книги из ГПНТБ / Жиряков В.Г. Органическая химия

20 Введение

Основы классификации органических веществ

Органические вещества принято разделять на три большие

родных атомов, т. е. имеющие замкнутую цепь атомов углерода. 3. Г е т е р о ц и к л и ч е с к и е с о е д и н е н и я — вещества, содержащие в составе своей молекулы замкнутые кольца, в ко­ торые кроме атомов углерода входят атомы других элементов

(гетероатомы), например азот, кислород, сера и др.

В каждой группе от основных простейших веществ могут быть выведены различные классы производных, например спир­ ты, кислоты, кетоны и др. Такие производные имеют целый ряд типичных свойств, которые определяются атомами или группами атомов, замещающими в основных веществах атомы водорода, например —ОН, —NH2, —СООН и др.

Подобные группы атомов получили название функциональ­ ных групп.

Рассмотрение их показывает, что состав углеводородов можно выразить общей формулой. Если число атомов углерода в лю­ бом члене гомологического ряда предельных углеводородов обозначить п, то число атомов водорода в нем будет 2п + 2, и общая формула предельных углеводородов будет СпН2п+2■Так, например, в бутане число атомов углерода п = 4, а число ато­

наименования органических соединений, так называемой номен­ клатуры, становится ясным, если учесть, что число органических соединений, известных в настоящее время, достигает около че­ тырех миллионов.

Номенклатура служит для того, чтобы по названию органи­ ческого соединения можно было легко написать его структур­ ную формулу и, наоборот, назвать словами органическое соеди­ нение, изображенное формулой строения. Поэтому для проч­ ного усвоения органической химии необходимо твердо усвоить номенклатуру органических соединений и особенно предельных углеводородов, так как названия большого числа органических соединений других классов являются производными от наиме­ нований предельных углеводородов.

Как же составляются названия предельных углеводородов? Для того чтобы показать сходство всех углеводородов этого ряда с их «родоначальником» — метаном, все они получили та­ кое же окончание ан. Первые четыре члена гомологического ряда предельных углеводородов — метан, этан, пропан и бутан носят исторически сложившиеся названия. Названия остальных углеводородов составляются из греческого (реже латинского) названия числительного, которое соответствует числу атомов углерода в молекуле углеводорода, и окончания ан. Так, угле­ водород с пятью углеродными атомами в молекуле будет на­ зываться пентан («пента» по-гречески пять), с восемью угле­

родными атомами — октан («окта» — восемь) и т. д.

Важную роль в органической химии играют так называемые углеводородные радикалы.

Углеводородным радикалом называют часть молекулы угле­ водорода, обладающую определенным числом свободных еди­ ниц валентности. Валентность радикала определяется числом одновалентных атомов, необходимых для насыщения радикала.

Поясним это сначала примерами из неорганической химии. Если от молекулы воды отнять атом водорода, то мы полу­ чим радикал гидроксил —ОН, обладающий одной свободной

единицей валентности.

Если от молекулы азотной кислоты HN03 отнять гидроксил (ОН), то останется радикал —ЫОг, носящий название нитро­ группы и обладающий также одной свободной валентностью.

Аналогично сказанному, если от молекулы предельного уг­ леводорода этана отнять один атом водорода, то останется од­ новалентный радикал этил

Н Н

) I

н —С—С—

I I

нн

аесли два атома, то двухвалентный радикал этилиден

нн

II

н—с —с —

Названия одновалентных радикалов образуются из назва­ ний соответствующих предельных углеводородов, от которых они произошли, с заменой окончания ан на ил. Названия двух­ валентных радикалов также образуются из названий соответ­ ствующих предельных углеводородов с заменой окончания ан на илиден (исключение составляет двухвалентный радикал, со­ ответствующий метану, который называется метилен):

Одновалентные углеводородные радикалы имеют общее на­ звание алкилы (сокращенное обозначение Alk или просто R). От­ сюда произошло еще одно наименование предельных углеводо­ родов — алканы.

Возвратимся теперь к рассмотрению структурных формул предельных углеводородов. Прежде всего мы можем отметить, что каждый последующий член гомологического ряда предель­ ных углеводородов можно рассматривать как предыдущий угле­ водород, один из атомов водорода в котором замещен на металь­ ный радикал СН3— (или, как обычно говорят, на метальную группу или просто на метил). Например, этан можно рас­ сматривать как метан, у которого один атом водорода замещен

Из приведенных формул метана и этана можно также ви­ деть, что какой бы атом водорода в этих соединениях мы ни за­ мещали на метильную группу, всегда получается соответствен­ но этан (из метана) и пропан (из этана). Таким образом, все атомы водорода в молекулах метана и этана равноценны.

Аналогичная картина будет наблюдаться, если мы заменим крайние атомы водорода в пропане. При замене на метильную группу любого атома водорода, соединенного с к р а й н и м и атомами углерода, мы всегда получим одно и то же соединение, а именно: бутан С4Н10, у которого все атомы углерода последо­

Иная картина будет наблюдаться, если в пропане заместить на метильную группу любой из двух атомов водорода, находя­ щихся при с р е д н е м атоме углерода:

изобутан

В этом случае мы также получим углеводород общей фор­ мулы С4Н10, но по своему строению отличающийся от предыду­ щего тем, что только три атома углерода в его молекуле связаны последовательно друг с другом, а четвертый образует разветвле­ ние (боковую цепь).

Соединения, обладающие одинаковым составом и молеку­ лярным весом, но различным строением, называются изомера­ ми (от греческого слова «изомерес», что означает «составлен­ ный из равных частей»).

Как видно из приведенных выше схем, бутан может суще­ ствовать в виде только двух изомеров: с неразветвленной цепью углеродных атомов — так называемый нормальный бутан (со­ кращенно м-бутан), и с разветвленной цепью — изобутан.

Если мы попытаемся вывести все возможные изомеры сле­ дующего за бутаном углеводорода —■пентана, то убедимся, что число его изомеров будет уже больше, чем у бутана.

Молекула нормального пентана с неразветвленной цепью имеет 5 углеродных атомов: ,

н н н н н

Н—С—С—С—С—С—Н

н н н н н

Такой нормальный пентан можно получить, замещая на ме­ тильную группу, как и в предыдущем примере, любой из 6 во­ дородных атомов (обведенных пунктиром) при крайних угле­ родных атомах нормального бутана:

н

н н—с—н н

I

н

изображают как СН3—СН—СН3 или СН3СН (СН3) СН3.

СН2 Углерод в молекуле органического соединения, связанный

лишь с одним атомом углерода (например, крайние углеродные атомы в пропане), принято называть первичным; углерод, свя­ занный с двумя атомами углерода (например, средний угле­ родный атом в пропане), — вторичным; связанный с тремя уг­ леродными атомами (например, средний углеродный атом в изобутане), — третичным атомом; связанный с четырьмя угле­ родными атомами, — четвертичным атомом углерода.

Углеводороды с неразветвленной цепью углеродных атомов называют нормальными, например нормальный пентан (или со­ кращенно «-пентан). Если углеводород имеет разветвленную цепь атомов углерода, то к его названию прибавляется пристав­ ка изо. Для углеводорода с четырьмя углеродными атомами — бутана С4Н10, который существует лишь в виде двух изомеров (бутан и изобутан), эта номенклатура вполне применима, но как только мы перейдем к пентану, так сейчас же возникнет во­ прос: как отличить между собой по названию два изопентана

бы точно обозначить все возможные формулы строения орга­ нических соединений.

В настоящее время наиболее широко применяют две номен­

как производные метана, в котором один или несколько ато­ мов водорода замещены на другие атомы или радикалы.

Какое название будут иметь по рациональной номенклатуре два изображенных выше изопентана?