методическая разработка лекции "Классификация органических соединений"
методическая разработка на тему

Лекция №2

Классификация и номенклатура  органических соединений.

План:

1. Классификация
2. Номенклатура

1. Классификация

Классификация – упорядоченное расположение по группам и классам.

В классификации принимается за основу 2 важнейших признака: строение углеродного скелета и наличие функциональных групп. В органическом соединении атомы углерода соединены друг с другом в цепи, углеродный скелет.

По строению углеродного скелета органические соединения делятся на 3 группы:

Ациклические — их называют также алифатическими, или соединениями жирного ряда. Эти соединения имеют открытую цепь углеродных атомов.

К ним относятся:

1. Предельные (насыщенные)
2. Непредельные (ненасыщенные)

Циклические — соединения с замкнутой в кольцо цепью атомов. К ним относятся:

1. Карбоциклические (изоциклические) – соединения, в кольцевую систему которых входят только углеродные атомы это:
   а) алициклические (предельные и непредельные);
   б) ароматические.
2. Гетероциклические — соединения, в кольцевую систему которых, кроме атома углерода, входят атомы других элементов — гетероатомы (кислород, азот, сера и др.)

Родоначальными соединениями в органической химии призваны углеводороды, состоящие только из атомов С, Н. Разнообразные органические соединения можно рассматривать как производные углеводородов, полученные путем введения в них функциональных групп.

 Функциональная  группа – это атом или группа атомов неуглеводного характера, которые определяют принадлежность соединения к определенному классу. СН3ОН – класс  спирты, ОН функциональная группа

Функциональные группы во многом определяют  химические свойства данного класса.

Соединения могут содержать не одну, а несколько функциональных групп. Полифункциональные  – СН3Сl хлороформ, СН2ОН-СНОН-СН2ОН.

Гетерофункциональные – различные функциональные группы.  СН3-СН-СООН

2.Номенклатура

В настоящее время для наименования органических соединений применяются три типа номенклатуры: тривиальная, рациональная и систематическая номенклатура — номенклатура IUPAC (ИЮПАК) — International Union of Pure and Applied Chemistry (Международного союза теоретической и прикладной химии).

1. Тривиальная (историческая) номенклатура — первая номенклатура, возникшая в начале развития органической химии, когда не существовало классификации и теории строения органических соединений. Органическим соединениям давали случайные названия по источнику получения (щавелевая кислота, мочевина, яблочная кислота, ванилин), цвету или запаху (ароматические соединения), реже — по химическим свойствам (парафины). Многие такие названия часто применяются до сих пор. Например: мочевина, толуол, ксилол, индиго, уксусная кислота, масляная кислота, валериановая кислота, гликоль, аланин и многие другие.
2. Рациональная номенклатура — по этой номенклатуре за основу наименования органического соединения обычно принимают название наиболее простого (чаще всего первого) члена данного гомологического ряда. Все остальные соединения рассматриваются как производные этого соединения, образованные замещением в нем атомов водорода углеводородными или иными радикалами (например: триметилуксусный альдегид, метиламин, хлоруксусная кислота, метиловый спирт). В настоящее время такая номенклатура применяется только в тех случаях, когда она дает особенно наглядное представление о соединении.
3. Систематическая номенклатура — номенклатура IUPAC — международная единая химическая номенклатура. Систематическая номенклатура основывается на современной теории строения и классификации органических соединений и пытается решить главную проблему номенклатуры: название каждого органического соединения должно содержать правильные названия функций (заместителей) и основного скелета углеводорода и должно быть таким, чтобы по названию можно было написать единственно правильную структурную формулу.

Процесс создания международной номенклатуры был начат в 1892 г. (Женевская номенклатура), продолжен в 1930 г. (Льежская номенклатура), с 1947 г. дальнейшее развитие связано с деятельностью комиссии ИЮПАК по номенклатуре органических соединений. Публиковавшиеся в разные годы правила ИЮПАК собраны в 1979 г. в “голубой книге” [Nomenclature of Organic Chemistry, Section A, B, C, D, E, F and H, Oxford Pergamon Press, 1979]. Своей задачей комиссия ИЮПАК считает не создание новой, единой системы номенклатуры, а упорядочение, “кодификацию”, имеющейся практики. Результатом этого является сосуществование в правилах ИЮПАК нескольких номенклатурных систем, а, следовательно, и нескольких допустимых названий для одного и того же вещества. Правила ИЮПАК опираются на следующие системы: заместительную, радикало-функциональную, аддитивную (соединительную), заменительную номенклатуру и т.д.

В заместительной номенклатуре основой названия служит один углеводородный фрагмент, а другие рассматриваются как заместители водорода (например, (C6H5)3CH – трифенилметан).

В радикало-функциональной номенклатуре в основе названия лежит название характеристической функциональной группы, определяющей химический класс соединения, к которому присоединяют наименование органического радикала, например:

C2H5OH — этиловый спирт;

C2H5Cl — этилхлорид;

CH3–O–C2H5 — метилэтиловый эфир;

CH3–CO–CH = CH2 — метилвинилкетон.

В соединительной номенклатуре название составляют из нескольких равноправных частей (например, C6H5–C6H5 бифенил) или добавляя обозначения присоединенных атомов к названию основной структуры (например, 1,2,3,4-тетрагидронафталин, гидрокоричная кислота, этиленоксид, стиролдихлорид).

Заменительную номенклатуру применяют при наличии неуглеродных атомов (гетероатомов) в молекулярной цепи: корни латинских названий этих атомов с окончанием “а” (а-номенклатура) присоединяют к названиям всей структуры, которая получилась бы, если бы вместо гетероатомов был углерод (например, CH3–O–CH2–CH2–NH–CH2–CH2–S–CH3 2-окса-8-тиа-5-азанонан).

Система ИЮПАК является общепризнанной в мире, и лишь адаптируется соответственно грамматике языка страны. Полный набор правил применения системы ИЮПАК ко многим менее обычным типам молекул длинен и сложен. Здесь представлено лишь основное содержание системы, но это позволяет осуществлять наименование соединений, для которых применяется система.

Для понимания общих принципов построения названий органических соединений  по заместительной номенклатуре необходимо в первую очередь усвоить номенклатуру  углеводородов.

Названия первых четырех предельных углеводородов тривиальные (исторические названия) — метан, этан, пропан, бутан. Начиная с пятого, названия образованы греческими числительными, соответствующими количеству атомов углерода в молекуле, с добавлением суффикса "–АН", за исключением числа "девять", когда корнем служит латинское числительное "нона".

Таблица 1. Названия предельных(ациклические)  углеводородов

В ненасыщенных углеводородах суффикс ан заменяется при двойной связи на ен, при тройной – на ин.  СН3-СН2-СН=СН2 бутен-1, СН=-С-СН2-СН3 бутин-1

Циклические углеводороды.

Название насыщенных углеводородов  соответствует названиям углеводородов с открытой цепью с тем же числом атомов углеводородов с добавлением приставки цикло.

циклопропан                циклобутан

Насыщенность выражается суффиксами ен, ин.

циклогексен

В группе циклических углеводородов особо выделяются ароматические углеводороды, для которых характерно наличие      в молекуле. Некоторые представители углеводородов имеют тривиальное название.    

бензол                       толуол                     фенол                бензойная кислота

В систематической  номенклатуре  ИЮПАК используются несколько важнейших номенклатурных терминов: родоначальная структура, заместитель, характеристическая группа.

Родоначальная структура – структура, лежащая в основе называемого соединения. Например, в качестве родоначальной структуры рассматривается главная углеродная цепь в ациклических соединениях или цикл- в карбоциклических и гетероциклических соединениях(этан-этанол; бензол –хлорбензол).

Характеристической группой называют функциональную (реакционноспособную) группу, связанную с родоначальной структурой или частично входящую в ее состав.  В качестве заместителя в родоначальной структуре могут быть как функциональные группы так и углеводородные радикалы.

СН4  метан      -СН3  метил

С2Н6 этан        -С2Н5 этил

 -С6Н5  фенил   

 Заместитель – это любая характеристическая (функциональная) группа или углеводородный радикал, присоединенные к родоначальной структуре.

СН3-СН2-СН2-Сl   1-хлоропропан.

Как стоится систематическое название соединения

Название соединения – составное слово. Корень включает название родоначальной структуры, суффиксы, префиксы, приставки – название заместителей.

          Широко для построения названий органических соединений правила ИЮПАК рекомендуют использовать заместительную номенклатуру. Общая схема таких названий:

1) префиксы – боковые цепи, затем младшие функци) в алфавитном порядке;

2) корень – главная цепь или цикл;

3) суффиксы – кратные связи, главная функция.

Сначала определяют тип характеристической группы. Если Х.Г. несколько, то выделяют старшую Х.Г.  Для характеристических групп условно установлен порядок старшинства.

Атом углерода в состав главной углеродной цепи.

Большинство характеристических групп может входить в название как в виде суффикса, так и в виде префикса. Старшая характеристическая группа отражается суффиксом, остальные (нестаршие) префиксом.

Если соединение монофункциональное, то характеристическая группа, всегда выполняет роль старшей и отражается в названии  суффиксом.

СН3-СН2- OH  этанол

В гетерофункциональных соединениях только одна из характеристических групп, старшая обозначается суффиксом. Все прочие заместители отображаются префиксами и перечисляются в алфавитном порядке. При этом нужно указать месторасположение заместителей в углеродной цепи. Для этого следует провести нумерацию атомов родоначальной структуры. Углеродная цепь нумеруется так, чтобы старшая характеристическая группа получила наименьший номер. Цифры от букв отделяются дефисами, а цифры от цифр – запятыми.

NH2- СН2-СН2-СН2-ОН              3-амилпропанол 

нестаршая                      старшая характеристическая группа.

Для суффиксов –овая и –аль нет необходимости указывать положение функциональной группы, т.к. они всегда находятся в начале цепи.

Очень часто опускается цифровой указатель для суффикса –ол, если группа ОН находится у крайнего  атома  углерода.  СН3-СН2-СН2- СН3 -ОН бутанол-1.  (бутанол-2?) 

При наличие двух, трех, четырех и т.д. одинаковых заместителей или кратных связей используются умножительные приставки ди-, три-, тетра-, пента и т.д.

Сl3-C-CH=O       трихлорэтаналь

В карбоциклических соединениях нумерацию начинают с того атома углерода, при котором находится  старшая характеристическая группа. Если при этом невозможно выбрать однозначную нумерацию, то цикл нумеруют так, чтобы заместители имели наименьшие номера.

Ментол (тривиальное название)                    Салициловая кислота

характеристическая группа: ОЛ              нестаршая характеристическая группа: гидрокси

2-изопропил-5-метилциклогексанол                      2-гидроксибензойная кислота

3. Одновалентные радикалы

Одновалентные радикалы, образованные из насыщенных неразветвленных предельных углеводородов отнятием водорода от конечного углеродного атома, называют заменяя суффикс"–АН" в названии углеводорода суффиксом "–ИЛ".

Атом углерода со свободной валентностью получает номер ? Эти радикалы называют нормальными или неразветвленными алкилами:

СН3– — метил;

СН3–СН2–СН2–СН2– — бутил;

СН3–СН2–СН2–СН2–СН2–СН2– — гексил.

Таблица 2. Названия углеводородных радикалов

4. Насыщенные разветвленные соединения с одним заместителем

Номенклатура ИЮПАК для алканов в индивидуальных названиях сохраняет принцип Женевской номенклатуры. Называя алкан, исходят из названия углеводорода, отвечающего самой длиной углеродной цепи в данном соединении (главная цепь), а затем указывают радикалы, примыкающие к этой основной цепи.

Главная углеродная цепь, во-первых, должна быть самой длинной, во-вторых, если имеются две или более одинаковые по длине цепи, то из них выбирается наиболее разветвленная.

*Для названия насыщенных разветвленных соединений выбирают самую длинную цепочку из атомов углерода:

*Нумеруют выбранную цепь от одного конца до другого арабскими цифрами, причем, нумерацию начинают с того конца, к которому ближе находится заместитель:

*Указывают положение заместителя (номер атома углерода, у которого находиться алкильный радикал):

*Называют алкильный радикал в соответствии с его положением в цепи:

*Называют основную (самую длинную углеродную цепь):

Если заместителем будет являться галоген (фтор, хлор, бром, йод), то все номенклатурные правила сохраняются:

Тривиальные названия сохраняются только для следующих углеводородов:

Если в углеводородной цепи находятся, несколько одинаковых заместителей, то перед их названием ставится приставка “ди”, “три”, “тетра”, “пента”, “гекса” и т.д., обозначающая число присутствующих групп:

1.3. Насыщенные разветвленные соединения с несколькими заместителями

При наличии двух и более разных боковых цепей, их можно перечислять: а) в алфавитном порядке или б) в порядке возрастания сложности.

а) При перечислении разных боковых цепей в алфавитном порядке умножающие префиксы не учитываются. Сперва названия атомов и групп располагают в алфавитном порядке, а затем вставляют умножающие префиксы и цифры местоположения (локанты):

2-метил-5-пропил-3,4-диэтилоктан

б) При перечислении боковых цепей в порядке возрастания сложности исходят из следующих принципов:

Менее сложной является цепь, у которой общее число углеродных атомов меньше, например:

менее сложна, чем

Если общее число атомов углерода в разветвленном радикале одинаково, то менее сложной будет боковая цепь с наиболее длинной основной цепочкой радикала, например:

менее сложна, чем

Если две или более боковые цепи находятся в равнозначном положении, то более низкий номер получает та цепь, которая в названии перечисляется первой, независимо от того, соблюдается ли порядок возрастающей сложности или алфавитный:

а) алфавитный порядок:

б) порядок расположения по сложности:

Если в углеводородной цепи находятся несколько углеводородных радикалов и они различны по сложности, а при нумерации получаются различающиеся ряды нескольких цифр, их сравнивают, расположив цифры в рядах в порядке возрастания. “Наименьшими” считают цифры того ряда, в котором первая отличающаяся цифра меньше (например: 2, 3, 5 меньше, чем 2, 4, 5 или 2, 7, 8 меньше, чем 3, 4, 9). Этот принцип соблюдается независимо от природы заместителей.

В некоторых справочниках для определения выбора нумерации используют сумму цифр, нумерацию начинают с той стороны, где сумма цифр, обозначающих положение заместителей, наименьшая:

2, 3, 5, 6, 7, 9  — ряд цифр наименьший

2, 4, 5, 6, 8, 9

или

2+3+5+6+7+9 = 32 — сумма номеров заместителей наименьшая

2+4+5+6+8+9 = 34

следовательно, углеводородную цепь нумеруют слева направо, тогда название углеводорода будет:

(2, 6, 9–триметил–5,7–дипропил–3,6–диэтилдекан)

(2,2,4–триметилпентан, но не 2,4,4–триметилпентан)

Если в углеводородной цепи находится, несколько различных заместителей (например, углеводородные радикалы и галогены), то перечисление заместителей производится либо в алфавитном порядке, либо в порядке возрастания сложности (фтор, хлор, бром, йод):

а) алфавитный порядок 3–бром–1–иод –2–метил –5–хлорпентан;

б) порядок возрастания сложности: 5–хлор–3–бром–1–иод–2–метилпентан.