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.
В зависимости 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 с одним атомом углерода, вторичным – с двумя, третичным – с тремя:
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 |
16
Названия и структурные формулы некоторых углеводородных радикалов приведены в табл. 1.3.
|
|
|
Таблица 1.3 |
|
|
Углеводородные радикалы |
|
||
|
|
|
|
|
Структурная |
Название |
Структурная |
Название |
|
формула |
формула |
|||
|
|
|||
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):
Двойная связь в названии обозначается суффиксом -ен, тройная – суффиксом -ин. Положение заместителей и кратных связей указывают цифрами или буквами (локантами). При наличии в моле-
17
куле 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:
γ-аминобутиловый спирт |
винилхлорид, хлористый винил |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
диметиловый эфир |
метилэтилкетон |
18
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 на-
звание составляют из нескольких равноправных частей (например, C6H5–C6H5 бифенил) или добавляя обозначения присоединенных атомов к названию основной структуры (например, 1,2,3,4-тетрагидро- нафталин, гидрокоричная кислота, этиленоксид, стиролдихлорид).
Заменительную номенклатуру применяют при наличии не-
углеродных 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 разделах, посвященных конкретным классам соединений.
Контрольные вопросы и упражнения по главе 1
1.Как классифицируют органические соединения?
2.Какие из нижеприведенных веществ относятся к алифатическим, какие – к карбоциклическим, а какие – к гетероциклическим:
19
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 количеству и однородности функциональных групп.
8.Выделите в формулах, приведенных в упражнении 2, радикалы: метил, этил, этилен, изопропил, н-бутил, изобутил, втоpбутил, трет-бутил, циклопентил, бензил, фенил, винил.
20
9.Что такое гомологический ряд и гомологическая разность?
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-функцио- нальной номенклатурам IUPAC.
14.Объясните, какие ошибки допущены в названиях следующих соединений:
изопропилэтан |
2-пропилбензол |
дигидроксиэтан |
3-оксобутанол |
4-сульфоанилин |
2-карбоксиэтаналь |
3-гидроксипропанамин |
2-нитропропан |
1-бромиод-2- |
|
дихлорпропан |
|||
|
|
Приведите правильные названия этих соединений по номенклатуре IUPAC.
21
2. ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ В ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЯХ
Современная теория химической связи базируется на кванто- во-механических представлениях о строении молекулы. Ее основы заложили в 1916 г. В. Коссел (Германия) и Дж. Н. Льюис (США). Авторы электронной теории химической связи выдвинули идею о том, что химическая связь – это результат взаимодействия внешних электронных оболочек атомов. Согласно электронной теории химической связи каждый атом, образуя химическую связь, стремится дополнить внешнюю электронную оболочку до конфигурации, присущей инертным газам. При этом он принимает участие в образовании общей электронной пары, т. е. отдает или принимает электроны. Принцип заполнения валентных оболочек до конфигурации инертных газов называют октетным правилом.
2.1. Типы химических связей
Согласно принятой в настоящее время классификации существует несколько основных типов химической связи: ионная, ковалентная, водородная, металлическая и др. По способу образования химической связи особенно выделяют два ее основных вида: ионную связь и ковалентную связь.
Ионная связь образуется между атомами, значительно отличающимися по электроотрицательности. Электронная конфигурация инертного газа достигается в данном случае переносом электрона к более электроотрицательному атому. Ионная связь характерна для неорганических соединений. В качестве примера рассмотрим, как реализуется такая связь в хлориде натрия:
Хлор обладает большей, чем у натрия, электроотрицательностью, т. е. бо́льшим сродством к электрону. Вследствие этого электрон переходит с внешней оболочки натрия на внешнюю оболочку хлора, при этом образуются положительно и отрицательно заряженные ионы, между которыми действуют силы электростатического
22
притяжения. Ион натрия приобретает электронную конфигурацию неона, а ион хлора – конфигурацию аргона.
Соединения с ионной связью характеризуются относительно большим дипольным моментом, хорошей электропроводностью, высокими температурами плавления.
Ковалентная связь является основным типом связи в органических соединениях, характеризующимся увеличением электронной плотности между химически связанными атомами в молекуле по сравнению с электронной плотностью между свободными атомами.
Ковалентная связь возникает между атомами, имеющими одинаковые или близкие значения электроотрицательности. Для образования ковалентной связи между двумя атомами каждый атом предоставляет по одному электрону. В результате образуется общая пара электронов, которая в равной степени принадлежит обоим атомам. Ковалентная связь изображается черточкой между атомами. Классическим примером ковалентной связи является связь атомов углерода и водорода в молекуле метана:
Атом углерода содержит на внешнем электронном уровне четыре валентных электрона и, чтобы доукомплектовать этот слой до октетной конфигурации, он образует четыре общие электронные пары с четырьмя атомами водорода.
В зависимости от электроотрицательности атомов ковалентая связь между ними может быть полярной или неполярной.
Если электроотрицательности атомов одинаковы, то общая электронная пара находится на одинаковом расстоянии от ядра каждого атома. Такая связь называется неполярной ковалентной связью:
23
При возникновении ковалентной связи между атомами с различной электроотрицательностью общая электронная пара смещается к более электроотрицательному атому. В этом случае образуется
полярная ковалентная связь:
Стрелка в формуле указывает на полярность ковалентной связи. Греческой буквой δ обозначают частичные заряды на атомах: δ+ – пониженная, δ– – повышенная электронная плотность.
По количеству электронных пар, образующих ковалентную связь, различают ковалентные связи простые (с одной парой электронов) и кратные (с двумя или тремя парами):
Атомы некоторых элементов (кислорода, азота, серы, галогенов и др.) при формировании октетной оболочки расходуют не все внешние электроны. Такие электроны называют неподеленными, необобществленными или n-электронами.
Донорно-акцепторная (координационная) связь – это разно-
видность ковалентной связи, отличающаяся способом образования системы атомов.
Донор – это атом, который имеет пару неподеленных электронов, а акцептором может быть любой атом (в том числе и протон), у которого не хватает до образования октета двух электронов.
24
Например, образование иона аммония протекает по донорноакцепторному механизму. Ковалентная связь образуется за счет того, что атом азота (донор электронов) отдает неподеленную пару электронов на образование ковалентной связи протону (акцептору электронов):
В результате образования связи атом кислорода (акцептор) приобретает отрицательный заряд, а атом азота (донор) – положительный. Такой вид связи обозначают следующим образом:
Вновь образовавшаяся связь Н–N ничем не отличается от остальных связей Н–N, которые имелись у аммиака.
Семиполярная связь является частным случаем донорно-акцеп- торной связи. Она образуется между двумя атомами, один из которых имеет неподеленную пару электронов, а другой содержит на внешнем энергетическом уровне шесть электронов (секстет), т. е. имеет вакантную атомную орбиталь.
Рассмотрим образование семиполярной связи в молекуле оксида триметиламина:
Соединения с семиполярной связью не проводят электрический ток, несмотря на наличие наряду с ковалентной связью еще и ионного взаимодействия.
Водородная связь образуется в результате электростатического взаимодействия между атомом водорода, несущим дробный положительный заряд, и неподеленной парой электронов другого атома. Такие атомы водорода называют активными. Водородную связь графически изображают тремя точками:
25