Классификация и номенклатура органических соединений

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция

Основные классы органических соединений

Углеводороды (R - H, Ar - H ), hydrocarbons.

Причём R - может быть предельным, т.е нет кратных связей (алканы - alkanes):

Функциональная группа: С - Н, С - С.

CH3 - CH2 - CH3 - пропан.

(циклоалканы - cycloalkanes)

Характерны реакции радикального замещения и расщепления.

R - может содержать одну двойную связь (алкены - alkenes):

Функциональная группа: >С = С<, С - Н, С - С.

CH3 - CH = CH2 - пропилен или пропен.

(циклоалкены - cycloalkenes)

Характерны реакции электрофильного и радикального присоединения, иногда замещения.

R - содержит две двойные связи (алкадиены - dienes):

Функциональная группа: две >С = С<.

CH2 = CH - CH = CH2 - бутадиен.

(циклоалкадиены - cyclodienes)

R - содержит тройную связь (алкины - alkines):

Функциональная группа: - С ? С - , ? С - Н.

СН ? СН - этин или ацетилен.

Характерны реакции присоединения и замещения Н-связи с sp- углеродным атомом.

R - содержит алицикл:

Ar - H - арены - бензол и его производные:

Функциональная группа: С - Н.

Характерны реакции электрофильного замещения.

Галогенопроизводные (R - Hlg, Ar - Hlg) (alkyl halides, aryl halides):

RX (X = F, Cl, Br, I); ArX (Csp3 - Hlg, Csp2 - Hlg)

Функциональная группа: С - X.

C2H5Cl - хлорэтан

Характерны реакции нуклеофильного замещения и элиминирования.

Гидроксипроизводные (ROH, ArOH): спирты - alcohols и фенолы - phenols:

(Csp3 - OH, Csp2 - OH)

Функциональная группа: С - О - Н.

C2H5OH - этанол или этиловый спирт

Характерны реакции замещения Н или ОН группы, реакции элиминирования.

Карбонилсодержащие соединения:

А) Карбонильные (RCOR', ArCOR): альдегиды - aldehydes и кетоны - ketones, хиноны

Характерны реакции нуклеофильного присоединения, нуклеофильного замещения карбонильной группы, реакции конденсации и полимеризации.

Б) Карбоновые кислоты - carboxylic acids (RCOOH, ArCOOH) и их производные - derivatives:

CH3COOH - этановая кислота или уксусная кислота

Нитросоединения - nitro compounds (RNO2, ArNO2):

Амины - amines (RNH2, R2NH, R3N, ArNH2, ArRNH)

Рассматриваются как производные аммиака NH3 - где 1,2 или 3 атомы водорода замещены на углеводородные радикалы, так и углеводороды, в которых, атомы углерода замещены на аминогруппу: :

С2H5NH2 - этиламин или этанамин

(СН3)N - триметиламин или N,N-диметилметанамин

Азо- - azo- и диазосоединения - diazo compounds (R - N = N - Э, где Э = N, O, Hlg; Ar - N = N - Ar):

Функциональная группа: - N = N- .

Сульфоновые кислоты (R - SO3H, Ar - SO3H)

Функциональная группа: -SO3H.

Элементорганические соединения.

Это соединения содержащие связь С - Э, где Э = M, Si, P, As и др, кроме связей: С - О, C - N, C - Hlg.

Наиболее распространённые функциональные группы и классы органических соединений

3. Номенклатура органических соединений

Номенклатура в химии - это, образно говоря, профессиональный язык химиков. Она, в идеале, точно и ясно должна отображать химическое строение, пространственную структуру веществ и их химические превращения.

Органические вещества многообразны и многочисленны. Однако каждое соединение должно иметь своё название, а названию соединения должно соответствовать лишь одна структурная формула. Ещё в последней четверти XIX в. органические вещества в основном называли по тривиальной (эмпирической) номенклатуре, позже стали использовать рациональные названия. Однако рациональная номенклатура не является официальной и современная научная номенклатура не рекомендует её применять. Поэтому в саамы современных учебниках рациональные названия сохранились лишь для узкого ряда соединений, например алкил- и диалкилацетилены.

В 1919 г. С целью стандартизации химической номенклатуры, химических терминов, атомных масс, способов проведения эксперимента и предоставления полученных результатов был организован Международный союз по теоретической и прикладной химии - ИЮПАК (от англ. International Union of Pure and Appied Chemistry - IUPAC)

После съезда ИЮПАК в Лондоне, который состоялся в 1947 г., большая работа по расширению и исправлению правил была проведена комиссией ИЮПАК по номенклатуре органических соединений. Съезды ИЮПАК в 1957 и 1965 гг. рекомендовали разработанную ею номенклатуру к использованию, и она стала называться номенклатурой ИЮПАК. Правила этой номенклатуры выходили в разные годы отдельными изданиями, а в 1979 г. Были собраны в «Голубой книге», которая представляет собой наиболее полный свод современных правил номенклатуры органических соединений.

3.1 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.

3.2 Рациональная номенклатура.

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

Вещества, близкие по строению и очень похожие по химическим свойствам, но различающиеся по молекулярному составу лишь на одну или несколько метиленовых групп CH2, называют гомологами. Гомологи образуют гомологический ряд, где каждый последующий гомолог отличается от предыдущего на одну метиленовую группу. 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. Поэтому сначала находят метановый углерод или этиленовый или ацетиленовый фрагмент и определяют радикалы, связанные с ними. В ациклическом предельном углеводороде за метановый углерод принимаю 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.

3.3 Научные номенклатуры

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 - радикально-функциональную. 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.

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

Заместительная номенклатура

Заместительная номенклатура рассматривает любое органическое соединение как состоящее из родоночальной структуры и заместителей. Имеется также понятие характерных структурных элементов соединения, к которым относят заместители и типы связей или степень насыщенности. 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, COHlg, CONH2, CN, CHO, >C=O, OH, SH, OOH, NH2.

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-).

Пример 1:

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).

Локанты конденсирования двух систем и более заключаются в квадратные скобки; они относятся к исходным компонентам (в примере 3 [4,5-е]), а не к конечной конденсированной системе. Цифры в квадратных скобках в названиях спиранов, бициклических и полициклических соединений не являются локантами, так как они указывают на число атомов в определенном звене (в примере 4 [3.2.1]), а не на их номера.

Если у одного и того же или у разных атомов родоначальной структуры имеется несколько одинаковых заместителей, то, собирая их вместе, используют умножающие префиксы, например: 2,3,3-триметил-2,4-диокси-..., 2,3-диоксо-1,5-дихлоро-..., ...~диа-мин-1,3, ...-триол-1,3,4, ...-дикарбоновая-1,4 кислота. Префиксные обозначения заместителей перечисляются в названии соединения в алфавитном порядке, но множительные префиксы не учитываются: СН3С(СН3)2СН(СН3)СН(Сl)СН(Сl)СООН -4,5,5-триметил-2,3-дихлорогексановая кислота.

В приведенных выше примерах 2--4 атомы углерода в циклах не изображены. Аналогичная запись формул используется также в ациклических системах. Например

Такую же форму записи можно применять и для обозначения углеводородных радикалов. В качестве примера приводятся алкилзамещенные бензолы:

В современной химической литературе углеводородные радиолы обозначаются двумя буквами их английских названий:

CH3 - Me, C2H5 - Et, н-C3H7 - n-Pr, изо-C3H7 - i-Pr, н-C4H9 - n-Bu, втор.-C4H9 - s-Bu, изо-C4H9 - i-Bu, трет.-C4H9 - t-Bu, C6H5 - Ph, C6H5CH2 - Bz.

Заместители бывают также простые (СН3, СН3(СН2)3СН2- , С6Н5, F, Сl, J, NН2, СN, ОН, NO, NO2), составные, состоящие из двух или более простых, и сложные -- из простого, с которым связаны составные заместители. Как составные, так и сложные имеют единые префиксные названия, включая множительные приставки ди-, три- и т.д., причем их располагают в алфавитном порядке по первым буквам: диметиламино-, метиламино-, хлорометил, дихлорометил, трихлорометил, аминокарбонил-(СОNН2), алкоксикарбонил- (СООR), бромокарбонил- (ВгСО), 3-гидрокси-2-(трихлорометил)пропил [-СН2СН(ССl3)СН2ОН], 2-(дихлорометил)-1-(трифторометил)-3,3,3-трихлоропропил [ССl3СН(СНСl2)СН(СF3)-]. Для составных и сложных заместителей, название которых, как правило, заключаются в скобки, используются умножающие префиксы бис-, трис-, тетракис-и т.д., которые при перечислении префиксов в алфавитном порядке не учитываются.

4-(диметиламино)-2,3,5-триметил-2,3-бис(трифторометил)гексановая кислота.

Согласно правилам заместительной номенклатуры, название органического соединения состоит из названия родоначальной структуры, префиксов и суффиксов с соответствующими локантами.

Префиксы, которые являются интегральной частью названия родоначальной структуры, например цикло- (примеры 2, 4), изо-, а-обозначения элементов (окса-, тиа~, аза-, фосфа-, и т.д., см. пример 4, окса-), название причлененнои структуры по методу конденсирования (бензо-, нафто-, антра-, тиено-, пирано- и т.д., см. пример 3, имидазо-), а также эпокси- и эпитио-, указывающие на присоединение, называются неотделяемыми, в то время как префиксы радикалов, характеристических групп и префикс гидро-- отделяемыми. Сначала отделяемые префиксы располагают в алфавитном порядке, а затем вставляют умножающие префиксы и локанты.

3.3.2 Заменительная номенклатура

Заменительная номенклатура применяется для формирования научных названий гетероциклических систем, а также ациклической родоначальной структуры соединения, состоящей из ряда неодинаковых фрагментов, соединенных друг с другом посредством гетероатомов. Основу названия родоначальной структуры по этой номенклатуре составляет название гипотетической открытой или циклической углеродной цепи (гептан или циклопентадиен, см. примеры 1 и 2 далее), которые получаются

заменой гетероатомов на атомы углерода. Причём в ациклической системе на атомы углерода заменяют лишь неконцевые гетероатомы (пример 1). К этому названию по порядку убывания старшинства добавляют неотделимые префиксы, указывающие на природу гетероатомов (а-обозначения элементов) и их локанты (3,6-оксаза + гептан>3,6-оксазагептан в примере 1; 1,3-тиаза + циклопентадиен-2,4 > 1,3-тиазациклопентадиен-2,4 в примере 2); а-обозначения элементов образуются заменой окончания в их латинском названии на «а». Старшинство гетероэлементов в Периодической системе элементов Д.И.Менделеева уменьшается всерху вниз в группах и справа налево в периодах (кислород - самый старший, алюминий - самый младший в этом фрагменте системы), как показано ниже:

Если в родоначальной структуре содержится несколько атомов одного и того же гетероэлемента, используются множительные префиксы ди-, три- и т.д., например диаза-, триокса-. Нумерация атомов гетероцикла производится по старшинству гетероатомов, т.е. старший получает наименьший номер (например, сера старше азота). К полученным по заменительной номенклатуре названиям родоначальных структур добавляются отделяемые префиксы (7-амино-7-оксо- в примере 1; 5-метил в примере 2) и суффиксное название старшей характеристической группы, если таковая имеется в составе соединения (-овая кислота в примере 1).

Иногда принятый порядок нумерации атомов в гетероцикле не совпадает с порядком нумерации атомов в гипотетическом карбоцикле.

Например:

3.3.3 Расширенная система Ганча - Видмана

Расширенная система Ганча -- Видмана используется для составления названий гетероииклов, т.е. родоначальнои структуры гетероциклических соединений. В правилах ИЮПАК этой системе отдается предпочтение перед названиями гетероциклов по заменительной номенклатуре. Названия гетероциклов с числом атомов в цикле от 3 до 10 включительно образуются сочетанием а-обозначений элементов с суффиксами, зависящими от числа атомов в цикле и степени его насыщенности. Часто эти суффиксы различны для азотосодержащих и не содержащих азота циклов. Если в цикле содержится более одного гетероатома, они перечисляются в порядке убывания старшинства. При сочетании префиксных названий элементов, суффиксных обозначений размера и степени насыщенности цикла концевое -а в обозначениях элементов выпадает: диокса- + аза- + -ин > диоксазин, тиа- + аза- + -ол > тиазол, окса- + аза- + -олидин > оксазолидин.

2Н,4Н-1,3,4-диоксазин 1,3-тиазол 1,3-оксазолидин

Таблица 1. а-обозначения элементов (перечислены в порядке убывания старшинства

Таблица 2. Суффиксы используемые для обозначения величины и степени гидрирования (насыщенности) гетероцикла по расширенной системе Ганча-Видмана

* Водороды обозначают префиксом гидро- с множительными приставками и соответствующими локантами.

** Добавляется префикс пергидро- к названию полностью ненасыщенного соединения.

*** Фосфоринан вместо фосфина.

**** Если за префиксом фосф- стоит суффикс -ин, то фосфа- следует заменить на фосфор, например азафосфорин.

3.4 Радикально-функциональная номенклатура

Радикально-функциональная номенклатура используется реже, чем номенклатура ИЮПАК и СА (обычно для довольно простых органических соединений с одной характеристической группой). Соединение обозначают названием соответствующего класса (амин, сульфид и т.д.). перед этим названием в алфавитном порядке помещают названия радикалов, связанных ХГ. Например соединения CH3CH2CHCl, CH3CH2OH, CH3(C2H5)NH, C2H5OC2H5, CH3COC2H5, C2H5SC2H5, (CH3)3COOH и (CH3)3COOC(CH3)3 относятся к классу хлоропроизводных (галогенопроизводных), спиртов, аминов, простых эфиров, кетонов, сульфидов, гидропероксидов и пероксидов и поэтому имеют следующие названия: пропилиден-1,1-хлорид, н-пропиловый спирт, метилэтиламин, диэтиловый эфир, метилэтилкетон, диэтилсульфид, трет, бутилгидропе-роксид, трет, бутилпероксид соответственно.

Чтобы назвать гетерофункциональное соединение, необходимо определить старшие и младшие ХГ. По старшей ХГ соединение получает название класса, а младшие ХГ передаются префиксами в названиях радикала.

Размещено на Allbest.ru