пособие_1_2022
.pdf
насыщенный |
ненасыщенный |
ароматический |
гетероцикл |
гетероцикл |
гетероцикл |
В пределах каждого из названных рядов органические вещества распределяются по классам.
Соединения, молекулы которых состоят только из атомов углерода и водорода, называются углеводородами. Замещение одного или нескольких атомов водорода функциональными группами ведет к образованию других классов органических соединений.
Классификация по природе функциональных групп. Функциональная группа – структурный фрагмент молекулы, характеризующий свойства соединений данного класса. Например, свойства карбоновых кислот характеризуются наличием карбоксильной группы (–СООН); в спиртах функциональной группой является гидроксил (–ОН); к аминам относятся соединения, содержащие функциональную группу –NH2, и т. д. (табл. 1.1).
|
|
|
|
Таблица 1.1 |
|
Классы органических соединений |
|
||
|
|
|
|
|
Класс соединения |
|
Формула |
Функциональная группа |
|
|
Обозначение |
Название |
||
|
|
|
||
Галогенопроизводные |
|
R–Hal |
–Hal |
Галоген |
углеводородов |
|
|
(–F, –Cl, –Br, –I) |
|
Спирты, фенолы |
|
R–OH |
–OH |
Гидроксильная группа |
Тиоспирты, тиофенолы |
|
R–SH |
–SH |
Меркаптогруппа |
Простые эфиры |
|
R–O–R |
–OR |
R-оксигруппа |
Сульфиды (тиоэфиры) |
|
R–S–R |
–OR |
R-тиогруппа |
Альдегиды |
|
R–(C=O)–H |
–(C=O)–H |
Альдегидная группа |
Кетоны |
|
R–(C=O)–R |
=C=O |
Кетогруппа |
Карбоновые кислоты |
|
R–COOH |
–COOH |
Карбоксильная группа |
Нитрилы |
|
R–CN |
–CN |
Цианогруппа |
Сульфокислоты |
|
R–SO3H |
–SO3H |
Сульфогруппа |
Нитросоединения |
|
R–NO2 |
–NO2 |
Нитрогруппа |
Нитрозосоединения |
|
R–NO |
–N=O |
Нитрозогруппа |
Амины |
|
R–NH2 |
–NH2 |
Аминогруппа |
По количеству и однородности функциональных групп органические соединения делят на монофункциональные, полифункциональные и гетерофункциональные.
11
Вещества с одной функциональной группой называют монофункциональными, с несколькими одинаковыми функциональными группами – полифункциональными, с несколькими различными функциональными группа-
ми – гетерофункциональными.
Соединения одного класса объединены в гомологические ряды. Гомологический ряд – это ряд органических соединений с одинаковыми функциональными группами и однотипным строением, каждый представитель которого отличается от предыдущего на постоянную единицу (–СН2–), которую называют гомологической разностью. Члены гомологического ряда называются гомологами. Например, гомологический ряд одноатомных спиртов с общей формулой CnH2n+1OH выглядит следующим образом:
метанол; этанол; пропанол.
1.2. Номенклатура органических соединений
Номенклатура химических соединений – это совокупность названий ин-
дивидуальных химических веществ, их групп и классов, а также правила составления этих названий.
Соблюдать соответствия между существующей классификацией веществ и их наименованиями позволяют номенклатурныесистемы.
Номенклатура органических соединений складывалась на протяжении всего периода становления органической химии как науки. Для названий органических соединений применяют 3 номенклатурные системы: тривиальную, рациональную и систематическую(IUPAC).
Тривиальная номенклатура. Первые названия органических соединений были случайными. Тривиальные (эмпирические) названия соединений могут отражать:
–природные источники соединений (муравьиная кислота, лимонная кислота, мочевина, индиго, кофеин);
–способы получения (пирогаллол, пировиноградная кислота);
–характерные свойства (пикриновая кислота, капроновая кислота, флуоресцеин, малахитовый зеленый);
–имена первооткрывателей (реактив Гриньяра, кетон Михлера). Тривиальные названия органических соединений прочно укоренились, и
многие из них до сих пор общепризнанны. Особенно широко их применяют
12
для обозначения сложных соединений и новых соединений неустановленного строения. Эти названия не отражают реального химического строения, их количество велико и продолжает увеличиваться.
Рациональная номенклатура. В основе рациональной номенклатуры лежит принцип деления органических соединений на гомологические ряды. Вещества рассматриваются как производные простейшего представителя данного ряда: для алканов – метана, для алкенов – этилена, для алкинов – ацетилена и т. д., например:
ацетилен |
метилацетилен |
диметилацетилен |
В настоящее время применение рациональной номенклатуры ограничено. Основные ее принципы нашли свое отражение в радикало-функциональ- ной номенклатуре (см. далее).
Систематическая номенклатура (IUPAC). Первая попытка создать номенклатурную систему, которая позволяла бы однозначно именовать любое органическое соединение, была предпринята в 1892 г. на международном конгрессе в Женеве (Женевская номенклатура). Правила современной номенклатуры были разработаны на XIX конгрессе Международного союза теоретической и прикладной химии (International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC) в 1957 г. Эти правила известны под названием номенклатуры IUPAC (систематической номенклатуры).
Номенклатурные правила IUPAC предусматривают несколько способов образования названий органических соединений. Наиболее широко приме-
няются заместительная, радикало-функциональная, соединительная и заме-
нительная номенклатуры IUPAC.
Заместительная номенклатура. При образовании названий по заместительной номенклатуре органические соединения рассматривают как производные простейших углеводородов, в молекуле которых один или несколько атомов водорода замещены другими атомами или группами атомов, которые называются заместителями.
При составлении названия по заместительной номенклатуре IUPAC прежде всего определяют, какие функциональные группы входят в состав соединения, ивыбирают срединих старшую(табл. 1.2).
13
Таблица 1.2
Основные функциональные группы, расположенные в порядке уменьшения старшинства
Название |
Общая |
Функциональная |
|
класса |
формула |
группа |
|
Катионы |
R3O+, R3S+, R4N+ |
≡O+, ≡S+, =N+= |
|
Карбоновые |
R–COOH |
–COOH |
|
кислоты |
|
||
|
–(C)OOH* |
||
|
|
||
Сульфоновые |
R–SO3H |
–SO3H |
|
кислоты |
|||
Соли карбоновых |
R–COOM |
–COOM |
|
кислот |
|
||
|
–(C)OOM |
||
|
|
||
Сложные эфиры |
R’–COOR |
–COOR |
|
|
|||
|
|
–(C)OOR |
|
Галоген-ангидриды |
R–COOHal |
–COOHal |
|
|
|||
|
|
–(C)OOHal |
|
Амиды |
R–COONH2 |
–COONH2 |
|
–(C)OONH2 |
|||
|
|
||
Нитрилы |
R–C≡N |
–C≡N |
|
–(C)≡N |
|||
|
|
||
Альдегиды |
R–CH=O |
–CH=O |
|
–(C)H=O |
|||
|
|
||
Кетоны |
R2C=O |
=C=O |
|
Спирты, фенолы |
R–OH |
–OH |
|
Тиолы |
R–SH |
–SH |
|
Амины |
R–NH2 |
–NH2 |
|
Имины |
R–CH=NH |
=NH |
Обозначения
в префиксе |
в суффиксе |
-онио- |
-оний |
-карбоновая кислота
–-овая кислота
-сульфоновая кислота
–металл…карбоксилат
–металл…оат R–оксикар- R…карбо-
бонил- |
ксилат |
– |
R…оат |
галофор- |
-карбонил- |
мил- |
галогенид |
–-оилгалогенид
карбамоил- -карбоксамид
– |
-амид |
циано- |
-карбонитрил |
– |
-нитрил |
формил- |
-карбальдегид |
оксо- |
-аль |
оксо- |
-он |
гидрокси- |
-ол |
меркапто- |
-тиол |
амино- |
-амин |
имино- |
-имин |
Примечание. Атомуглерода, указанныйвскобках, входитвсоставглавнойуглероднойцепи.
Если в соединении имеется одна такая группа, то она считается старшей, а если две и более, то старшей считается та, что в табл. 1.2 расположена выше. В названии органического соединения старшая функциональная группа обозначается в суффиксе, а все остальные – в префиксе. Согласно номенклатурным правилам IUPAC некоторые функциональные группы не рассматривают по старшинству и обозначают в названии всегда в префиксе (в алфавитном порядке): –Br (бром-), –Cl (хлор-), –F (фтор-), –I (йод-), =N2 (диазо-), –N3 (азидо-), –N=O (нитрозо-), –NO2 (нитро-), –OR (R-окси-), –SR (R- тио-) и др.
После определения старшей группы устанавливают родоначальную структуру соединения.
14
Родоначальная структура – это структурный фрагмент молекулы (молекулярный остов), лежащий в основе названия соединения: для ациклических соединений – главная цепь атомов углерода; для карбо- и гетероциклических – цикл:
Вкачестве главной углеродной цепи выбирают ту, которая содержит максимальноеколичество (в порядкеубывания значимости):
– функциональных групп (табл. 1.2);
– кратных (двойных и тройных) связей;
– атомов углерода;
– заместителей.
Родоначальное название может быть тривиальным, систематическим или полусистематическим.
Заместителем называют любой атом или группу атомов, которые не входят в родоначальную структуру. Понятие «заместитель» включает в себя функциональную группу и радикал.
Радикал представляет собой остаток молекулы углеводорода, образующийся в результате удаления одного или нескольких атомов водорода.
Не следует путать понятия «углеводородный радикал» как остаток алкана (R–) и «свободный радикал» (R•), который имеет неспаренный электрон.
Взависимости от того, у какого атома углерода (первичного, вторичного или третичного) находится свободная валентность, различают первичные, вторичные и третичные атомы.
Первичным называют атом углерода, непосредственно связанный только
содним атомом углерода, вторичным – с двумя, третичным – с тремя:
15
По количеству свободных валентностей различают одно-, двух- и трехвалентные радикалы:
одновалентный |
двухвалентный |
трехвалентный |
радикал |
радикал |
радикал |
В зависимости от того, у какого атома углерода находится свободная валентность, различают первичные, вторичные и третичные радикалы:
первичный радикал вторичный радикал третичный радикал
Названия и структурные формулы некоторых углеводородных радикалов приведены в табл. 1.3.
|
Углеводородные радикалы |
Таблица 1.3 |
|
|
|
||
|
|
|
|
Структурная формула |
Название |
Структурная формула |
Название |
CH3– |
метил- |
HC≡C– |
этинил- |
CH3–CH2– |
этил- |
HC≡C–CH2– |
2-пропинил- |
CH3–CH2–CH2– |
пропил- |
–CH2– |
метилен- |
(CH3)2CH– |
изопропил- |
–CH2–CH2– |
этилен- |
CH3–CH2–CH2–CH2– |
бутил- |
–CH2–CH2–CH2– |
триметилен- |
(CH3)2CH–CH2– |
изобутил- |
CH3–CH= |
этилиден- |
CH3–CH2–(CH3)CH– |
втор-бутил- |
(CH3)2C= |
изопропилиден- |
(CH3)3C– |
трет-бутил- |
C6H5– |
фенил- |
H2C=CH– |
этенил-; винил- |
C6H5–CH2– |
бензил- |
H2C=CH–CH2– |
2-пропенил-; аллил- |
C6H5–CH= |
бензилиден- |
CH3–CH=CH– |
1-пропенил |
C6H5–C≡ |
бензилидин- |
После определения родоначальной структуры атомы углерода нумеруют таким образом, чтобы старшая группа получила по возможности меньший номер. Если соединение не имеет старшей группы, то предпочтение при нумерации (возможны меньшие номера) отдают положениям кратных связей, а в их отсутствие – заместителям.
Наконец, составляют название соединения в целом, соблюдая следующую последовательность: вначале в алфавитном порядке указывают функциональные группы (кроме старшей) и углеводородные радикалы (префикс), затем приводят название родоначальной структуры (корень), а в конце указывают кратные связи и старшую функциональную группу (суффикс):
16
Двойная связь в названии обозначается суффиксом -ен, тройная – суффиксом -ин. Положение заместителей и кратных связей указывают цифрами или буквами (локантами). При наличии в молекуле нескольких одинаковых заместителей или кратных связей для их обозначения применяют множительные приставки: ди- (два), три- (три), тетра- (четыре), пента- (пять) и т. д.
Радикало-функциональная номенклатура. Для некоторых органических соединений номенклатура IUPAC, наряду с заместительным, предусматривает радикало-функциональный вариант составления названий. В основе этих названий лежит название функционального класса (спирт, эфир, кетон и др.), которому предшествуют наименования углеводородных радикалов:
17
γ-аминобутиловый спирт |
винилхлорид, хлористый винил |
диметиловый эфир |
метилэтилкетон |
Если соединение содержит несколько функциональных групп, то аналогично заместительной номенклатуре старшая из них определяет принадлежность к классу, который кладут в основу названия, остальные указывают в префиксах. Для обозначения родоначальной структуры чаще применяют тривиальные названия. В качестве локантов в радикало-функциональной номенклатуре обычно используют буквы греческого алфавита α, β, γ, δ и т. д., причем буквой α обозначают первый (ближайший от старшей функциональной группы) атом углерода, буквой β – второй, буквой γ – третий и т. д.
Соединительная номенклатура. По этой номенклатуре название составляют из нескольких равноправных частей (например, C6H5–C6H5 бифенил) или добавляя обозначения присоединенных атомов к названию основной структуры (например, 1,2,3,4-тетрагидронафталин, гидрокоричная кислота, этиленоксид, стиролдихлорид).
Заменительную номенклатуру применяют при наличии неуглеродных атомов (гетероатомов) в молекулярной цепи: корни латинских названий этих атомов с окончанием -а присоединяют к названиям всей структуры, которая получилась бы, если бы вместо гетероатомов был углерод (например, CH3–
O–CH2–CH2–NH–CH2–CH2–S–CH3 2-окса-8-тиа-5-азанонан).
Система IUPAC является общепризнанной в мире, и лишь адаптируется соответственно грамматике языка страны.
Рассмотренные в настоящей главе основные принципы номенклатуры органических веществ являются лишь кратким пояснением к многочисленным названиям и номенклатурным правилам, изложенным в последующих главах, посвященных конкретным классам соединений.
Контрольные вопросы и упражнения по гл. 1
1.Как классифицируют органические соединения?
2.Какие из нижеприведенных веществ относятся к алифатическим, какие – к карбоциклическим, а какие – к гетероциклическим:
18
3.В формулах соединений, приведенных в упражнении 2, определите: главную углеродную цепь; родоначальную структуру, старшую функциональную группу, кратную углерод-углеродную связь и группы, обозначаемые в названии соединения как заместители.
4.Что такое классы органических соединений? Все ли классы органических соединений являются функциональными?
5.Выберите среди приведенных в упражнении 2 формулы, принадлежащие соединениям: а) насыщенным; б) ненасыщенным; в) алифатическим; г) ароматическим; д) альдегидам; е) аминам; ж) галогенопроизводным; з) кетонам; и) карбоновым кислотам; к) нитросоединениям; л) спиртам и фенолам; м) углеводородам.
6.Укажите в формулах соединений из упражнения 2 первичные, вторичные, третичные и четвертичные атомы углерода.
7.Что такое функциональная группа? К соединениям, формулы которых даны в упражнении 2, примените классификацию органических веществ по количествуи однородности функциональных групп.
8.Выделите в формулах, приведенных в упражнении 2, радикалы: метил, этил, этилен, изопропил, н-бутил, изобутил, втоp-бутил, трет-бутил, циклопентил, бензил, фенил, винил.
9.Что такое гомологический ряд и гомологическая разность?
19
10.Приведите структурные формулы и химические названия простейших представителей гомологических рядов, к которым относятся соединения, приведенные в упражнении 2.
11.Какие основные номенклатурные системы сложились в процессе развития органической химии?
12.Напишите структурные формулы соединений по их названиям и определите, по какой номенклатурной системе образованы эти названия: а) бромистый аллил; б) хлорбензол; в) изопропилкодид; г) метиловый спирт; д) винный спирт; е) бутанол-2; ж) изобутиловый спирт; з) триметилнитрометан; и) анилин; к) метиламин; л) формальдегид; м) пропаналь; н) уксусная кислота.
13.Сформулируйте основные правила образования названий органических соединений по заместительной и радикало-функциональной номенкла-
турам IUPAC.
14.Объясните, какие ошибки допущены в названиях следующих соеди-
нений:
изопропилэтан |
2-пропилбензол |
дигидроксиэтан |
3-оксобутанол |
4-сульфоанилин |
2-карбоксиэтаналь |
3-гидроксипропанамин |
2-нитропропан |
1-бромиод-2-дихлорпропан |
ПриведитеправильныеназванияэтихсоединенийпономенклатуреIUPAC.
20