1. Классификация органических соединений
2. Роль органической химии в народном хозяйстве
3. Продукты сельского и лесного хозяйства
4. Торф
5. Сланцы
Различные виды природных сланцев перерабатываются в высо-кокалорийный бытовой газ (Эстония). Образующаяся при пироли-зе сланцев смола может быть источником фенолов.
Окислением торфяной массы получают щавелевую кислоту.
У нас в стране широко используется брожение глюкозы , образую-щееся при гидролитическом расщеплении клетчатки, получаемой из древесины или крахмала (из хлебных злаков и картофеля) для по-лучения этилового спирта. Из этого же сырья получают витамин С и лимонную кислоту. Скипидар и канифоль получают из древесины хвойных пород. В настоящее время имеется тенденция резко умень-шить использование пищевого сырья и заменить его синтетическим.
Значение органической химии настолько велико, что в настоя-щее время невозможно представить жизнь современного человека без использования достижений этой науки. Органическая химия является основой очень многих важнейших отраслей промышлен-ности. К ним относится топливная промышленность (переработка каменного и бурого угля, нефти, горючих сланцев, дерева, синтез различного топлива и др.), производство красящих веществ, давно вытеснивших природные красители и превосходящие их разнообра-зием, красотой оттенков и дешевизной, производство взрывчатых и лекарственных веществ, витаминов, синтетического каучука и воло-кон, пластмасс и др.
Сельскому хозяйству органическая химия дает удобрения, средства для борьбы с сорняками (гербициды), насеко-мыми и грибками (инсектофунгициды), вещества, ускоряющие рост растений и созревание плодов. Существуют также такие отрасли хи-мической промышленности как азотнотуковая, анилинокрасочная, пластических материалов, искусственного волокна, лакокрасочная, синтетического каучука.
К настоящему времени известно более 10 млн. органических соединений. Каждый год химики синтезируют и выделяют из природных источников сотни тысяч новых соединений. Чтобы ориентироваться в этом многообра-зии, органические соединения принято классифицировать.
Давно уже отмечено, что большинство органических молекул состоит из двух частей: фрагмента, который в ходе реакции остается без изменения, и группы, подвергающейся при этом превращениям. Атом или группу атомов, связанных определенным образом, наличие которых в молекуле органического вещества придает ему характерные свойства, называют функциональной группой.
Структурная теория А.М. Бутлерова , давшая химикам четкое понимание термина «функциональная группа», лежит в основе современной классифи-кации органических соединений.
В структурной формуле каждого соединения можно выделить фрагмент углеводорода или гетероциклического соединения. Этот фрагмент принято рассматривать в качестве остова молекулы. Как правило, остов реже трансформируется в ходе реакции, нежели функциональная группа. Харак-тер остова молекулы определяет ряд, к которому принадлежит данное со-единение.
Выделяют следующие ряды:
1. Ациклический (алифатический, жирный) ряд включает соедине-ния с открытой цепью углеродных атомов; эти соединения могут быть насыщенными (предельными), например:
2. Циклический ряд включает :
Карбоциклические соединения, содержащие углеродный скелет, замкну-тый в цикл
В свою очередь, карбоциклические соединения подразделяются на: ароматический ряд, который включает углеводороды и их производ-ные, содержащие шестичленные циклы с чередующимися простыми и двойными связями (ароматические ядра)
- алициклический ряд,который объединяет все остальные карбоцикличе-ские соединения, как насыщенные, так и ненасыщенные
Наличие тех или иных функциональных групп в молекуле органическо-го соединения определяет принадлежность этого соединения к тому или иному классу.
В табл. 1.1 перечислены наиболее важные функциональные группы, их названия и названия, соответствующих им классов органических веществ, даны примеры представителей этих классов.
Рассмотрим структуры некоторых органических соединений. Внимательный анализ каждой из них позволяет выделить в них фрагмент соответствующего углеводорода или гетероциклического соединения и свя-занные с этим фрагментом функциональные группы:
Чтобы ориентироваться в мире органических соединений, необходимо не только знать принципы их классификации, но и уметь правильно назвать каждое из них. При этом должно быть соблюдено важное правило: каждому названию должно соответствовать только одно соединение.
Правила, по которым образуются названия органических соединений, составляют номенклатуру. В настоящее время в органической химии при-меняют несколько систем номенклатуры.
1. Тривиальная номенклатура
Это система исторически сложившихся названий, но применяемых до на-стоящего времени. Как правило, эти названия были даны еще в ранний пе-риод развития органической химии и никак не отражают строение органи-ческого вещества.
2. Рациональная номенклатура. По правилам рациональной номенклатуры за основу названия органиче-ского соединения принимают название наиболее простого (чаще первого) члена данного гомологического ряда. Все остальные соединения рассматри-вают как его производные, образованные замещением в нем атомов водоро-да алкильными группами, атомами или функциональными группами. Назва-ния алкильных и функциональных групп, наиболее часто встречающихся в структурных формулах органических молекул, и примеры названий по раци-ональной номенклатуре приведены в табл. 1.2 и 1.3.
3. Систематическая номенклатура ИЮПАК (Международный союз теоретической и прикладной химии). Является наиболее общепринятой и универсальной. Систематические названия составлены из слов, специаль-но созданных или выбранных для описания структурных особенностей со-единения.
Для того чтобы назвать органическое соединение по систематической номенклатуре ИЮПАК, нужно:
1) выбрать родоначальную структуру;
2) выявить все имеющиеся в соединении функциональные группы;
3) установить, какая группа является старшей (см. табл. 1.4); название этой группы отражается в названии соединения в виде суффикса и его ста-вят в конце названия соединения; все остальные группы дают в названии в виде префиксов (приставок);
4) обозначить ненасыщенность соответствующим суффиксом (-ен или -ин) , а также префиксом (дегидро-, тетрагидро- и др.);
5) пронумеровать главную цепь, придавая старшей группе наименьший из номеров;
6) перечислить префиксы (приставки) в алфавитном порядке (при этом умножающие префиксы ди-, три- и т. д. не учитываются);
7) составить полное название соединения.
Родоначальная структура - главная цепь в ациклической молекуле; циклическая или гетероциклическая система (или ее часть), лежащая в ос-нове соединения.
В ациклических соединениях главной цепью называют цепь углеродных атомов, составляющую основу названия и нумерации. В состав этой цепи обязательно должна входить старшая характеристическая группа. Главная цепь должна содержать наибольшее число заместителей, максимальное ко-личество кратных (двойных и тройных) связей и должна быть наиболее длинной. Главную цепь нумеруют в соответствии с наименьшей суммой ци-фровых индексов, указывающих положения заместителей и кратных свя-зей. Наименьшая сумма цифровых индексов - это ряд чисел, в котором пер-вое отличающееся число должно быть наименьшим.
В алициклических соединениях главной цепью считают замкнутую цепь углеродных атомов. В названии этой цепи применяют префикс цикло-.
Цифры в квадратных скобках указывают, сколько углеродных атомов на-ходится по каждую сторону от общего (узлового) атома углерода.
Если в соединениях два цикла имеют два или больше общих углеродных ато-мов, то их называют бициклоалканами (или мастиковыми углеводородами).
При выборе старшей группы важно старшинство заместителей относи-тельно друг друга. Функциональные группы в порядке убывания старшин-ства перечислены в табл. 1.4. Там же указано, какое название получает функциональная группа в зависимости от ее места (в виде префикса или суффикса) в полном названии соединения.
После того как определена родоначальная структура, выбрана старшая группа (обозначается суффиксом), проведена нумерация, выявлены другие
группы, составляют полное название. При этом цифровые индексы (локанты), указывающие положение заместителей и кратных связей, дают перед префиксом и перед суффиксом.
4. Радикало-функциональная номенклатура
Эта система использует те же приемы, что и рациональная, но не содер-жит суффиксов. По этой номенклатуре роль суффикса играет название класса соединения.
Классификация (лат. classis – разряд, facere – делать) – распределение органических соединений по рядам, группам, классам в зависимости от их классификационных признаков.
Существующая классификация органических соединений основана, прежде всего, на структуре углеводородного скелета и характере функциональных групп. Классификацию органических соединений по основным признакам можно представить в виде схемы (рис.19).
Первым классификационным признаком является структура углеродного скелета углеводородного фрагмента молекулы. По этому признаку органические соединения делятся на следующие ряды:
· ряд ациклических соединений;
· ряд карбоциклических соединений;
· ряд гетероциклических соединений.
Ациклические соединения [гр. a… , an – частица отрицания] – органи-ческие соединения, в молекулах которых отсутствуют циклы и все атомы углерода соединены между собой в прямые или разветвленные открытые цепи. Иногда их называют алифатическими (гр. alefair – жир), поскольку к этому классу относят жиры и жирные кислоты а также алициклические соединения – циклоалканы, циклоолефины, циклодиены, циклодиины.
Рисунок 19 – Основные классы органических соединений
Структура углеводородного скелета может быть линейной и замкнутой в цикл. Прямая цепь углеродных атомов – цепь последовательно соединенных атомов. Разветвленная цепь углеродных атомов – цепь непоследовательно соединенных атомов: от средних атомов прямой цепи отходят прямые цепи.
Различают две основные группы ациклических соединений:
· насыщенные (предельные), у которых в углеводородном фрагменте все атомы углерода связаны между собой только простыми связями (1);
· ненасыщенные (непредельные), у которых между атомами углерода в углеводородном фрагменте, кроме простых (одинарных) связей, имеются также двойные или тройные связи.
Циклические соединения подразделяются на карбоциклические, циклы которых состоят только из атомов углерода, и гетероциклические, в состав циклов которых, кроме атомов углерода входят атомы других элементов – гетероатомы (O, N, S и др.) .
Карбоциклические соединения – органические соединения, характери-зующиеся наличием колец (циклов) из атомов углерода. Карбоциклические соединения подразделяются на:
· алициклические соединения;
· ароматические соединения.
Гетероциклические соединения – органические соединения, в цикле которых, кроме атомов углерода, содержатся гетероатомы, способные образовать не менее двух ковалентных связей (N, O, S).
Вторым классификационным признаком является электронное строение молекулы. По этому признаку органические соединения подразделяются на:
· алифатические соединения
· ароматические соединения
Третьим классификационным признаком является характер функциональной группы, определяющей функциональный класс.
Функциональный класс – группа соединений, объединяемых общей функциональной группой.
При замене в углеводороде (R–H ) атомов водорода на другие атомы или функциональные группы (Х ) образуются новые классы органических соединений (R–Х ), характер которых определяют функциональные группы.
Функциональная группа – гетероатом или группа атомов неуглеводо-родного характера, определяющих принадлежность к определенному функциональному классу и обуславливающая важнейшие свойства этого класса (табл. 6).
Таблица 6 – Функциональные производные углеводородов
Монофункциональные соединения – соединения с одной функциональной группой, например:
Кроме монофункциональных углеводородов, имеются самые разнообразные полифункциональные производные с несколькими одинаковыми или разными функциональными группами.
Гомофункциональные соединения – соединения с несколькими одинаковыми функциональными группами, например:
Гетерофункциональные соединения – соединения с несколькими разными функциональными группами, например:
Гомологический ряд [гр. homologia – согласие] – группа родственных органических соединений с одинаковыми функциональными группами и однотипной структурой, отличающихся между собой на одну или несколько метиленовых групп (–СН 2 –) в составе углеводородного фрагмента молекулы и обладающих сходными химическими свойствами.
Гомологическая разность – (СН 2 ) n , где n = 1, 2, 3 и т. д.
Изологический ряд – группа углеводородов и их производных с одинаковым числом углеродных атомов в радикале и тождественными функциональными группами, но с различной степенью ненасыщенности, т. е. с возрастающим в каждом изологическом ряду количеством кратных связей в радикале.
Изологическая разность – (2Н ) n , где n = 1, 2
Генетический ряд – группа органических соединений с одинаковым углеводородным радикалом в молекуле, но с различными функциональными группами.
Классификация органических соединений позволяет не только систематизировать многочисленные органические соединения, но и является фундаментом для создания правил построения названий любого органического соединения исходя из его классической структурной формулы.
Номенклатура органических соединений. Номенклатура (лат. nomencklatura – роспись имен) это система правил построения названия соединения. Огромное число органических соединений, сложность и многообразие их строения обуславливают сложность их номенклатуры. По мере развития органической химии было предложено несколько различных систем номенклатуры.
Исторически первой возникла тривиальная номенклатура (лат. trivialis – обыкновенный). Органические соединения получали случайные названия, в которых отражались либо природные источники получения (яблочная кислота, муравьиная кислота, винный спирт), либо заметные свойства (гремучая кислота) и т. д.
С ростом числа органических соединений появилась необходимость в разработке четких и однозначных правил их названия.
Рациональная номенклатура связывает название вещества с его строением и классом. Соединение рассматривается как продукт усложнения простейшего представителя данного класса. Рациональное название очень наглядно в случае простых соединений, однако, по мере усложнения строения возможности рациональной номенклатуры, исчерпываются.
Для того чтобы назвать соединение по рациональной номенклатуре необходимо:
· определить класс называемого соединения;
· выбрать в соединении основу (табл. 7);
· назвать окружающие заместители;
· составить название, начиная с названий простых заместителей к более сложным, заканчивая названием основы.
Таблица 7 – Основы рациональных названий и окончаний в систематической номенклатуре некоторых классов органических соединений
В качестве заместителей могут выступать как функциональные группы, так и углеводородные остатки. Углеводородный радикал – остаток молекулы углеводорода, из которого формально удалили один или несколько атомов водорода, оставив свободными соответственно одну или несколько валентностей.
Название углеводородных радикалов состоит из:
· префикса , указывающего на порядок соединения атомов углерода в радикале;
· корня (основы), отражающего число углеродных атомов;
· суффикса : -ил – для одновалентных радикалов;
-илен – для двухвалентных вицинальных радикалов;
-илиден – для двухвалентных геминальных радикалов;
-илидин – для трехвалентных геминальных радикалов.
Углеводородные остатки могут быть первичными, вторичными и третичными, в зависимости от типа атома углерода, имеющего свободную валентность.
Двухвалентные углеводородные остатки образуются при отнятии от углеводорода двух атомов водорода, при этом свободные валентности могут располагаться как у одного атома углерода так и у разных (табл.8).
В рациональной номенклатуре допускается несколько равноправных названий для одного соединения в зависимости от выбранной основы.
Таблица 8 – Углеводороды и углеводородные остатки
Префикс – приставка (лат. praefixum от prae – впереди + fixus – прикрепленный). Префиксы н-, втор.-, трет.- выделяются курсивом, от основания отделяются дефисом.
Префиксы, напечатанные курсивом, не учитываются при расстановке заместителей в названии в алфавитном порядке.
Курсивом выделяются:
· префиксы: н-, втор.-, трет.-, цис-, транс-, D-, L-, R-, S-, E-, Z-, син-, анти-, эндо-, экзо-, гош-;
· буквенные локанты: α-, β-, γ- и т. д. орто (о-), мета (м-), пара, (п-), N.
Буквы латинского алфавита предшествуют буквам греческого алфавита.
Дефис (лат. divisio – разделение) – короткая соединительная черточка между двумя словами. Применяется для отделения от названия основы цифровых и буквенных локантов, префиксов, выделенных курсивом.
Умножающие префиксы:
· ди-, три-, тетра-, пента- и т. д. применяются для обозначения числа одинаковых незамещенных радикалов, например триэтиламин;
· бис-, трис-, тетракис-, пентакис- и т.д. применяются для обозначения числа идентичных одинаково замещенных радикалов, например бис-(2-хлорэтил)амин, трис-(2-хлорэтил);
· би-, тер-, квартер- употребляются для указания числа идентичных колец, соединенных друг с другом связью.
Вицинальный радикал (лат. vicinus – соседний): свободные валентности находятся у соседних атомов углерода.
Геминальный радикал (лат. geminus – близнецы): свободные валент-ности находятся у одного и того же атома углерода.
Примечание. Геминальный двухвалентный радикал:
· –СН 2 – обозначается суффиксом -илен (метилен);
· –СН 2 –СН 2 –СН 2 – называется триметилен;
· –СН 2 (СН 3)СН– обозначается суффиксом -илен (пропилен).
Систематическая номенклатура. В 1892 г. появилась Женевская номенклатура . Позже ее положения были переработаны в Льежскую номенклатуру (1930 г.). В 1957 г. были приняты правила IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry ).
В рамках этой номенклатуры соединения рассматриваются как продукты усложнения нормальных предельных углеводородов либо замещенных циклов, получаемых путем замещения атомов водорода какими-либо структурными фрагментами. Характер заместителя указывается приставкой (префиксом) или окончанием. Для уточнения положения производится нумерация атомов основы (локантов).
Способы построения названия в номенклатуре IUPAC (на примере ациклического соединения):
· выбрать основу, в качестве которой избирается самая длинная цепь углеродных атомов, в которой содержатся функциональные группы и кратные связи;
· пронумеровать основу, начиная с наиболее замещенного конца. Начало нумерации определяет старшая функциональная группа, затем кратная связь и углеводородный заместитель. По уменьшению старшинства некоторые функциональные группы располагаются следующим образом:
· составить название, включающее название заместителей в алфавитном порядке, название главной цепи, окончание, характерное для кратной связи и старшей функциональной группы. Положение заместителей и функциональной группы указывается цифрами, их количество – греческими числительными.
Еще в середине XIX в. отдельные химики пытались создать такую номенклатуру, которая говорила бы о строении называемых веществ; такую номенклатуру называют рациональной. При этом, например, названия углеводородов производились от названий первого представителя данной группы углеводородов. Так, для ряда метана основой наименования служило название метана. Например, один из изомеров пентана можно назвать диметилэтилметан, т. е. это вещество можно представить как производное метана, у которого два атома водорода замещены метальными группами СН3, а один атом водорода - этильной группой С 2 Н 5 .
Международная номенклатура
Желая создать наиболее рациональную номенклатуру органических соединений, которая была бы принята во всех странах мира, крупнейшие химики - представители химических обществ разных стран - собрались в 1892 г. в Женеве (Швейцария). На этом совещании была выработана систематическая научная номенклатура, которую теперь обычно называют женевской или международной номенклатурой.
Для того чтобы назвать какое-либо соединение по женевской номенклатуре, руководствуются следующими правилами.
Рассматривая структурную формулу соединения, выбирают наиболее длинную цепь атомов углерода и нумеруют атомы, начиная с того конца, к которому ближе стоит заместитель (боковое ответвление).
Соединение рассматривается согласно принципам женевской номенклатуры как производное нормального углеводорода, имеющего такую же, соответствующую перенумерованной цепь.
Место заместителя (ответвления цепи) обозначают цифрой, соответствующей номеру атома углерода, у которого стоит заместитель, затем называют заместитель и, наконец, углеводород, от которого производят все соединение по наиболее длинной перенумерованной цепи.
В тех случаях, когда в цепи имеется несколько ответвлений, положение каждого указывается отдельно соответствующими цифрами, и каждый заместитель называется особо. Если соединение имеет несколько одинаковых заместителей, например две метильные группы, то после двух цифр, обозначающих их места, говорят «диметил» (от греч. ди - «два»); при наличии трех метильных групп говорят «три-метил» и т. д.
После создания женевской номенклатуры неоднократно пытались ее усовершенствовать - дополнить, исправить. Так, в г. Льеже (Бельгия) рассматривались «Льежские правила», которые, однако, не были приняты многими химиками.
В 1957 г., а затем в 1965 г. съездом Международного союза теоретической и прикладной химии International Union of Pure and Applied Chemisty, сокращенно IUPAC (или ИЮПАК), были утверждены правила номенклатуры органических соединений. Эти правила в основном соответствуют женевской номенклатуре, но вносят в нее некоторые поправки. В дальнейшем при изложении Международной номенклатуры различных классов соединений учтены и рекомендации ИЮПАК.
В ходе урока вы сможете изучить тему «Основные принципы номенклатуры органических соединений». Узнаете названия веществ по номенклатуре IUPAC, которой придерживаются во всем мире, рассмотрите алгоритм выбора основной цепи, порядок составления названия органических соединений. Научитесь составлять названия органических соединений по структурной формуле.
Тема: Введение в органическую химию
Урок: Основные принципы номенклатуры органических соединений
Некоторые названия органических веществ, например, спирт и эфир, пришли к нам еще от алхимиков, очень многие вещества получили свои имена в девятнадцатом веке. Одни названия прямо указывают, из чего было впервые выделено данное вещество: винный спирт, гераниол, яблочная, щавелевая, муравьиная кислоты и т.д. Другие - отражают способ получения вещества: серный эфир, имя открывшего их ученого и т.п.
В настоящее время общепринятой считается номенклатура, разработанная союзом ИЮПАК, хотя до сих пор широко применяются как тривиальные названия (уксусная кислота, мочевина), так и названия, составленные по принципам устаревших номенклатур (изооктан, тетраметилэтилен и т.п.)
· Номенклатура ИЮПАК составлена по заместительному принципу. Считается, что структурная формула состоит из основной цепи - атомов углерода, соединенных между собой в неразветвленную цепочку - и присоединенных к ним заместителей. Заместитель - это любой атом или группа атомов, которые замещают атом водорода в неразветвленной структуре основой цепи.
· Функциональные группы, которые непосредственно связаны с основной цепью или входят в ее состав, в номенклатуре ИЮПАК называют характеристическими группами .
· Название в номенклатуре ИЮПАК состоит из корня, который обозначает длину основной цепи, а также приставок и суффиксов, отражающих наличие и расположение заместителей, кратных связей и функциональных групп.
· Название может содержать все блоки, а может - только два: корень и суффикс кратности связей.
· Корень названия вещества происходит из названий неразветвленных алканов с аналогичной длиной цепи.
Рис. 1. Принципы названий по номенклатуре ИЮПАК
Чтобы составить название вещества, необходимо знать названия неразветвленных алканов. Табл. 1.
Первые четыре названия: метан, этан, пропан и бутан возникли исторически, а остальные происходят от греческих корней, обозначающих число атомов углерода в молекуле.
Все названия неразветвленных алканов состоят из корня и суффикса кратности связи -ан . Этот суффикс обозначает то, что вещество предельно - не содержит двойных и тройных связей.
Двойную связь обозначает суффикс -ен , тройную - -ин .
Неразветвленную цепь можно выбрать разными способами. Для того, чтобы название было однозначным, в номенклатуре существует алгоритм выбора основной цепи.
1. В основную цепь входит «старшая» характеристическая группа.
2. В основную цепь максимально включены характеристические группы и кратные связи.
3. Основная цепь максимально длинная из всех возможных.
4. Основная цепь - самая разветвленная.
Например, в основную цепь необходимо включить кратные связи (правила 2), даже, если она при этом не будет самой длинной (правило 3).
В таблице 2 приведены примеры названий характеристических групп. Стрелочка справа показывает увеличение старшинства: в данной таблице, чем выше группа, тем она «старше». Название старшей характеристической группы определяет суффикс названия вещества. Остальные характеристические группы при этом обозначаются приставками, наравне с прочими заместителями.
Таб. 2. Названия характеристических групп
1. В структурной формуле выбирают основную цепь, используя алгоритм выбора основной цепи.
2. Основную цепь нумеруют так, чтобы старшая характеристическая группа получила наименьший номер. Если такая группа отсутствует, наименьший номер получает кратная связь, причем, принято, что двойная связь старше тройной. В случае отсутствия кратных связей нумерацию проводят так, чтобы заместители получили наименьшие номера.
3. Перечисляют заместители с их номерами в алфавитном порядке, затем записывают корень названия, отвечающий числу атомов углерода в основной цепи, добавляют суффикс кратных связей и суффикс старшей характеристической группы.
4. Если в молекуле присутствует несколько одинаковых заместителей или кратных связей, то употребляют приставку, обозначающую их число (ди-, три-, тетра-, пента-, гекса- и т.д.). Числа в названиях отделяют дефисами, между числами ставят запятые.
В ходе урока вы смогли изучить тему «Основные принципы номенклатуры органических соединений». Вы узнали названия веществ по номенклатуре IUPAC, которой придерживаются во всем мире. Рассмотрели алгоритм выбора основной цепи, порядок составления названия органических соединений. Научились составлять названия органических соединений по структурной формуле.
Список литературы
1. Рудзитис Г.Е. Химия. Основы общей химии. 10 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень / Г. Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. - 14-е издание. - М.: Просвещение, 2012.
2. Химия. 10 класс. Профильный уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений/ В.В. Еремин, Н.Е. Кузьменко, В.В. Лунин и др. - М.: Дрофа, 2008. - 463 с.
3. Химия. 11 класс. Профильный уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений/ В.В. Еремин, Н.Е. Кузьменко, В.В. Лунин и др. - М.: Дрофа, 2010. - 462 с.
4. Хомченко Г.П., Хомченко И.Г. Сборник задач по химии для поступающих в вузы. - 4-е изд. - М.: РИА «Новая волна»: Издатель Умеренков, 2012. - 278 с.
Домашнее задание
1. №№ 8, 9 (с. 22) Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г. Химия: Органическая химия. 10 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень/ Г. Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. - 14-е издание. - М.: Просвещение, 2012.
2. Назовите по международной номенклатуре трехатомный спирт глицерин.
3. Напишите структурную формулу 2,5-диметил,3-этилоктана. К какому гомологическому ряду относится это вещество?
Лекция № 1
КЛАССИФИКАЦИЯ, НОМЕНКЛАТУРА и изомерия ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
1. Классификация органических соединений.
2. Номенклатура органических соединений.
3. Структурная изомерия.
1. Классификация органических соединений.
Органические соединения классифицируют по двум основным признакам: строению углеродного скелета и функциональным группам.
По строению углеродного скелета различают ациклические, карбоциклические и гетероциклические соединения.
Ациклические соединения – содержат открытую цепь атомов углерода.
Карбоциклические соединения – содержат замкнутую цепь углеродных атомов и подразделяются на алициклические и ароматические. К алициклическим относятся все карбоциклические соединения, кроме ароматических. Ароматические соединения содержат циклогексатриеновый фрагмент (бензольное ядро).
Гетероциклические соединения - содержат циклы, включающие наряду с атомами углерода один или несколько гетероатомов.
По природе функциональных групп органические соединения делят на классы .
Таблица 1. Основные классы органических соединений.
Функциональная группа | Класс соединений | Общая формула |
Отсутствует | Углеводороды | |
|
F, - Cl, - Br, - I (–Hal) | Галогенпроизводные | |
Гидроксильная | Спирты и фенолы | |
Алкоксильная | Простые эфиры | |
|
NH2, >NH, >N- | ||
Нитросоединения | ||
Карбонильная >c=o <="" center=""> >c=o> | Альдегиды и кетоны | |
Карбоксильная | Карбоновые кислоты | |
Алкоксикарбонильная | Сложные эфиры | |
Карбоксамидная |
карбоновых кислот | |
Тиольная | ||
Сульфокислоты |
2. Номенклатура органических соединений.
В настоящее время в органической химии общепринятой является систематическая номенклатура, разработаннаяМеждународным союзом чистой и прикладной химии (IUPAC ). Наряду с ней сохранились и используются тривиальная ирациональная номенклатуры.
Тривиальная номенклатура состоит из исторически сложившихся названий, которые не отражают состава и строения вещества. Они являются случайными и отражают природный источник вещества (молочная кислота, мочевина, кофеин), характерные свойства (глицерин, гремучая кислота), способ получения (пировиноградная кислота, серный эфир), имя первооткрывателя (кетон Михлера, углеводород Чичибабина), область применения (аскорбиновая кислота). Преимуществом тривиальных названий является их лаконичность, поэтому употребление некоторых из них разрешено правилами IUPAC.
Систематическая номенклатура является научной и отражает состав, химическое и пространственное строение соединения. Название соединения выражается при помощи сложного слова, составные части которого отражают определенные элементы строения молекулы вещества. В основе правил номенклатуры IUPAC лежат принципы заместительной номенклатуры , согласно которой молекулы соединений рассматриваются как производные углеводородов, в которых атомы водорода замещены на другие атомы или группы атомов. При построении названия в молекуле соединения выделяют следующие структурные элементы.
Родоначальная структура – главная цепь углеродная цепь или циклическая структура в карбо- и гетероциклах.
Углеводородный радикал – остаток формульного обозначения углеводорода со свободными валентностями (см. таблицу 2).
Характеристическая группа – функциональная группа, связанная с родоначальной структурой или входящая в ее состав (см. таблицу 3).
При составлении названия последовательно выполняют следующие правила.
1. Определяют старшую характеристическую группу и указывают ее обозначение в суффиксе (см. таблицу 3).
2. Определяют родоначальную структуру по следующим критериям в порядке падения старшинства: а) содержит старшую характеристическую группу; б) содержит максимальное число характеристических групп; в) содержит максимальное число кратных связей; г) имеет максимальную длину. Родоначальную структуру обозначают в корне названия в соответствии с длиной цепи или размером цикла: С1 – “мет”, С2 – “эт”, С3 – “проп”, С4 – “бут”, С5 и далее – корни греческих числительных.
3. Определяют степень насыщенности и отражают ее в суффиксе: “ан” – нет кратных связей, “ен” – двойная связь, “ин” – тройная связь.
4. Устанавливают остальные заместители (углеводородные радикалы и младшие характеристические группы) и перечисляют их названия в префиксе в алфавитном порядке.
5. Устанавливают умножающие префиксы – “ди”, “три”, “тетра”, указывающие число одинаковых структурных элементов (при перечислении заместителей в алфавитном порядке не учитываются).
6. Проводят нумерацию родоначальной структуры так, чтобы старшая характеристическая группа имела наименьший порядковый номер. Локанты (цифры) ставят перед названием родоначальной структуры, перед префиксами и перед суффиксами.
Таблица 2. Названия алканов и алкильных радикалов, принятые систематической номенклатурой IUPAC.
Название | Алкильный радикал | Название |
|
| Изопропил |
||
н-Бутан | н-Бутил |
||
| втор-Бутил |
||
| Изобутан |
| Изобутил |
трет-Бутил |
|||
CH3CH2СН2CH2СН3 | н-Пентан | CH3CH2СН2CH2СН2- | н-Пентил |
| Изопентан |
| Изопентил |
Неопентан | Неопентил |
Таблица 3. Названия характеристических групп (перечислены в порядке убывания старшинства).
*Атом углерода, заключенный в скобки, входит в состав родоначальной структуры.
**Алкокси-группы и все следующие за ними перечисляются в префиксе по алфавиту и не имеют порядка старшинства.
Рациональная (радикально-функциональная) номенклатура используется для названий простых моно - и бифункциональных соединений и некоторых классов природных соединений. Основу названия составляет название данного класса соединений или одного из членов гомологического ряда с указанием заместителей. В качестве локантов, как правило, используются греческие буквы.
3. Структурная изомерия.
Изомеры – это вещества, имеющие одинаковый состав и молекулярную массу, но разные физические и химические свойства. Различия в свойствах изомеров обусловлены различиями в их химическом или пространственном строении.
Под химическим строением понимают природу и последовательность связей между атомами в молекуле. Изомеры, молекулы которых отличаются по химическому строению, называют структурными изомерами .
Структурные изомеры могут отличаться:
- по строению углеродного скелета
- по положению кратных связей и функциональных групп
- по типу функциональных групп
1. Изомерия
Понятие «изомеры» введено Берцелиусом в 1830г. Он определил «изомеры» как вещества, имеющие одинаковый состав (молекулярную формулу), но различные свойства. Представление об изомерах Берцелиус ввел после того как установил, что циановая кислота НОСN идентична по составу гремучей или изоциановой кислоте О=С=NН.
Различают два основных вида изомерии: структурную и пространственную (стереоизомерию).
Структурные изомеры отличаются друг от друга порядком связей между атомами в молекуле; стереоизомеры - расположением атомов в пространстве при одинаковом порядке связей между ними.
2. Структурная изомерия
Структурная изомерия подразделяется на несколько разновидностей.
Изомерия углеродного скелета обусловлена различным порядком связи между атомами углерода, образующими скелет молекулы. Так, может существовать только один нециклический насыщенный углеводород с тремя атомами С - пропан (I). Углеводородов такого же типа с четырьмя атомами С может быть уже два: н -бутан (II) и изобутан (III), а с пятью атомами С - три: н -пентан (IV), изопентан (V) и неопентан (VI):аммиаком , тогда как 1,3-динитробензол (XI) в реакцию с NH3 не вступает.
В ряду алифатических простых эфиров, сульфидов и аминов существует специальный вид изомерии - метамерия , обусловленная различным положением гетероатома в углеродной цепи. Метамерами являются, например, метилпропиловый (XII) и диэтиловый (XIII) эфиры:
Изомерия непредельных соединений может быть вызвана различным положением кратной связи, как, например, в бутене-1 (XIV) и бутене-2 (XV), в винилуксусной (XVI) и кротоновой (XVII) кислотах:
В большинстве случаев структурные изомеры сочетают признаки изомерии скелета и изомерии положения, содержат различные функциональные группы и принадлежат к разным классам веществ, вследствие чего они отличаются друг от друга значительно больше, чем рассмотренные выше изомеры веществ одного и того же типа. Например, изомерами являются пропилен (XVIII) и циклопропан (XIX), оксид этилена (XX) и ацетальдегид (XXI), ацетон (XXII) и пропионовый альдегид (XXIII), диметиловый эфир (XXIV) и этиловый спирт (XXV), аллен (XXVI) и метилацетилен (XXVII):
Особым видом структурной изомерии является таутомерия (равновесная динамическая изомерия) - существование вещества в двух или более изомерных формах, легко переходящих друг в друга. Так, ацетоуксусный эфир существует в виде равновесной смеси кетонной (XXVIII) и енольной (XXIX) форм:
