книги из ГПНТБ / Пальм, В. А. Введение в теоретическую органическую химию учеб. пособие

насыщены атомами водорода. Совместно с углеводородами такие гете­ роциклы составляют совокупность соединений, которые можно условно назвать скелетоводородами *. Классификация скелетоводородов яв­ ляется основой всей системы соединений, рассматриваемых в органи­ ческой химии.

В каждом скелетоводороде можно заменить один или несколько ато­ мов водорода какими-либо одновалентными структурными фрагмен­ тами. Такая операция называется замещением, а соответствующие структурные фрагменты — заместителями. Аналогично можно в мо­ лекулах двух одинаковых или разных скелетоводородов или в одной молекуле скелетоводорода заместить два водородных атома двухва­ лентным заместителем и т. д. Если водородные атомы принадлежат двум разным атомам углерода одного и того же скелетоводорода, возникает новый цикл. По этой причине классификация гетероциклических сое­ динений по меньшей мере частично перекрывается приводимой ниже классификацией, основанной на природе заместителей — функцио­ нальных групп.

Неуглеводородные одноили многовалентные заместители назы­ ваются функциональными группами (иногда просто функциями). За­ мещая атомы водорода на функциональные группы, из каждого скеле­ товодорода можно получить ряд функциональных производных, име­ ющих свою классификацию. Основой классификации служит в пер­ вую очередь характер функциональной группы, так как каждой из них соответствует определенный класс соединений. Кроме того, раз­ личают моно- и полифункциональные производные. Молекула монофунк­ ционального производного содержит одну функциональную группу, а полифункционального — несколько* групп. Классификация моно­ функциональных производных служит основой для общей классифи­ кации по признаку функциональных групп.

Молекулы соединений со смешанными функциями содержат несколько разных функциональных групп.

Для определения места, занимаемого каждым конкретным соеди­ нением в общей системе, необходимо указать как тот скелетоводород, производным которого оно является, так и все функциональные груп­ пы, выступающие в качестве заместителей. Следовательно, классифи­ кация органических соединений сводится к использованию двух классификационных признаков — характера соответствующего скелето­ водорода и природы и числа функциональных групп.

В качестве простейшего скелетоводорода можно принять молекулу водорода. Заменяя один или оба атома водорода в молекуле Н 2 функ­ циональными группами, получают простейшие, чаще всего неоргани­ ческие представители того или иного класса функциональных произ­ водных. Такой подход приводит к стиранию границы между органиче­ скими и неорганическими соединениями и все структуры с ковалентными

* Это не общепринятый термин. Он введен в настоящее руководство с единствен' ной целью — облегчить изложение основных принципов классификации и номенкла­ туры органических соединений.

90

связями объединяются в единую систему. С практической точки зрения это важно при использовании постоянных заместителей, рас­ смотренных в гл. IV. Следует подчеркнуть, что такое единство не является формальным. Наоборот, формальной условностью следует считать выделение соединений углерода из числа всех соединений с ко­ валентными связями.

Из сказанного следует, что классификация скелетоводородов, с одной стороны, и функциональных производных, с другой стороны — это две независимые системы.

2. КЛАССИФИКАЦИЯ СКЕЛЕТОВОДОРОДОВ

Все скелетоводороды можно подразделить на углеводороды и ге­ тероциклы. Углеводороды подразделяются в свою очередь на алифа­ тические (с открытой цепью) и циклические. Циклические углеводоро­ ды представлены двумя типами: неароматические, или алициклические,

и ароматические. Кроме того, существуют углеводороды смешанного характера, молекулы которых содержат как циклические (алицикли­ ческие или ароматические), так и алифатические фрагменты.

Гетероциклы также подразделяются на ароматические и неарома­ тические. Неароматические гетероциклы могут сочетаться как друг е другом, так и с алифатическими, алициклическими и ароматическими углеводородными участками молекулы.

Алифатические, алициклические углеводороды и неароматические гетероциклы можно разбить на группы по признаку валентного состо­ яния атомов углерода. Соединения, содержащие только углеродные атомы в первом валентном состоянии (sp3), называются насыщенными. Если же неароматический скелетоводород содержит углероды во вто­ ром или третьем валентных состояниях (sp2 или sp), т. е. содержит двойные или тройные связи, то он входит в группу ненасыщенных сое­ динений.

Дальнейшая детализация этой классификационной схемы приво­ дится одновременно с рассмотрением номенклатуры соответствующих скелетоводородов.

3. КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ПРИЗНАКУ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ГРУПП

Любой функциональной группе —X соответствует определенный класс соединений R—X, где R— остаток скелетоводорода, получен­ ный из него удалением атома водорода. Важнейшие функциональные группы и названия соответствующих классов соединений, а также приставки и окончания, используемые для образования систематиче­ ских названий функциональных производных, приведены в табл. 4.

91

Т а б л и ц а 4

Важнейшие функциональные группы и соответствующие им приставки и окончания, используемые в систематической номенклатуре

* С о г л а с н о ж е н е в с к о й н о м е н к л а т у р е (п р и н я т ы в х и м и ч е с к о й л и т е р а т у р е н а р у с с к о м я з ы к е ) .

** Э ти о к о н ч а н и я д о б а в л я ю т с я к н а з в а н и ю р а д и к а л а и л и к п е р е ч и с л е н и ю н а з в а н и й р а д и к а л о в .

Г л а в а V I

ОСНОВЫ НОМЕНКЛАТУРЫ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИИ

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СУЩЕСТВУЮЩИХ НОМЕНКЛАТУРНЫХ СИСТЕМ

В химической литературе используются наименования органиче­ ских соединений, основанные на различных номенклатурных системах. Это затрудняет освоение общих номенклатурных принципов и пони­ мание соответствующих специальных текстов. Если бы даже удалось достичь строгого единства номенклатуры во всех новых публикациях, все же еще надолго сохранится необходимость понимать работы, из­ данные за предыдущие годы. Поэтому неизбежно знакомство с основ­ ными принципами нескольких важнейших номенклатурных систем.

Исторически первой возникла так называемая тривиальная номен­ клатура, не имеющая никакой научной основы (например, теории стро­ ения). Тривиальные названия соединений случайны и обычно обус­ ловлены обстоятельствами (источник получения ит. д.), непосредствен­ но не связанными с химическими теориями. Примерами тривиальных названий являются' «винный спирт», «аспирин», «галловая кислота»,

«пенициллин» и т. д.

Рациональная номенклатура основана на некоторых аспектах те­ ории строения. Определенные классы соединений рассматриваются при этом с точки зрения понятия о гомологических рядах. Гомологи­ ческим рядом называется совокупность соединений, отличающихся друг от друга только количеством метиленовых групп —СН2— в мо­ лекуле. Члены данного гомологического ряда можно рассматривать как производные простейшего члена этого ряда, полученные путем последовательной вставки некоторого количества метиленовых групп между атомами водорода и углерода в одной или нескольких связях С—Н.

За основу берется название первого члена гомологического ряда, а все остальные члены этого ряда рассматриваются как соответствующие замещенные производные

Как тривиальная, так и рациональная номенклатуры не универ­ сальны. Они не позволяют вывести однозначно наименование для лю­ бого произвольно выбранного соединения. В случае тривиальной но­ менклатуры причина такой ограниченности очевидна. Но и возможности рациональной номенклатуры исчерпываются быстро по мере услож­ нения строения соединений. Тем не менее обе номенклатуры не потеря-

98

ли своего значения и поныне из-за краткости или наглядности соответ­ ствующих названий.

Научная, или систематическая, номенклатура должна давать од­ нозначное название любому органическому соединению. Она должна отвечать также требованию обратимости, т. е. возможности однознач­ ного перевода систематических наименований на язык классических структурных формул. Основы такой номенклатуры были заложены в 1889 г. на Женевском конгрессе химиков (женевская номенклатура). Позже эта номенклатура была усовершенствована на X конгрессе ШРАС * в Льеже — Льежская номенклатура (1930 г.) и на XIX кон­ грессе — правила ШРАС (1957 г.). В настоящем руководстве они бу­ дут рассматриваться как предпочтительные, исходя из необходимо­ сти международной унификации систематических названий органи­ ческих соединений.

Систематическая номенклатура основана на наименованиях про­ стейших скелетоводородов (неразветвленные предельные алифати­ ческие углеводороды и незамещенные циклы). Все остальные соедине­ ния рассматриваются как производные этих соединений, получаемые путем замещения одного или нескольких атомов водорода в молекулах соответствующих скелетоводородов какими-либо структурными фраг­ ментами. Для уточнения местоположения этих заместителей существуют правила нумерации углеродных атомов и гетероатомов скелето­ водородов. Характер заместителей уточняется соответствующими при­ ставками и окончаниями, п е р е д которыми (по правилам ШРАС) приводятся числа, указывающие положение заместителей (согласно пра­ вилам женевской номенклатуры, при использовании окончаний эти цифры располагают п о с л е окончания). В качестве заместителей могут выступать как функциональные группы, так и остатки скелето­ водородов, которые в свою очередь могут обладать собственными заме­ стителями, и т. д.

Правила систематической номенклатуры постоянно дополняются новыми в результате работы соответствующего комитета ШРАС. В на­ стоящем руководстве они приведены только выборочно и охватывают в первую очередь наиболее простые и типичные структуры. Там, где установившаяся практика делает это неизбежным, приводятся также правила рациональной номенклатуры и тривиальные наименования. Однако следует помнить точку зрения, высказанную в последних пра­ вилах ШРАС, что желательно довести использование несистематиче­ ских названий до минимума.

2. НОМЕНКЛАТУРА АЛИФАТИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ

Согласно правилам систематической номенклатуры, номенклатура алифатических предельных углеводородов служит основой для обра­ зования наименований всех остальных алифатических соединений, а также всех алифатических заместителей. Правила номенклатуры для

* International Union of Pure and Applied Chemistry — Международный союз чистой и прикладной химии.

алициклических соединений также основаны на названиях алифати­ ческих предельных углеводородов.

В номеклатуре все углеводороды с разветвленным углеродным скелетом рассматриваются как продукты замещения нормальных угле­ водородов. Из этого вытекает обсуждаемая ниже проблема определения так называемой главной углеродной цепи, а также необходимость да­ вать особые названия углеводородным заместителям в пределах но­ менклатуры алифатических соединений.

Исходя из сказанного, номенклатура алифатических углеводородов сводится к следующим составным элементам:

а) номенклатура предельных нормальных углеводородов;

НОМЕНКЛАТУРА ПРЕДЕЛЬНЫХ НОРМАЛЬНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ

Обобщенное наименование рассматриваемой группы соединений — алканы (или «нормальные алканы»), причем окончание -ан является ^ их общим номенклатурным признаком. Все нормальные алканы могут быть представлены следующей общей формулой: СНз(СН2)„_2СН3, где п — число атомов углерода в молекуле. Основой номенклатуры алканов служит греческое название этого числа с добавлением оконча­ ния -ан. Исключение составляют первые четыре члена ряда (п= 1—4), для которых правила систематической номенклатуры сохраняют клас­ сические тривиальные названия. Конкретные примеры названий ал­ канов приведены в табл. 5.

100