Часть 1. Теоретические основы органической химии 1.9 Номенклатура органических соединений

Номенклатура Номенклатура – совокупность или перечень названий, употребляющихся в какой-либо отрасли науки и техники. В органической химии для названия соединений используют тривиальную (от лат. trivialis – обыкновенный), рациональную (радикально- функциональную) и систематическую (IUPAC) номенклатуры.

Тривиальная номенклатура Тривиальные названия давали веществам, структура которых даже не была известна. Тривиальные названия указывали либо на источник их выделения, например, мочевина впервые была обнаружена в моче; либо на некоторые заметные свойства, например, названия веществ – глицерин, глюкоза, глицин – связаны с их сладким вкусом (от греч. glykys – сладкий). Тривиальные названия широко распространены среди природных соединений – аминокислот, углеводов, алкалоидов, стероидов. Эти названия удобны своей лаконичностью, но они не могут быть объединены в систему.

Рациональная номенклатура Для некоторых (как правило, простых) соединений используют рациональную (радикально- функциональную) номенклатуру, являющуюся также вариантом систематической номенклатуры ИЮПАК. Чаще она применяется для галогенопроизводных, спиртов, аминов и простых эфиров. Для некоторых классов соединений, например карбоновых кислот и альдегидов, эта номенклатура неприменима. Название соединения по радикально-функциональной номенклатуре складывается из двух элементов – названия углеводородного радикала и названия характеристической (функциональной) группы или соответствующего класса соединений. Например, метилэтилкетон, этиловый спирт, диэтиламин:

Систематическая номенклатура Наиболее универсальной является систематическая номенклатура, базирующаяся на правилах IUPAC (правила комиссии по номенклатуре органических соединений при International Union of Pure and Applied Chemistry – Международный союз чистой и прикладной химии). В систематической номенклатуре ИЮПАК используются несколько важнейших номенклатурных терминов. Родоначальная структура – это структура, лежащая в основе называемого соединения. Для ациклических соединений за родоначальную структуру принимается главная углеродная цепь, а для карбоциклических и гетероциклических – цикл. Названия главных углеродных цепей или циклов формируются на основе номенклатуры углеводородов. Заместитель – это любой атом или группа атомов, замещающих атом водорода в родоначальной структуре. Характеристическая группа – это функциональная группа, связанная с родоначальной структурой. Названия радикалов происходят от названий соответствующих углеводородов путем замены суффикса -ан на -ил.

Важнейшие углеводородные радикалы * В приведенных названиях радикалов используются обозначения: н – нормальный, втор – вторичный, трет – третичный.

Важнейшие углеводородные радикалы

Построение систематического названия соединения В систематической номенклатуре название соединения представляет собой составное слово, корень которого включает название родоначальной структуры. Названия заместителей обозначаются префиксами (приставками) и суффиксами. Старшая характеристическая группа отражается суффиксом, остальные (нестаршие) – префиксами. Для построения названия: 1) Определяют старшую характеристическую группу. Для характеристических групп условно установлен порядок старшинства. 2) Определяют родоначальную структуру, в которую обязательно должна входить старшая характеристическая группа.

Построение систематического названия соединения Для монофункциональных соединений характеристическая группа, для которой предусмотрен суффикс, всегда выполняет роль старшей и отражается в названии суффиксом, например СН 3 СН 2 СН 2 ОН, СН 3 СООН пропанол-1 этановая кислота. В гетерофункциональных соединениях только одна из характеристических групп – старшая – обозначается суффиксом. Все прочие заместители обозначаются префиксами и перечисляются в алфавитном порядке. 3) Нужно указать местоположение заместителей в углеродной цепи. Для этого следует предварительно провести нумерацию атомов родоначальной структуры. Углеродная цепь нумеруется с одного из ее концов так, чтобы старшая характеристическая группа получила наименьший номер. Цифры, указывающие положение заместителей, ставят перед префиксами и после суффикса. Цифры от букв отделяются дефисами (черточками), а цифры от цифр – запятыми.

Пример построения систематического названия соединений NH 2 –CH 2 –CH 2 – OH Характеристичная группа: старшая (суффикс)младшая (префикс) -олгидрокси- Родоначальная структура: этан Характеристичная группа: старшая (суффикс)младшая (префикс) -амин амино- -оламино- этан амино ол

Построение систематического названия соединения Для суффиксов -овая кислота и -аль нет необходимости указывать положение функциональной группы (у атома С- 1), так как они всегда находятся в начале цепи. При наличии двух, трех, четырех и т. д. одинаковых заместителей или кратных связей используются умножительные приставки ди-, три-, тетра- и т. д., например этандиол-1,2, трихлорэтаналь, тетрабромметан. В карбоциклических соединениях нумерацию начинают от того атома углерода, при котором находится старшая характеристическая группа. Если при этом невозможно выбрать однозначную нумерацию, то цикл нумеруют так, чтобы заместители имели наименьшие номера.

Пример построения систематического названия соединений Родоначальная структура: циклогексан OH Старшая характеристичная группа (суффикс) -ол циклогексан изопропил-ол Младшая характеристичная группа (префикс) -ил метил- изопропил- 5-метил

Построение систематического названия соединения При наличии в структуре соединения одновременно открытой цепи и цикла за родоначальную структуру принимается та, где содержится характеристическая группа (или старшая из них). Например, в фенилуксусной кислоте родоначальной структурой считается цепь из двух атомов углерода, так как в ней содержится карбоксильная группа:

Общее правило составления полного названия

Обратная задача Обратная задача – написание структуры по систематическому названию – представляется обычно более легкой. 1) Сначала изображают родоначальную структуру – открытую цепь или цикл; 2) Затем нумеруют атомы углерода и расставляют заместители. 3) В заключение дописывают атомы водорода, чтобы каждый атом углерода оказался четырехвалентным.

Часть 1. Теоретические основы органической химии 1.10 Изомерия и гомологические ряды

Изомерия и изомеры Изомерия – явление, обуславливающее существованием молекул, имеющих одинаковый качественный и количественный состав, но разное химическое строение. Изомеры – соединения, отвечающие одной молекулярной формуле, но отличающиеся между собой по строению. Различают несколько видов изомерии.

I. Виды структурной изомерии 1) Изомерия углеродного скелета. 2) Изомерия положения кратной связи, например: СН 2 =СН СН 2 СН 3 и СН 3 СН=СН СН 3. 3) Изомерия взаимного положения кратных связей, углеводородных радикалов и функциональных групп, например: СН 2 =СН СН=СН 2 и СН 2 =С=СН СН 3 ; о-ксилол, п-ксилол и м-ксилол; о-, п- и м-фталевые кислоты. 4) Изомерия положения функциональной группы, например: СН 3 СН 2 СН 2 ОН и СН 3 СНОН СН 3.

I. Виды структурной изомерии 5) Изомерия взаимного положения различных функциональных групп, например: 6) Изомерия состава углеводородного радикала, например (метамерия):

I. Виды структурной изомерии 7) Изомерия между группами и классами соединений: а) между алкенами и циклоалканами (С п Н 2п ); б) алкадиенами и алкинами (C п H 2п-2 ); в) одноатомными спиртами и простыми эфирами (С п Н 2п+2 О); г) альдегидами и кетонами (С п Н 2п О); д) одноосновными карбоновыми кислотами и сложными эфирами (С п Н 2п О 2 ); е) аминокислотами и нитросоединениями, например:

II. Виды пространственной изомерии 1) Конформационная изомерия. Она свойственна соединениям, в молекулах которых содержатся -связи. Конформации пентана (С 2 –С 3 ) Конформационные изменения в циклогексане (стрелками показано направление вращения -связи)

II. Виды пространственной изомерии 2) Геометрическая, или цис-транс-изомерия. Она свойственна соединениям, в молекулах которых есть двойная связь, а у атомов углерода при этой связи разные заместители. Цис- (а) и транс-изомеры (б) бутена-2

II. Виды пространственной изомерии 3) Оптическая изомерия. Она характерна для соединений, в молекулах которых есть асимметрические атомы углерода (имеющие четыре разных заместителя). Такой атом углерода еще называется хиральным. Соединение может иметь несколько асимметрических атомов углерода. Соотношение между числом асимметрических атомов п в молекуле и числом оптических изомеров N выражается формулой N = 2 n.

Проекционные формулы Фишера Для удобства оптические антиподы изображают в виде проекционных формул Фишера. Цепь углеродных атомов, включающую асимметрический атом углерода, располагают вертикально, причем главная функциональная группа должна быть сверху. Изгиб цепи при асимметрическом атоме обращен выпуклой стороной к наблюдателю. Таким образом, следует понимать, что группы, расположенные сверху и снизу от асимметрического атома, находятся за плоскостью, а группы, расположенные справа и слева, – над плоскостью чертежа. Правилами преобразования проекционных формул Фишера разрешены две операции: в проекционной формуле разрешается менять местами два любых заместителя у одного и того же асимметрического атома углерода четное число раз (четное число перестановок), проекционную формулу разрешается поворачивать в плоскости чертежа на 180°.

Проекционные формулы Фишера Соединения I и II, а также III и IV являются попарно оптическими антиподами (энантиомерами). В то же время такие оптические изомеры, как I и III, I и IV, II и III, II и IV, не являются оптическими антиподами, их называют диастереомерами.

III. Таутомерия Динамическая изомерия или таутомерия – явление самопроизвольного взаимного превращения структурных изомеров, находящихся в состоянии подвижного (динамического) равновесия. 1) Кольчато-цепная (цикло-оксо) таутомерия, которая наблюдается у моносахаридов:

III. Таутомерия 2) Таутомерия может быть связана с миграцией протона (прототропная таутомерия). Например, ацетоуксусному эфиру присуща кето-енольная таутомерия – одна из разновидностей прототропной таутомерии. В равновесной смеси при температуре 25 С содержится 92,5 % кетонной и 7,5 % енольной форм:

III. Таутомерия 3) Подвижное равновесие наблюдается у непредельных углеводородов, и обусловлено оно миграцией двойной связи. Классическим примером может быть диизобутилен, состоящий из двух таутомеров (их впервые получил Бутлеров): 2,4,4-триметилпентен-1 (75 %) и 2,4,4-триметилпентен-2 (25 %):

Гомологические ряды Гомологи – соединения, имеющие подобное строение и отличающиеся друг от друга по составу на n СН 2 -групп (гомологическая разность). Гомологический ряд – совокупность всех гомологов, расположенных в порядке возрастания молекулярных масс.

Часть 1. Теоретические основы органической химии 1.11 Понятие о кислотах и основаниях в органической химии

Определение кислот и оснований в органической химии

По С. Аррениусу (1887 г.): HCl H + + Cl KOH K + + OH кислота основание По А. Бренстеду и Л. Лаури (1929 г.): По Д. Льюису (1926 г.):