Что такое радикал в химии пример. "Номенклатура органических соединений" (учебное пособие)
Радикалы в химии - это атомарные частички, обладающие некими особенностями, связанными с переходом между соединениями. В данной статье мы ознакомимся с представителями радикалов, их определением и особенностями, а также уделим внимание их видовому разнообразию.
Введение
Радикал в химии - это атом или его группа, что способна переходить, не претерпевая изменений, от одной комбинации соединения в другое. Подобным определением пользовался А. Л. Лавуазье, который его же и создал.
По мнению Лавуазье предполагалось, что каждая кислота образована двумя простыми и неразложимыми веществами - кислородом и кислотным радикалом. Согласно такому взгляду, предполагалось, что серные кислоты создаются кислородом и серой. Однако в те времена еще не было известно о различии между кислотным ангидридом и собственно кислотой.
Создание теории
Теория радикалов в химии являлась одной из ведущих в химии первой половины XIX века. В ее основу вложено представление А. Л. Лавуазье о важности атомов кислорода в химическом учении и дуалистической форме состава хим. соединений. Он, пользуясь «радикалом» как терминологической единицей, высказывал свои мысли. Они затрагивали особенности строения органических и неорганических кислот. Последние, по его мнению, образовались из кислорода и простых радикалов (из 1-го элемента). Органические кислоты - это вещества, объединенные взаимодействием O 2 и сложных радикалов (соединение C и H).
После того как был открыт циан и проведена аналогия между некоторыми цианидами и хлоридами, понимание сложных радикалов улучшилось и укрепилось. Их стали определять как атомы, не изменяющихся в ходе процесса перехода из 1-го соединения в 2-е. И. Барцелицус поддержал подобный взгляд своим авторитетным мнением. Еще одним важным шагом на пути к пониманию данных веществ стало предложение о рассмотрении винного спирта и эфира как гидрата «этерина». Допустили подобную точку зрения Ж. Дюма и П. Булле.
Радикалы в химии - это вещества, что не претерпевают изменений при переходах. Теория, что была создана для их описания, в 1840-50 годах стала постепенно заменяться на теорию типов. Смена была связанна с наличием немалого количества факторов, которые противоречиво описывались ТР.
Организм и радикалы
Свободные радикалы в организме - это частички, обладающие одним или несколькими неспаренными электронами, расположенными на внешней оболочке электронов. В другом определении свободный радикал описывают как молекулу или атом, способный поддерживать независимое существование. Он обладает некоторой стабильностью и 1 - 2 электрона (e -) в неспаренном состоянии. Частички e - занимают орбиталь молекулы или атома в единственном виде. Радикалам свойственно наличие парамагнитных свойств, что объясняется взаимодействием электрона с магнитными полями. Существуют случаи, в которых наличие e - в неспаренном виде влечет за собой значительное усиление реакционной способности.
Примерами свободных радикалов являются молекулы кислорода (O 2), оксид азота с разными валентностями (NO и NO 2) и диоксид хлора (ClO 2).
Органика
Органические радикалы - это ионные частицы, которым свойственно одновременно наличие неспаренного электрона и заряда. Чаще всего, в реакциях органической химии, ион-радикалы создаются вследствие протеканий одноэлектронных переносов.
Если окисление протекает в одноэлектронной форме и применимо к нейтральной молекуле с избытком электронной плотности, то оно приведет к созданию катион-радикала. Противоположное протекание процесса, в ходе которого нейтральная молекула восстанавливается, приводит к образованию анион-радикала.
Ряд ароматических углеводородов из многоядерной группы может самостоятельно образовать оба вида ион-радикалов (органических) без особых усилий.
Свободные радикалы в химии - это крайне разнообразные вещества, как по своему строению, так и свойствам. Они могут пребывать в разных агрегатных состояниях, например, жидком или газовом. Также может различаться их длительность жизни или количество электронов, что остались неспаренными. Условно каждый радикал можно отнести к одной из двух групп: -p- или s-электронные. Они отличаются местом локализации неспаренного е - . В первом случае отрицательная частица занимает положение на 2р- орбитали в преобладающем количестве случаев. Соответствующий ряд атомных ядер при этом находится в узловой орбитальной плоскости. В варианте с s-группой, локализация электрона происходит таким образом, что нарушение электронной конфигурации практически не происходит.
Понятие углеводородного радикала
Углеводородный радикал - это атомная группа, образовавшая связь с молекулярной функциональной группой. Также их называют углеводородными остатками. Чаще всего, в ходе хим. реакции радикалы претерпевают переходы из одних соединений в другие и не изменяются. Однако такие объекты химического изучения могут нести в себе ряд функциональных групп. Понимание этого заставляет человека вести себя с радикалами крайне осторожно. К таким соединениям чаще относятся вещества, в состав которых входят углеводородные остатки. Сам радикал может быть функциональной группой.
Явление в алкилах
Алкильные радикалы - это соединения из ряда интермедиатов, что являются частичками алканов. Они обладают свободным e - в единственном числе. Примером может служить метил (CH 3) и этил (C 2 H 5). Среди них выделяют несколько типов: первичную (например, метил - ▪CH 3), вторичную (изопропил - ▪CH(CH 3) 2), третичную (трет-бутил ▪C(CH 3) 3) и четвертичную (неопентил - ▪CH 2 C(CH 3) 3) группу алкильных радикалов.
Явление в метилене
Метиленовый радикал - это простейшая форма карбена. Представлен в виде бесцветного газа, а формулой схож с углеводородами из ряда алкенов - CH 2 . Предположение о существовании метилена было выдвинуто в тридцатых годах ХХ века, однако найти неопровержимые доказательства удалось только в 1959. Это было осуществлено благодаря спектральному исследовательскому методу.
Получение метилена стало возможным благодаря использованию диазометановых или кетановых веществ. Их подвергают разложению под воздействием УФ-излучения. В ходе подобного процесса образуется метилен, а также молекулы азота и углеродный монооксид.
Радикал в химии - это также и молекула метилена, обладающая одним углеродным атомом, в котором отсутствует двойная связь. Это отличает метилен от алкенов, и потому его относят к карбенам. Ему свойственна чрезвычайная химическая активность. Положение электронов может обуславливать различные свойства химической природы и геометрию. Существует синглетная (e - - спаренный) и триплетная (электрон, пребывающий в свободном состоянии - неспаренный) формы. Триплетная форма позволяет описывать метилен как бирадикал.
Гидрофобность
Гидрофобный радикал - это соединение, обладающее другой полярной группой. Такие молекулы и атомы могут вступать в связь с аминоалкилсульфо-группами при помощи различных промежуточных связей.
В соответствие со строением выделяют прямоцепочечные и разветвленные, парафиновые (олефиновые) и перфторированные радикалы. Наличие гидрофобного радикала позволяет некоторым веществам легко проникать сквозь бислойные липидные мембраны, а также встраиваться в их структуры. Подобные вещества входят в состав неполярных аминокислот, которые выделяются благодаря определенному показателю полярности боковой цепи.
В современном способе рациональной классификации аминокислот выделяют радикалы в соответствие с их полярностью, т. е. способностью взаимодействовать с водой при наличии физиологического значения pH (около 7.0 pH). В соответствии с типом содержащегося радикала выделяют несколько классов аминокислот: неполярную, полярную, ароматическую, отрицательно и положительно заряженную группу.
Радикалы с гидрофобными свойствами вызывают общее снижение растворимости пептидов. Аналоги с гидрофильными качественными характеристиками обуславливают формирование гидратной оболочки вокруг самой аминокислоты, а пептиды при взаимодействии с ними лучше растворяются.
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИИ
Москва – 2006 г.
Министерство образования Российской Федерации
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИИ
Кафедра «Общая и физическая химия»
НОМЕНКЛАТУРА ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
Методические указания
Под редакцией д.х.н., проф. В.С. Первова
Москва – 2006г.
Допущено редакционно-издательским советом
Составители: Г.Н.Беспалов,Г.С.Исаева,И.В.Ярошенко, Е.Д.Стрельцова
УДК. 5.4.7.1
Номенклатура органических соединений. Методические указания./Сост.:Г.Н.Беспалов, Г.С.Исаева, И.В.Ярошенко, Е.Д.Стрельцова
М.: МГУИЭ, 2006, 28 с., 2 табл.
Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по специальностям 1705, 1705.06: 1705.07, 1712.03, изучающих органическую химию. В работе рассматриваются основы системы наименований веществ по рациональной номенклатуре и номенклатуре ИЮПАК. Для проверки усвоения материала предлагаются пятнадцать вариантов заданий.
Рецензенты: кафедра химической технологии плас-тических масс МХТИим. Д.И.Менделеева.
д.х.н., проф., А.Л.Русанов, ИНЭОС РАН.
© Г.Н. Беспалов, Г.С.Исаева,И.В.Ярошенко, Е.Д.Стрельцова
ВВЕДЕНИЕ
Номенклатура – это система наименований веществ. Основное требование, предъявляемое к научной номенклатуре, состоит в том, чтобы она однозначно определяла то или иное химическое соединение, исключая возможность смешения этого соединения с другим, была бы простой и позволяла бы по названию соединения построить его структурную формулу.
Существует несколько различных систем. Одной из первых является тривиальная номенклатура . До сих пор многие органические соединения имеют случайные исторически сложившиеся названия. Одни из них связаны с нахождением в природе, другие с методом получения, третьи – отражают физическое состояние и так далее. Бензол, спирт, метан, гремучая кислота, муравьиная кислота, ацетон, эфир – это тривиальные названия органических веществ. Эти названия не объединены по определённому признаку в стройную систему и не отражают строение молекул органических веществ. Однако, многие природные и синтетические вещества сложной структуры до сих пор имеют тривиальные названия в силу их краткости и выразительности.
Появление теоретических основ органической химии привело к созданию новых систем классификации и, следовательно, новых способов наименования органических соединений, отражающих химическое строение. Это означает, что по названию можно однозначно составить структурные формулу вещества и по структурной формуле дать название вещества. Так появилась рациональная номенклатура и Женевская номенклатура, дальнейшее развитие которой привело к созданию системы ИЮПАК , преложенной Международным союзом чистой прикладной химии, рекомендованной для названия всех органических веществ. Однако в практической деятельности приходится сталкиваться с различными системами названий органических веществ.
Для составления названий органических веществ как по рациональной номенклатуре, так и по системе ИЮПАК необходимо знать названия углеводородных радикалов. Углеводородные радикалы – это частицы, которые получаются при отрыве одного или нескольких атомов водорода от молекулы углеводорода. В молекулах углеводородов следует различать первичные, вторичные, третичные и четвертичные атомы углерода, что определяется числом его связей с соседними углеродными атомами. Первичный имеет одну связь с атомом углерода, вторичный – две связи с атомом или атомами углерода, третичный – три, четверичный – четыре.
При отрыве атома водорода от первичного атома углерода получается первичный радикал (то есть свободная единица валентности имеется у первичного атома углерода), от вторичного – вторичный радикал , от третичного – третичный радикал .
В таблице 1 приведены формулы предельных углеводородов и образованных от них радикалов, а также их названия. Как видно из таблицы, от метана и этана можно образовать лишь по одному радикалу. От пропана, углеводорода с тремя атомами углерода, можно образовать уже два изомерных радикала – пропил и изопропил в зависимости от какого атома углерода (первичного или вторичного) отрывается атом водорода. Начиная с бутана, у углеводородов появляются изомеры . В соответствии с этим увеличивается и число изомерных радикалов: н.бутил, втор. бутил, изобутил, трет. бутил.
Название последующих углеводородов складывается из греческого числительного, соответствующего числу атомов углерода в молекуле и суффикса «ан».
С увеличением числа атомов углерода в углеводороде возрастает количество изомеров, растёт и количество радикалов, которые можно от них образовать.
Специальных названий большинство изомеров не имеет. Однако по рациональной номенклатуре и номенклатуре ИЮПАК можно назвать любое сколь угодно сложное соединение, используя названия простых радикалов.
Таблица 1.
Предельные углеводороды и их радикалы.
|
Углеводород | |||
|
CH 3 -CH 2 -CH 3 |
CH 3 -CH 2 -СН 2 - |
изопропил (втор.пропил) |
|
|
CН 3 - _ СН 2 - СН 2 -СН 3 |
СН 3 -CН 2 -СН 2 -СН 2 - СН 3 -СН 2 -СН |
втор.бутил |
|
|
|
изобу-тан |
СН 3 – СН - СН 2 -
|
изобутил трет.бутил |
В таблице 2. приведены некоторые непредельные и ароматические углеводороды и соответствующие им радикалы Таблица 2. Непредельные и ароматические углеводороды и их радикалы.
|
Углеводороды |
Радикалы |
||
|
СН 2 =СН-СН 3 |
пропилен |
СН 2 =СН-СН 2 - СН=СН-СН 3 СН 2 =С-СН 3 |
пропенил изопропенил |
|
|
ацетилен |
|
ацетиленил или этинил |
|
|
| ||
|
|
|
п(пара)-толилы |
|
РАЦИОНАЛЬНАЯ НОМЕНКЛАТУРА
Рациональная
номенклатура базируется на теории
типов
.
В основе этой системы лежит названия
простейших членов гомологических рядов:
метана
,
если отсутствуют двойные связи, этилена
,
если присутствует одна двойная связь,
и ацетилена
,
если в соединении есть одна тройная
связь. Все
остальные углеводороды рассматриваются
как производные этих простейших
углеводородов, полученные путём замещения
одного или нескольких атомов водорода
на углеводородные
радикалы
.
Для того, чтобы назвать то или иное
соединение нужно перечислить
радикалы-заместители, а затем назвать
соответствующий углеводород. Перечисление
радикалов нужно начать с простейшего
метила, а затем по мере усложнения –
этил, пропил и т.д.. Разветвленные радикалы
считаются более сложными, чем нормальные
с тем же числом атомов углерода. Такое
соединение можно назвать
метилэтилизопропилметан.
Если в соединении содержится несколько
одинаковых радикалов, то следует указать
сколько этих радикалов содержится в
соединении, используя умножающие
приставки – греческие числительные: 2
– ди, 3 – три, 4 – тетра, поэтому соединение
будет называться триметилэтилметан.
За центральный атом метана лучше выбирать тот углеродный атом, при котором находится наибольшее число заместителей. В зависимости от того, какой атом углерода выбирается за центральный атом метана, одному и тому же веществу по рациональной номенклатуре можно дать несколько различных названий.
Аналогичным образом называются и соединения с двойной и тройной связями:
Для того, чтобы различить два изомерных соединения можно использовать два способа. В первом соединении радикалы-заместители располагаются у двух разных углеродных атомов, связанных двойной связью, симметрично относительно двойной связи. Во втором соединении оба радикала располагаются у одного и того же углеродного атома, т.е. несимметрично относительно двойной связи.
Поэтому они так и называются: первое – симметрично метилэтилен , а второе - несимметрично метилэтил-этилен. Во втором способе один углеродный атом углерода, соединенный с более простым радикалом обозначается греческой буквой , другой - . При названии таких соединений указывают, при каком углеродном атоме какой находится радикал. Таким образом первое соединение будет называться -метил- -этилэтилен , а второе - -метил- -этилэтилен.
Название углеводородов, молекула которых имеет симметричное строение, т. е. состоит из двух одинаковых радикалов, составляется из названий этих радикалов и приставки ди-
Циклические углеводороды в рациональной номенклатуре рассматриваются как полиметилены и называются по количеству метиленовых групп, входящих в кольцо, причём используются греческие числительные:
Если
в цикле имеются заместители, то они
перечисляются перед названием основного
цикла. Такое
соединение будет называться метилгексаметилен.
Рациональная номенклатура до сих пор используется при наименовании сравнительно простых соединений, особенно, когда хотят подчеркнуть фукциональный тип соединения. Однако наименование сильно разветвлённых углеводородов вызывает затруднения, так как отсутствуют названия сложных радикалов.
НОМЕНКЛАТУРА ИЮПАК
Номенклатура ИЮПАК (IUPAC), предложенная Международным союзом чистой и прикладной химии, даёт возможность назвать любое сколь угодно сложное соединение. Эта номенклатура является развитием и упорядочением Женевской номенклатуры, с которой она имеет много общего.
В этой номенклатуре первые четыре предельных углеводорода нормального строения имеют тривиальные названия: метан, этан, пропан и бутан. Названия последующих нормальных (неразветвлённых) углеводородов образуются от основы греческих числительных с добавлением окончания -ан: С 5 Н 12 - пентан, С 6 Н 14 - гексан, С 7 Н 16 -гептан и т. д. (см. табл.1)
Для названия разветвлённых углеводородов необходимо выбрать самую длинную нормальную цепь . Если в углеводороде можно выделить несколько цепей одинаковой длины, то следует выбрать самую разветвлённую цепь . Название этого углеводорода, соответствующего самой длиной цепи, принимается за основу названия данного углеводорода. Следовательно, углеводород, имеющий строение
будет рассматриваться как производное гептана. Эту самую длинную цепь нумеруют , причём направление нумерации выбирают так, чтобы цифры, указывающие положение боковых цепей, были бы наименьшими. Для каждого бокового заместителя арабской цифрой указывают место расположения его в цепи и дают название. Если в соединении находится несколько одинаковых заместителей, то наряду с указанием места расположения каждого заместителя с помощью умножающих приставок (греческих числительных) ди-, три-, татра- и так далее, указывается их количество. Боковые заместители перечисляют в порядке возрастания их сложности: метил СН 3 – менее сложен, чем этил С 2 Н 5 -, т.е. радикал с меньшим числом атомов углерода менее сложен, чем с большим числом атомов. При одинаковом числе атомов углерода менее сложен тот радикал, у которого основная цепь
длиннее:
втор. бутил
менее
сложен, чем трет. бутил
Таким образом, приведённое ранее соединение будет называться 2,2,5-триметил-3-этилгептан.
При наличии в углеводороде кратных связей за главную цепь принимается самая длинная, которая содержат двойную или тройную связь. Если в углеводороде имеется одна двойная связь, то окончание –ан в названии предельного углеводорода, соответствующего в этой цепи, заменяется на окончание – ен и арабской цифрой указывается номер атома углерода, у которого начинается двойная цепь. Так соединение
будет называться гептин-3.
Если в соединении содержатся две двойные или тройные связи, то окончания названий углеводородов должны быть – диен или - диин соответственно с указанием номеров атомов, у которых начинаются кратные связи:
При наличии двойной и тройной связей окончание в названии углеводорода будет –ен-ин с указанием номеров атомов, у которых начинаются соответствующие кратные связи:
В случае разветвлённых непредельных углеводородов главную цепь выбирают таким образом, чтобы положения двойных и ройных связей были обозначены наименьшими номерами.
Названия циклических углеводородов образуют, добавляя к названию предельного углеводорода с тем же числом атомов углерода приставку цикло-
При наличии боковых заместителей указывается их местоположение, количество и название, после чего называется циклический углеводород.
Если в цикле содержатся кратные связи, то это отражается на изменении окончания на -ен при наличии двойной связи или на окончание на –ин при наличии одной тройной связи.
Для простейшего моноциклического ароматического соединения сохраняется тривиальное название – бензол. Кроме того, сохраняются тривиальные названия некоторых замещённых ароматических углеводородов
Моноциклические ароматические углеводороды рассматриваются как производные бензола, полученные путём замещения атомов водорода на углеводородные радикалы. Для того, чтобы назвать то или иное ароматическое соединение следует пронумеровать атомы углерода бензольного кольца, указать положения заместителей в кольце, указать сколько их, назвать эти радикалы, после чего назвать ароматический углеводород. Положения заместителей следует обозначать наименьшими номерами. Таким образом, соединение
будет называться 1,4-диметил-2-этилбензол.
Если в бензольном кольце имеется только два заместителя, то вместо цифр 1,2- , 1,3- и 1,4- можно соответственно использовать обозначения орто (о-), мета (м-) и пара (п-)
Названия
некоторых конденсированных и
полициклических ароматических
углеводородов и порядок нумерации
атомов углерода приводятся далее.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.
Павлов Б.А., Терентьев А.П.. Курс органической химии. М.-Л.
Домашнее задание 1
Вариант 1,16
а) (CH 3) 2 (CH) 2 (C 2 H 5) 2 ,
б) (CH 3) 2 CCH(CH 3)
а) метилизопропилтрет.бутилметан,
б) метилэтилацетилен.
а) 2,2,3-триметилбутан,
б) 3,4-диметилгексен-3.
Вариант 2,17
1. Напишите в развернутом виде структурные формулы следующих углеводородов и назовите их по рациональной номенклатуре и номенклатуре ИЮПАК. Укажите сколько первичных, вторичных, третичных и четвертичных углеродных атомов в каждом соединении:
а) (CH 3) 3 CCH(CH 3)CH(CH 3)(C 2 H 5)
б) (СН 3)(С 2 Н 5)С 2 (С 2 Н 5) 2 .
2. Напишите структурные формулы следующих соединений
и назовите их по номенклатуре ИЮПАК:
б)
-метил-
-этил-
-втор.бутилэтилен.
3.Напишите структурные формулы следующих соединений и назовите их по рациональной номенклатуре:
а) 2,2,3,4-тетраметил-3-этилпентан,
б) 2,5-диметилгексин-3.
: Вариант 3,18
1. Напишите а развернутом виде структурные формулы следующих углеводородов и назовите их по рациональной номенклатуре и номенклатуре ИЮПАК. Укажите сколько первичных, вторичных, третичных и четвертичных углеродных атомов в каждом соединении:
а) (CH 3) 3 ССН(С 2 Н 5)СН(СН 3)(С 2 Н 5),
б) (CH 3) 2 CHС 2 СН(CH 3) 2 .
2. Напишите структурные формулы следующих соединений и назовите их по номенклатуре ИЮПАК
а) этилдивтор.бутилметан,
б) изопропилтрет.бутилацетилен.
3. Напишите структурные формулы следующих соединений и назовите их по рациональной номенклатуре:
а) 2,2-диметил-3-этилпентан,
б) 2,2,5,5-тетраметилгексен-3
Вариант 4,19
1. Напишите а развернутом виде структурные формулы следующих углеводородов и назовите их по рациональной номенклатуре и номенклатуре ИЮПАК. Укажите сколько первичных, вторичных, третичных и четвертичных углеродных атомов в каждом соединении:
а) (CH 3) 2 (СН) 4 (СН 3)(С 2 Н 5),
б) (CH 3) 3 С 2 (СН 3)(С 2 Н 5)СН(СН 3) 2 .
а)метилизопропилтрет.бутилметан,
б)сим.втор.бутилтрет.бутилэтилен.
3. Напишите структурные формулы следующих соединений и назовите их по рациональной номенклатуре:
а)2,2,4,4-тетраметил-3-этилпентан,
б) 2,2,5-триметилгексин-3.
Вариант 5,20
1. Напишите в развернутом виде структурные формулы следующих углеводородов и назовите их по рациональной номенклатуре и номенклатуре ИЮПАК. Укажите сколько первичных, вторичных, третичных и четвертичных углеродных атомов в каждом соединении:
а) СН 3 (СН 2) 2 СН(С 2 Н 5)СН(СН 3)(С 2 Н 5),
б) (CH 3) 3 С 4 (СН 3) 3 .
2. Напишите структурные формулы следующих соединений и назовите их по номенклатуре ИЮПАК
а) этилизопропилизобутилметан,
б)
-этил-
-изопропил-
-втор.бутилэтилен.
3. Напишите структурные формулы следующих соединений и назовите их по рациональной номенклатуре:
а) 2-метил-3,3-диэтилпентан,
б) бутадиен-1,3
Вариант 6, 21
1. Напишите в развернутом виде структурные формулы следующих углеводородов и назовите их по рациональной номенклатуре и номенклатуре ИЮПАК. Укажите сколько первичных, вторичных, третичных и четвертичных углеродных атомов в каждом соединении:
а) (CH 3) 3 С(СН 2) 2 СН(СН 3) 2 ,
б) СН 2 С(СН 3)СНСН 2 .
2. Напишите структурные формулы следующих соединений и назовите их по номенклатуре ИЮПАК
а) метилэтилизопропилтрет.бутилметан,
б)
,
-диметил-
-вторбутилэтилен.
Лекция № 1
СОЕДИНЕНИЙ
- Структурная изомерия.
Лекция № 1
КЛАССИФИКАЦИЯ И НОМЕНКЛАТУРА ОРГАНИЧЕСКИХ
СОЕДИНЕНИЙ
- Классификация органических соединений.
- Номенклатура органических соединений.
- 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 |
R-H |
| Галоген F, -Cl, -Br, -I (–Hal) |
Галогенпроизводные |
R-Hal |
| Гидроксильная ОН
|
Спирты и фенолы |
R-OH |
| Алкоксильная |
Простые эфиры |
R-OR |
| Амино NH 2 , >NH, >N- |
Амины |
RNH 2 , R 2 NH, R 3 N |
| Нитро |
Нитросоединения |
RNO 2 |
| Карбонильная |
Альдегиды и кетоны |
|
| Карбоксильная |
Карбоновые кислоты |
|
| Алкоксикарбонильная |
Сложные эфиры |
|
| Карбоксамидная |
Амиды карбоновых кислот
|
|
| Тиольная |
Тиолы |
R-SH |
| Сульфо |
Сульфокислоты |
R-SO 3 H |
2. Номенклатура органических
соединений.
В настоящее время в органической химии общепринятой является систематическая номенклатура,
разработанная
Международным союзом чистой и прикладной химии
(IUPAC
). Наряду с ней сохранились и
используются тривиальная
и рациональная
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: С 1 – “мет”, С 2 – “эт”, С 3 – “проп”, С 4 – “бут”, С 5 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.
.gif)
Таблица 2. Названия алканов и алкильных
радикалов, принятые систематической номенклатурой IUPAC.
| Алкан |
Название |
Алкильный радикал |
Название |
| CH 4 |
Метан |
СН 3 — |
Метил |
| CH 3 CH 3 |
Этан |
CH 3 CH 2 — |
Этил |
| CH 3 CH 2 CH 3 |
Пропан |
CH 3 CH 2 CH 2 — |
Пропил |
 |
Изопропил |
||
| CH 3 CH 2 СН 2 CH 3 |
н -Бутан |
CH 3 CH 2 СН 2 CH 2 — |
н- Бутил |
.gif){kind=small} |
втор- Бутил |
||
.gif) |
Изобутан |
 |
Изобутил |
| |
трет- Бутил |
||
| CH 3 CH 2 СН 2 CH 2 СН 3 |
н -Пентан |
CH 3 CH 2 СН 2 CH 2 СН 2 — |
н -Пентил |
.gif) |
Изопентан
|
.gif) |
Изопентил
|
| |
Неопентан
|
|
Неопентил
|
Таблица 3. Названия характеристических
групп
(перечислены в порядке убывания старшинства).
| Группа |
Название |
|
| в префиксе |
в суффиксе |
|
| -(C)OOH * |
— |
овая кислота |
| -COOH |
карбокси |
карбоновая кислота |
| -SO 3 H |
сульфо |
сульфоновая кислота |
| -(C)HO |
оксо |
аль |
| -CHO |
формил |
карбальдегид |
| >(C)=O |
оксо- |
он |
| -ОН |
гидрокси |
ол |
| -SH |
меркапто |
тиол |
| -NH 2 |
амино |
амин |
| -OR ** |
алкокси, арокси |
— |
| -F, -Cl, -Br, -I |
фтор, хлор, бром, иод |
— |
| -NO 2 |
нитро |
— |
* 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.
.gif)
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
.gif)
- по положению кратных связей и
функциональных групп
.gif)
- по типу функциональных групп
.gif)
Хорошо известно, что в органических молекулах (включая те, из которых состоит наш организм) электроны на внешней электронной оболочке располагаются парами: одна пара на каждой орбитали (рис. 1 ). Свободные радикалы отличаются от обычных молекул тем, что у них на внешней электронной оболочке имеется неспаренный (одиночный) электрон (рис. 2 и3 ).
Неспаренный электрон в радикалах принято обозначать точкой. Например, радикал гидроксила обозначают как HO·, радикал перекиси водорода как HOO·, радикал супероксида как ·OO - или O 2 · - . Ниже даны формулы трех радикалов этилового спирта:
CH 3 CH 2 O·; CH 3 · C HOH; CH 3 CH 2 O·
Свободным радикалом называется частица - атом или молекула, имеющая на внешней оболочке один или несколько неспаренных электронов.
Это делает радикалы химически активными, поскольку радикал стремится либо вернуть себе недостающий электрон, отняв его от окружающих молекул, либо избавиться от «лишнего» электрона, отдавая его другим молекулам.
В особом положении оказалась молекула кислорода (диоксигена), которая содержит на внешней оболочке целых два неспаренных электрона. Таким образом, диоксиген – это бирадикал и, подобно другим радикалам, обладает высокой реакционной способностью.
Важно подчеркнуть, что неспаренные электроны должны находиться на внешней оболочке атома или молекулы. В понятие свободного радикала не включаются ионы металлов переменной валентности, неспаренные электроны в которых находятся на внутренних оболочках. Поскольку и радикалы и ионы таких металлов как железо, медь или марганец (так же как комплексы этих металлов) дают сигналы электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), эти частицы в совокаупности часто называют парамагнитными центрами.
Образование радикалов из устойчивых молекул обусловлено, таким образом, появлением на свободной, валентной орбитали нового электрона или наоборот - удалением одного электрона из электронной пары. Эти процессы обычно происходят в результате реакций одноэлектронного окисления или восстановления. В таких реакциях обычно участвует, наряду с молекулой, из которой радиукал образуется, ион металла переменной валентности, который ка раз и служит донором или акцептором одного электрона (а не двух сразу, как это бывает в реакиях между двумя органическими молекулами или между органической молекулой и кислородом). Типичный пример реакции, в которой образуется радикал – это реакция Фентон: взаимодействие пероксида водорода с ионом двухвалентного железа:
Fe 2+ + H 2 O 2 Fe 3+ + OH – + ·OH (радикал гидроксила)
При высоких температурах или под действием ультрафиолетового излучения радикалы могут образовываться также в результате разрыва химической связи (гомолитическое расщепление). В обычных условиях такие реакции в нормальных живых клетках практически не имеют места.
Номенклатура радикалов
Относительно недавно Комиссия по Номенклатуре Неорганической химии сформулировала основные правила номенклатуры радикалов (см. {Koppenol, 1990 #7}) (табл. 1 ). Остановимся на некоторых из этих рекомендаций. Прежде всего нет необходимости писать "свободный" перед словом радикал . О радикальной природе рассматриваемой частицы говорит окончание "ил". Так радикалы RO· и НО· имеют наименование, соответственно "алкоксил" и "гидроксил".
Существенно новым можно считать рекомендацию не злоупотреблять производными от "пероксид" и "гидропероксид". Группа из двух связанных между собой атомов кислорода называется "диоксид". В соответствии с этим радикал ROO· рекомендуется называть "алкилдиоксилом" {Koppenol, 1990 #7}. Допускается сохранение и альтернативного названия "алкилпероксил", но это хуже {Koppenol, 1990 #7}. Молекулярный кислород называется "диоксигеном", а озон – "триоксигеном".
Наименование с окончанием "ил" весьма удобно, но ничего не горит о том, каков заряд частицы. Поэтому в необходимых случаях рекомендуется использовать систематическое название радикала, где после названия группы дается в скобках заряд. Например радикал O 2 · – имеет наименование "диоксид (l–)". В этой работе мы будем использовать более краткое название "диоксид".
При написании формул радикалов в суперскрипте сначала ставится точка, указывающая на наличие неспаренного электрона у данного атома, а затем знак заряда иона. Например "O 2 · – ". В структурных формулах точка должна стоять именно у того атома, где локализован неспаренный электрон. Например, чтобы подчеркнуть, что диоксиген имеет два неспаренных электрона, можно написать его формулу таким образом "О 2 ". Втаблице 1 приведен список рекомендуемых названий радикалов; в квадратных скобках даны названия, которые будут преимущественно использованы в данной книге.
Алканы (метан и его гомологи) имеют общую формулу C n H 2n +2. Первые четыре углеводорода называют метан, этан, пропан, бутан. Названия высших членов этого ряда состоят из корня – греческого числительного и суффикса -ан. Названия алканов положены в основу номенклатуры IUPAC.Правила систематической номенклатуры:
- Правило главной цепи.
Главную цепь выбирают, руководствуясь последовательно следующими критериями:
- Максимальное число функциональных заместителей.
- Максимальное число кратных связей.
- Максимальная протяженность.
- Максимальное число боковых углеводородных групп.
- Правило наименьших номеров (локантов).
Главную цепь нумеруют от одного конца до другого арабскими цифрами. Каждый заместитель получает номер того атома углерода главной цепи, к которому он присоединен. Последовательность нумерации выбирают таким образом, чтобы сумма номеров заместителей (локантов) была наименьшей. Это правило применяется и при нумерации моноциклических соединений.
- Правило радикалов.
Все углеводородные боковые группы рассматривают как одновалентные (односвязные) радикалы. Если боковой радикал сам содержит боковые цепи, то в нем по приведенным выше правилам выбирается дополнительная главная цепь, которая нумеруется, начиная с атома углерода, присоединенного к главной цепи.
- Правило алфавитного порядка.
Название соединения начинают с перечисления заместителей, указывая их названия в алфавитном порядке. Названию каждого заместителя предшествует его номер в главной цепи. Наличие нескольких заместителей обозначают префиксами-числителями: ди-, три-, тетра- и т. д. После этого называют углеводород, соответствующий главной цепи.
В табл. 12.1 приведены названия первых пяти углеводородов, их радикалов, возможных изомеров и соответствующие им формулы. Названия радикалов заканчиваются суффиксом -ил.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Таблица 12.1. Алканы ациклопического ряда C n H 2 n +2 . |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Пример. Назвать все изомеры гексана.
Пример. Назвать алкан следующего строения
В этом примере из двух двенадцатиатомных цепей выбрана та, в которой сумма номеров наименьшая (правило 2).
Используя названия разветвленных радикалов, приведенных в табл. 12.2,
|
||||||||||||||||||||
Таблица 12.2. Названия развлетвленных радикалов. |
название этого алкана несколько упрощается:
10-трет-бутил-2,2-(диметил)-7-пропил-4-изопропил-3-этил-додекан.
При замыкании углеводородной цепи в цикл с потерей двух атомов водорода образуются моноциклоалканы с общей формулой C n H 2n . Циклизация начинается с C 3, названия образуются от C n с префиксом цикло:
Полициклические алканы. Их названия образуются посредством приставки бицикло-, трицикло- и т. д. Бициклические и трициклические соединения содержат соответственно два и три цикла в молекуле, для описания их строения в квадратных скобках указывают в порядке уменьшения число атомов углерода в каждой из цепей, соединяющих узловые атомы; под формулой название атома:
Этот трициклический углеводород обычно называют адамантаном (от чешского адамант – алмаз), поскольку он представляет комбинацию трех сконденсированных циклогексановых колец в форме, приводящей к такому расположению атомов углерода в кристаллической решетке, которое свойственно алмазу.
Циклические углеводороды с одним общим атомом углерода называются спиранами, например, спиро-5,5-ундекан:
Плоские циклические молекулы неустойчивы, поэтому образуются различные конформационные изомеры. В отличие от конфигурационных изомеров (пространственное расположение атомов в молекуле без учета ориентации) конформационные изомеры различаются между собой только поворотом атомов или радикалов вокруг формально простых связей при сохранении конфигурации молекул. Энергия образования стабильного конформера называется конформационной .
Конформеры находятся в динамическом равновесии и превращаются друг в друга через нестабильные формы. Неустойчивость плоских циклов вызвана значительной деформацией валентных углов. При сохранении тетраэдрических валентных углов для циклогексана C 6H 12 возможны две устойчивые конформации: в форме кресла (а) и в форме ванны (б):
 Свежие статьи
|
