Frühe Knospenphase
Der Begriff „organische Chemie“ wurde erstmals 1806 von Betzerius, dem „Vater der organischen Chemie“, geprägt. Damals wurde sie als Antithese zur „anorganischen Chemie“ bezeichnet. Aufgrund wissenschaftlicher Einschränkungen kann der Gegenstand der Forschung in der organischen Chemie nur organisches Material sein, das aus natürlichen tierischen und pflanzlichen Organismen gewonnen wird. Daher glauben viele Chemiker, dass organische Verbindungen nur aufgrund der Existenz sogenannter „Vitalität“ in lebenden Organismen hergestellt werden können und nicht im Labor aus anorganischen Verbindungen synthetisiert werden können.
Im Jahr 1824 hydrolysierte der deutsche Chemiker Wühler Cyanat, um Oxalsäure herzustellen, und im Jahr 1828 nutzte er versehentlich Erhitzen, um Ammoniumcyanat in Harnstoff umzuwandeln. Sowohl Cyanid als auch Ammoniumcyanat sind anorganische Verbindungen, während Oxalsäure und Harnstoff beide organische Verbindungen sind. Die Ergebnisse von Wüllers Experimenten gaben der Lehre von der „Lebenskraft“ ihre erste Wirkung. Seitdem wurden organische Verbindungen wie Essigsäure aus Kohlenstoff, Wasserstoff und anderen Elementen synthetisiert und die Theorie der Vitalität wurde nach und nach aufgegeben.
Aufgrund der Verbesserung und Entwicklung von Synthesemethoden werden immer mehr organische Verbindungen im Labor synthetisiert, und die meisten davon unter Bedingungen, die sich stark von denen in lebenden Organismen unterscheiden. Die Lehre von der „Vitalität“ wurde nach und nach aufgegeben, der Begriff „organische Chemie“ wird jedoch noch heute verwendet.
Vom Beginn des 19. Jahrhunderts bis 1858, als das Konzept der Valenzbindung vorgeschlagen wurde, war es die Embryonalperiode der organischen Chemie. In dieser Zeit wurden viele organische Verbindungen isoliert, einige Derivate hergestellt, qualitativ beschrieben und die Eigenschaften einiger organischer Verbindungen erkannt.
Der französische Chemiker Lavoisier entdeckte, dass bei der Verbrennung organischer Verbindungen Kohlendioxid und Wasser entstehen. Seine Forschungsarbeiten legten den Grundstein für die quantitative Analyse organischer Verbindungen. 1830 entwickelte der deutsche Chemiker Liebig die Analysemethode für Kohlenstoff und Wasserstoff und 1833 etablierte der französische Chemiker Dumas die Analysemethode für Stickstoff. Die Etablierung dieser organischen Quantifizierungsmethoden ermöglicht es Chemikern, experimentelle Formeln für eine Verbindung zu finden.
Zu dieser Zeit war es sehr schwierig, das Problem zu lösen, wie die Atome im Molekül organischer Verbindungen angeordnet und kombiniert waren. Ursprünglich nutzte die organische Chemie die Binärtheorie, um das Strukturproblem organischer Verbindungen zu lösen. Die dualistische Theorie besagt, dass die Moleküle einer Verbindung in positiv geladene und negativ geladene Moleküle unterteilt werden können und die beiden durch elektrostatische Kraft zusammengehalten werden. Frühe Chemiker glaubten, dass bei bestimmten chemischen Reaktionen Moleküle organischer Verbindungen durch elektrostatische Kräfte einer Gruppe gebunden seien, die bei der Reaktion unverändert blieb, und einer Gruppe, die sich bei der Reaktion entsprechend der elektrostatischen Kraft der entgegengesetzten Ladung veränderte. Aber diese Lehre selbst ist sehr widersprüchlich.
Die Typologietheorie wurde von den französischen Chemikern Gérard und Laurent aufgestellt. Diese Theorie bestreitet, dass organische Verbindungen aus positiv geladenen und negativ geladenen Gruppen bestehen und dass organische Verbindungen von einigen substituierbaren Grundverbindungen abgeleitet sind und daher nach diesen Grundverbindungen klassifiziert werden können. Die Typologie klassifiziert viele organische Verbindungen in verschiedene Typen, anhand derer nicht nur einige Eigenschaften der Verbindungen erklärt, sondern auch einige neue Verbindungen vorhergesagt werden können. Die Frage nach der Struktur organischer Verbindungen kann die Typologie jedoch nicht beantworten. Diese Frage ist zu einem Rätsel geworden, das die Menschen seit vielen Jahren beschäftigt.
Periode der klassischen organischen Chemie
Von der Einführung der Valenzbindungstheorie im Jahr 1858 bis zur Einführung der elektronischen Theorie der Valenzbindungen im Jahr 1916 wurde dieses unlösbare Rätsel gelöst, und diese Zeit war die Zeit der klassischen organischen Chemie.
Im Jahr 1858 schlugen der deutsche Chemiker Kekuler und der britische Chemiker Cooper das Konzept der Valenzbindungen vor und verwendeten zum ersten Mal den Bindestrich „-“, um die „Bindung“ darzustellen. Sie glauben, dass organische Verbindungsmoleküle durch die Bindungen der Atome, aus denen sie bestehen, gebildet werden. Da von allen bekannten Verbindungen ein Wasserstoffatom nur an ein Atom eines anderen Elements binden kann, wird Wasserstoff als Wertigkeitseinheit gewählt. Die Wertigkeit eines Elements ist die Anzahl der Wasserstoffatome, die an ein Atom dieses Elements binden können. Kekuler schlug auch das wichtige Konzept vor, dass Kohlenstoffatome in einem Molekül aneinander binden können.
Im Jahr 1848 isolierte Pasteur zwei Weinsäurekristalle, einen mit einem halb-hemiphadralen Kristall auf der linken Seite und einen halbphalen Kristall auf der rechten Seite. Ersteres dreht das plan-polarisierte Licht nach links, während letzteres es im gleichen Winkel nach rechts dreht. Ein ähnliches Phänomen wurde bei der Untersuchung von Laktat festgestellt. Zu diesem Zweck schlugen der französische Chemiker Lebel und der niederländische Chemiker Van Torf 1874 jeweils ein neues Konzept vor: Isomere, die diese Isomerie zufriedenstellend erklärten.
Sie glauben, dass das Molekül eine dreidimensionale Einheit ist, dass die vier Valenzbindungen des Kohlenstoffs im Raum symmetrisch sind und auf die vier Ecken eines Tetraeders zeigen, und dass sich das Kohlenstoffatom in der Mitte des Tetraeders befindet. Wenn ein Kohlenstoffatom mit vier verschiedenen Atomen oder Gruppen verknüpft ist, entsteht ein Paar von Isomeren, die physikalisch und spiegelbildlich voneinander sind oder links-- und rechts--chirale Beziehungen aufweisen, und dieses Paar von Verbindungen sind optische Isomere oder Enantiomere voneinander. Dieses Phänomen wird Enantiomerenphänomen genannt. Diese beiden Moleküle, die zueinander physikalisch und spiegelbildlich sind, enantiometrisch, aber nicht vollständig überlappen, werden chirale Moleküle genannt. Die Theorien von Lebel und Vantorf bilden die Grundlage der Stereochemie in der organischen Chemie. [3]
Im Jahr 1900 wurde das erste freie Radikal, das freie Triphenylradikal, entdeckt, bei dem es sich um ein langlebiges freies Radikal handelt. Auch das Vorhandensein instabiler freier Radikale wurde 1929 bestätigt.
In dieser Zeit wurden große Fortschritte bei der Aufklärung der Struktur organischer Verbindungen sowie bei der Reaktion und Klassifizierung erzielt. Aber die Valenzbindung ist nur ein Konzept, das Chemiker aus praktischer Erfahrung abgeleitet haben, und das Wesen der Valenzbindung ist noch nicht geklärt.
Die Zeit der modernen organischen Chemie
Auf der Grundlage der Entdeckung der Elektronen durch Physiker und der Aufklärung der Atomstruktur schlugen der amerikanische physikalische Chemiker Lewis und andere 1916 die elektronische Theorie der Valenzbindungen vor.
Sie glauben, dass die Wechselwirkung der äußeren Elektronen jedes Atoms die Atome zusammenhält. Eine Ionenbindung entsteht, wenn die wechselwirkenden Außenelektronen von einem Atom auf ein anderes übertragen werden, und eine kovalente Bindung entsteht, wenn zwei Atome die Außenelektronen teilen. Durch die Übertragung oder gemeinsame Nutzung von Elektronen werden alle Außenelektronen der interagierenden Atome in der elektronischen Konfiguration des Edelgases aufgenommen. Somit handelt es sich bei dem Bindestrich „-“, der in der bildlichen Darstellung der Valenzbindung zur Darstellung der Valenzbindung verwendet wird, tatsächlich um ein Paar aus zwei Atomen, die sich Elektronenpaare teilen.
Nach 1927 nutzten Heitler und London die Quantenmechanik zur Lösung molekularer Strukturprobleme, etablierten die Valenzbindungstheorie und schlugen ein mathematisches Modell für chemische Bindungen vor. Später verwendete Malikon die Molekülorbitaltheorie, um die Molekülstruktur zu untersuchen, und die Ergebnisse stimmten im Allgemeinen mit der elektronischen Theorie der Valenzbindungen überein, und aufgrund der einfachen Berechnung konnten viele Probleme gelöst werden, die damals nicht beantwortet werden konnten.