కర్బన రసాయన శాస్త్రం

Methane, CH₄; the line-angle structural formula shows four carbon-hydrogen single bonds (σ, in black), and the typical 3D shape of tetrahedral molecules, with ~109° interior bond angles (in dashed-green).

కర్బన రసాయన శాస్త్రం (Organic chemistry) అనేది రసాయన శాస్త్రంలోని ఒక ముఖ్యమైన శాఖ. ఇది కర్బన సమ్మేళనాల రూపకల్పన, వాటి లక్షణాలు, వాటి రసాయన చర్యల గురించి శాస్త్రీయంగా వివరిస్తుంది. ఈ సమ్మేళనాలు ప్రధానంగా కార్బన్ పరమాణువులను కలిగి ఉంటాయి. ఈ రంగంలో పనిచేసే శాస్త్రవేత్తలు అణువులు ఎలా తయారవుతాయి, అవి ఎలా ప్రవర్తిస్తాయి, కొత్త అణువులను ఎలా సృష్టించాలి అనే విషయాలను పరిశోధిస్తారు.

కర్బన రసాయన శాస్త్రం అంటే కేవలం జీవులకు సంబంధించినది మాత్రమే కాదు. ఇందులో మానవ నిర్మిత పదార్థాలైన ప్లాస్టిక్కులు, మందులు వంటివి కూడా ఎన్నో ఉన్నాయి. ఆధునిక ప్రపంచంలో ఈ శాస్త్రం ఎంతో ప్రాముఖ్యత కలిగి ఉంది. వైద్యం, పెట్రోలియం, వ్యవసాయం వంటి రంగాలలో దీని ఉపయోగం చాలా ఎక్కువగా ఉంటుంది. ఇటీవలి కాలంలో 'ఆర్గానిక్‌ కెమెస్ట్రీ'ని 'కార్బన్‌ కెమెస్ట్రీ' అనమని కొందరు ప్రతిపాదించేరు. ఎందుకంటే 'ఆర్గానిక్‌ కెమెస్ట్రీ' లో కర్బనం అనే పేరుగల మూలకం ప్రముఖమైన పాత్ర వహిస్తుంది. ఎంత ప్రముఖమంటే ఈ శాఖలో అధ్యనం చేసే ప్రతి పదార్ధపు బణువు (molecule) లోనూ తప్పకుండా కనీసం ఒక్క కర్బనం అణువు (atom) అయినా ఉండి తీరుతుంది కనుక. ఈ తర్కాన్ని దృష్టిలో పెట్టుకుని 'ఆర్గానిక్‌ కెమెస్ట్రీ'ని కర్బన రసాయనమనీ, 'ఇనార్గానిక్‌ కెమెస్ట్రీ' వికర్బన రసాయనమనీ తెలుగులో పిలవచ్చు. లేదా అలవాటయిన పాత పద్ధతినే వాడదలుచుకుంటే 'ఆర్గానిక్‌ కెమెస్ట్రీ'ని ఆంగిక రసాయనమనీ, 'ఇనార్గానిక్‌ కెమెస్ట్రీ' అనాంగిక రసాయనమనీ అనేయవచ్చు.

కర్బన రసాయనంలో అనేక రకాల పదార్థాలు తారసపడతాయి. ఉదకర్బనాలు (hydrocarbons) జాతిలో కేవలం ఉదజని, కర్బనం మాత్రమే ఉంటాయి. జీవులలో కనిపించే పదార్థాలలో కర్బనంతో పాటు ఆమ్లజని, నత్రజని, గంధకం, భాస్వరం కనిపిస్తూ ఉంటాయి. మరొక జాతి పదార్థాలలో కర్బనంతోపాటు లవజనులు (halogens) కనిపిస్తూ ఉంటాయి. ఇటీవలి కాలంలో కర్బనంతో పాటు క్షార లోహాలు (alkaline metals), క్షారమృత్తిక లోహాలు (alkaline-earth metals) కలిసిన పదార్థాలని కూడా కర్బనలోహ రసాయనం (organometallic) అనే పేరుతో ఈ వర్గంలో చేర్చి అధ్యయనం చేస్తున్నారు.

కర్బన రసాయన శాస్త్రం అంటే ఏమిటి?

కర్బన రసాయన శాస్త్రం ప్రధానంగా కార్బన్, హైడ్రోజన్ అణువులతో తయారైన అణువులపై దృష్టి పెడుతుంది. వీటిని హైడ్రోకార్బన్లు అంటారు. అయితే, చాలా కర్బన అణువులలో కార్బన్, హైడ్రోజన్లతో పాటు ఇతర మూలకాలు కూడా ఉంటాయి. వాటిలో ఆక్సిజన్, నైట్రోజన్, గంధకం (sulfur), భాస్వరం (phosphorus), హాలోజన్లు ముఖ్యమైనవి.

కార్బన్ అనేది చాలా ప్రత్యేకమైన మూలకం. ఇది ఇతర పరమాణువులతో నాలుగు బలమైన బంధాలను ఏర్పరచుకోగలదు. ఈ శక్తి వల్ల కార్బన్ పెద్ద గొలుసుల వంటి నిర్మాణాలు, సంక్లిష్టమైన వలయాలను (rings) తయారు చేయగలదు. ఈ కారణం చేతనే ప్రపంచంలో లక్షలాది రకాల కర్బన సమ్మేళనాలు అందుబాటులో ఉన్నాయి.

Cefalotin అనేది ఒక యాంటీబయాటిక్‌గా ఉపయోగించే మానవ నిర్మిత కర్బన అణువుకు ఒక ఉదాహరణ.

చరిత్ర

పాత కాలంలో, ప్రజలు కర్బన రసాయనాలు కేవలం జీవుల నుండి మాత్రమే వస్తాయని అనుకునేవారు. ఈ ఆలోచనను వైటలిజం (జీవశక్తి సిద్ధాంతం) అని పిలిచేవారు. ఈ రసాయనాలను తయారు చేయడానికి ఒక "జీవ శక్తి" అవసరమని అప్పట్లో బలంగా నమ్మేవారు.ఆంగిక రసాయనం, కర్బన రసాయనం అనేవి రెండూ 'ఆర్గానిక్‌ కెమెస్ట్రీ' కి ప్రత్యామ్న్యాయమయిన తెలుగు పేర్లు. 'ఆర్గానిక్‌' అనే విశేషణం ఉంటే జీవికి, జీవన ప్రక్రియలకి సంబంధించిన రసాయనాల అధ్యయనం అనే అర్ధం స్పురిస్తుందని మొదట్లో జేకబ్‌ బెర్‌జీలియస్‌ (Jon Jacob Berzelius) అనే స్వీడన్ దేశపు శాస్త్రవేత్త సా.శ. 1800 ప్రాంతాలలో, ఈ పేరుని ఎంపిక చేసేరు. కాని బెర్‌జీలియస్‌ శిష్యుడే - వోలర్ (Wohler) - అనే కుర్రాడు - జీవి సహాయం కాని, జీవన ప్రక్రియల నిమిత్తం కాని లేకుండానే - ప్రయోగశాలలో, గాజు పరీక్ష నాళికలో - యూరియా అనే రసాయనాన్ని సృష్టించేడు. యూరియా ప్రాణుల మూత్రం (urine) లో కనిపించే ముఖ్యమైన రసాయనం. అంత వరకు 'ఆర్గానిక్‌' పదార్ధంగా చెలామణీ అయిన యూరియా (urea) ప్రయోగశాలలో, 'ఇనార్గానిక్‌' రసాయనాలతో తయారయేసరికి బెర్జీలియస్ ప్రతిపాదించిన 'ఆర్గానిక్‌', 'ఇనార్గానిక్‌' అనే విభజనకి పురిట్లోనే సంధి కొట్టింది. కాని అప్పటికే 'ఆర్గానిక్‌', 'ఇనార్గానిక్‌' అనే పేర్లు అలవాటయిపోవటంతో అవే అలా పాతుకుపోయాయి.

వైటలిజం అంతం

1828వ సంవత్సరంలో Friedrich Wöhler అనే రసాయన శాస్త్రవేత్త ఈ పాత నమ్మకాన్ని మార్చివేశారు. ఆయన తన ప్రయోగశాలలో యూరియాను తయారు చేశారు. యూరియా అనేది సాధారణంగా మూత్రంలో కనిపించే ఒక రసాయనం. ఆయన దీనిని అకర్బన పదార్థాలను ఉపయోగించి తయారు చేశారు. అంటే, ఒక కర్బన రసాయనాన్ని తయారు చేయడానికి మొక్కలు లేదా జంతువుల వంటి జీవుల అవసరం లేదని, మనుషులు కూడా ప్రయోగశాలలో వీటిని సృష్టించగలరని ఆయన నిరూపించారు.

వైటలిజం తప్పు అని నిరూపించడంలో సహాయపడిన శాస్త్రవేత్త Friedrich Wöhler.

పరిశ్రమల అభివృద్ధి

1856లో William Henry Perkin అనుకోకుండా మొదటి కర్బన రంగును (dye) తయారు చేశారు. అది ఊదా రంగులో ఉండేది, దానిని Perkin's mauve అని పిలిచారు. ఈ ఆవిష్కరణ పెద్ద విజయం సాధించింది, దీనివల్ల ప్రజలకు కర్బన రసాయన శాస్త్రంపై ఆసక్తి పెరిగింది. ఆ తర్వాత, Bayer వంటి కంపెనీలు ఆస్పిరిన్ వంటి మందులను తయారు చేయడం ప్రారంభించాయి. ఇది ఆధునిక ఔషధ పరిశ్రమకు పునాది వేసింది.

శాస్త్రవేత్తలు కర్బన సమ్మేళనాలను ఎలా అధ్యయనం చేస్తారు?

కర్బన రసాయన శాస్త్రవేత్తలు అణువులను గుర్తించడానికి, వాటి గురించి తెలుసుకోవడానికి అనేక సాధనాలను ఉపయోగిస్తారు. కర్బన పదార్థాలు తరచుగా ఒకదానితో ఒకటి కలిసిపోయి ఉంటాయి కాబట్టి, ముందుగా వాటిని వేరు చేయాల్సి ఉంటుంది.

వేరు చేసే పద్ధతులు

రసాయనాలను వేరు చేయడానికి శాస్త్రవేత్తలు కొన్ని పద్ధతులను పాటిస్తారు:

Distillation (స్వేదనం): ఒక ద్రవాన్ని మరిగించి, వాటి మరిగే ఉష్ణోగ్రతల ఆధారంగా భాగాలను వేరు చేయడం.

Chromatography (క్రోమాటోగ్రఫీ): ఒక మిశ్రమంలోని భాగాలను ఒక పదార్థం ద్వారా పంపడం ద్వారా వేరు చేసే పద్ధతి.

Crystallization (స్పటికీకరణ): ద్రవం నుండి ఘన స్థితిలో ఉండే స్పటికాలను తయారు చేయడం.

గుర్తించే పద్ధతులు

రసాయనాలను వేరు చేసిన తర్వాత, అవి ఏమిటో తెలుసుకోవడానికి శాస్త్రవేత్తలు ఈ క్రింది ముఖ్యమైన సాధనాలను ఉపయోగిస్తారు:

పద్ధతి	అది మనకు ఏమి చెబుతుంది
NMR స్పెక్ట్రోస్కోపీ	ఇది అన్నిటికంటే ముఖ్యమైన సాధనం. కార్బన్, హైడ్రోజన్ పరమాణువులు ఒకదానితో ఒకటి ఎలా కలిసి ఉన్నాయో ఇది చూపిస్తుంది.
Mass spectrometry (మాస్ స్పెక్ట్రోమెట్రీ)	ఇది అణువు యొక్క అణు భారం మరియు దాని సూత్రాన్ని (formula) తెలుపుతుంది.
Crystallography (క్రిస్టలోగ్రఫీ)	ఇది స్పటికంలో ఉన్న అణువు యొక్క ఖచ్చితమైన 3D ఆకారాన్ని చూపిస్తుంది.
Infrared spectroscopy (ఇన్‌ఫ్రారెడ్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ)	ఇది అణువులోని కార్బోనిల్ గ్రూప్ వంటి నిర్దిష్ట భాగాలను కనుగొనడంలో సహాయపడుతుంది.

కర్బన సమ్మేళనాల లక్షణాలు

కర్బన సమ్మేళనాలు అకర్బన సమ్మేళనాల కంటే భిన్నమైన భౌతిక లక్షణాలను కలిగి ఉంటాయి.

కరగడం ఇంకా మరిగించడం

చాలా కర్బన సమ్మేళనాలు వేడి చేసినప్పుడు కరుగుతాయి (melt) మరియు మరుగుతాయి (boil). దీనికి విరుద్ధంగా, చాలా అకర్బన పదార్థాలు వేడి చేస్తే విడిపోతాయి. ఒక కర్బన రసాయనం ఏ ఉష్ణోగ్రత వద్ద కరుగుతుంది లేదా మరుగుతుంది అనేది దాని పరిమాణం మరియు ఆకారంపై ఆధారపడి ఉంటుంది. చిన్న అణువులు సాధారణంగా పెద్ద అణువుల కంటే తక్కువ ఉష్ణోగ్రత వద్ద మరుగుతాయి.

ద్రావణీయత (Solubility)

చాలా కర్బన సమ్మేళనాలు నీటిలో సరిగ్గా కరగవు. వీటిని హైడ్రోఫోబిక్ (నీటిని వికర్షించేవి) అంటారు. వీటికి బదులుగా, ఇవి ఆల్కహాల్ లేదా నూనె వంటి కర్బన ద్రావకాలలో కరుగుతాయి. అయితే, కార్బాక్సిలిక్ ఆమ్లాలు వంటి కొన్ని ప్రత్యేక సమూహాలు ఉన్న కర్బన అణువులు నీటిలో కరగగలవు.

వర్గీకరణ

ప్రపంచంలో లక్షలాది కర్బన రసాయనాలు ఉన్నాయి కాబట్టి, శాస్త్రవేత్తలు వాటిని వేర్వేరు సమూహాలుగా విభజించారు.

ఫంక్షనల్ గ్రూప్స్ (ప్రమేయ సమూహాలు)

ఒక అణువులో ఉండే నిర్దిష్ట పరమాణువుల సమూహాన్ని functional group అంటారు. ఈ సమూహాలే ఆ అణువు ఎలా స్పందిస్తుందో నిర్ణయిస్తాయి.

Alcohols (ఆల్కహాల్స్): ఇవి -OH సమూహాన్ని కలిగి ఉంటాయి.

Carboxylic acids (కార్బాక్సిలిక్ ఆమ్లాలు): ఇవి వెనిగర్ (అసిటిక్ ఆమ్లం) వంటి పదార్థాలలో కనిపిస్తాయి.

Amines (అమైన్లు): ఇవి నైట్రోజన్‌ను కలిగి ఉంటాయి మరియు తరచుగా క్షార గుణాన్ని (basic) కలిగి ఉంటాయి.

Acetic acid (అసిటిక్ ఆమ్లం) ఒక కార్బాక్సిల్ ఫంక్షనల్ గ్రూపును కలిగి ఉంటుంది.

అలిఫాటిక్ సమ్మేళనాలు (Aliphatic Compounds)

ఇందులో కార్బన్ పరమాణువులు సరళమైన లేదా శాఖలుగా ఉన్న గొలుసుల వలె ఏర్పడతాయి. ఇవి ఇలా విభజించబడ్డాయి:

Alkanes (ఆల్కేన్లు): కేవలం ఏక బంధాలు మాత్రమే ఉంటాయి.

Alkenes (ఆల్కీన్లు): కనీసం ఒక ద్విబంధం (double bond) ఉంటుంది.

Alkynes (ఆల్కైన్లు): కనీసం ఒక త్రిబంధం (triple bond) ఉంటుంది.

ఆరోమాటిక్ సమ్మేళనాలు (Aromatic Compounds)

Aromatic సమ్మేళనాలు అంటే కార్బన్ పరమాణువులతో ఏర్పడిన చాలా స్థిరమైన వలయాలు. దీనికి అత్యంత ప్రసిద్ధ ఉదాహరణ బెంజీన్. ఈ వలయాలలో ఉండే ప్రత్యేక బంధాల వల్ల ఇవి చాలా బలంగా ఉంటాయి.

Benzene అనేది చాలా స్థిరమైన ఆరోమాటిక్ వలయం.

పాలిమర్లు (Polymers)

పాలిమర్లు చాలా పెద్ద అణువులు. ఇవి మోనోమర్లు అని పిలువబడే చిన్న చిన్న అణువులను ఒకదానితో ఒకటి కలపడం ద్వారా తయారవుతాయి.

సహజ పాలిమర్లు: వీటిలో DNA, ప్రోటీన్లు, సెల్యులోజ్ వంటివి ఉన్నాయి.

కృత్రిమ పాలిమర్లు: వీటిలో పాలీస్టైరీన్, పాలీవినైల్ క్లోరైడ్ (PVC) వంటి ప్లాస్టిక్కులు ఉన్నాయి.

పాలీస్టైరీన్ అనే పాలిమర్‌తో తయారు చేసిన ఈత బోర్డు.

కర్బన రసాయన చర్యలు

కర్బన అణువులు కొత్త అణువులుగా మారే ప్రక్రియను కర్బన చర్య అంటారు. పాత బంధాలు విడిపోయి కొత్త బంధాలు ఏర్పడినప్పుడు ఇది జరుగుతుంది. సాధారణంగా జరిగే చర్యల రకాలు:

Addition (సంకలన చర్య): రెండు అణువులు కలిసి ఒకటిగా మారడం.

Substitution (ప్రతిక్షేపణ చర్య): అణువులోని ఒక భాగం స్థానంలో మరొక భాగం చేరడం.

Elimination (విలోపన చర్య): అణువు నుండి కొన్ని భాగాలు తొలగిపోయి ద్విబంధం ఏర్పడటం.

Redox (రెడాక్స్): ఎలక్ట్రాన్లను కోల్పోవడం లేదా పొందడం ద్వారా జరిగే చర్యలు.

ఈ చర్యల సమయంలో ఎలక్ట్రాన్లు ఎలా కదులుతాయో చూపించడానికి శాస్త్రవేత్తలు "బాణం గుర్తులను" ఉపయోగిస్తారు. దీనిని చర్యా విధానం అంటారు.

కర్బన సంశ్లేషణ (Organic Synthesis)

కర్బన సంశ్లేషణ అనేది కర్బన అణువులను నిర్మించే ఒక కళ. ఇది లేగో (LEGO) ముక్కలతో ఇల్లు కట్టినట్లుగా, పరమాణువులతో అణువులను నిర్మించడం వంటిది.

టోటల్ సింథసిస్ (సంపూర్ణ సంశ్లేషణ)

Total synthesis అంటే శాస్త్రవేత్తలు చాలా సాధారణ పదార్థాల నుండి సంక్లిష్టమైన అణువును తయారు చేయడం. Vitamin B12 తయారీ దీనికి ఒక గొప్ప ఉదాహరణ. ఇది విజ్ఞాన శాస్త్రంలో ఒక మైలురాయిగా నిలిచింది.

vitamin B12 యొక్క సంక్లిష్ట నిర్మాణం.

రెట్రోసింథసిస్

ఒక అణువును ఎలా తయారు చేయాలో ప్లాన్ చేయడానికి రసాయన శాస్త్రవేత్తలు retrosynthesis అనే పద్ధతిని ఉపయోగిస్తారు. వారు చివరిగా తయారవ్వాల్సిన అణువు నుండి వెనక్కి వెళ్తూ ఆలోచిస్తారు. "ఈ అణువును తయారు చేయడానికి ఏ చిన్న అణువు ఉపయోగపడుతుంది?" అని వారు ఆలోచిస్తారు. మార్కెట్లో సులభంగా దొరికే పదార్థాల వరకు వారు ఇలా వెనక్కి ఆలోచిస్తూ వెళ్తారు.

జీవ అణువులు (Biomolecules)

కర్బన రసాయన శాస్త్రం జీవ రసాయన శాస్త్రానికి చాలా దగ్గరగా ఉంటుంది. జీవులలో ఉండే రసాయనాలు దాదాపు అన్నీ కర్బన పదార్థాలే. వాటిలో ముఖ్యమైనవి:

కార్బోహైడ్రేట్లు: చక్కెర మరియు పిండి పదార్థాల వంటివి.

లిపిడ్లు: కొవ్వులు మరియు నూనెల వంటివి.

ప్రోటీన్లు: ఇవి అమినో ఆమ్లాలతో తయారవుతాయి.

న్యూక్లియిక్ ఆమ్లాలు: DNA మరియు RNA వంటివి.

ఈ కారణంగానే కర్బన రసాయన శాస్త్రం జీవశాస్త్రానికి మరియు వైద్యశాస్త్రానికి పునాదిగా నిలుస్తుంది.

Periodic table of elements of interest in organic chemistry. The table illustrates all elements of current interest in modern organic and organometallic chemistry, indicating main group elements in orange, and transition metals and lanthanides (Lan) in grey.

ఇవి కూడా చూడండి

అకర్బన రసాయన శాస్త్రం

విశ్లేషణాత్మక రసాయన శాస్త్రం

పర్యావరణ రసాయన శాస్త్రం

హరిత రసాయన శాస్త్రం

ఔషధ రసాయన శాస్త్రం

కేంద్రక రసాయన శాస్త్రం

బయటి లింకులు

ఖాన్ అకాడమీ - కర్బన రసాయన శాస్త్రం

కర్బన రసాయన శాస్త్ర పోర్టల్