Модуль 1. Теория. Классификация и номенклатура О.С.. Классификация и номенклатура органических соединений
 Скачать 236.76 Kb.
|
|
Тема: КЛАССИФИКАЦИЯ И НОМЕНКЛАТУРА ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ Цель:ознакомить обучающихся с основными принципами классификации органических соединений; обобщить и систематизировать знания об основных классах органических соединений, об основных принципах номенклатуры органических веществ. Классификация органических соединений. Основные положения теории строения органических соединений А.М. Бутлерова: Свойства органических соединений определяются качественным и количественным составом. Свойства органических соединений определяются химическим строением, т.е. порядком соединения атомов в молекуле. Атомы в молекуле оказывают взаимное влияние друг на друга. 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. Классификация органических соединений в зависимости от строения углеродной цепи:  2) по природе функциональных групп органические соединения делят на классы. Таблица 1. Основные классы органических соединений.
Углеводороды и их производные с одной и той же функциональной группой образуют гомологические ряды. Гомологическим рядом называют ряд веществ, отличающихся друг от друга на одну или несколько групп СН2 (гомологическая разность), имеющих сходное строение и, следовательно, сходные химические свойства. Необходимо отметить, что наряду с веществами, содержащими какую-либо одну функциональную группу, существуют соединения со смешанными функциями. К таким соединениям, например, относятся аминокислоты. 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. Определяют старшую характеристическую группу и указывают ее обозначение в суффиксе (см. таблицу 3). 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. Определяют степень насыщенности и отражают ее в суффиксе: “ан” – нет кратных связей, “ен” – двойная связь, “ин” – тройная связь. Устанавливают остальные заместители (углеводородные радикалы и младшие характеристические группы) и перечисляют их названия в префиксе в алфавитном порядке. Устанавливают умножающие префиксы – “ди”, “три”, “тетра”, указывающие число одинаковых структурных элементов (при перечислении заместителей в алфавитном порядке не учитываются). 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.
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) номенклатураиспользуется 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.  Итак, как было представлено выше, в настоящее время существует несколько способов наименования (номенклатур) органических соединений: исторически сложившиеся (тривиальные) названия; рациональная номенклатура; систематическая номенклатура. Примеры: Тривиальные названия давали по случайным признакам, и зачастую они отражали происхождение веществ (муравьиная, яблочная, щавелевая, винная кислоты), способ получения (пировиноградная кислота), или носили имя химика, выделившего или синтезировавшего их. Следует отметить, что эти названия никак не отражали структуру органического соединения, однако их используют и в настоящее время, особенно в случае распространенных, часто используемых соединений. Рациональная номенклатура основывается на строении органических веществ и рассматривает соединения как производные наиболее простого представителя данного гомологического ряда. Рассмотреть правила рациональной номенклатуры на примере углеводородов. Алканы согласно правилам рациональной номенклатуры рассматривают как производные метана, в котором один или несколько атомов водорода замещены на углеводородные радикалы. Название складывается из названий радикалов, перечисленных в порядке возрастания их сложности, с добавлением окончания метан. При этом названия даются так, чтобы радикалы оказались наименее сложными. Например:
Алкены рассматривают как производные этилена.
При этом возможны частные случаи: а) замещены два атома водорода у одного углеродного атома. К названию добавляют слово несимметричный:  несимм. диметилэтилен б) замещены два атома водорода у различных атомов С. К названию добавляют слово симметричный:  симм. диметилэтилен Самый замещенный атом С обозначается буквой α, менее замещенный β, а если радикалы различны, то α присваивается атому С, у которого более простой радикал. При этом название алкена складывается из перечня названий радикалов с указанием их положения греческими буквами с добавлением «этилен».  α-метил-α,β-диэтилэтилен  α, β-диметил-α-этил-β-пропилэтилен Далее следует привести названия некоторых разветвленных радикалов:
Алкины рассматривают как производные ацетилена.  диметилацетилен Рациональная номенклатура используется в настоящее время для названия относительно несложных органических соединений, но для более сложных она оказалась неприемлемой. Наиболее удобной, позволяющей назвать любое соединение, является систематическая номенклатура (правила IUPAC). На примере алканов рассмотреть правила систематической номенклатуры.  .1. Найти самую длинную цепь атомов С. При этом, если возможны 2 или более вариантов главной цепи, то выбрать тот вариант, в котором к главной цепи примыкает наибольшее число заместителей. В этом случае заместители окажутся наиболее простыми.   Очевидно, что во втором случае главная цепь имеет большее число боковых ответвлений и более простого строения. 2. Последовательно пронумеровать атомы углерода главной цепи, начиная с ближайшего к разветвлению конца.  3. Название алкана складывается из названий боковых радикалов, перечисленных в алфавитном порядке с указанием положения в главной цепи, и названия главной цепи. 2-метил-3-этилпентан Если разветвления имеются на одинаковом расстоянии от обоих концов цепи, то нумерацию осуществлять таким образом, чтобы сумма цифр, обозначающих положение всех боковых заместителей, оказалась наименьшей.
Если имеется несколько одинаковых заместителей, то их число обозначается соответствующим префиксом (ди-, три-, тетра- и т.д.), а положение каждого заместителя обозначается цифрой (локантом). 3. Изомерия органических соединений. 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   Примеры: Следует отметить, что атомы углерода в разветвленной цепи различаются типом соединения с другими углеродными атомами. Так, атом углерода, связанный только с одном другим углеродным атомом, называется первичным, с двумя другими атомами углерода – вторичным, с тремя –третичным, с четырьмя – четвертичным.  2. Изомерия положения кратных связей и функциональных групп. Обусловлена различным положением кратных связей или функциональных групп при одной и той же углеродной цепи. Привести примеры изомеров данного типа. 3. Изомерия порядка связанных атомов Этот тип изомерии характерен для соединений, содержащих в цепи помимо углеродных атомов другие атомы, например O, N.
II. Пространственная изомерия (стереоизомерия). Этот тип изомерии обусловлен различным пространственным расположением атомов при одинаковом порядке их связывания. Возможны следующие виды пространственной изомерии: 1. Конформационная изомерия. Следует отметить, что атомы и группы атомов, связанные друг с другом σ-связью, постоянно вращаются относительно оси связи, занимая различное положение в пространстве друг относительно друга. Молекулы, имеющие одинаковое строение и различающиеся пространственным расположением атомов в результате вращения вокруг С–С связей, называются конформерами. Для изображения конформационных изомеров удобно пользоваться формулами – проекциями Ньюмена:
Явление конформационной изомерии можно рассмотреть и на примере циклоалканов. Так, для циклогексана характерны конформеры:
2. Геометрическая изометрия (цис-, транс- изомерия). Характерна для непредельных органических соединений, содержащих двойную связь. Так, например, молекула бутена-2 существует в виде двух геометрических изомеров:
Следует отметить, что, кроме алкенов, геометрическая изомерия характерна для алициклических соединений и обусловлена различным взаимным положением заместителей относительно плоскости цикла. Так, например, 1,2-диметилциклопропан существует в виде цис- и транс- изомеров:
3. Оптическая изометрия Следует обратить внимание на существование органических соединений, имеющих одинаковый состав, одинаковое строение и свойства, но по-разному относящихся к плоскополяризованному свету. Так, при пропускании через такие соединения луча поляризованного света происходит отклонение плоскости поляризации на определенный угол. Соединения, которые вращают плоскость поляризации, называют оптически активными. Изомер, вращающий плоскость поляризации света против часовой стрелки, называют левовращающим [L(–)-форма], а по часовой стрелке – правовращающим [D(+)-форма]. Такие изомеры называются оптическими, или зеркальными изомерами (оптическими антиподами, энантиомерами). Оптическая изомерия обусловлена наличием асимметрического атома углерода С*, связанного с четырьмя различными заместителями. Привести примеры оптических изомеров. Так, например, оптические изомеры молочной кислоты отличаются друг от друга как предмет от своего зеркального изображения.
Молекулы, которые нельзя совместить в пространстве и которые относятся друг к другу как предмет к своему зеркальному изображению, называютхиральными(от греческого «хейрос» – рука), а явление существования таких веществ называется хиральностью. Смесь равных количеств L- и D-форм называется рацематической смесью. Рацематическая смесь оптически неактивна, т.к. действие одного антипода компенсируется действием другого. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
