лекции и презентации / Лекции_химия

ВВЕДЕНИЕ

Предмет органической химии. Органическая химия как само-

стоятельная наука сформировалась в начале XIX в. Термин «органическая» был предложен шведским химиком Йенсом Якобом Берцелиусом в 1808 г. Этот термин происходит от слова «организм», поскольку в то время предметом изучения органической химии являлись вещества, образующиеся только в живых организмах якобы с участием особой «жизненной силы» (виталистические воззрения). И хотя последующее развитие показало ошибочность виталистического взгляда на происхождение органических веществ, первоначальное название сохранилось, но смысл его принципиально изменился.

По признаку наличия во всех органических соединениях атома углерода немецкий химик Фридрих Август Кекуле в 1845 г. определил органическую химию как химию соединений углерода. Однако, как известно, существует ряд соединений углерода, относящихся к неорганическим веществам (оксид углерода (II), оксид углерода (IV), соли угольной и циановодородной кислот и др.). Немецкий химик Карл Шорлеммер, учитывая вышеприведенные факты, предложил более точное определение органической химии: органическая химия – это наука, изучающая углеводороды и их производные.

Современная органическая химия – обширная область естествознания. Выделение ее в самостоятельный раздел химии обусловлено многообразием органических соединений, существенным различием их реакционной способности, а также их исключительной важностью в жизни человека и общества. В настоящее время известно свыше 115 млн органических веществ, тогда как неорганических – лишь 700 тыс. Ежегодно синтезируется 250…300 тыс. новых органических соединений.

Органические вещества играют важную роль в жизнедеятельности растений и животных, являясь основой жизни. Достижения органической химии широко используются в повседневной жизни человека: пластмассы и синтетические каучуки, красящие и взрывчатые вещества, искусственные волокна и топливо, лекарства, косметика.

Способы изображения органических молекул. Структурная

(графическая) формула органического соединения отражает при-

6

роду атомов, входящих в состав его молекулы, их количества и последовательность связывания, а также тип связей между ними. Химические связи в структурной формуле принято обозначать валентными штрихами:

Для удобства записи часто используют сокращенную структурную формулу, в которой приводятся не все связи, а лишь те, которые необходимы для однозначного представления структуры молекулы:

(CH3)2CHCH3

изобутан

CH3COCH3

ацетон

(CH3CO)2O

уксусный ангидрид

Существует также упрощенный способ записи структурных формул, заключающийся в том, что углеродный остов молекулы изображают только валентными связями без обозначения атомов углерода и связей С–Н. Предполагают, что координационное число каждого атома углерода дополняется до четырёх атомами водорода. Таким образом, концевые прямые линии обозначают не атомы водорода, а метильные группы.

7

1. КЛАССИФИКАЦИЯ И НОМЕНКЛАТУРА ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

1.1. Классификация органических соединений

Каждый период развития органической химии отмечен попытками систематизировать многообразие органических веществ. Важнейшими признаками, лежащими в основе современной классификации органических соединений, являются строение углеродной цепи и природа функциональных групп.

Классификация по строению углеродной цепи. В зависимо-

сти от расположения атомов углерода в молекуле органические соединения делят на группы и подгруппы (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Классификация органических соединений по строению углеродной цепи

Различают два основных типа органических соединений: цикли-

ческие и ациклические, т. е. нециклические. Это вещества с открытой

(незамкнутой) цепью. По строению углеводородной цепи среди ацик-

9

лических соединений различают: насыщенные (предельные) вещества, содержащие только простые углерод-углеродные связи и ненасыщенные (непредельные) вещества – структуры с кратными (двойными, тройными) углерод-углеродными связями.

К циклическим относятся соединения, содержащие в своей структуре замкнутые цепи атомов – циклы (от греч. циклос – круг). Природа атомов, входящих в цикл, лежит в основе деления всех циклических соединений на две большие группы: карбоциклические

игетероциклические.

Вмолекулах карбоциклических соединений цикл состоит только из атомов углерода. Карбоциклические соединения, в свою очередь, делятся на алициклические и ароматические.

К алициклическим соединениям относят ряд карбоциклов, не обладающих ароматическим характером. Подобно алифатическим соединениям они подразделяются по степени насыщенности на насыщенные и ненасыщенные:

10

Для ароматических соединений характерно наличие ароматической системы. «Родоначальником» ароматических соединений является бензол. Неароматические соединения часто называют алифатическими (от древнегреч. алифар – жир).

Гетероциклические соединения имеют в своей структуре циклы, содержащие наряду с атомами углерода еще и атомы других элементов, чаще всего О, S, N. Среди гетероциклических соединений выделяют насыщенные, ненасыщенные и ароматические соединения:

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. Функци-

ональная 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).

По количеству и однородности функциональных групп орга-

нические соединения делят на монофункциональные, полифункциональные и гетерофункциональные.

Вещества с одной функциональной группой называют монофункциональными, с несколькими одинаковыми функциональными группами – полифункциональными, с несколькими различными функциональными группами – гетерофункциональными.

11

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 соединении

Номенклатура химических соединений – это совокупность названий индивидуальных химических веществ, их групп и классов, а также правила составления этих названий.

Соблюдать соответствия между существующей классификацией веществ и их наименованиями позволяют номенклатурные системы.

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).

12

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 уко-

ренились, и многие из них до сих пор общепризнанны. Особенно широко их применяют 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 номен-

клатуры используется 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:

В настоящее время применение рациональной номенклатуры ограничено. Основные ее принципы нашли свое отражение в ради- кало-функциональной 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).

13

Номенклатурные правила IUPAC предусматривают несколько способов образования названий органических соединений. Наибо-

лее широко применяются заместительная, радикало-функциональ- ная, соединительная и изменительная 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.

Таблица 1.2

Основные функциональные группы, расположенные в порядке уменьшения старшинства

Примечание. Атом углерода, указанный в скобках, входит в состав главной углеродной цепи.

14

При составлении названия по заместительной номенклатуре IUPAC прежде всего определяют, какие функциональные группы входят в состав соединения, и выбирают среди них старшую (табл. 1.2).

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.

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:

В качестве главной углеродной цепи выбирают ту, которая содержит максимальное количество (в порядке убывания значимости):

–функциональных групп (см. 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.

15