Σύντομη Ιστορία της Οργανικής χημείας

Η Paclitaxel (πακλιταξέλη) είναι ένα σημαντικό φάρμακο που χρησιμοποιείται για τη θεραπεία του καρκίνου. Η σύνθετη δομή του αποτέλεσε έναν προκλητικό στόχο για την ολική σύνθεση από την ομάδας Νικολάου.

Μια επική διαδρομή 200 ετών που άλλαξε τα πάντα. Από τα ρούχα μας μέχρι τα σπίτια μας, από τα φάρμακα μέχρι τα εκρηκτικά, από το νοικοκυριό μας μέχρι το φαγητό μας. Ξεκινώντας με την εμμονή ότι ο άνθρωπος δεν μπορεί να κατασκευάσει ούτε καν οργανικές ενώσεις φτάσαμε να τροποποιούμε και να προσθαφαιρούμε γονίδια στο DNA. Σε 200 χρόνια έγιναν δεκάδες εκατομμύρια οργανικές ενώσεις και ποιος ξέρει πόσες θα έχουμε φτιάξει μέχρι να ολοκληρώσετε το διάβασμα αυτού του άρθρου. Περίπου 10 ενώσεις κάθε λεπτό της ώρας.

Η οργανική χημεία είναι μια υποδιαίρεση της χημείας που περιλαμβάνει την επιστημονική μελέτη της δομής, των ιδιοτήτων και των αντιδράσεων των οργανικών ενώσεων και των οργανικών υλικών.

Οργανική ένωση είναι ουσιαστικά κάθε χημική ένωση που περιέχει άνθρακα, αν και αυτός ο συναινετικός ορισμός παραμένει αόριστος και πιθανώς αυθαίρετος. Στις οργανικές ενώσεις δεν συμπεριλαμβάνονται το μονοξείδιο του άνθρακα (CO), το διοξείδιο του άνθρακα (CO₂), τα ανθρακικά άλατα (π.χ. CaCO₃) και ο ίδιος ο άνθρακας (π.χ. γραφίτης, διαμάντι).

Πετροχημικό εργοστάσιο στη Σαουδική Αραβία.
By Secl - Own work, CC BY 3.0, 

Οι οργανικές ενώσεις στο σύνολο του πλανήτη γη αναλογικά είναι σπάνιες, αλλά έχουν κεντρική σημασία, διότι όλη η ζωή όπως τη ξέρουμε βασίζεται σε οργανικές ενώσεις. Όταν λέμε οργανικά υλικά εννοούμε την φυσική οργανική ύλη δηλαδή αναφερόμαστε στη μεγάλη δεξαμενή ενώσεων με βάση τον άνθρακα που απαντώνται σε φυσικά και ανθρωπογενή, χερσαία και υδάτινα περιβάλλοντα.

Από την άλλη τα βασικά πετροχημικά δηλαδή οι ολεφίνες (αλκένια) και οι αρωματικές ενώσεις (π.χ. βενζόλιο) θεωρούνται τα δομικά στοιχεία της οργανικής χημείας. Απ’ αυτά σήμερα η οργανική σύνθεση μπορεί να παρασκευάσει τις δεκάδες εκατομμύρια των οργανικών ενώσεων.

Όμως πως φτάσαμε ως εδώ;

Παραδοσιακή ιατρική σε μια αγορά στη Μαδαγασκάρη
By Marco Schmidt - Own work, CC BY-SA 3.0

Πριν από τον δέκατο ένατο αιώνα, οι χημικοί γενικά πίστευαν ότι οι ενώσεις που ελήφθησαν από ζωντανούς οργανισμούς ήταν προικισμένες με μια ζωτική δύναμη που τις διέκρινε από ανόργανες ενώσεις . Σύμφωνα με την θεωρία του βιταλισμού (θεωρία ζωτικής δύναμης), η οργανική ύλη είχε μια "ζωτική δύναμη" και δεν θα μπορούσε να παρασκευαστεί σε ένα εργαστήριο ή βιομηχανία παρά μόνο από τους ζωντανούς οργανισμούς. Ο βιταλισμός έχει μακρά ιστορία στις ιατρικές φιλοσοφίες: οι περισσότερες παραδοσιακές θεραπευτικές πρακτικές υποδηλώνουν ότι η ασθένεια οφείλεται σε κάποια ανισορροπία στις ζωτικές δυνάμεις.

Κατά το πρώτο μισό του δέκατου ένατου αιώνα, αναφέρθηκαν μερικές από τις πρώτες συστηματικές μελέτες οργανικών ενώσεων. Περίπου το 1816 ο Michel Chevreul ξεκίνησε μια μελέτη σαπουνιών που παρασκευάζονται από διάφορα λίπη όπως το λάδι της ελιάς ή το λίπος των ζώων και αλκάλια όπως η καυστική σόδα (NaOH: υδροξείδιο του νατρίου). Διαχώρισε τα διάφορα οξέα που όταν κάνουν χημική αντίδραση με τα καυστικά αλκάλια, παράγουν το σαπούνι. Έτσι απέδειξε ότι ήταν δυνατή η χημική μεταβολή στα διάφορα λίπη (που παραδοσιακά προέρχονται από οργανικές πηγές), ώστε να παρασκευάσουμε νέες ενώσεις χωρίς «ζωτική δύναμη».

Από το κυανικό αμμώνιο στην ουρία.

Κυανικό αμμώνιο (ανόργανη ένωση) -- ενδιάμεσα ανόργανα υλικά (Αμμωνία + κυανικό οξύ) -- ουρία (οργανική ένωση)

Ουρία.
By LHcheM - Own work, CC BY-SA 3.0

Το 1828 ο Friedrich Wöhler έκανε το αντίστροφο. Παρασκεύασε την οργανική χημική ουρία, ένα συστατικό των ούρων, από ανόργανα αρχικά υλικά.

Χρησιμοποίησε τα άλατα κυανικού καλίου και θειικού αμμωνίου, σε αυτό που σήμερα ονομάζεται σύνθεση Wöhler.

Παρόλο που ο ίδιος ο Wöhler ήταν προσεκτικός για να ισχυριστεί ότι είχε διαψεύσει τον βιταλισμό, αυτή θεωρείται ότι ήταν η πρώτη φορά που μια ουσία που οργανική συντέθηκε στο εργαστήριο χωρίς βιολογικά (οργανικά) αρχικά υλικά. Αυτή η σύνθεση  είναι πλέον γενικά αποδεκτό, ότι πράγματι αποτελεί την κατάρριψη του δόγματος του βιταλισμού.

Η σύνθεση της ουρίας (και άλλων οργανικών ουσιών) από τις ανόργανες ενώσεις αντέκρουσε την άποψη της βιταλιστικής πλευράς ότι μόνο οι ζωντανοί οργανισμοί θα μπορούσαν να παράγουν τα συστατικά των ζωντανών όντων.

Το χρώμα της αριστοκρατίας από ένα δεκαοκτάχρονο

Επιστολή από τον γιο του Perkin,
με δείγμα από βαμμένο μετάξι
By Henry Rzepa CC BY-SA 2.5

Το 1856 ο William Henry Perkin, σε ηλικία 18 χρονών προσπαθούσε να κατασκευάσει κινίνη που ήταν ένα ακριβό φάρμακο για την ελονοσία κάτω από τις οδηγίες του καθηγητή του August Wilhelm von Hofmann. Στη διάρκεια των διακοπών του Πάσχα για να προλάβει να τελειώσει την παρασκευή συνέχισε τις προσπάθειές του σε ένα πρωτόγονο εργαστήριο στο σπίτι του κρυφά από τον καθηγητή του. Εκεί κατά λάθος, παρήγαγε την οργανική χρωστική που τώρα είναι γνωστή ως μωβ του Perkin. Έκανε δοκιμές για την βαφή του μεταξιού και διαπίστωσε ότι ήταν ανεξίτηλη. Εκείνη την εποχή όλες οι βαφές που χρησιμοποιούσαν για το χρωματισμό των υφασμάτων ήταν φυσικές ουσίες, πολλές από τις οποίες ήταν δαπανηρές και η εκχύλισή τους από τις φυσικές πρώτες ύλες ήταν επίπονη. Το μωβ ήταν το χρώμα της αριστοκρατίας και ένδειξη κύρους από τα αρχαία χρόνια και ήταν εξαιρετικά ακριβό. Η ανακάλυψή του έγινε ευρέως γνωστή και με την οικονομική του επιτυχία, αύξησε σημαντικά το ενδιαφέρον για την οργανική χημεία. Ο William Perkin συνέχισε την ενεργό έρευνα στην οργανική χημεία για το υπόλοιπο της ζωής του: ανακάλυψε και εμπορεύτηκε άλλες συνθετικές βαφές, όπως το Britannia Violet και το Green Perkin. ανακάλυψε τρόπους για να κάνει την κουμαρίνη, μία από τις πρώτες συνθετικές πρώτες ύλες για αρώματα και το κινναμικό οξύ. (Η αντίδραση που χρησιμοποιήθηκε για να γίνει το τελευταίο έγινε γνωστή ως αντίδραση Perkin.)

Θεωρία της χημικής δομής

Kekulé δομή του βενζολίου με εναλλασσόμενους διπλούς δεσμούς
By Friedrich August Kekulé von Stradonitz (1829–1896) - Kekule_-_Ueber_einige_Condensationsproducte_des_Aldehyds.pdf, Public Domain

Μια σημαντική εξέλιξη για την οργανική χημεία ήταν η έννοια της χημικής δομής, που αναπτύχθηκε ανεξάρτητα το 1858 τόσο από τον Friedrich August Kekulé όσο και από τον Archibald Scott Couper. Η θεωρία αυτή εξελίσσεται από την ιδέα του ατομικού σθένους. Και οι δύο ερευνητές πρότειναν ότι τα τετρασθενή άτομα άνθρακα θα μπορούσαν να συνδεθούν μεταξύ τους για να σχηματίσουν ένα πλέγμα ανθράκων, μία ανθρακική αλυσίδα.
Εμφάνισαν τους χημικούς τύπους όπου οι δεσμοί μεταξύ των ατόμων υποδηλώνονται με παύλες, τους σημερινούς συντακτικούς τύπους. Την εποχή εκείνη δεν υπήρχαν οι σημερινές μέθοδοι όπως η κρυσταλογραφία ακτίνων-Χ και έτσι ο ακριβής τρόπος σύνδεσης των ατόμων μεταξύ τους θα μπορούσε να βρεθεί με εξειδικευμένες ερμηνείες των κατάλληλων χημικών αντιδράσεων. Δηλαδή με την "υγρή" αναλυτική χημεία.
Για τους οργανικούς χημικούς, η θεωρία της δομής παρείχε μια δραματική νέα σαφήνεια κατανόησης και έναν αξιόπιστο οδηγό τόσο για την αναλυτική όσο και για τη συνθετική εργασία. Κατά συνέπεια, το πεδίο της οργανικής χημείας αναπτύχθηκε εκρηκτικά από αυτό το σημείο και μετά.

Φαρμακευτική Βιομηχανία.

Αναλγητικό (παυσίπονο) Τιλιδίνη
By Ralf Roletschek - Own work, CC BY-SA 3.0

Η εποχή της φαρμακευτικής βιομηχανίας άρχισε την τελευταία δεκαετία του 19ου αιώνα, όταν ξεκίνησε στη Γερμανία από την Bayer, η κατασκευή του ακετυλοσαλικυλικού οξέος – που είναι η ασπιρίνη. Γύρω στο 1910, ο Paul Ehrlich και η εργαστηριακή του ομάδα άρχισαν να αναπτύσσουν ενώσεις βασισμένες στο αρσενικό την arsphenamine. Αυτή κυκλοφόρησε στο εμπόριο με το όνομα Salvarsan απο την Hoechst AG, ως η πρώτη αποτελεσματική φαρμακευτική θεραπεία της σύφιλης, και έτσι ξεκίνησε στην ιατρική η πρακτική της χημειοθεραπείας. Ο Ehrlich εκλαίκευσε και έκανε ευρύτερα γνωστές την έννοια του φάρμακου «μαγική σφαίρα», δηλαδή φάρμακο που στοχεύει μια συγκεκριμένη ασθένεια και επίσης τη διαδικασία της συστηματικής βελτίωσης της φαρμακευτικής θεραπείας. Το εργαστήριό του συνεισέφερε αποφασιστικά στην ανάπτυξη αντιορού για διφθερίτιδα και στην τυποποίηση των θεραπευτικών ορών.

Συστηματική έρευνα

Μπλου τζην.
By Honeyhuyue - Own work, Public Domain

Τα πρώτα παραδείγματα οργανικών αντιδράσεων και εφαρμογών συχνά βρέθηκαν από κάποιο συνδυασμό της τύχης και της προετοιμασίας για απροσδόκητες παρατηρήσεις. Όμως το δεύτερο μισό του 19ου αιώνα χαρακτηρίζεται από τις συστηματικές μελέτες των οργανικών ενώσεων. Η ανάπτυξη του συνθετικού indigo είναι ενδεικτική. To ιντιγκο είναι το χρώμα των μπλού τζήν, ένα έντονο μπλέ χρώμα. Έχει πάρει το όνομά του από τους αρχαίους Έλληνες που το ονόμαζαν “Ινδικό φάρμακο” επειδή προερχόταν από την κοιλάδα του Ινδού ποταμού.
Το 1289, το χρώμα έφτασε στην Ευρώπη, όταν αναφέρθηκε σε αυτό ο Βενετός έμπορος ταξιδευτής Μάρκο Πόλο. Σύντομα πήρε τόσο υψηλή αξία ως εμπόρευμα ώστε το indigo συχνά αναφέρεται ως μπλε χρυσός. Το 1859 οι αγρότες στη Βεγγάλη εξεγέρθηκαν ενάντια στην αθέμιτη μεταχείριση από τους εμπόρους / καλλιεργητές της Εταιρίας Ανατολικών Ινδιών, είναι η γνωστή ως εξέγερση του Indigo.
Όμως χάρη στις συνθετικές μεθόδους που αναπτύχθηκαν από τον Adolf von Baeyer. η παραγωγή του indigo από φυτικές πηγές μειώθηκε από τους 19.000 τόνους το 1897 σε 1.000 τόνους το 1914.  Το 2002 παρήχθησαν 17.000 τόνοι συνθετικού indigo από πετροχημικά προϊόντα.

Στις αρχές του 20ου αιώνα αποδείχθηκε ότι τα πολυμερή και τα ένζυμα είναι μεγάλα οργανικά μόρια και ότι το πετρέλαιο είναι βιολογικής προέλευσης.

Ολική σύνθεση

Κυανοκοβαλαμίνη, δηλαδή η Βιταμίνη Β12
By Ben Mills - Own work, Public Domain

Η σύνθεση οργανικών ενώσεων μέσω πολλαπλών βημάτων ονομάζεται ολική σύνθεση. Ο στόχος της ολικής σύνθεσης είναι η παρασκευή ενός σύνθετου μορίου ή φυσικού προιόντος από εμπορικά διαθέσιμες πρώτες ύλες. Συχνά γίνεται προσπάθεια να ανακαλυφθεί μια νέα διαδρομή σύνθεσης για ένα μόριο για το οποίο υπάρχουν ήδη γνωστές μέθοδοι παρασκευής. Μερικές φορές δεν υπάρχει μέθοδος σύνθεσης και ο χημικός επιθυμεί να βρει μια εφικτή διαδρομή για πρώτη φορά. Ένας σημαντικός στόχος της ολικής σύνθεσης είναι η ανακάλυψη νέων χημικών αντιδράσεων και νέων χημικών αντιδραστηρίων.
Η ολική σύνθεση σύνθετων φυσικών ενώσεων αυξήθηκε σε πολυπλοκότητα. Για παράδειγμα, οι ενώσεις που σχετίζονται με τη χοληστερόλη έχουν ανοίξει δρόμους για να συνθέσουμε ανθρώπινες ορμόνες και τα τροποποιημένα παράγωγά τους. Σε σχέση με την αρχή του 20ου αιώνα, η πολυπλοκότητα της συνολικής συνθέσεις έχει αυξηθεί για να συμπεριλάβει μόρια υψηλής πολυπλοκότητας όπως λυσεργικού οξέος και βιταμίνης Β₁₂.
Η συνολική σύνθεση της βιταμίνης Β12 που είναι ένα σύνθετο βιομόριο ολοκληρώθηκε για πρώτη φορά από τις συνεργαζόμενες ερευνητικές ομάδες του Robert Burns Woodward στο Χάρβαρντ και του Albert Eschenmoser στο ETH (Ελβετικό Ομοσπονδιακό Τεχνολογικό Ινστιτούτο) στη Ζυρίχη το 1972. Θεωρείται κλασική στον τομέα της ολικής σύνθεσης φυσικών προϊόντων. Οι εργασίες για τη σύνθεση άρχισαν το 1960 στο ETH και το 1961 στο Χάρβαρντ, προχώρησαν σε συνεργασία μετά το 1965 και απαίτησαν την προσπάθεια πάνω από 91 μεταδιδακτορικών συνεργατών (κυρίως στο Χάρβαρντ) και 12 διδακτορικών φοιτητών (στο ETH) από 19 διαφορετικά έθνη.

Και μετά ήρθε το πετρέλαιο

Πετρελαιοπηγή στο Okemah, της Oklahoma, το 1922
Public Domain

Η ανακάλυψη του πετρελαίου και η ανάπτυξη της πετροχημικής βιομηχανίας ώθησε την ανάπτυξη της οργανικής χημείας.
Η μετατροπή μεμονωμένων μικρομοριακών ενώσεων που βρίσκονται στο πετρελαίου σε διαφορετικούς τύπους ενώσεων με διάφορες χημικές διεργασίες οδήγησε σε οργανικές αντιδράσεις που επιτρέπουν ένα ευρύ φάσμα βιομηχανικών και εμπορικών προϊόντων.
Όλοι σήμερα χρησιμοποιούμε: πλαστικά, συνθετικό καουτσούκ, οργανικές συγκολλητικές ύλες, χρώματα, υφάνσιμες ύλες, υλικά συσκευασίας αλλά και διάφορα πρόσθετα πετρελαίου που τροποποιούν τις ιδιότητες των καυσίμων (όπως βελτίωση του αριθμού οκτανίου) και καταλύτες.

Ένα σημαντικό μέρος  της πετροχημικής βιομηχανίας αποτελεί τη βιομηχανία πλαστικών (πολυμερών).
Στις ανεπτυγμένες χώρες, περίπου το ένα τρίτο του πλαστικού χρησιμοποιείται στη συσκευασία και ένα άλλο τρίτο σε κτίρια όπως στις σωληνώσεις που χρησιμοποιούνται στις υδραυλικές εγκαταστάσεις ή στα μονωτικά. Άλλες χρήσεις περιλαμβάνουν τα αυτοκίνητα (μέχρι 20% πλαστικό), έπιπλα και παιχνίδια. Στον αναπτυσσόμενο κόσμο, οι αναλογίες  μπορεί να είναι διαφορετικές - για παράδειγμα το 42% της κατανάλωσης της Ινδίας χρησιμοποιείται στη συσκευασία.

Βιοχημεία

Ο σχηματισμός διοξειδίου του άνθρακα - υποπροϊόν της αλκοολικής ζύμωσης
προκαλεί το φούσκωμα του ψωμιού.
By Flavio Piacenza - Own work, CC BY-SA 3.0

Η πλειονότητα των χημικών ενώσεων που απαντώνται σε βιολογικούς οργανισμούς είναι στην πραγματικότητα ενώσεις άνθρακα, οπότε ο συσχετισμός μεταξύ οργανικής χημείας και βιοχημείας είναι τόσο στενός ώστε η βιοχημεία μπορεί να θεωρηθεί ουσιαστικά ως κλάδος της οργανικής χημείας.

Αν και η ιστορία της βιοχημείας θα μπορούσαμε να πούμε ότι καλύπτει περίπου τέσσερις αιώνες, η θεμελιώδης κατανόηση του πεδίου άρχισε να αναπτύσσεται στα τέλη του 19ου αιώνα και η πραγματική βιοχημεία σαν όρος δημιουργήθηκε στις αρχές του 20ου αιώνα.

Η έρευνα στον τομέα αυξήθηκε σε όλο τον εικοστό αιώνα, χωρίς καμία ένδειξη για χαλάρωση του ρυθμού αύξησης, όπως μπορεί να επαληθευτεί αν δούμε τις υπηρεσίες περιλήψεων και ευρετηρίασης όπως το  BIOSIS Previews και τα Biological Abstracts. Αυτά ξεκίνησαν τη δεκαετία του 1920 με έναν ενιαίο ετήσιο τόμο, αλλά έχουν αυξηθεί τόσο δραστικά ώστε στα τέλη του 20ου αιώνα ήταν διαθέσιμη στον καθημερινό χρήστη μόνο ως ηλεκτρονική ηλεκτρονική βάση δεδομένων.

Πηγή: Από τη Wikipedia
Εικόνα: Paclitaxel  By V8rik - CC BY-SA 3.0,