Химия Нефти и Газа. Методичка по органической химии-1

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Примечание: Функциональные группы почти во всех случаях рассматриваются связанными с атомом углерода или водорода.

КЛАССИФИКАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ. ТИПЫ РАЗРЫВА КОВАЛЕНТНОЙ СВЯЗИ

Химические реакции — это процессы, сопровождающиеся изменением распределения электронов внешних оболочек атомов реагирующих веществ. В результате реакции в реагирующих молекулах веществ разрываются одни химические связи и образуются другие. Реакция идет в сторону образования стабильных частиц, т. е. обладающих меньшей внутренней энергией.

Всовременной органической химии реакции классифицируют по их механизмам. Механизм реакции раскрывает последовательность элементарных актов разрыва и образования химических связей, ведущих к превращению исходного вещества в конечный продукт.

Изучить механизм реакции – это значит раскрыть ряд последовательных промежуточных стадий, приводящих к продукту реакции. Знание механизма реакции позволяет ею управлять для получения целевого нужного продукта. В основу классификации реакций по механизмам положен тип разрыва ковалентной связи.

Взависимости от способа разрыва ковалентной связи в реагирующей молекуле (субстрат и реагент). Субстрат — это реагирующее вещество, реагент — действующее вещество.

11

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Данное разделение условное. Органические реакции подразделяются на радикальные и ионные реакции. Разрыв ковалентной связи может происходить двумя способами.

Разрыв связи, при котором каждый атом получает по одному электрону из общей пары, называется гомолитическим:

В результате гомолитического разрыва образуются сходные по электронному строению частицы, каждая из которых имеет неспаренный электрон. Такие частицы называются свободными радикалами.

Если при разрыве связи общая электронная пара остается у одного атома, то такой разрыв называется

гетеролитическим:

В результате образуются разноименно заряженные ионы - катион и анион. Если заряд иона сосредоточен на атоме углерода, то катион называют карбкатионом, а анион -

карбанионом.

Различают три типа реагентов:

1) радикалы (R) — это нейтральные атомы или частицы с неспаренным электроном (Н–, С1–.–ОН, —СН3 и др.);

2) нуклеофилы (Nu — «любящие ядра») — это частицы, имеющие электронную пару на внешнем электронном уровне атома (F-, Cl-, Br-, I-, OH-, CH3O-, H2O, спирты, NH3, амины);

3) электрофилы (Е — «любящие электроны») — это частицы, имеющие недостаток электронов — незаполненный валентный электронный уровень (Н+, Br+, NO2+).

12

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

В реакциях нуклеофил атакует в субстрате реакционный центр с недостатком электронов, электрофил атакует реакционный центр с избытком электронов.

КЛАССИФИКАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ ПО КОНЕЧНОМУ РЕЗУЛЬТАТУ РЕАКЦИИ

Реакции присоединения обозначаются буквой A (англ. addition – присоединение). К ним относятся реакции присоединения различных реагентов к кратным связям.

C C A B C C

A B

Реакции замещения S, (англ. substitution – замещение).

Реакции элиминирования Е (англ. еlimination – отщепление)

Перегруппировки или изомеризации. Эти реакции чрезвычайно характерны для органических соединений, при них изменяется порядок связывания атомов в молекулах, но сохраняется их число. Эти реакции, как правило, обратимы.

13

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

В зависимости от числа частиц, участвующих в элементарных реакциях, различают мономолекулярные и бимолекулярные реакции. Часто разные способы классификации используют в сочетании друг с другом. Лишь незначительное число органических реакций являются элементарными. Большинство из них являются сложными и состоят из нескольких последовательных или параллельных элементарных стадий.

НОМЕНКЛАТУРА

Существует несколько способов наименования органических соединений: тривиальные (исторические) названия, рациональная и систематические номенклатуры.

Тривиальные названия обычно связаны с источниками, первыми способами получения веществ, именами учёных или являются случайными. Они не говорят о структуре молекулы и в большинстве случаев возникли в начальный период развития химии.

Названия органических соединений по рациональной и систематической номенклатурам указывают не только вид и число атомов, входящих в его состав, но и дают представление о структуре молекулы.

Наиболее удобной, дающей возможность назвать любое соединение, является систематическая номенклатура органических соединений, использующая систему правил, разработанную комиссией по номенклатуре органических соединений при Международном союзе Теоретической и Прикладной химии – International Union of Pure and Applied Chemistry – сокращённо IUPAC (ИЮПАК).

14

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

ТРИВИАЛЬНАЯ, ИЛИ ЭМПИРИЧЕСКАЯ НОМЕНКЛАТУРА

Тривиальные, или эмпирические, названия веществ – это случайные названия. Обычно они отражают природный источник, метод получения или какое-нибудь свойство соединения. Например, мочевина содержится в моче, муравьиная кислота – в выделениях муравьёв, щавелевая кислота – в щавеле, молочная кислота – в кислом молоке, яблочная кислота - в яблоке, лимонная кислота - в лимоне, виноградная кислота – в винограде; пировиноградную кислоту и пирогаллол получают пиролизом виноградной и галловой кислот; глицерин, гликоли, глицин или гликокол – вещества имеющие сладкий вкус.

H2NCONH2 – мочевина, HCOOH – муравьиная кислота,

НООССООН – щавелевая кислота, СН3СН(ОН)СООН – молочная кислота, НООССН(ОН)СН2СООН – яблочная кислота,

НОСН2СН(ОН)СН2ОН – глицерин, НОСН2СН2ОН – этиленгликоль, H2NCH2COOH – гликокол, глицин.

РАЦИОНАЛЬНАЯ НОМЕНКЛАТУРА

Прежде чем рассматривать основы этой номенклатуры, ознакомимся с несколькими важными в органической химии понятиями. Атомы углерода в цепи могут различаться по числу

15

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

связей с соседними атомами углерода. Ели число таких связей четыре, то углерод называется четвертичным (четверт.), три –

третичным (трет.), две – вторичным (втор.), одна – первичным

(перв.).

При отрыве атома углерода от молекулы углеводорода образуется углеводородный радикал. Названия предельных ациклических радикалов получаются заменой суффикса -ан в названии углеводорода на –ил. Исходя из количества связей углерода со свободной валентностью с соседними атомами углерода различают первичные, вторичные, третичные радикалы. Неразветвлённый первичный радикал называют нормальным и обозначают строчной буквой н-, которая пишется через дефис перед общим названием радикала.

Гомологические ряды углеводородов получили своё название от названий первых представителей – родоначальников ряда. Например, предельные углеводороды называются метановыми, а непредельные – этиленовыми или ацетиленовыми. По рациональной номенклатуре все гомологи рассматриваются как вещества, полученные заменой одного или нескольких атомов водорода в родоначальнике ряда на углеводородные радикалы.

16

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Поэтому сначала находят метановый углерод или этиленовый или ацетиленовый фрагмент и определяют радикалы, связанные с ними. В ациклическом предельном углеводороде за метановый углерод принимают прежде всего четвертичный, в его отсутствие – третичный и т.д. сначала перечисляют углеводородные радикалы с множительными префиксами, а затем добавляют название родоначальника ряда.

СН3СН2СН3 – диметилметан, СН3С(СН3)2СН2СН(СН3)СН3 – триметилизобутилметан, СН3СН2СН=СН2 –этилэтилен, СН3С≡СН – метилацетилен.

17

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

НОМЕНКЛАТУРА ИЮПАК ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

Представляет собой систему нескольких научных номенклатур и способов названия. Для составления названия вещества в целом используют преимущественно заместительную номенклатуру ИЮПАК, реже – радикальнофункциональную. Главная ациклическая цепь, содержащая несколько нетерминальных гетероатомов, гетероциклы могут быть названы по заменительной номенклатуре. В органической химии неуглеродный элемент, кроме водорода, называется гетероэлементом. Кислород, азот, сера, фосфор, кремний – гетероэлементы, наиболее часто встречающиеся в составе органических соединений. Если гетероатом находится в конце ациклической цепи, его называют терминальным, если он внутри этой цепи, то нетерминальным. Если в замкнутой цепи атомов, т.е. в цикле, имеется хотя бы один атом гетероэлемента, то такой цикл называют гетероциклом, а соединение –

гетероциклическим.

18

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Для гетероциклов разработан специальный способ названия расширенная система Ганча-Видмана, и названия гетероциклов по этой системе предпочтительны, чем названия по заменительной номенклатуре. Названия полиядерных карбоциклов, содержащих максимальное число некумулированных двойных связей, а также сложных систем, состоящих из карбо- и гетероцикла или нескольких гетероциклов, составляются по методу конденсирования.

Степень насыщенности родоначальной структуры соединения и углеводородных радикалов передаётся суффиксами –ан (насыщенный, только одинарные связи), -ен (двойная связь), -ин (тройная связь). Если присутствует несколько одинаковых ненасыщенных связей, то используют множительные префиксы; ди-, три-, тетра-, и т.д.., например диен, диин, триен, триин.

Заместители делятся на углеводородные радикалы и характеристические группы. Последние в свою очередь формально разделяются на функциональные группы (ФГ) и

нефункциональные группы (НФГ). Для ФГ имеется ряд старшинства:

RnN+H3-n, COOH, SO3H, COOR, COHаl, CONH2, CN, CHO, >C=O, OH, SH, OOH, NH2.

19

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Для НФГ и радикалов характерны только префиксные названия (в приведенном ниже примере 1: З-метил-5-хлоро-..; в примере 2: 5-бромо-...). Для ФГ характерны два названия: 1) для употребления в суффиксе (суффиксное обозначение или название), когда ФГ является старшей (в примере 3: ОН — старшая ФГ, суффиксное обозначение -ол; в примере 4: NН2 — старшая ФГ, суффиксное название -амин); 2) для использования в префиксе (префиксное обозначение или название), когда ФГ является младшей (в примере 2: ОН — младшая ФГ, префиксное обозначение гидрокси-; в примере 1: NН2 — младшая ФГ, префиксное название амино-). Местоположения заместителей и ненасыщенных связей в родоначальной структуре указываются цифрами, которые получили название локантов. Расположение локантов подчиняется простому правилу: локанты ставятся перед префиксами, но после суффиксов. Локанты отделяются друг от друга запятыми, а от префикса, суффикса и названия родоначальной структуры - черточками (см. примеры 1—4).

Пример 1:

Корень Суффикс ненасыщенных связей Название родоначальной структуры

20