- •Основы строения органических соединений
- •Классификация органических соединений. Функциональная группа и строение углеродного скелета как классификационные признаки органических соединений, Главные классы органических соединений.
- •Электронное строение атомов углерода. Виды гибридизации.
- •Сопряжение (, и р,). Энергия сопряжения. Сопряженные системы с открытой и замкнутой цепью сопряжения (вопр. 6): строение, устойчивость, примеры.
- •Ароматическое строение; энергия резонанса (сопряжения) на примерах: бензол, нафталин, гетероциклические соединения.
- •Взаимное влияние атомов в молекулах органических соединений: индуктивный и мезомерный эффекты. Примеры.
- •Электронодонорные и электроноакцепторные заместители. Распределение электронной плотности в молекуле. Примеры.
- •Пространственное строение органических соединений: конфигурация, конформация; способы изображения; примеры.
- •Хиральные и ахиральные молекулы. Асимметрический атом углерода. Примеры. Оптическая активность.
- •Виды конфигурационной стереоизомерии. Энантиомерия и диастереомерия. Относительная и абсолютная конфигурация. D,l– и r,s–системы стереохимической номенклатуры. Рацематы. Примеры.
- •Конфигурационная стереоизомерия молекул с двумя и более центрами хиральности. ,–диастереомерия. Свойства энантиомеров и диастереомеров.
- •Конформации ациклических углеводородов (этан, бутан); виды напряжений в молекуле; изображение конформаций; их энергетическая характеристика.
- •Конформации циклогексана; виды напряжений, энергетическая характеристика конформаций; аксиальные и экваториальные связи; инверсия цикла у производных циклогексана (метилциклогексан).
- •Кислотные и основные свойства органических молекул; теории Бренстеда и Льюиса. Примеры.
- •Типы органических кислот. Факторы, определяющие кислотность. Примеры.
- •Типы органических оснований. Факторы, определяющие основность. Примеры.
- •Классификация органических реакций и реагентов. Примеры.
Основы строения органических соединений
-
Классификация органических соединений. Функциональная группа и строение углеродного скелета как классификационные признаки органических соединений, Главные классы органических соединений.
В основу современной классификации органических соединений положены два важнейших признака:
-
строение углеродного скелета молекулы;
-
наличие в молекуле функциональных групп.
По строению углеродного скелета органические соединения делятся на группы. Ациклические (алифатические) соединения, в которых цепь атомов углерода может быть неразветвленной или разветвленной. Карбоциклические соединения, в которых цепь, состоящая только из атомов углерода, замкнута в цикл (кольцо). Гетероциклические соединения, имеющие в составе циклического скелета, кроме атомов углерода, один или несколько гетероатомов — как правило, атомы азота, кислорода или серы:
Родоначальными соединениями в органической химии считаются углеводороды, состоящие только из атомов углерода и водорода. В большинстве своем органические молекулы содержат функциональные группы, т. е. атомы или группы атомов, определяющие химические свойства соединения и принадлежность его к определенному классу. В состав функциональной группы обязательно входит гетероатом, хотя иногда к функциональным группам причисляют и углерод-углеродные кратные связи (С=С и С≡С). Многие такие группы вообще не содержат атом углерода. В зависимости от наличия в молекуле тех или иных функциональных групп органические соединения делятся на классы.
Функциональная группа |
Название класса |
Общая формула класса |
-R |
углеводороды |
R-H |
-Hal |
галогенопроизводные |
R-Hal |
-OH |
спирты, фенолы |
R-OH Ar-OH |
-О- |
простые эфиры |
R-O-R` |
-SH |
тиолы |
R-SH |
-NH2 |
амины |
R-NH2 |
-NO2 |
нитросоединения |
R-NO2 |
>C=O |
альдегиды кетоны |
R-CHO R-CO-R |
-COOH |
карбоновые кислоты |
R-COOH |
-SO3H |
сульфокислоты |
R-SO3H |
Соединения, имеющие в молекуле одну функциональную группу, называются монофункциональными; несколько одинаковых функциональных групп – полифункциональными (глицерин). Гетерофункционалъные соединения содержат в молекулах различные функциональные группы. Их можно одновременно отнести к нескольким классам.
Переход от одного класса к другому осуществляется чаще всего с участием функциональных групп без изменения углеродного скелета. Кроме того, классификационные признаки положены в основу номенклатуры органических соединений.
-
Номенклатура органических соединений. Тривиальная номенклатура. Основные принципы номенклатуры IUPAC (IUPAC-Международный союз теоретической и прикладной химии): заместительная и радикало -функциональная номенклатуры.
Номенклатура должна быть систематической и международной, чтобы могли отобразить в названии структуру соединения и по названию однозначно представить структуру. Кроме того, номенклатура должна быть пригодной для компьютерной обработки.
Исторически первыми были тривиальные названия веществ, которые указывали либо на источник выделения (кофеин, мочевина), либо свойства веществ (глицерин, глюкоза). Широко распространены торговые названия, причем для лекарственных веществ часто в основу такого названия берется фармакологический эффект или отдельные элементы структуры. Эти названия удобны своей лаконичностью, но они не дают представления о строении вещества и не могут быть объединены в систему. К тому же некоторые из тривиальных названий со временем выходят из употребления, хотя многие из них прочно вошли в обиход и даже легли в основу систематических названий.
Использование систематической номенклатуры применительно к лекарственным веществам играет важную роль в фармации, поскольку многие лекарства выпускаются под разнообразными торговыми названиями. При переводе же их в систематические можно зачастую убедиться, что действующим началом этих лекарственных средств может оказаться одно и то же вещество (парацетамола, панадола, тайленола – n-гидроксиацетанилид). В ходе развития органической химии возникали различные номенклатурные системы (Женевская, 1892; Льежская, 1930), которые после многократных усовершенствований стали основой современной систематической номенклатуры ИЮПАК (IUPAC — Международный союз теоретической и прикладной химии).
Номенклатура органических соединений — это система терминов, обозначающих строение веществ и пространственное расположение атомов в их молекулах.
Систематическое название — полностью составленное из специально созданных или выбранных слогов, (пентан, тиазол). Тривиальное название — в котором ни один из слогов не используется в систематическом смысле (мочевина, фуран). Родоначальное название — та часть названия, от которой по определенным правилам строится название целиком. Например, «этан» – «этанол». Может быть как систематическим, так и тривиальным.
Заместитель — любой атом или группа атомов, замещающие в исходном соединении атом водорода.
Характеристическая группа — в ИЮПАК практически эквивалентен понятию «функциональная группа», например: аминогруппа, галогены, гидроксильная группа, карбоксильная группа, карбонильная группа, оксогруппа, нитрогруппа, цианогруппа. Старшая (главная) группа — характеристическая группа, название которой отражается суффиксом. Никаких других преимуществ не имеет.
Умножающие префиксы — приставки ди-, три-, тетра- и т. д., применяемые для обозначения числа одинаковых заместителей или кратных связей. Локант — цифра или буква, указывающая положение заместителя или кратной связи в родоначальном названии.
Из восьми типов номенклатур в ИЮПАК наиболее универсальной и распространенной является заместительная номенклатура. Реже используется радикально-функциональная номенклатура.
Заместительная номенклатура. Название строится как сложное слово, состоящее из корня (родоначальное название), префиксов и суффикса, характеризующих число и характер заместителей, степень ненасыщенности; указываются локанты. Характеристические группы делятся на два типа. Одни из них обозначаются только в виде префиксов, другие могут быть суффиксами или префиксами в зависимости от старшинства. За старшую принимают ту группу, которая находится выше других в табл. Все другие обозначаются префиксами.
Радикально-функциональная номенклатура. Для названий в основном используются те же принципы, но для отражения старшей группы никогда не применяются суффиксы. Вместо этого одним словом отражают название функционального класса, а остальную часть названия — соответствующим радикалом. Для двухвалентных характеристических групп указывают оба радикала, связанные с этой группой. Если соединение включает более одного типа характеристических групп, то за название функционального класса принимают такое, которое расположено выше других в табл. Остальные группы префиксами.
Принципы построения систематических названий. Включает следующие:
-
Определяют тип номенклатуры, который целесообразно применить к данному конкретному соединению.
-
Определяют старшую характеристическую группу. Именно она обусловливает в дальнейшем выбор родоначальной структуры и ее нумерацию.
-
Определяют родоначальную структуру — главную углеродную цепь или основную циклическую систему, которая должна включать максимальное число старших групп. Главная углеродная цепь для ациклических соединений выбирается по критериям, при этом каждый последующий критерий вступает в действие лишь тогда, когда предыдущий не приводит к выбору:
а) максимальное число старших групп;
б) максимальное число кратных (двойных и тройных) связей;
в) максимальная длина цепи;
г) максимальное число заместителей.
-
Называют родоначальную структуру и старшую характеристическую группу.
-
Определяют и называют заместители.
-
Проводят нумерацию так, чтобы старшая группа получила наименьший номер. Если выбор неоднозначен, то применяют правило наименьших локантов — нумеруют так, чтобы заместители получили наименьшие номера. Наименьшая последовательность та, в которой первой встретится цифра меньшая, чем в другой последовательности (1,2,7- < 1,3,4 -).
-
Объединяют отдельные части названия в общее, придерживаясь алфавитного порядка префиксов (умножающие приставки не включаются). Цифры-локанты ставят перед префиксами и после суффиксов.
-
Радикально-функциональная номенклатура лишь там, где она традиционно используется до настоящего времени.
Допускаются несистематические названия для следующих незамещенных углеводородов изостроения: изобутан (СН3)2СНСН3, изопентан (СН3)2СНСН2СН3, неопентан (СН3)4С, изогексан (СН3)2СНСН2СН2СН3. Для ненасыщенных соединений: этилен СН2=СН2, ацетилен СН≡СН, аллен СН2=С=СН2, изопрен СН2=С(СН3)СН=СН2.
В ряду ароматических углеводородов — аренов, сохраняются следующие несистематические названия:
Из родоначальных структур конденсированных аренов наиболее часто встречаются четыре. В ряде случаев сохраняется исторически сложившаяся нумерация (например, антрацен и фенантрен).
Несложные по структуре галогенопроизводные часто называют по радикально-функциональной номенклатуре, например, изопропилбромид (СН3)2СНВг, бензилхлорид С6Н5СН2С1.
Тривиальные названия сохраняются для ряда многоатомных спиртов и фенолов:
Менее употребительны радикально-функциональные названия солей спиртов, образуемые заменой части названия -иловый спирт на суффикс -илат, например, этилат натрия C2H5ONa, триизопропилат алюминия [(СН3)2СНО]3А1.
Для простых эфиров, чаще чем для других классов соединений, применяется радикально-функциональная номенклатура. В этом случае названия образуют из названий радикалов R и R' в алфавитном порядке, предшествующих слову эфир, например, метилэтиловый эфир СН3—О—СН2СН3, диизо- пропиловый эфир (СН3)2СН—О—СН(СН3)2, винилфениловый эфир С6Н5—О—СН=СН2.
Некоторые амины сохраняют тривиальные названия:
Если соответствующая альдегиду карбоновая кислота имеет тривиальное название (1.3.10), то из него может быть образовано и тривиальное название альдегида:
Сохраняются следующие тривиальные названия:
Сохраняется тривиальное название «ацетон» для СН3СОСН3. Для многих алифатических и карбоциклических карбоновых кислот сохранены тривиальные названия, обычно предпочтительнее систематических.