תקופת ניצנים מוקדמת
המונח "כימיה אורגנית" נטבע לראשונה בשנת 1806 על ידי בצריוס, "אבי הכימיה האורגנית". באותה תקופה היא נקראה כאנטיתזה של "כימיה אי-אורגנית". בשל מגבלות מדעיות, מושא המחקר בכימיה אורגנית יכול להיות רק חומר אורגני המופק מאורגניזמים טבעיים של בעלי חיים וצמחים. לכן, כימאים רבים מאמינים שניתן לייצר תרכובות אורגניות רק בשל קיומה של מה שנקרא "חיוניות" באורגניזמים חיים, ולא ניתן לסנתז אותן מתרכובות אנאורגניות במעבדה.
בשנת 1824, הכימאי הגרמני Wühler עשה הידרוליזה של ציאנט כדי לייצר חומצה אוקסלית, ובשנת 1828, הוא השתמש בחימום בטעות כדי להמיר אמוניום ציאנט לאוריאה. גם ציאניד וגם אמוניום ציאנט הם תרכובות אנאורגניות, בעוד שחומצה אוקסלית ואוריאה הן שתיהן תרכובות אורגניות. תוצאות הניסויים של וולר העניקו לדוקטרינת "כוח החיים" את ההשפעה הראשונה שלה. מאז, תרכובות אורגניות כמו חומצה אצטית סונתזו מפחמן, מימן ויסודות אחרים, ותורת החיוניות נזנחה בהדרגה.
עקב השיפור והפיתוח של שיטות הסינתזה, יותר ויותר תרכובות אורגניות מסונתזות במעבדה, ורובן מסונתזות בתנאים שונים מאוד מאלה שבאורגניזמים חיים. דוקטרינת ה"חיוניות" נזנחה בהדרגה, אך המונח "כימיה אורגנית" משמש עד היום.
מתחילת המאה ה-19 ועד 1858, כאשר הוצע המושג קשר ערכיות, זו הייתה התקופה העוברית של הכימיה האורגנית. במהלך תקופה זו בודדו תרכובות אורגניות רבות, כמה נגזרות הוכנו, והן תוארו בצורה איכותית, והמאפיינים של כמה תרכובות אורגניות הוכרו.
הכימאי הצרפתי Lavoisier גילה שכאשר שורפים תרכובות אורגניות, נוצרים פחמן דו חמצני ומים. עבודת המחקר שלו הניחה את הבסיס לניתוח כמותי של תרכובות אורגניות. ב-1830 פיתח הכימאי הגרמני ליביג את שיטת הניתוח של פחמן ומימן, וב-1833 קבע הכימאי הצרפתי דיומא את שיטת הניתוח של חנקן. הקמת שיטות הכימות האורגניות הללו מאפשרת לכימאים למצוא נוסחאות ניסיוניות לתרכובת.
באותה תקופה, היה קשה מאוד לפתור את הבעיה של אופן סידור ושילוב האטומים במולקולה של תרכובות אורגניות. במקור, הכימיה האורגנית השתמשה בתיאוריה בינארית כדי לפתור את הבעיה המבנית של תרכובות אורגניות. התיאוריה הדואליסטית גורסת שניתן לחלק את המולקולות של תרכובת למטען חיובי ולטעון שלילי, והשתיים מוחזקות יחד בכוח אלקטרוסטטי. כימאים מוקדמים האמינו שמבחינת תגובות כימיות מסוימות, מולקולות תרכובות אורגניות נקשרו על ידי כוחות אלקטרוסטטיים של קבוצה שנותרה ללא שינוי בתגובה וקבוצה שהשתנתה בתגובה בהתאם לכוח האלקטרוסטטי של המטען הנגדי. אבל דוקטרינה זו עצמה סותרת מאוד.
תורת הטיפולוגיה הוקמה על ידי הכימאים הצרפתים ז'ראר ולורן. תיאוריה זו מכחישה כי תרכובות אורגניות מורכבות מקבוצות טעונות חיוביות ושליליות, וכי תרכובות אורגניות נגזרות מכמה תרכובות אב שניתן להחליף, ולכן ניתן לסווג אותן לפי תרכובות אב אלו. הטיפולוגיה מסווגת תרכובות אורגניות רבות לסוגים שונים, לפיהם ניתן להסביר לא רק כמה תכונות של התרכובות, אלא גם כמה תרכובות חדשות ניתן לחזות. אבל טיפולוגיה לא מצליחה לענות על שאלת המבנה של תרכובות אורגניות. שאלה זו הפכה לתעלומה שמטרידה אנשים במשך שנים רבות.
תקופה של כימיה אורגנית קלאסית
מאז כינון תיאוריית קשר הערכיות ב-1858 ועד הצגת התיאוריה האלקטרונית של קשרי הערכיות ב-1916 נפתרה התעלומה הבלתי פתירה הזו, ותקופה זו הייתה תקופת הכימיה האורגנית הקלאסית.
בשנת 1858, הכימאי הגרמני קקולר והכימאי הבריטי קופר הציעו את המושג של קשרי ערכיות, ובפעם הראשונה השתמשו במקף "-" כדי לייצג את ה"קשר". הם מאמינים שמולקולות תרכובות אורגניות נוצרות מהקשרים של האטומים מהם הם מורכבים. מכיוון שמכל התרכובות המוכרות, אטום מימן יכול להיקשר רק לאטום של יסוד אחר, מימן נבחר כיחידת הערכיות. הערכיות של יסוד היא מספר אטומי המימן שיכולים להיקשר לאטום אחד של אותו יסוד. קקולר גם הציע את הרעיון החשוב לפיו אטומי פחמן יכולים להיקשר זה לזה במולקולה.
בשנת 1848, פסטר בודד שני גבישי חומצה טרטרית, אחד עם חצי גביש-המיפאדרלי משמאל ואחד גביש המיפאלי מימין. הראשון מסובב את האור המקוטב במטוס- שמאלה, בעוד שהאחרון מסובב אותו ימינה באותה זווית. תופעה דומה נתקלה בחקר הלקטט. לשם כך, בשנת 1874, הציעו הכימאי הצרפתי לבל והכימאי ההולנדי ואן טורף, בהתאמה, מושג חדש: איזומרים, שהסבירו בצורה משביעת רצון את איזומריזם זה.
הם מאמינים שהמולקולה היא ישות תלת-ממדית, שארבעת קשרי הערכיות של פחמן סימטריים במרחב, ומצביעים על ארבעת הקודקודים של טטרהדרון, ושאטום הפחמן ממוקם במרכז הטטרהדרון. כאשר אטום פחמן מקושר לארבעה אטומים או קבוצות שונות, נוצר זוג איזומרים, שהם תמונות פיסיקליות וראי אחד של השני, או קשרים כיראליים-ימניים-, וזוג תרכובות זה הוא איזומרים או אננטיומרים אופטיים של זה. תופעה זו נקראת תופעת אננטיומר. שתי מולקולות אלו שהן פיסיקליות הדדיות ותמונות מראה, אננטיומטריות אך אינן חופפות לחלוטין, נקראות מולקולות כיראליות. התיאוריות של לבל וונטורף הן הבסיס לסטריאוכימיה בכימיה אורגנית. [3]
בשנת 1900 התגלה הרדיקל החופשי הראשון, הרדיקל החופשי טריפניל, שהוא רדיקל חופשי-ארוך חיים. נוכחותם של רדיקלים חופשיים לא יציבים אושרה גם ב-1929.
בתקופה זו חלה התקדמות רבה בקביעת המבנה של תרכובות אורגניות, כמו גם בתגובה ובסיווג. אבל קשר הערכיות הוא רק מושג שנגזר על ידי כימאים מניסיון מעשי, ומהות קשר הערכיות טרם נפתרה.
תקופת הכימיה האורגנית המודרנית
על בסיס גילוי האלקטרונים של הפיזיקאים והבהרת המבנה האטומי, הכימאי הפיזיקלי האמריקאי לואיס ואחרים הציעו את התיאוריה האלקטרונית של קשרי ערכיות ב-1916.
הם מאמינים שהאינטראקציה של האלקטרונים החיצוניים של כל אטום היא הקושרת את האטומים יחד. קשר יוני נוצר כאשר האלקטרונים החיצוניים המקיימים אינטראקציה מועברים מאטום אחד לאחר, וקשר קוולנטי נוצר אם שני אטומים חולקים את האלקטרונים החיצוניים. באמצעות העברה או שיתוף של אלקטרונים, האלקטרונים החיצוניים של האטומים המקיימים אינטראקציה נרכשים כולם בתצורה האלקטרונית של הגז האציל. לפיכך, המקף "-" המשמש לייצג את קשר הערכיות בייצוג הציורי של קשר הערכיות הוא למעשה זוג של שני אטומים החולקים זוגות אלקטרונים.
לאחר 1927, היטלר ולונדון השתמשו במכניקת הקוונטים כדי להתמודד עם בעיות מבנה מולקולרי, ביססו את תיאוריית קשר הערכיות והציעו מודל מתמטי לקשרים כימיים. מאוחר יותר, מליקון השתמש בתיאוריית המסלול המולקולרי כדי להתמודד עם המבנה המולקולרי, והתוצאות היו עקביות בדרך כלל עם התיאוריה האלקטרונית של קשרי ערכיות, ובגלל קלות החישוב נפתרו בעיות רבות שלא ניתן היה לענות עליהן באותה עת.