книги / Органическая химия. Т

Глава 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