книги / Органическая химия. Т
.1.pdfГлава 1. П РИ РО Д А К О ВАЛ ЕН ТН О Й СВЯЗИ
ЭЛЕКТРОННЫ Е ЭФФЕКТЫ .
КИСЛОТЫ И ОСН О ВАН И Я
1.1.КЛАССИФИКАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
Кнастоящему времени известно более 10 млн органических соединений. Каждый год химики синтезирую т и выделяют из природных источников сотни тысяч новых соединений. Ч тобы ориентироваться в этом м ногообра зии, органические соединения принято классифицировать.
Давно уж е отм ечено, что больш инство органических молекул состоит из двух частей: фрагмента, которы й в ходе реакции остается б ез изменения, и
группы, подвергаю щ ейся при этом превращ ениям. А том или группу
атомов, связанных Ьпределенным образом , наличие которы х в молекуле органического вещества придает ему характерны е свойства, называют
ф ункциональной группой.
Структурная теория А .М . Бутлерова, давшая химикам четкое понимание термина «функциональная группа», лежит в основе современной классифи кации органических соединений.
В структурной ф ормуле каждого соединения м ож но выделить фрагмент углеводорода или гетероциклического соединения. Э тот ф рагмент принято рассматривать в качестве остова молекулы . Как правило, остов реж е трансформируется в ходе реакции, нежели функциональная группа. Харак тер этого фрагмента определяет р я д , к которому принадлежит данное со единение. Н иж е даны определения рядов и названы некоторы е их предста вители.
Ациклический (или алифатический, или жирный) ряд включает соедине ния с открытой цепью углеродных атомов; эти соединения могут быть насыщенными (предельными), например:
сн4 |
сн3-сн3 |
сн3-сн2-сн3 |
метан |
этан |
пропан |
или ненасыщенными (непредельными), например:
сн2=сн2 |
СН^СН |
сн2=сн-сн=сн2 |
этилен |
ацетилен |
1,3-бутадиен |
Циклический ряд включает:
карбоц и кли чески е соединения, содерж ащ ие углеродны й скелет, замкну ты й в цикл
££«-0 О О
циклопентан |
циклопентадисн |
бензол |
гет ероциклические соединения, содерж ащ ие гетероатомы (ины е, н еж е ли углерод) в составе циклов
фуран пиррол тетрагидрофуран пиридин
В свою очередь, карбоциклические соединения подразделяю тся на: аром ат ический р я д , который вклю чает углеводороды и их производ
ные, содерж ащ ие ш естичленные циклы с чередующ имися простыми и двойными связями (ароматические ядра)
бензол |
нафталин |
алициклический р я д , который объединяет все остальны е карбоцикличе ские соединения, как насыщ енные, так и ненасыщ енные
циклопропан циклобутан циклогексен циклопентадиен
Н аличие тех или иных функциональных групп в м олекуле 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 соответствую щ их им классов органических веществ, даны примеры представителей этих классов.
Теперь, когда мы познакомились с основными классами органических соединений, вернемся к структурам соединений, показанным во Введении. Внимательный анализ каждой из них позволяет выделить в них фрагмент
Таблица !./. Наиболее распространенные функциональные группы
и классы органических соединений
Группа
—F, -CI, —Вг, -I
-ОН
-SH
-OR
-N=0
Ъ/Р
—<V
-м ч
н
-<
\
/с = °
-c fон
,0
-<
OR
-Cf NH2
-C3N
-сн=сн2
-СэСН
- о
Н азвание группы Название класса
(в префиксе)
Галоген-
Гидрокси-
Меркапто-
Алкокси-
Нитрозо
Нитро-
Амино-
Формил-
Оксо- (кето-)
Карбокси-
Алкоксикарбонил-
Карбамоил
Циано-
Винил- (этенил-)
Галогенпроизводные
Спирты
Фенолы
Меркаптаны
Простые эфиры
Нитрозо соединения
Нитросоединения
Амины
Альдегиды
Кетоны
Карбоновые
кислоты
Сложные эфиры
Амиды
Нитрилы
Алкены
ЭтинилАлкины
ФенилАроматические углеводороды
Отдельные представители класса
СН3С1 (хлорметан) СН3СНВгСН3 (2-бромпропан) СН2=СН-С1 (хлорэтен) С6Н5Вг (бромбензол)
CHjOH (метанол)
С6Н5СН,ОН (бензиловый спирт)
С6Н5ОН (фенол)
C2H5SH (этилмеркаптан. этантиол)
(С2Н5)20 (диэтиловый эфир)
C6HjN=0 (нитрозобензол)
CHJN02 (нитрометан)
(CHJ)2CHN02 (2-нитропропан) C6HJ N02 (нитробензол)
C6H5NH2 (анилин)
C4H9NH2 (бутиламин)
СНОСНО (ацетальдегид) СН2=СН-СНО (акролеин) С6Н5СНО (бензальдегид)
СН3С(0)СН3 (ацетон) С6Н5С(0)СН3 (ацетофенон)
НСООН (муравьиная кислота) СН3СООН (уксусная кислота) С6Н5СООН (бензойная кислота)
СН3СООСН3 (метилацетат) С6Н5СООС2Н5 (этилбензоат)
HC(0)NH-, (формамид)
CH3C(0)NH2 (ацетамид)
CHj-C^N (ацетонитрил)
CH,=CH-C3N (акрилонитрил)
СН,=СН2 (этилен, этен) СН3-СН=СН2 (пропилен, пропен)
НСзСН (ацетилен, этин)
СбН6 (бензол) СбН5СН3 (толуол)
соответствую щ его углеводорода или гетероциклического соединения и свя занные с этим ф рагментом функциональные группы:
— NH2 , ) с = 0 , -С О О Н , |
- с ' |
, |
- О Н ит.д. |
|
|
ОСН3 |
|
гидроксигруппа |
|
аминогруппа |
|
карбоксигруппа |
|
|
|
"ноос:
фрагмент |
N H 2 |
сульфамидная |
|
аминогруппа |
|||
бензола |
группа |
и-аминосалициловая кислота
гидроксигруппа |
гидроксигруппа |
эстрадиол |
тестостерон |
1.2.НОМЕНКЛАТУРА ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
Чтобы ориентироваться в мире органических соединений, необходимо не только знать принципы их классификации, но и уметь правильно назвать каждое из них. При этом долж но бы ть соблю дено важ ное правило:
каж дому н азван и ю долж но со о т вет ст во ва т ь т олько одн о соединение.
Правила, по которы м образую тся названия органических соединений, составляют ном ен клат уру. В настоящ ее время в органической химии при меняют несколько систем номенклатуры .
1.2.1. Тривиальная номенклатура
Это система исторически сложившихся названий, но применяемых до на стоящего времени. Как правило, эти названия бы ли даны ещ е в ранний пе риод развития органической химии и никак не отраж аю т строение органи ческого вещества.
"° |
° |
/ = |
\ |
СН3- С Ч |
СН3- С - С Н 3 |
\ _ |
/ ~ СНз, |
уксусная кислота |
ацетон |
|
толуол |
1.2.2. Рациональная номенклатура
По правилам рациональной ном енклат уры 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 замещ ением в нем атомов водоро да алкильными группами1, 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.
1.2.3. Систематическая номенклатура ИЮПАК
С ист ем ат ическая н ом ен кл ат ура И Ю П А К (Ш РАС - М еждународный союз теоретической и прикладной химии) является наиболее общ епринятой
1Устаревшим названием алкильной группы является название «алкильный радикал».
Таблица 1.2. Названия некоторых алкильных групп
(приведены в порядке возрастания старшинства)
Структурная формула
СН3-
СН3-С Н ,-
сн3сн2сн2-
сн3—сн—
1
сн3 сн3сн2сн2сн2-
сн3—сн2—сн—
СНз
СН3—СН—СН2— 1 1
сн3
СНз
1 *
сн3—с1—
сн3
СН3(СН2)3СН2-
сн3—сн—сн2сн2—
1
сн3
сн3 сн3—с1—сн2— сн3
Название |
Структурная формула |
(краткое обозначение) |
|
Метил (Me) |
СН2=СН- |
Этил (Et) |
сн3-сн=сн- |
Пропил (Рг) |
сн2=сн-снг |
Изопропил (/-Рг) |
сн,=с- |
|
сн3 |
Бутил (Bu) |
нс=с- |
втор-Ъутнл (,y-Bu) |
нс=с-сн2- |
Изобутил (/-Bu) |
с6н5- |
трет-Ъутт (/-Bu) |
сн3-с6н4- |
Пентил (амил) |
сйн5сн2- |
Изопентил (изоам ил) |
с6н5-сн=сн- |
Неопентил |
|
Название (краткое обозначение)
Винил, этенил
Пропенил
Аллил
Изонропенил
Этинил
Пропаргил
Фенил (Ph)
Толил (о-, м-, п-)
Бензил (Вп)
Стирил
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 И Ю П А К 2, нужно:
1) выбрать родоначальную структуру; 2) выявить все имею щ иеся в соединении функциональные группы;
3) установить, какая группа является ст арш ей (см. табл. 1.4); название
2 Бокий Г.Б., Голубкова Н.А. Введение в номенклатуру ИЮПАК: Как назвать химическое соединение/Под ред. В.М. Потапова. М.: Наука, 1989. С. 65-161.
Таблица 1.3. Названия органических соединений некоторых классов
по рациональной номенклатуре
Класс |
Соединение - |
Примеры |
|
|
|
основа названия |
|
|
|
Насыщенные |
сн4 |
сн, |
|
|
углеводороды |
метан |
, - к ' |
|
|
|
|
сн3—С Н гТ С т^Н —СН3 |
||
|
|
Н3С |
СН3 |
|
|
|
диметилэтилизопропилметан |
||
Ненасыщенные |
сн2=сн2 |
а |
Р СН3 |
|
углеводороды |
этилен |
.-......... 1 |
|
|
сн,—сн-,-(-с=сн-ус—сн3 |
||||
|
|
■ -4........1 |
сн3 |
|
|
|
СНз |
|
|
|
|
а-метил-а-этил-Р->н/?с/?г-бутилэтилен |
||
Ацетиленовые |
нс=сн |
С Н 3- г С = С -4 -С Н 2— СН—СН3 |
||
углеводороды |
ацетилен |
|
|
СН, |
|
|
|
|
метилизобутилацетилен
Спирты сн3он карбинол
Альдегиды |
CH3- C S н |
|
|
|
уксусный |
|
альдегид |
Кислоты |
сн3—с |
он |
|
|
уксусная |
|
кислота |
/он\
i 1 : |
сн2— СН, |
СН3— СН2-т С —?CH2— |
|
СН(СН,)2 |
|
Этилпропилизопропилкарбинол |
|
СН3 .......... . |
|
1 |
^0 |
сн3—сн,—сн-гсн—сС |
|
|
Н ..." |
crt3....... |
метил-внщр-бутилуксусный альдегид
СН3 ....
У |
; |
СН,—(С— СГ |
|
‘I-...... |
од...-" |
СН3 ....... |
|
триметилуксусная кислота
этой группы отражается в названии соединения в виде суф ф и кса и его ста вят в конце названия соединения; все остальные группы даю т в названии в виде префиксов (приставок);
4) обозначить ненасыщ енность соответствующ им суфф иксом (-ей или -ик), а также префиксом (д еги д р о >, т ет р а ги д р о - и др.);
5) пронумеровать главную цепь, придавая старш ей группе наименьш ий из номеров;
Таблица 1.4. Наиболее важные функциональные группы, которые могут быть
представлены в названиях органических соединений как префиксами,
так н суффиксами (п р и в е д е н ы в п о р я д к е у б ы в а н и я с т а р ш и н ст ва )
Название класса |
Формула группы |
Название группы |
|
|
|
в виде префикса |
в виде суффикса |
Катионы |
0 |
|
|
—х |
0 |
|
0 |
|
|
(~NR3-O R 2) |
|
Карбоновые кислоты |
- с о о н |
|
Сульфокислоты |
-SO,H |
|
Производные кислот: |
(-C0),0 |
|
ангидриды |
||
сложные эфиры |
-COOR |
|
галогенангидриды |
-СОС1 |
|
амиды |
-CONH, |
|
нитрилы |
- O N |
|
Альдегиды |
чР |
|
|
H |
|
|
|
|
Кетоны |
V |
^ |
/С = о |
||
Спирты |
-OH |
|
Тиолы |
-SH |
|
Амины |
- NH2 |
|
Имины |
=NH |
|
Простые эфиры |
-OR |
|
Сульфиды |
-SR |
|
Галогенпроизводные |
-F, -Cl, -Br, -I |
|
Нитрозопроизводные |
-NO |
|
Нитропроизводные |
- NO2 |
онио- |
-оний |
карбокси- |
-овая кислота |
|
(карбоновая кислота) |
сульфо- |
-сульфоновая |
|
кислота |
- |
-ангидрид |
алкоксикарбонил- -оат |
|
хлорформил- |
-оилхлорид |
карбамоил- |
-амид |
циан- |
-нитрил |
формил- |
-аль |
|
(карбальдегид) |
оксо- |
-он |
гидрокси- |
-ол |
меркапто- |
-тиол |
амино- |
-амин |
имино- |
-имин |
алкокси- |
-оксид (эфир) |
алкилтио- |
-сульфид |
галоген- |
-галогенид |
нитрозо- |
- |
нитро- |
- |
6) перечислить префиксы (приставки) в алфавитном порядке (при этом
умнож аю щ ие префиксы du-, т ри - и т. д. не учитываются); 7) составить полное название соединения.
В этой главе обсуж даю тся лишь наиболее общ ие правила номенклату ры И Ю П А К . Б ол ее подробно о составлении названий органических соеди нений говорится в главах, посвященных отдельным классам.
Р о д о н а ч а л ьн а я ст р ук т ур а - главная цепь в ациклической молекуле; циклическая или гетероциклическая система (или ее часть), лежащ ая в ос нове соединения.
В ациклических соединениях главной цепью назы вают цепь углеродных атомов, составляющ ую основу названия и нумерации. В состав этой цепи обязательно долж на входить старшая характеристическая группа. Главная цепь должна содерж ать наибольш ее число заместителей, максимальное ко личество кратных (двойных и тройных) связей и должна бы ть наиболее длинной. Главную цепь нумерую т в соответствии с наименьшей суммой ци фровых индексов, указывающ их положения заместителей и кратных свя зей. Наименьшая сумма цифровы х индексов - это ряд чисел, в котором пер вое отличающ ееся число долж но быть наименьшим.
6 |
5 |
4 |
3 |
2 |
1 |
сн3-сн2—сн-сн2-сн-с=с-соон
3 |
I |
I |
I I |
|
7 СН2ОН |
F |
I СН2СН3 |
7-гидрокси-3-иод-4-фтор-2,6-диэтил- 2-гептеновая кислота
(в этой нумерации в главную цепь включены старшая группа СООН
иодин из заместителей - ОН!
Вслучае кратных связей при одинаковых цифровы х индексах двойных и тройных связей предпочтение отдается двойной связи.
6 |
5 |
4 |
3 |
2 |
1 |
нс=с-сн=сн-сн=сн2
1,3-гексадиен-5-ин
В алициклических соединениях главной цепью считают замкнутую цепь углеродных атомов, В названии этой цепи применяют префикс цикло-.
сн2-сн2 сн2-сн2
циклобутан |
циклопентан |
циклогексен |
У глеводороды , содерж ащ ие д в а цикла, у которы х один атом углерода - общий, имею т в названии префикс спиро-.
7 6 1
8 |
5 |
спиро[4.5]декан |
9 10 4
Цифры в квадратных скобках указывают, сколько углеродны х атомов на ходится по каждую сторону от общ его (узлового) атома углерода.
Если в соединениях два цикла имеют два или больше общих углеродных ато мов, то их называют бициклоалкапам и (или м ост иковы м и углеводородам и).
х 10 |
2 |
I |
I |
бицикло[4.4.0]декан бицикло[2.2.1]гептан бицикло|2.2.2]октан
В квадратных скобках цифрами указы вают число атомов углерода в мостиках, соединяю щ их узловы е углеродны е атомы циклов.
В основе названий аром ат ических у гл е в о д о р о д о в леж ат тривиальные названия.
бензол нафталин
В гет ероциклических соединениях за основу берут название соответст вую щ его гетероцикла.
фуран |
пиррол |
тиофен |
пиридин |
пиримидин |
хинолин |
При вы боре старш ей группы важно старшинство заместителей относи тельно друг друга. Функциональные группы в порядке убывания старшин ства перечислены в табл. 1.4. Там ж е указано, какое название получает функциональная группа в зависимости от ее места (в виде префикса или суффикса) в полном названии соединения.
3 2 1 , 0
Н О -С Н 2- С Н 2- С |
3-гидроксипропановая кислота |
|
|
ОН |
|
|
старшая группа |
|
1 |
2 |
3 |
Н О —СН2—СН2 |
СН2 N 0 2 З-нитро-1-пропанол |
старшая группа
П осле того как определена родоначальная структура, выбрана старшая группа (обозначается суффиксом), проведена нумерация, выявлены другие