1.3 Классификация органических соединений

В настоящее время известно более 12 миллионов органических соединений и каждый день химики синтезируют все новые и новые соединения. Компасом в этом огромном море органических соединений служит классификация.

С точки зрения систематики структура органических соединений характеризуется двумя важнейшими особенностями: строением углеродного скелета и природой, числом и положением функциональных групп.

Углеродный скелет – последовательность связи атомов углерода друг с другом. Если использовать свободные валентности углерода углеродного скелета для образования связи с атомами водорода, получаются соединения, состоящие только из углерода и водорода – углеводороды. Таким образом, первая классификация органических соединений это классификация углеводородов (см. рис. 1.1).

Рис. 1.1 Классификация углеводородов.

Углеводороды подразделяются на соединения с открытой цепью углеродных атомов ( алифатические, жирные или ациклические) и с замкнутой цепью (циклические).

Алифатические углеводороды бывают с неразветвленным и разветвленным углеродным скелетом. Если все валентности углеродных атомов скелета насыщены атомами водорода, то такие углеводороды являются насыщенными (или предельными). К ним относятся алканы, в которых атомы углерода соединены простыми, ординарными связями. Если не все валентности углеродных атомов скелета насыщены атомами водорода, то такие углеводороды являются ненасыщенными (или непредельными). Ненасыщенными являются олефиновые (алкены, содержащие одну двойную связь) углеводороды. Если в молекуле имеется две двойных связи, имеем алкадиены, если три двойных связи – алкатриены и т.д. К ненасыщенным относятся также ацетиленовые (алкины, содержащие одну тройную связь) углеводороды. Если в молекуле имеется две тройные связи, имеем алкадиины, если три тройных связи – алкатриины и т.д. Возможно нахождение в молекуле одновременно одной двойной и одной тройной связи, такие углеводороды называются алкаенины и т.д..

Циклические углеводороды подразделяются на насыщенные алициклические (циклоалканы) и ненасыщенные (циклоалкены и циклоалкины). Они могут быть моно-, ди- и полициклическими. Особым типом циклических соединений являются ароматические соединения (арены), по количеству ароматических ядер они могут быть моно-, ди- и полиядерными.

Если в циклическую систему, кроме углеродных атомов, входят атомы других элементов – гетероатомы (кислород, азот, сера и т.д.), то такие соединения называются гетероциклическими. Они могут быть насыщенными, ненасыщенными и ароматическими, а также моно-, ди- и полициклическими. С точки зрения классификации соединений нецелесообразно выделять из гетероциклов углеродный скелет. Гетероциклические соединения следует рассматривать как отдельный класс соединений.

Второй тип классификации – по природе, числу и положению функциональных групп. Функциональная группа (функция) – одно- или многовалентный неуглеродный заместитель.

Группировки, получающиеся путем отнятия одного атома водорода от молекулы углеводорода, называются радикалами и обозначаются символом R. Соединения, в которых заместитель Y (гетероатом или функциональная группа) связан с угле­водородным остатком R, являются производными углеводородов и составляют второй основной класс органиче­ских соединений. Их общая формула, соответственно, может быть за­писана в виде R-Y.

Если в соответствующем соединении содержится несколько остат­ков R, то их число указывают в нижнем индексе при символе R (на­пример, R₃N, R₂O); если же радикалы различны, в верхнем индексе ставят соответствующее число штрихов (например, R-O-R^/).

Важнейшие представители второго класса органических соединений приведены в табл. 1.2 . Как упоминалось выше, они образованы путем замещения атома водорода в углеводородах R—Н на функцио­нальную группу. Однако их можно представить и как продукты заме­щения атомов водорода в соответствующих неорганических соединениях на углеводородный радикал R.

Таким образом, исходя из галогеноводородов, строят формулы галогенпроизводных углеводородов R—X ( где X = F, С1, Вг, I). При формальном замещении атома водорода в молекуле воды на углеводородный остаток получают спирты, или фенолы с функциональной гидроксильной группой ОН. Замещение обоих атомов водорода приводит к простым эфиром R—О—R. При окислении первичных спиртов R—СН₂—ОН, в которых гидроксильная группа связана с первичным атомом углерода, обра­зуются альдегиды R—СНО.

Неорганические и органические соединения с гетероатомом или функциональной группой

(X-атом галогена, M-атом металла)

Таблица 1.2

Кетоны R₂СО являются продуктами окисления вторичных спиртов R₂СН—ОН. Третичные спирты устойчивы к окислению. Окисление альдегидов приводит к карбоновым кислотам R-СООН, содержащим в качестве функциональной группы карбок­сильную группу —СООН. Сернистые аналоги спиртов или фенолов, тиолы R—SН, так же как и сульфиды или тиоэфиры R—S—R, являются производными сероводорода, Сульфиновые кислоты R—SО₂Н и сульфоновые кислоты R—SО₃Н представляют собой продукты окисления тиолов. Окисление сульфидов приводит к сульфоксидам R₂ SО и далее к сульфонам R ₂SО₂.

Гидропероксиды R—ООН и пероксиды R—ОО—R являются произ­водными пероксида водорода.

Амины RNН₂ представляют собой аналоги аммиака, а гидроксиламины R—NНОН, нитрозосоединения R—NO и нитросоединения R—NO₂ — продукты окисления аминов.

Аналогичным рассуждением строятся формулы фосфинов R—РН₂, гидразинов R—NH—NH₂. Реально они образуются, например, при вос­становлении диазосоединений R—N⁺₂ Х^- . Точно так же от гидразинов производят и гидразосоединения R—NH—NН—R. Последние при окис­лении дают азосоединения R—N=N—R, а затем азоксисоединения R—N=N(O)— R. От азотистоводородной кислоты производят азиды R—N₃. Замещение в гидридах металлов атома водорода на углеводо­родный остаток R приводит к металлоорганическим соединениям.

В табл. 1.2 соединения расположены таким образом, что переход в каждой группе соединений сверху вниз означает последовательное окисление, а снизу вверх, напротив, восстановление. Комбинация различ­ных остатков R, структура которых сама по себе может неограниченно варьировать, с теми или иными функциональными группами приводит к бесконечному разнообразию органических соединений. Соединения, содержащие перечисленные выше функциональные группы, могут да­вать, кроме того, и так называемые производные этих групп. Например, сложные эфиры являются производными карбоновых кислот (1.26), а азометины — производными альдегидов (1.27):

Наконец, существуют и гетероциклические соединения с функциональными группами (1.28).

1.4 ГОМОЛОГИЯ

Важнейшим фактором, определяющим огромное число органических соединений, служит явление гомологии. Оно проявляется в существовании гомологических рядов.

Гомологи, соединения, составляющие гомологический ряд, должны обладать следующими признаками:

1. относится к одному классу органических соединений, обладать сходным строением и иметь нормальный неразветвленный углеродный скелет. Гомологи производных углеводородов кроме нормального углеродного скелета должны иметь концевое расположение функциональной группы;

2. отличаться по составу на гомологическую разность (CH₂) ;

3. в гомологическом ряду должно происходить закономерное изменение основных физических констант (температур плавления, кипения, плотности и т.д.) ;

Первый гомологический ряд, с которым встречает студент, изучающий органическую химию, является гомологический ряд алканов:

Ряд алканов образует гомологический ряд, причем гомологической разностью, на которую отличаются два соседних члена ряда, будет метиленовая группа CH₂. В каждом из этих алканов число атомов водорода на два больше, чем удвоенное число углеродных атомов, так что можно написать общую формулу для членов этого ряда C_nH_2n+2. Другие гомологические ряды характеризуются своей общей формулой. Каждая дополнительная группа вносит довольно постоянный вклад в температуру кипения и плотности и несколько меньший вклад в температуру плавления. Это позволяет определить свойства неизвестного члена ряда, основываясь на свойствах его соседей. Например, температуры кипения гексана и гептана равны соответ­ственно 69^O и 98°С. Таким образом, различие в их структуре, состав­ляющее одну группу СН₂, приводит к разнице в температурах кипе­ния, равной 29°. Это позволяет поместить температуру кипения сле­дующего члена ряда — октана — при (98°+29°), т. е. при 127°С, что близко к действительной температуре кипения октана, составляю­щей 126°С.

К понятию гомологический ряд близко примыкают понятия об изологических, генетических и винилогических рядах.

Изологический ряд - ряд соединений с одинаковыми функциональными группами, но с возрастающей ненасыщенностью (изологическая разность – 2H).Пример изологического ряда (1.29) и (1.30):

Генетический ряд содержит соединения с одинаковым числом атомов углерода, но разными функциональными группами (1.31) .

Винилогический ряд образуется винилогами – соединениями отличающимися друг от друга группой (разностью) –CH=CH-(1.32).

Особенность винильной группы заключается в том, что она способна передавать по углеродной цепи электронные эффекты.