Orgaaninen kemia
Orgaaninen kemia on hiiliyhdisteiden kemiaa. Se on luonnon ja synteettisten orgaanisten yhdisteiden kemiaa.
Orgaanisen kemian juuret ovat noin 1700-luvun puolessavälissä, jolloin kemia alkoi muovautua alkemiasta oikeaksi luonnontieteeksi. Tuolloin elävissä organismeissa esiintyvien aineiden tiedettiin poikkeavan merkittävästi niistä, joita oli eristetty mineraaleista. Orgaaniset aineet olivat vaikeasti eristettäviä ja puhdistettavia. Ruotsalainen kemisti Torbern Bergman oli ensimmäinen, joka jaotteli yhdisteitä orgaanisiin ja epäorgaanisiin. Hän käytti jaottelua tutkimuksissaan 1770-luvulla. Orgaanisen kemian käsite yleistyi 1800-luvun alussa tarkoittamaan elävissä organismeissa olevien aineiden kemiaa.
Useat tuon ajan kemistit uskoivat orgaanisten yhdisteiden sisältävän jonkinlaista "elämänvoimaa" eikä niitä voitaisi sen vuoksi käsitellä laboratoriossa epäorgaanisten aineiden tapaan. Kyseinen vitalismiksi kutsuttu teoria järkkyi kuitenkin jo 1816, jolloin Michel Chevreul todisti, että saippua voitiin jakaa orgaanisiin aineisiin – glyseriiniin ja rasvahappoihin – ilman ulkopuolista "elämänvoimaa". Kymmenen vuotta myöhemmin Friedrich Wöhler murensi lisää vitalismiteoriaa valmistaessaan orgaanista ureaa ammoniumsyanaatista, joka oli epäorgaaninen suola. 1800-luvun puolivälissä "elämänvoimaan" ei enää yleisesti uskottu, ja orgaanisen ja epäorgaanisen kemian raja ymmärrettiin häilyväksi. Orgaanisessa ja epäorgaanisessa kemiassa pätivät samat lait. Ainoa perustavanlaatuinen ero oli kaikkien orgaanisten yhdisteiden sisältämä hiili.
Kemian kehitys mahdollisti myöhemmin orgaanisten yhdisteiden valmistamisen synteettisesti laboratoriossa. Muovien ja muiden luonnossa esiintymättömien, mutta orgaanisten yhdisteiden valmistus tuli mahdolliseksi. Lisäksi monien luonnossa esiintyvien orgaanisten yhdisteiden valmistus laboratoriossa kävi halvemmaksi kuin yhdisteiden hankkiminen luonnosta. Esimerkiksi kipulääkkeisiin pajunkuoresta saatu aspiriini on jo yli sadan vuoden ajan korvattu synteettisellä aspiriinilla.
Kemiallisia yhdisteitä tunnetaan jo yli 50 miljoonaa ja orgaanisten yhdisteiden osuus kaikista tunnetuista kemiallisista yhdisteistä on yli 95 %. Orgaanisen kemian hiilirakenteilla on keskeinen merkitys nanotieteisiin.
Orgaanisen kemian moderni tutkimus voidaan jakaa karkeasti orgaanisten yhdisteiden valmistamisen tutkimukseen eli syntetiikkaan ja orgaanisten yhdisteiden ominaisuuksien ja pitoisuuksien tutkimukseen eli analytiikkaan. Synteettinen orgaaninen kemia tuottaa uusia orgaanisia yhdisteitä, esimerkiksi lääkkeiden aktiivisia komponentteja, lääkeaineita. Uusien synteesimenetelmien kehittäminen on tärkeä orgaanisen kemian tutkimusalue. Analytiikka keskittyy synteettisten tai luonnossa esiintyvien aineiden rakenteiden, ominaisuuksien ja pitoisuuksien tutkimiseen. Orgaanisten yhdisteiden rakenteita määritetään spektrometrisillä menetelmillä (UV, IR, NMR ja massaspektrit). Orgaanisia yhdisteitä voidaan erottaa toisistaan ja niiden pitoisuuksia voidaan määrittää kromatografisilla menetelmillä. Orgaaninen kemia tutkii ja vertailee hiiliyhdisteiden rakenteita ja ominaisuuksia.
Nykyisin pelkästään elollisen luontoon keskittyvää kemianalaa kutsutaan biokemiaksi.
Jaksollisen järjestelmän 14. ryhmään kuuluva hiili on orgaanisen kemian perusta. Hiili muodostaa kovalenttisia sidoksia useiden aineiden kanssa.
Jokainen hiiliatomi muodostaa aina joko
Hiiliatomien väliset sidokset ovat lujia. Sen vuoksi hiiliyhdisteet eivät ole kovin reaktiivisia.
Hiili muodostaa helposti kovalenttisen sidoksen vedyn kanssa. Hiilivedyt ovat orgaanisia yhdisteitä, joissa on vain hiiltä ja vetyä. Yksinkertaisin hiilivety on metaani. Siinä yhteen hiiliatomiin on kovalenttisesti sitoutunut neljä vetyatomia.
Alifaattiset eli avoketjuiset hiilivedyt:
Sykliset hiilivedyt:
Hiilen sidos vedyn kanssa on heikosti poolinen, sillä hiilen ja vedyn elektronegatiivisuusero on 0,4. Hiilivedyt ovat kuitenkin usein poolittomia, sillä poolisuus kumoutuu yhdisteen muodon vuoksi. Hiilivetyjen välille muodostuu tällöin vain dispersiovoimia, jotka ovat luonteeltaan heikkoja.
Orgaaniset yhdisteet luokitellaan usein niiden sisältämien toiminnallisten eli funktionaalisten ryhmien mukaan. Kaksois- ja kolmoissidokset katsotaan myös funktionaalisiksi ryhmiksi ja niiden perusteella tapahtuu orgaanisten yhdisteiden luokittelu alkeeneihin ja alkyyneihin. Funktionaalisella ryhmällä on suuri merkitys siihen, miten orgaaninen yhdiste reagoi.
Toiminnallisen ryhmän perusteella orgaaniset yhdisteet ryhmitellään
Orgaanisissa yhdisteissä on usein monia eri funktionaalisia ryhmiä, jolloin yhdiste kuuluu useaan luokkaan. Esimerkiksi allyylialkoholi eli propenoli on sekä alkoholi että alkeeni, ns. alkenoli. Orgaaniset yhdisteet nimetään niiden sisältämien funktionaalisten ryhmien mukaan.
Samanlaiset funktionaaliset ryhmät reagoivat yleensä samoin, riippumatta molekyylin muista osista, ja aiheuttavat aineelle vastaavanlaisia ominaisuuksia. Siten esimerkiksi kaikki karboksyylihapot ovat happamia, vaikka niissä olisi eripituinen hiiliketju (esimerkiksi etaanihappo CHCOOH, propaanihappo CHCHCOOH, jne. ovat kaikki happamia). Sen sijaan saman määrän hiiliä sisältävät aineet, joissa on joitakin toisia funktionaalisia ryhmiä, ovat täysin erilaisia: etaani on neutraali, ei hapan eikä emäksinen kaasu, samoin propaani ja butaani; etanoli, propanoli, jne. ovat hyvin heikosti happamia.
Orgaanisen yhdisteen nimen alku määräytyy pisimmän yhtenäisen hiiliketjun mukaan. Mikäli hiiliatomeita on
Funktionaalisen ryhmän paikka yhdisteessä tulee käydä ilmi nimestä. Paikka ilmaistaan nimen eteen liitetyllä pienimmällä sopivalla numerolla.
Yhdisteessä voi olla useita funktionaalisia ryhmiä, jolloin ne kaikki ilmaistaan yhdisteen nimessä.
Yhdisteessä voi olla myös erillisiä pisimpään hiilivetyketjuun kuulumattomia hiilivetyryhmiä. Nekin ilmaistaan yhdisteen nimessä.
Yhdisteessä voi olla useita samoja funktionaalisia ryhmiä. Niiden paikat ilmaistaan pilkulla esimerkin mukaan.
Yhdisteen mahdollinen syklisyys ilmaistaan etuliitteellä syklo-. Yhdisteen aromaattisuus ilmaistaan bentseenirenkaan mukaan bentseeninä.
Yhdisteen molekyylikaavasta käy ilmi, kuinka monta kunkin alkuaineen atomia on yhdessä yhdisteen molekyylissä. Monesti molekyylikaavan kirjoitusasusta voidaan päätellä myös yhdisteen isomeeri.
Kun molekyylin rakenne kaikkine sidoksineen halutaan kuvata tarkasti, käytetään rakennekaavaa.
Rakennekaavasta käy ilmi molekyylin atomien ja sidosten järjestys. Orgaanisten yhdisteiden atomit merkitään rakennekaavoissa alkuainemerkein ja niiden väliset kovalenttiset sidokset viivoin. Yksi sidosviiva tarkoittaa yksinkertaista kovalenttista sidosta, kaksi rinnakkaista sidosviivaa tarkoittaa kaksoissidosta ja kolme sidosviivaa kolmoissidosta. Kahden hiilen välinen yksinkertainen kovalenttinen sidos mallinnetaan siis kahtena C:nä ja niiden välisenä sidosviivana: C-C.
Koska rakennekaava on kaksiulotteinen, siitä ei käy ilmi molekyylin todellinen muoto. Siitä ei myöskään selviä molekyylin atomien kokojen suhteet. Suurimmat molekyylit voivat olla lisäksi vaikeasti luettavia ja työläitä piirtää. Ilman oikeita sidoskulmia eli suorin kulmin piirrettynä piirros on lisäksi epärealistinen eikä kerro aineen reaktiivisuudesta.
Hiilien ja vetyjen väliset sidokset jätetään viivakaavoissa merkitsemättä helpomman luettavuuden vuoksi. Tällöin paitsi vetyjen myös hiilten kemiallinen merkki jätetään kirjoittamatta – hiilet ilmaistaan sidosten välisinä kulmina.
Viivakaava on yleinen mallintamistapa yksinkertaisuutensa vuoksi. Sillä on myös helpompaa mallintaa kolmiulotteisia rakenteita. Orgaanisen kemian alan julkaisuissä käytetään viivakaavoja.
Molekyylit voidaan piirtää myös palloiksi mallinnettujen atomien rypäinä. Tällöin molekyylin todellinen kolmiulotteinen muoto elektroniverhoineen käy selvimmin ilmi. Atomit esitetään yleensä värillisinä selkeyden vuoksi (atomeilla ei ole oikeasti väriä). Erityisesti isommissa yhdisteissä molekyylin osia voi jäädä piiloon.
Tyypillisiä orgaanisen kemian reaktioita ovat