Общая и биоорганическая химия. Органическая химия. Учебное пособие

НОМЕНКЛАТУРА ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

В соответствии с международной систематической номенклатурой названия органических соединений складываются из словесных обозначений частей их структуры и знаков, указывающих способ связи этих частей. Основная часть названия соединения состоит из названия самой длинной неразветвленной цепи атомов углерода:

С помощью суффиксов или перфиксов обозначают классы соединений:

12

Ответвления от главной цепи, содержащие атомы углерода, носят название радикалов. Они обозначаются с помощью основы, соответствующей числу атомов углерода, и суффикса -ил:

13

ТИПЫ РЕАКЦИЙ В ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ

Для большинства органических соединений характерна относительно невысокая скорость химических взаимодействий при обычных условиях. Это связано с высокой прочностью ковалентных связей углерод–углерод; углерод– водород; углерод–кислород и др.

В ряду значений электроотрицательности углерод занимает промежуточное положение между типичными окислителями и восстановителями, поэтому разность электроотрицательностей и полярность связей углерода с другими атомами невелика (химические связи в органических соединениях малополярны и не диссоциируют в растворах, то есть большинство органических соединений – неэлектролиты). В некоторых случаях органические соединения содержат сильнополярные связи (Н3Сδ+–Сlδ–, H3Cδ––Mgδ+Cl).

Органические реакции в большинстве своем начинаются с разрыва химических связей.

Типы разрыва (расщепления) химических связей:

1. Гомолитический распад – равноценное расщепление общей электронной пары с образованием радикалов:

СН4 → •СН3 + •Н

Стабилизация радикала осуществляется за счет взаимодействия углерода с соседними связями. Радикалы образованные за счет третичного атома углерода устойчивее остальных.

2. Гетеролитический распад – неравноценное расщепление общей электронной пары с образованием карбкатионов и карбанионов:

14

СН3Cl → СН3+ + Cl–

карбкатион

СН3MgCl → СН3– + MgCl+

карбанион

Типы реакций в органической химии:

1.Замещение (S).

2.Присоединение (А).

3.Расщепление (элиминирование) (Е).

4.Перегруппировка (изомеризация).

Атакующие частицы:

•Радикал (R).

•Отрицательные и положительные частицы:

–нуклеофил (N) (–);

–электрофил (E) (+).

Пример. Составьте структурные формулы и назовите все изомеры состава С5Н10.

Решение. Изомеры состава С5Н10 (общая формула СnH2n) могут относиться к классам алкенов или циклоалканов.

1. Алкены состава С5Н10.

Составим формулу углеродного скелета с нормальной (неразветвленной) цепью и поместим двойную связь во все возможные положения (атомы водорода размещаем с учетом четырехвалентности углерода):

СН2=СН–СН2–СН2–СН3 – пентен-1;

СН3–СН=СН–СН2–СН3 – пентен-2, существует в виде цис- и транс-изомеров:

15

(Дальнейшее перемещение двойной связи невозможно, так как нумерацию атомов углерода всегда проводим таким образом, чтобы двойная связь имела наименьший номер: например, структура СН3–СН2–СН2–СН=СН2 идентична

СН2=СН–СН2–СН2–СН3).

Укоротим углеродную цепь на один атом углерода и поместим его в качестве радикала в положение 2, а затем переместим двойную связь во все возможные положения:

Дальнейшее укорочение углеродной цепи невозможно, так как приводит к появлению пятивалентного атома углерода.

2. Циклоалканы состава С5Н10.

Простейший циклоалкан не будет иметь углеводородных радикалов:

H

C

HC CH

HC CH

циклопентан

Оставим в цикле четыре атома углерода, а пятый поместим в качестве радикала:

CH3

HC C

HC CH

метилциклобутан

16

УГЛЕВОДОРОДЫ

Углеводороды – это органические соединения, которые состоят только из атомов углерода и водорода. Их характерная черта – отсутствие функциональных групп. Свойства углеводородов определяются строением углеводородного радикала.

Гомологические ряды углеводородов

Предельные углеводороды:

1.Алканы (СnH2n+2, ациклические, все атомы углерода находятся в состоянии sp3-гибридизации).

2.Циклоалканы (СnH2n, циклические, все атомы углерода находятся в состоянии sp3-гибридизации).

Непредельные углеводороды:

1.Алкены (СnH2n, ациклические, атомы углерода находятся в состояниях sp2 и sp3-гибридизации, в молекуле имеется одна двойная связь).

2.Алкадиены (СnH2n-2, ациклические, атомы углерода находятся в состояниях sp2 и sp3-гибридизации, в молекуле имеются две двойные связи).

3.Алкины (СnH2n-2, ациклические, атомы углерода находятся в состояниях sp и sp3-гибридизации, в молекуле имеется одна тройная связь).

Ароматические углеводороды: арены (СnH2n-6, цик-

лические, атомы углерода находятся в состоянии sp2- гибридизации, в молекуле имеется сопряженная система двойных связей).

18

АЛКАНЫ

Физические свойства. Алканы, содержащие от одного до четырех атомов углерода – газы; от пяти до шестнадцати атомов углерода – жидкости; остальные – твердые вещества. Температуры плавления и кипения увеличиваются с увеличением числа атомов углерода в молекуле и степени разветвления углеродного скелета. Алканы неполярны и практически нерастворимы в воде, но хорошо растворяются в растворителях с неполярными и малополярными молекулами (эфире, бензоле и др.). В чистом виде алканы бесцветны и имеют слабый запах.

Химические свойства. Ковалентные связи алканов малополярные и очень прочные, поэтому предельные углеводороды в химических реакциях малоактивны. Основными видами химических реакций алканов являются:

1. Галогенирование (реакции радикального замещения,

SR):

+ CH3 CH2 CH2Cl + 2HCl

(при хлорировании образуется смесь монохлорзамещенных алканов)

(бромирование идет преимущественно по наименее гидрированному атому углерода: третичный > вторичный > первичный)

Фторирование алканов идет в темноте при комнатной температуре со взрывом и приводит к разрушению атомов углерод–углерод. Иодирование алканов не происходит.

Образующиеся галогеноалканы (алкилгалогениды) используются для получения алканов с более длинной углеродной цепью, а также соединений других классов (алкенов, спиртов):

19

2. Сульфохлорирование

RН+ SO2 + Cl2 → HCl + RSO2Cl

алкилсульфохлорид

RSO2Cl + NaOH → NaCl + RSO3Na

алкилсульфонат натрия

основа синтетических моющих средств

3. Нитрование (реакция Коновалова):

NO2

2-нитропропан

Образующиеся нитросоединения восстанавливают различными восстановителями для получения аминов:

4.Окисление:

СnH2n+2 + (1,5n+0,5)O2 → nCO2 + (n+1)H2O;

(горение)

2C4H10 t, кат. 4CH3COOH + 2H2O

20