Содержание 

      введение

     Органическая  химия изучает соединения, в состав которых обязательно входит элемент  углерод. Исключение составляет лишь небольшое  число соединений, таких как оксид углерода (II), оксид углерода (IV), угольная кислота и ее соли, рассматриваемых в курсе неорганической химии. Кроме углерода, в состав органических соединений могут входить элементы: водород, хлор, кислород, азот, фосфор и др. Таким образом, органическая химия — это химия соединений углерода. Она изучает строение, свойства и применение органических соединений.

     Органические  вещества были известны еще в древние  времена: люди знали о брожении виноградного сока, в результате чего образуется спирт, получали уксусную кислоту при  скисании вина, некоторые красители, например индиго, из растений. Уже в древности люди пользовались такими органическими веществами как масла, жиры, сахар, крахмал, смолы и т. п.

     В первоначальный период развития химии  не делалось различия между неорганическими и органическими веществами. Химические вещества в то время классифицировались лишь на основе их физических свойств. Поэтому, например, жирные масла ставились в один ряд с купоросным маслом (серная кислота). В конце XVII в. вещества делились на три группы: растительные, животные и минеральные. В дальнейшем, особенно в конце XVIII в., начались исследования органических веществ. Из растений были выделены и изучены такие важные органические кислоты как щавелевая, лимонная, яблочная, молочная и др. Исследовались продукты жизнедеятельности животных организмов, например, были выведены и изучены мочевина и мочевая кислота.

     По  мере изучения органических веществ  были установлены факты, доказывающие, что между веществами растительного  и животного происхождения нет принципиальной разницы. Например, при окислении растительного вещества — сахара получается муравьиная кислота — вещество животного происхождения; жиры содержатся и в животных, и в растительных организмах. Накопленные факты заставили пересмотреть представления о веществах растительного и животного происхождения и ввести общее понятие «органические вещества». Химия, занимающаяся изучением этих веществ, была названа органической.

     Современное человеческое общество живет и продолжает развиваться, активно используя  достижения науки и техники, и  практически немыслимо остановиться на этом пути или вернуться назад, отказавшись от использования знаний об окружающем мире, которыми человечество уже обладает. Накоплением этих знаний, поиском закономерностей в них и их применением на практике занимается наука. Человеку как объекту познания свойственно разделять и классифицировать предмет своего познания (вероятно, для простоты исследования) на множество категорий и групп; так и наука в свое время была поделена на несколько больших классов: естественные науки, точные науки, общественные науки, науки о человеке и пр. Каждый из этих классов делится, в свою очередь, на подклассы и т. д. и т. п. Но среди этого многообразия наук есть науки "лидеры" и науки "отстающие". Одними из современных наук "лидеров" и являются биология и медицина.

     Большая часть современной естественнонаучной литературы в той или иной мере посвящена исследованию именно живой природы. Биологическими проблемами занимаются сейчас десятки наук. Очень продуктивными оказываются и науки, связанные с претворением новейших биологических открытий в жизнь.

     Можно без преувеличения сказать, что  одной из таких отраслей приложения биологии многие из нас обязаны здоровьем и даже жизнью. Речь идет о медицине, которая в настоящие годы переходит не только к использованию лекарств нового поколения и применению в практике новых материалов, но к таким методам лечения, которые позволяют воздействовать на болезнь в самом ее начале, а то и до начала! Это стало возможным в связи с исследованием молекулярных механизмов развития множества заболеваний и коррекцией нарушений не привычным методом введения в организм недостающих веществ, а путем воздействия на естественные процессы биорегуляции (с помощью специальных биорегуляторов или на генетическом уровне). Решение множества ключевых проблем современности, таких как производство продуктов питания, многих лекарств и других веществ связано с активным внедрением в жизнь биотехнологий.

     Столь ощутимый прогресс биологии был бы невозможен без ее активного взаимодействия с другими науками. Но парадокс современного состояния науки состоит в том, что множество исследований оказывается "на стыке наук", для продуктивного решения проблемы приходится привлекать ученых различных специальностей; более того, многие ученые в настоящее время, в век узкой специализации, вынуждены овладевать смежными специальностями, и множество современных исследований с трудом можно отнести к какой-нибудь одной отрасли науки. При решении биологических проблем тесно переплетаются идеи и методы биологии, химии, физики, математики и других областей знания. Именно проблема взаимодействия органической химии с биологическими дисциплинами и их приложениями в медицине и рассмотрена в данной работе.

      1. История  становления органической  химии 
в биологии и медицине

     Истоки  органической химии восходят к глубокой древности (уже тогда знали о спиртовом и уксуснокислом брожении, крашении индиго и ализарином). Однако в средние века (период алхимии) были известны лишь немногие индивидуальные органические вещества. Все исследования этого периода сводились главным образом к операциям, при помощи которых, как тогда думали, одни простые вещества можно превратить в другие.

     Начиная с 16 в. (период ятрохимии) исследования были направлены в основном на выделение и использование различных лекарственных веществ: был выделен из растений ряд эфирных масел, приготовлен диэтиловый эфир, сухой перегонкой древесины получены древесный (метиловый) спирт и уксусная кислота, из винного камня — винная кислота, перегонкой свинцового сахара — уксусная кислота, перегонкой янтаря — янтарная кислота. Большая роль в становлении органической химии принадлежат А. Лавуазье, который разработал основные количественные методы определения состава химических соединений.

     Слияние химии соединений растительного  и животного происхождения в  единую химическую науку органической химии осуществил Й. Берцелиус, который ввел сам термин и понятие органического вещества, образование последнего, по Берцелиусу, возможно только в живом организме при наличии "жизненной силы". Это заблуждение опровергли Ф. Вёлер (1828), который получил мочевину (органическое вещество) из цианата аммония (неорганическое вещество), А. Кольбе, синтезировавший уксусную кислоту, М. Бертло, получивший метан из H₂S и CS₂, A. M. Бутлеров, синтезировавший сахаристые вещества из формалина.

     В первой половине 19 в. был накоплен обширный опытный материал и сделаны первые обобщения, определившие бурное развитие органической химии: развиты методы анализа органических соединений (Берцелиус, Ю. Либих, Ж. Дюма, М. Шеврёль), создана теория радикалов (Вёлер, Ж. Гей-Люссак, Либих, Дюма) как групп атомов, переходящих неизменными из исходной молекулы в конечную в процессе реакции; теория типов (Ш. Жерар, 1853), в которой органические соединения конструировались из неорганических веществ — "типов" (тип водорода, воды, хлористого водорода, аммиака) замещением в них атомов на органические фрагменты; введено понятие изомерии (Берцелиус).

     Исследования  Э. Франклендом (1852) металлоорганических соединений позволили установить четырехвалентность углерода, заложить основы теории валентности (Ф. Кекуле, 1858) и постулировать существование углерод-углеродных простых и двойных связей. Революционный вклад внес А. Купер (1858), который ввел понятие валентного штриха. С тех пор и по настоящее время химики используют язык так называемых конституционных (структурных) формул молекул органических соединений, в которых связи между отдельными атомами обозначаются с помощью одного (простая, или одинарная, связь), двух (двойная) или трех (тройная) валентных штрихов.

     Одновременно  продолжается интенсивное развитие синтеза. Создаются первые промышленные производства органических соединений (А. Гофман, У. Перкин-старший — синтетические красители: мовеин, фуксин, цианиновые и азокрасители). Усовершенствование открытого Н. Н. Зининым (1842) способа синтеза анилина послужило основой создания анилинокрасочной промышленности. В лаборатории А. Байера синтезированы природные красители — индиго, ализарин, индигоидные, ксантеновые, антрахиноновые.

     Идея  неразрывной связи химической и  физической свойств молекулы с ее строением, идея единственности этого строения впервые была высказана Бутлеровым (1861), который создал классическую теорию химического строения (атомы в молекулах соединяются согласно их валентностям, химические и физические свойства соединений определяются природой и числом входящих в их состав атомов, а также типом связей и взаимным влиянием непосредственно несвязанных атомов). Теория химического строения определила дальнейшее бурное развитие органической химии: в 1865 г. Кекуле предложил формулу бензола, позднее высказал идею об осцилляции связей; В. В. Марковников и А. М. Зайцев сформулировали ряд правил, впервые связавших направление химической реакции с химическим строением вступающего в реакцию вещества. Экспериментальные данные И. Вислиценуса (1873) об идентичности структурных формул (+)-молочной кислоты (из кислого молока) и (±)-молочной кислоты послужили толчком для создания стереохимической теории (Я. Вант-Гофф и Ж. Ле Бель, 1874), в которой постулировалось тетраэдрическое строение фрагмента с четырехвалентным атомом углерода, что в случае четырех различных заместителей предсказывало существование пространственно-зеркальных изомеров; для соединений с двойной связью (тетраэдры соединяются по ребру) — наличие геометрической изомерии. На этой основе возникла стереохимия — наука о трехмерной ориентации атомов в молекулах и вытекающих отсюда следствиях, касающихся свойств соединений.

     Работами  Байера, К. Лаара, Л. Клайзена, Л. Кнорра развиты представления о таутомерии — подвижной изомерии. Все эти теоретические представления способствовали мощному развитию синтетической химии.

     К концу 19 в. были получены все важнейшие  представители углеводородов, спиртов, альдегидов и кетонов, карбоновых кислот, галогено- и нитропроизводных, азот- и серосодержащих структур, гетероциклов ароматической природы. Разработаны методы получения диенов, ацетиленов и алленов (А. Е. Фаворский). Открыты многочисленные реакции конденсации (Ш. Вюрц, А. П. Бородин, У. Перкин, Клайзен, А. Михаэль, Ш. Фридель, Дж. Крафтс, Э. Кнёвенагель и др.). Исключительные успехи были достигнуты Э. Г. Фишером в изучении углеводов, белков и пуринов, в использовании ферментов в органическом синтезе (1894), им же был осуществлен синтез полипептидов. Основой промышленности душистых веществ становятся работы О. Валлаха по химии терпенов. Выдающимися даже для нашего времени являются пионерские работы Р. Вильштеттера [установление структуры кокаина (1897) и хлорофилла (1907-1911)]. Фундаментальный вклад в развитие органического синтеза был внесен В. Гриньяром (1900-1920) и Н. Д. Зелинским (1910) — создание исключительно плодотворного метода синтеза магнийорганических соединений и открытие каталитических превращений углеводородов; последнее сыграло выдающуюся роль в развитии химии нефти. Химия свободных радикалов началась с работ М. Гомберга (1900), открывшим трифенилметильный радикал, и была продолжена работами А. Е. Чичибабина, Г. Виланда и Ш. Гольдшмидта.

     Разработка  Ф. Преглем в начале 20 в. методов микроанализа органических веществ способствовала дальнейшему быстрому развитию химии природных соединений, что ознаменовалось работами Виланда (1910) по установлению природы желчных кислот; А. Виндауса (1913-1915) — природы холестерина; работами Г. Фишера (1927-1929) по синтезу таких ключевых соединений как порфирин, билирубин и гемин; У. Хоуорса (Хеуорс) — по установлению структуры углеводов, синтезу витамина С; П. Каррера, Р. Куна (1911-1939) — по получению каротиноидов и витаминов В₂, В₆, Е и К; химия алкалоидов, половых гормонов, терпенов была создана работами А. Бутенандта (1929-1961), Л. Ружички (1920-1924), А. П. Орехова и Р. Робинсона.

     К середине 20 в. органический синтез претерпевает бурное развитие. Это определялось открытием таких основополагающих процессов как получение олефинов с использованием илидов (Г. Виттиг, 1954), диеновый синтез (О. Дильс, К. Альдер, 1928), гидроборирование непредельных соединений (Г. Браун, 1959), синтез нуклеотидов и синтез гена (А. Тодд, X. Корана). Не менее значительны успехи в химии металлоорганических соединений (А. Н. Несмеянов, Г. А. Разуваев). В 1951 г. был осуществлен синтез ферроцена, установление "сэндвичевой" структуры которого Р. Вудвордом и Дж. Уилкинсоном положило начало химии металлоценовых соединений и вообще химии органических соединений переходных металлов. В 1955 г. Э. О. Фишер синтезировал дибензолхром и разработал метод синтеза ареновых производных переходных металлов.

     В 20-30-е гг. 20 столетия А. Е. Арбузов создает основы химии фосфорорганических соединений, что впоследствии привело к открытию новых типов физиологически активных соединений, комплексонов и др.

     В 60-е гг. Г. Шилл осуществил синтез таких "неклассических" соединений как  катенаны и ротаксаны. В 60-80-е гг. Ч. Педерсен, Д. Крам и Ж. М. Лен разрабатывают химию краун-эфиров, криптандов и других родственных структур, способных образовывать прочные молекулярные комплексы, и тем самым подходят к важнейшей проблеме «молекулярного узнавания».

     Современный период развития органической химии  характеризуется в области теории все большим проникновением методов квантовой механики в органическую химию. С их помощью химики пытаются решить вопрос о причинах того или иного проявления взаимного влияния атомов в молекулах. В области развития органического синтеза современный период характеризуется исключительными успехами в получении природных веществ, участвующих в жизнедеятельности растений и животных. Синтезированы хлорофилл, гемин и многие гормоны, витамины, алкалоиды и антибиотики. Успешно решается величайшая проблема огромного философского значения — проблема синтеза белка. В последние годы расшифровано строение молекул ряда белков и уже синтезированы простейшие белковые вещества. Выявлена роль нуклеиновых кислот в синтезе белка, в хранении и передаче наследственной информации. Осуществлен синтез гена. В промышленности наблюдается исключительный прогресс в производстве необходимых для развития техники новых материалов, природных веществ и их заменителей, в использовании прогрессивных каталитических методов, сверхвысоких давлений, в разработке методов очистки органических веществ.