الكيمياء العضوية organic chemistry هي كيمياء مركبات الكربون، وترجع هذه التسمية انسجاماً مع تصنيف المركبات - نسبة إلى مصادرها - إلى لا عضوية inorganic وعضوية، إذ يحصل على المركبات اللاعضوية من الفلزات minerals، ويحصل على المركبات العضوية من المصادر النباتية والحيوانية، أي المواد التي تنتجها المتعضيات الحية. وقد اعتقد كثير من الكيميائييـن حتى عام 1850 أن أصل المركبات العضوية يعود إلى المتعضيات الحية، وبالتالي لا يمكن تحضيرها من مواد لا عضوية.
تتصف جميع المركبات ذات المنشأ العضوي بصفة مشتركة هي الاحتواء على عنصـر الكربون. وبقي مصطلح «عضوية» للدلالة على هذه المركبات والمركبات المماثلة لها على الرغم من أنه أصبح من الممكن تحضيرها مخبرياً وليس الحصول عليها من المصادر الحيــة. واستمر التقسيم بين المركبات اللاعضوية والمركبات العضوية حتى هذا اليوم.
تحضر مركبات الكربون في الوقت الحالي بالاصطناع الكيمياوي، على الرغم من سهولة عزلها من المصادر الحيوانية والنباتية. وتصنع المركبات العضوية من مواد لاعضوية مثل الكربونات والسيانيدات، وقد تصنع من مواد عضوية أخرى. يوجد مصدران رئيسان للمواد العضوية تؤخذ منهما المركبات العضوية البسيطة وهما النفط والفحم الحجري (كلاهما عضوي المنشأ تشكل منذ القديم من تفسخ النباتات والحيوانات)، إضافة إلى الغاز الطبيعي، وتُصنع من هذه الوحدات البسيطة الجزيئات الأكبر والأكثر تعقيداً.
يُعد النفط والفحم الحجري من أهم مصادر الطاقة في العالم، وقد تشــكلا في آلاف السنين، ويستهلك هذان المصدران خاصة النفط بكميات كبيرة لسد حاجات الطاقة المتزايدة باستمرار. ويستهلك اليوم قرابة10% من النفط المستهلك في الصناعات الكيمياوية ويحرق الباقي لتوليد الطاقة.
تتميز مركبات الكربون من غيرها من مركبات العناصر الأخرى بوجود العديد من مركبات الكربون ذات الجزيئات الكبيرة جداً وكثيرة التعقيد. وإن عدد المركبات التي تحتوي على الكربون أكبر من عدد المركبات التي لا تحتوي عليه. وقد صنفت المركبات العضوية في عدد من الصفوف، وهذا لايوجد في المركبات اللاعضوية.
تُعرف اليوم جزيئات عضوية تحتوي على آلاف الذرات التي قد يكون ترتيبها شديد التعقيد حتى في الجزيئات الصغيرة نسبياً. ويعدّ تحديد بنية المركبات العضوية من أهم المسائل في الكيمياء العضوية، وهذا يعني معرفة ترتيب الذرات في الجزيئات. يمكن للجزيئات الكبيرة أن تتحطم وتعيد ترتيب ذراتها معطية جزيئات جديدة، قد تحذف منها بعض الذرات أو تستبدل ببعض الذرات ذرات أخرى. وتهتم الكيمياء العضوية بمعرفة نوع التفاعلات وكيفية حدوثها ومن ثم كيفية استخدامها لتحضير مركبات أخرى.
الصفات المميزة لذرة الكربون
يعود الفضل إلى كيكوليه A.Kekulé عام 1854 في بيان أن الاختلاف الرئيسي في البنية وفي الصفات والقدرات التفاعلية في مركبات الكربون تعود إلى صفات ذرة الكربون[ر] الفريدة التي تسمح بتشكيل عدد هائل من المركبات، ويعود ذلك إلى إمكانيـة ارتباط ذرات الكربون بعضها مع بعضها الآخر لتشكيل سلاسل تحتوي على آلاف الذرات أو حلقات مختلفة القياس، وهذا غير ممكن بالنسبة إلى ذرات العناصر الأخرى. ويمكن لهذه السلاسل أن تلتف أو تتفرع وترتبط بذرات أخرى مثل ذرات الهدروجين أساساً والهالوجينات والأكسجين والآزوت (النتروجين) والكبريت والفسفور وكثير غيرها. مثال ذلك الكلوروفيل[ر: اليخضور] والهيموغلوبين.
يعطي اختلاف ترتيب الذرات مركبات مختلفة، يتصف كل مركب منها بصفات كيمياوية وفيزيائية خاصة به؛ لذا ليس من المستغرب أن يبلغ عدد مركبات الكربون المعروفة أكثر من عشرة ملايين مركب، وأن يزداد هذا العدد إلى نحو نصف مليون مركب سنوياً.
إن الفكرة الأساسية عن البنية الكيمياوية هي فكرة فوهلر التي أتمها فانت هوف[ر] ولوبل عام 1874، وهما اللذان اهتما بتطوير فكرة التوزع الفراغي للذرات في جزيئات المركبات العضوية أي دراسة البنية الفراغية. ووفقاً لنظرية فانت هوف فإن التكافؤات الأربعة لذرة الكربون في الميتان موجهة نحو الرؤوس الأربعة لرباعي وجوه ،حيث تقع ذرة الكربون في مركزه وذرات الهدروجين في رؤوسه.
لذرة الكربون في الحالة الحرة الترتيب الإلكتروني الآتي: S1S2 2S2 2P2. يرتبط تكافؤ الكربون بإلكترونات الطبقة الثانية إذ ينتقل إلكترون من المدار (الفلك) S2S إلى المدار z2Pz الفارغ عند التفاعل مع ذرات أخرى، حيث يشترك الكربون بإلكتروناته الأربعة مع ذرات أخرى ليشكل أربع روابط مشتركة ذات طول معين، والمدارات الأربعة في الميتان من النمط SP3 ، تتشكل من مدار S وثلاثة مدارات P، قياس الزوايا بين هذه المدارات 109درجات. أما في المركبات الحاوية على روابط مزدوجة فتوجد المدارات الهجينة الثلاثة SP2 الناتجة من تهجين مدار S واثنين من المدارات P، قياس الزوايا بين هذه المدارات 120درجة. أما في المركبات التي تحتوي على روابط ثلاثية فيوجد مداران هجينان SP ناتجان من تهجين مدار S ومدار P، ويصنع المداران بينهما زاوية قدرها 180درجة.
وللروابط في المركبات العضوية شكلان: الرابطة σ، والرابطة π. تتشكل الأولى من المدارات الهجينة SP3 في المركبات العضوية الحاوية على روابط أحادية أو بسيطة. والرابطة الثانية تشكلها المدارات الهجينة SP2 في المركبات العضوية الحاوية على روابط مزدوجة، وتشكلها الأفلاك الهجينة SP في المركبات العضوية الحاوية على روابط ثلاثية.
تتشكل الرابطة π من تراكب overlap المدارات P غير الهجينة في الرابطة المزدوجة والثلاثية. تتألف الرابطة المزدوجة من رابطة (SP2- SP2) σ ورابطة ،(P- P) π وتتألف الرابطة الثلاثية من رابطة (SP - SP) σ ورابطتين (P- P) π،[ر. الرابطة الكيمياوية].
للكيمياء العضوية أهمية كبيرة في التقانة الحديثة فهي كيمياء الأصبغة والأدوية والدهانات والورق والحبر والبلاستيك والمحروقات والمطاط والأغذية والألبسة.
وللكيمياء العضوية أهميتها بالنسبة إلى العلوم الحيوية والطبية فالمتعضيات الحية تتكون رئيسياً من مركبات عضوية إضافة إلى الماء، مثل الكولسترول والدسم والهرمونات والمبيدات الحشرية والإستيروئيدات وغيرها. من أهم صفات مركبات الكربون ظاهرةُ الإيزوميرية (التماكب) isomerism إذ يمكن للجزيئات التي فيها عدد الذرات نفسه أن تعطي صفاً من المركبات التي تختلف عن بعضها؛ لأن ذراتها يرتبط بعضها مع بعض بطرق مختلفة ويؤدي ذلك إلى مركبات مختلفة بالصفات الفيزيائية والكيمياوية ولها بنية جزيئية مختلفة، ويتعلق ذلك بتتابع الذرات أوتوضعها في الفراغ[ر. الكيمياء الفراغية] في جزيئات هذه المركبات وبسبب ذلك يزداد عدد المركبات العضوية كثيراً.
تصنيف المركبات الكيمياوية العضوية
تقسم المركبات الكيمياوية العضوية إلى ثلاثة صفوف رئيسية: المفتوحة والمتجانسة الحلقية وغيرالمتجانسة الحلقية. تُنسب إلى المركبات المفتوحة (المركبات الدسمة) الفحوم الهدروجينية ومشتقاتها ذات السلاسل المفتوحة مثال ذلك صف الفحوم الهدروجينية الميتانية الذي يشـمل الفحوم الهدروجينية المفتوحة البرافينية (الألكانات alkanes )[ر. الألكانات] ذات الصيغــة العامـــة (CnH2n+2). وتحتوي هذه الفحوم على الروابط σ بين C وC والتي تشكلها المدارات الهجينة SP3. ومن هذه الفحوم الهدروجينية المتجانسة صف الفحوم الهدروجينية الإيتيلينية (الألكِنات[ر]) ذات الصيغة العامة (CnH2n)، وهي أيضاً من صف الفحوم الهدروجينية مفتوحة السلسلة. وهي تحتوي إضافة إلى الروابط σ بين C وC على الروابط π التي تشكلها المدارات P غير الهجينة. ومن هذه الفحوم الهدروجينية المتجانسة صف الفحوم الهدروجينية الأستيلينية (الألكينات)[ر. الألكينات] ذات الصيغة العامة (CnH2n-2). وتنتسب إلى الفحوم الهدروجينية الحلقية المتجانسة (مركبات الكربون الحلقية) الفحوم الهدروجينية ومشتقاتها التي في جزيئاتها حلقات (أو خواتم) مؤلفة من ذرات الكربون ومشتقات البرافينات الحلقية، أو ما يعرف بصف متعددات الميتيلين الحلقية ذات الصيغة CnH2n.
تنتسب المركبات العطرية[ر. الفحوم الهدروجينية العطرية] إلى المركبات الحلقية غير المشبعة، وهي صف الفحوم الهدروجينية الحلقية ذات الصيغة CnH2n-6 ومشتقاتها، وتحوي نواة بنزِنية. وينتسب إلى هذا الصف كثير من المركبات متعددة الحلقات العطرية مثل النفتالين والأنتراسين وغيره.وتنتسب إلى المركبات العضوية الحلقية غير المتجانسة الجزيئات التي تحتوي حلقات تحتوي إضافة إلى ذرات الكربون ذرات عناصر أخــرى مثـــل O¨N¨S¨P¨As. ويمكن الحصول على العديد من الوظائف الكيمياوية العضوية بتبديل زمرة وظيفية بذرة هدروجين في الفحم الهدروجيني. يمكن مثلاً للميتان أن يعطي كلور الميتيل، الغول الميتيلي، ميتيل الأمين، ونترو الميتان وغيرها. وكذلك الأمر في صف الفحوم الهدروجينية البنزِنية يتشكل كلور البنزن، فينول، نترو البنزن وغيرها.
تطور علم الكيمياء العضوية
ـ عُرف كثير من المركبات العضوية من قبل الإنسان البدائي، والتي استخلصت رئيسياً من النباتات كالأصباغ والمخدرات وغيرها كثير من المواد الصيدلانية.
ـ عُرف طب الأعشاب أيضاً منذ زمن بعيد، وإن كثيراً من الأدوية الحالية مازالت تستند بصورة مباشرة أو غير مباشرة إلى مثل هذه المعرفة التقليدية، ومنها الإفدرين ephedrine والديجتالسdigitalis والأسبرين aspirin.
ـ ظهرت محاولات لتطوير حفظ الغذاء مع المحافظة على قيمته الغذائية في فصل الشتاء وفي أثناء السفر فقامت معظم المجتمعات البدائية بتطوير طرق ومبادئ إنتاج محلول الإيتانول الذي يتحول إلى محلول حمض الخل الذي يستعمل لحفظ الغذاء.
ـ بدأ علم الكيمياء[ر] بالتطور بدءاً من العصور الوسطى. وكان السيميائيون قد وجهوا جل اهتمامهم إلى المواد اللاعضوية ولم يعيروا المركبات العضوية التي كانت معروفة منذ قديم الزمان أهمية تذكر. وكان هدف الأطباء الكيميائيين - الذين كانوا يحاولون تطبيق الكيمياء على الطب في القرنين السادس عشر والسابع عشر - إنتاجَ العوامل الطبية، غير أن النتائج التي حصلوا عليها لم تكن مرضية. وانصرف كيميائيو القرن الثامن عشر إلى تحليل المواد آملين اكتشاف عناصر جديدة وكان يبدو لهم أن تحليل المواد ذات المنشأ الحي غير مجدٍ لأنه لم يعط سوى بعض العناصر إضافة إلى صعوبة تحليلها.
القرن الثامن عشر
ـ قام الكيميائي السويدي شيله[ر] عام 1776 بمعالجة السكر بحمض الآزوت HNO3(V) فحصل على حمض عضوي أوصله إلى إمكان إنتاج المواد العضوية في المختبر. ولكن المدافعين عن النظرية الحيوية ردوا بأن القوة الحيوية كامنة في السكر الذي استمد من القصب وردوا بمثل ذلك على ما قام به من تحضير حموض أخرى من أنواع الفواكه، وكذلك تحضير الغليسرين من الدهون.
ـ قام لافوازييه عام 1777 بتجارب تحليلية أوصلته إلى أن الجزء الأكبر من أي مادة عضوية يتألف من الكربون والهدروجين والأكسجين.
ـ تحضير المشتقات الطبيعية من جزيئات لاعضوية مثل SO2 وNO2 وH2O وCO2.
القرن التاسع عشر
ـ بدأ التاريخ الحديث للكيمياء العضوية مع بداية القرن التاسع عشر.
ـ كان برزيليوس [ر] Berzelius أول من أطلق عام 1806 مصطلح «الكيمياء العضوية» على المركبات الموجودة في الطبيعة. وكان قد أطلقه عليها قبله نوفاليس Novalis مابين(1772-1801) في مخطوطاته معتمداً على منشئها.
ـ صُنفت المركبات إلى مركبات لاعضوية (يمكن تصنيعها في المختبر) ومركبات عضوية (لا يمكن أن تصنَع) وإنما تحتاج إلى قوى حيوية.
ـ حدِّد تركيب المركبات العضوية البسيطة وخواصها الفيزيائية.
ـ حضر فوهلر عام 1824 مادة البولة[ر] urea، وهي مادة عضوية صيغتها NH2CONH2 بتبخير محلول مائي لسيانات الأمونيوم NH4OCN، وهو أول من لاحظ الإيزوميرية البنيوية structural isomerism في حمض الخل وحمض اللبن وغيره.
ـ لاحظ لوي باستور[ر] L.Pasteur عام 1848 أن بعض أملاح الطرطرات تتبلور بشكلين أحدهما خيال الآخر في مرآة مستوية وبرهن على وجود الإيزوميرات الفراغية stereoisomers والضوئية.
ـ لوحظ تشابه بين الجذر العضوي والعنصر.
ـ وضعت النظرية البنيوية استناداً إلى تنظيم الذرات ضمن الجزيء.
ـ لوحظ أنه يمكن للروابط C - − C أن تتفرع وتعطي بنية حلقية (التكافؤ الرباعي للكربون).
ـ في البدء ساد الاعتقاد أن للجزيئات العضوية بنية مستوية.
ـ وضع فانت هوف ولوبل نموذجاً رباعي الوجوه tetrahedral لبنية المركبات العضوية وبيّنا أن الكيرالية (اليَدوانية) هي السبب في القدرة على حرف الضوء المستقطَب.
ـ حُدد العديد من تراكيب المركبات العضوية من مصادرها الحيوية على أساس التحليل العنصري المعطى أو من خلال الإستنتاج المنطقي المرتبط بالفعالية.
ـ وُضع التحليل البنيوي للمركبات الصناعية (الأصبغة والمخدرات).
ـ تزايد عدد المركبات العضوية وخاصة العطرية منها ازدياداً ملحوظاً.
القرن العشرون
ـ حدث تغير في القرن العشرين على مفهوم المركبات العضوية وتوسعت من دراسة المركبات الطبيعية مثل السكريات والشموع والزيوت النباتية إلى دراسة جميع المركبات التي تحتوي على عنصر الكربون، كما استطاع العلماء الحصول على عدد من المركبات العضوية من المركبات اللاعضوية مثل ثنائي أكسيد الكربون CO2، والكربونات عن طريق الاصطناع الضوئي.
ـ وضع فارادي[ر] Faraday عام 1925 نظرية البنية العطرية لحلقة البنزن التي تعتمد على أن للبنزن [ر. الفحوم الهدروجينية العطرية] بنية حلقية متناظرة مع تناوب ثلاث روابط مزدوجة وثلاث روابط أحادية.
ـ وضع بولنغ[ر] Paulingعام 1930 النظرية الحديثة للروابط[ر. الرابطة الكيمياوية] على أساس مفهوم الرنين (التجاوب) resonance أو نظرية الكم[ر. ميكانيك الكم].
ـ وضّح روبنسون وإنجولد 1940-1960 آلية انتقال الإلكترونات في أثناء التفاعلات العضوية.
ـ أدى استعمال تقنيات الليزر والرنين النووي المغنطيسي عام 1960 إلى تقدم التحليل البنيوي للمركبات العضوية.
وعلى أي حال دخل عصر جديد بحلول القرن الحادي والعشرين، وأصبح من المهم تطوير إستراتيجيات استعمال الموارد المتاحة بحكمة؛ وفي الوقت نفسه ينبغي العمل على تخفيض الاستهلاك الضخم للوقود المستخرَج المستعمل في محرّكات الاحتراق الداخلي التي تعوّد عليها المجتمع؛ ومن الواجب على الجيل الحالي توفير بيئة نظيفة صالحة لعيش الأجيال القادمة، أي توفير أرض خالية من النفايات والتلوّث الناتج من المرْكَبات.
ومجمل القول، أن تأثير الكيمياء العضوية بالغ الأهمية في حياة الإنسان، وتنتظر هذا العلمَ تحديات كبيرة.
هيفاء العظمة
المراجع
الموسوعة العربية
التصانيف
الأبحاث