben váltak ismertté az általánosan alkalmazható szerves kémiai alapszintézisek, mint például az acetecetészter-szintézis, a Friedel-Crafts-szintézis, a Grignard-reakció, a malonészter-szintézis, a szulfonálás. A Walden-inverzió felfedezése a reakciók sztereokémiai vizsgálatát tette lehetövé.

Mindezek az ismeretek kiegészülve a fizika 20. század fordulóján bekövetkezett robbanásszerü fejlödésének eredményeivel - az atomszerkezetre vonatkozó felfedezésekkel és a kvantummechanika kialakulásával - meghozták a kémikusok számára is a továbblépés lehetöségét, azaz a kémiai kötés természetének a megismerését.

A kémiai kötés elektronelméletét Kossel és Lewis 1916-ban dolgozták ki, hiányosságait föként a reakciók mechanizmusának megértésére vonatkozóan továbbfejlesztése, az elektron-eltolódási elmélet pótolta (Lewis, Ingold, Pauling, 1923-32). Az a felismerés, hogy egyes molekulák viselkedése nem írható le egyetlen klasszikus vegyértékképlettel, elvezetett a mezoméria-elmélethez (közbülsö állapotok elmélete). Az elektron hullámtermészetének felismerése lehetövé tette a kémiai kötés hullámmechanikai leírását, s így a benzol szerkezetével kapcsolatos vita is megoldódott (Hückel, 1931).

A szerves kémia 20. századi eredményességét nagyban segítette az anyagok izolálására, elválasztására, tisztaságuk ellenörzésére szolgáló nagyhatású módszerek elterjedése, többek között a különbözö kromatográfiás eljárások, gélszürés, gázkromatográfia, elektroforézis, ellenáramú megoszlás, valamint a szerkezetfelderítésre alkalmas spektroszkópiai módszerek, mint például az ultraibolya, látható és infravörös spektroszkópia, mágneses magrezonancia spektroszkópia, különbözö kiroptikai módszerek, röntgen-krisztallográfia és a tömegspektrometria.

Az ismeretek és a megfelelö technikai háttér eredményeként az elmúlt század szerves kémiai eredményei, felfedezései lenyügözöek, föként a természetes szerves vegyületek szerkezetvizsgálatai és szintézisei területén. A legkiemelkedöbb eredmények közé soroljuk a karotinoidok, köztük az A-vitamin szerkezetének felderítését és szintézisét, a C-vitamin izolálását és ugyancsak a szintézisét, a koleszterin és a morfin szerkezetfelderítését, a növényi eredetü klorofill szerkezetének megismerését és szintézisét. A nukleinsavak szerkezeti felépítésének megismerése vezetett a korszak talán legnagyobb tudományos felfedezéséhez, az emberi örökítö anyag, a DNS szerkezetének felderítéséhez (Watson, Crick, 1953). Ugyancsak kimagasló jelentöségü a hemoglobin primer szerkezetének megismerése, és szerkezetének fizikai-kémiai módszerekkel történt megerösítése, hasonlóan az inzulin szerkezetének felderítése és szintézisének megoldása is.

A 20. század közepére megteremtödtek az élet mélyebb megismeréséhez szükséges kémiai alapok. Egy új tudomány, a molekuláris biológia az élö szervezetben lejátszódó anyagcsere-folyamatokat speciális környezetben végbemenö szerves kémiai reakciók sorozataként értelmezi, és az ok-okozati összefüggéseket molekuláris szinten kutatja. Napjaink e tudományterülethez kapcsolódó legnagyobb kihívása az ún. Humane Genome Project, vagyis a teljes emberi kromoszómakészlet génösszetételének feltérképezése. E cél megvalósulása által új távlatok nyílhatnak a betegségek okainak felderítésében és a gyógyításban egyaránt.

A fenti, érintöleges áttekintésünk a szerves kémia múltjára és jelenére, folyamatosan változó tudományos eredményeire, fejlödésére bizonyossá teszi, hogy ugyanazok a törvényszerüségek érvényesülnek az élö szervezetben lejátszódó kémiai folyamatoknál is, mint a laboratóriumban végzett kémiai átalakulások során.

A szénvegyületek kémiájának külön tudományterületként, szerves kémiaként való müvelése tehát megalapozott tudományos indokra nem vezethetö vissza, annál inkább tradicionális okokra és a szénvegyületek igen nagy számára.

Az eddig ismert szénvegyületek száma mintegy húszszorosa (15 millió) a megismert szervetlen vegyületeknek, és számuk évente - föként a szintetikus kutatások révén - gyorsuló ütemben gyarapszik. A szénnek tehát önmagában jóval több ismert vegyülete van, mint az összes többi elemnek együtt.

A szénvegyületek óriási száma a szénatom különleges sajátságaira vezethetö vissza. A vegyületek sokaságát általában a kapcsolódási lehetöségek nagy száma teszi lehetövé. Ez a feltétel a szén esetében teljesül, hiszen a szén négy vegyérték elektronja más atomokkal négy kötö elektronpárt alakíthat ki, azaz négy kovalens kötést képes létesíteni. Ezek a kötések erösek a szénatom kis atomtörzse és viszonylag nagy elektronegativitása miatt, így a keletkezö molekulák stabilisak.

Továbbá a szén szinte az egyetlen elem, amelynek atomjai hosszú láncokká és gyürükké összekapcsolódva stabilis molekulákat képeznek. A változatosságot növeli, hogy a kapcsolódás sorrendje és térbeli elrendezödése számtalan izomer képzödésére adhat lehetöséget. A szénatomok közé beépülö heteroatomok a különbözö szénláncok és gyürük stabilitását alapvetöen nem befolyásolják, ám variációs számukat növelik. Tovább növeli a vegyületek nagy számát, hogy a szénatomok egymással nemcsak egyszeres de kettös, söt hármas kötés kialakítására is képesek.

A legegyszerübb szerves vegyületek szén- és hidrogénatomokból állnak, de igen elterjedtek a szén és a hidrogén mellett az oxigént, nitrogént, kenet tartalmazó molekulák is. Az organogén (C, H, O, N, S) elemeken kívül azonban a szerves vegyületek a periódusos rendszer számos elemét tartalmazhatják alkotó atomként, tovább növelve a szénvegyületek számát.