Univerzitetski udžbenik ORGANSKA HEMIJA, publikovan u dva dela, je namenjen studentima svih obrazovnih profila tehnoloških fakulteta, koji prvi put na studijama izučavaju predmet Organska hemija, tako da je tekst jednostavan i pristupačan.

Prvo izdanje je publikovano 1966. godine, zatim 1980. i 1985. godine, a ovo izdanje predstavlja znatno izmenjen i dopunjen tekst ranijih izdanja koja su morala da budu inovirana obzirom na razvoj ove naučne oblasti i nova shvatanja mehanizama organskih hemijskih reakcija i strukture organskih jedinjenja.

Usled obimnosti materijala udžbenik je podeljen u dva dela. Na kraju drugog dela je dat literaturni pregled knjiga kojima su se autori koristili, indeks jedinjenja i hemijskih reakcija.

Novi Sad, oktobra 1992. godine.

M. V. Piletić B. Lj. Milić S. M. Đilas

Sadržaj

UVOD

IZOLOVANJE I PREČIŠĆAVANJE ORGANSKIH JEDINJENJA
Analiza organskih jedinjenja
Strukturna teorija
Struktura atoma
Hemijska veza
Hemijske reakcije
Kiselost i baznost

KLASIFIKACIJA I NOMENKLATURA ORGANSKIH JEDINJENJA

UGLJOVODONICI
Zasićeni aciklični ugljovodonici – alkani
Nezasićeni ugljovodonici
Alkeni (olefini)
Alkini (acetileni)
Ciklični ugljovodonici
Cikloalkani, cikloalkeni i cikloalkadieni
Areni
Areni benzenovog reda
Policiklični areni

NAFTA
HALOGENI DERIVATI UGLJOVODONIKA
Alkilhalogenidi
Nezasićeni halogeni derivati
Aliciklični halogeni derivati
Aromatični halogeni derivati

ORGANSKA JEDINJENJA KISEONIKA
Oksi derivati
Alkoholi (alkanoli, alkenoli i alkinoli)
Aliciklični aikoholi (cikloalkanoli i cikloalkenoli)
Arilalkanoli (aromatični alkoholi)
Dvovalentni i viševalentni alkoholi
Arenoli (fenoli)
Etri
Ciklični etri
Viniletri
Alkilariletri
Diariletri (diariloksidi)
Estri mineralnih kiselina

ORGANSKA JEDINJENJA SUMPORA
Tioalkoholi (tioli, merkaptani), sulfidi i disulfidi
Sulfonske kiseline i sulfoni
Sulfinske kiseline i sulfoksidi

ORGANSKA JEDINJENJA AZOTA
Nitro jedinjenja
Nitroalkani
Nitroareni (aromatična nitro jedinjenja)
Nitrozo jedinjenja
Nitrozoalkani
Nitrozoareni i nitrozofenoli
Amini
Alkilamini, ciklični amini i arilalkilamini
Aminoalkoholi
Enamini
Arilamini
Amini koji sadrže amino grupu u bočnom nizu
Derivati hidrazina
Diazo jedinjenja
Diazonijum soli
Diazoalkani
Azo jedinjenja
Azoalkani
Azoareni

JEDINJENJA FOSFORA I ARSENA
Organska jedinjenja fosfora
Fosfini
Fosfonske i fosfinske kiseline
Organska jedinjenja arsena

METALORGANSKA JEDINJENJA
KARBONILNA JEDINJENJA
Aldehidi i ketoni
Nezasićeni alifatični aldehidi i ketoni (alkenali i alkenoni)
Aromatični aldehidi i ketoni
Dikarbonilna jedinjenja (viševalentni aldehidi i ketoni)
Karbonilna jedinjenja koja sadrže i druge funkcionalne grupe
Halogenkarbonilna jedinjenja
Hidroksikarbonilna jedinjenja
Fenolkarbonilna jedinjenja
Aminokarbonilna jedinjenja
α-Diazokarbonilna jedinjenja
Hinoni

Uvod

Organska hemija je hemija ugljenikovih jedinjenja. Jedinjenja ostalih elemenata proučava neorganska hemija.

Pojedina jedinjenja koja se danas ubrajaju u organska poznata su od davnina. Ona su izolovana iz biljnih i životinjskih organizama (hrana, odelo, gorivo, prerada hrane kuvanjem, vino, pivo, štavljenje kože, kuvanje sapuna, bojenje tkanina, itd.).

Pokazalo se da se jedinjenja, izolovana iz organizama, koja su zato i nazvana organska jedinjenja, po svojim osobinama znatno razlikuju od jedinjenja izolovanih iz nežive prirode (minerala i ruda) koja su zato nazvana neorganska jedinjenja. Usled toga je onaj deo hemije koji proučava jedinjenja izolovana iz organizama životinja i biljaka nazvan organska hemija.

U početku se smatralo da je za nastajanje jedinjenja u organizmima potrebna neka posebna sila, „životna sila“ („vis vitalis“) ‒ vitalistička teorija. Međutim kasnije su sintetizovana razna organska jedinjenja izvan organizama, u laboratorijumima (urea, masti, alkoholi, itd.), tako da je prihvaćeno shvatanje da za nastajanje svih jedinjenja, i organskih i neorganskih, važe isti zakoni. Prema tome naziv organska hemija nije opravdan ali je zadržan.

Hemijske analize su pokazale da organska jedinjenja sadrže uvek ugljenik (C), pa je to razlog da se ona definiše kao hemija ugljenikovih jedinjenja. Nađeno je da ona imaju drukčije osobine od jedinjenja drugih elemenata. Međutim neka ugljenikova jedinjenja (CO, CO2, karbonati) po svojim osobinama odgovaraju neorganskim jedinjenjima pa se zato proučavaju u neorganskoj hemiji. Ovo ukazuje da između organske i neorganske hemije ne postoji oštra granica, kao uostalom ni između ostalih prirodnih nauka.

Pošto skoro sva organska jedinjenja pored ugljenika sadrže i vodonik to se organska hemija može definisati i kao hemija ugljovodonika i njihovih derivata (jedinjenja koja se izvode iz ugljovodonika). Međutim organska jedinjenja pored atoma ugljenika i vodonika često sadrže i atome kiseonika, azota, halogena i sumpora, a ređe i atome ostalih elemenata. Bitno je da se organska jedinjenja razlikuju od neorganskih nizom osobina pa se zato i posebno proučavaju u organskoj hemiji.

Neorganska jedinjenja imaju visoke tačke topljenja i ključanja, rastvorna su u vodi, a nerastvorna u organskim rastvaračima, teško sagorevaju i stabilna su na visokim temperaturama, njihovi rastvori i rastopi provode električnu struju, a hemijske reakcije su im brze i odigravaju se trenutno.

Nasuprot tome, organska jedinjenja imaju niske tačke topljenja i ključanja, nerastvorna su u vodi, a rastvorna u organskim rastvaračima, lako sagorevaju i razlažu se na višim temperaturama, a hemijske reakcije su im spore. Osnovni uzrok gore navedenim razlikama leži u tome da se velika većina organskih jedinjenja sastoji od molekula, a neorganskih od međusobno povezanih jona. Molekuli i joni imaju različile osobine, a usled toga molekulska i jonska jedinjenja imaju drukčije osobine. U prisustvu atoma ugljenika pretežno se formiraju molekulska jedinjenja. Ipak neka jedinjenja sa osobinama organskih ne sadržc ugljenik, a sa drugc stranc ncka jedinjenja koja sadrže ugljenik imaju osobine ncorganskih jedinjenja, što zavisi od toga da li su to jonska ili molekulska jedinjenja.

Predmet izučavanja organske hemije je dobijanje i izolovanje organskih jedinjenja, upoznavanje njihovih fizičkih i hemijskih osobina, dokazivanje njihove strukture i mogućnosti praktičnc primene.

Mnoga organska jedinjenje se i danas dobijaju izolovanjem iz biljaka i životinja (šećeri, ulja, masti, itd.), ali se daleko veći deo sada dobija sintezom (hemijskim reakcijama između odgovarajućih jedinjenja) koja se vrši na malo u laboratorijumima ili na veliko u industriji.

U početku su hemičari vršili izolovanje organskih jedinjenja iz organizama. U drugoj polovini prošlog veka razvijala se strukturna teorija i na osnovu nje izvršena je sinteza mnogih jedinjenja (Bercclijus, Ge Lisak, Dima, Libig, Veler, Fišer ‒ Berzclius, Gay Lussaq, Dumas, Liebig, Wohler, Fischer). Od 1910. godine uvodi se eleklronska teorija strukture atoma koja jako doprinosi razumevanju organske hemije (Kosel, Luis ‒ Kossel, Lewis), a posle 1930. godine razvija se i kvantna organska hemija (Plank, DeBrolji, Šredinger ‒ Planck, DeBroglic, Schrodinger). Danas se naglo razvija sinteza složenih jedinjenja, kako onih koja su već poznata u prirodi tako i novih (alkaloidi, vitamini, polipeptidi, hlorofil, itd; Vudvord, Korana, Poling ‒ Woodward, Korana, Pauling).

Vremenom se od organske hcmije odvojila biohcmija koja izučava komponcnte živih organizama i njihove hemijske reakcije koječinesuštinu životnih proccsa. Sada se razvija i molekularna biologija kao nauka koja proučava biološke sisteme na molekulskom nivou, posebno proteine i nukleinske kiseline i koja je, kao i biohemija, nadgradnja organske hemije.

Početak industrijske organske sinteze pada u sredinu prošlog veka, korišćenjem uglja kao polazne sirovine.

Danas se velik broj grana hemijske industrije bavi proizvodnjom niza organskih jedinjenja na veliko, koja nalaze praktičnu primenu (sintetičke boje, eksplozivi, bojni otrovi, plastične mase, sintetička vlakna, sintetička motorna goriva, detergenti, sapuni, pesticidi, prerada kože, gume, tekstila, celuloze, dobijanje papira, itd.).Ovo je oblast delovanja hemijskog inženjerstva u širem smislu, a zato je potrebno znanje i razumevanje osobina organskih jedinjenja sa kojima se radi.

Najveći deo hrane se sastoji od organskih jedinjenja (ugljeni hidrati, proteini, masti i ulja, vitamini), a isto tako su razni dodaci hrani koji poboljšavaju njen kvalitet (emulgatori, aromatizatori, konzervansi) organska jedinjenja, tako da je problematika prehrambenog inženjerstva i prehrambenih tehnologija, koja obuhvata način proizvodnje, prerade i čuvanja hrane, tesno povezana sa osobinama organskih jedinjenja.

Niz organskih jedinjenja ima fiziološko dejstvo u organizmima živih bića (enzimi, vitamini, hormoni, antibiotici, lekovi) tako da je i za farmaceutsko inženjerstvo potrebno dobro poznavanje organske hemije pošto se tu uglavnom radi takođe o organskim jedinjenjima.

Danas je poznato preko šest miliona organskih jedinjenja, a godišnje se dobija oko 250.000 novih. Njihov veliki broj je posledica sposobnosti ugljenikovih atoma da se mogu povezivati u duge nizove (koji se mogu i granati) ili prstenove, koji su stabilni, što nije slučaj kod atoma drugih elemenata. Da bi se mogli orijentisati u tom obilju materijala koriste se na prvom mestu opšti udžbenici organske hemije koji daju osnovne pojmove, a zatim razne monografije koje detaljnije prikazuju pojedine oblasti organske hemije (na pr. hemija proteina). Da bi se pratila tekuća otkrića koriste se naučni i stručni časopisi kojih ima na hiljade i patentna literatura.

Nađeno je da se oko dve trećine informacija može dobiti praćenjem oko 30 glavnih svetskih časopisa.

Glavni izvor podataka su tzv. referativni časopisi u kojima se ukratko referiše sadržaj svih časopisa i patenata.

Najvažniji referativni časopisi su američki Chemical Abstracts i ruski Himija, zatim nemački Chemisches Zentralblalt, Current Abstracts of Chemistry i Index Chemicus. Postoji u obliku enciklopcdije i ncmački Beilstein kao niz svezaka, ali je u velikom vremenskom zaostatku. Danas se koriste i bazc podataka preko kompjutera što jako uprošćava i ubrzava rad.

Prvi izvori organskih jedinjenja su bili biljni i životinjski organizmi. Kod biljaka se iz jednostavnih jedinjenja (CO2 i H20), dejstvom sunčane energije sintetizuju složena organska jedinjenja (fotosinteza). Kod životinja se, obrnuto, uzimanjem biljne hrane, složena organska jedinjenja iz nje (šećeri, proteini, masti) razlažu vrenjem na prosta jedinjenja koja delom sagorevaju uz oslobađanje energije za životne procese, a delom se iz njih vrši sinteza složenih jedinjenja potrebnih tom životinjskom organizmu. Prema tome su u stvari biljke glavni izvor organskih jedinjenja.

U prirodi postoje još dva velika izvora organskih jedinjenja: ugalj i nafta (sa prirodnim gasom). Oni su takođe organskog porekla jer su nastali razlaganjem biljnih i životinjskih organizama, u odsustvu vazduha, tokom dugog vremenskog perioda. Iz uglja i nafte (i gasa) se mogu dobiti razna organska jedinjenja elativno prostog sastava u ogromnim količinama, a iz njih se sintezom dobijaju veći i komplikovaniji organski molekuli. U tome je veliki značaj uglja, a naročito nafte i gasa kao sirovina za dobijanje organskih jedinjenja i zbog toga je neophodno da se smanji njihovo korišćenje kao goriva, razvijanjem drugih vidova energije posebno s obzirom da su rezerve nafte i gasa ograničene (pri današnjoj potrošnji oko 40 godina) dok uglja ima znatno više.

Danas se kao sirovina za dobijanje organskih jedinjenja koristi prvenstveno nafta, oko 95 %, a svega se 5 % jedinjenja na veliko dobija iz uglja i drveta. Nažalost se svega oko 5 % nafte koristi za preradu, a ostali deo se većinom koristi kao gorivo, posebno za motore sa unutrašnjim sagorevanjem. Rezultat toga je i to da se godišnje u atmosferu izbacuje sagorevanjem nafte i uglja oko 20 miliona tona CO2. Usled toga dolazi do efekta staklene bašte, jer CO2 apsorbuje toplotno zračenje površine zemlje i usled toga se srednja temperatura atmosfere stalno povećava što može imati katastrofalno dejstvo na klimu.

Sada se sve više koriste kao izvori organskih jedinjenja tzv. obnovljivi izvori, biljna biomasa, koja neprekidno nastaje fotosintezom. Takođe je važan izvor za dobijanje organskih jedinjenja i mikrobiološka sinteza pošto razni mikroorganizmi mogu da sintetizuju neka složena organska jedinjenja od kojih se neka ne mogu dobiti drugim putem (na pr. neki antibiotici).