Основные понятия органической химии

    Свободный радикал – это атом или молекула, имеющая неспаренный (неподелённый) электрон, т.е. является незаряженной частицей (например, атомный водород Н). Свободные радикалы обладают очень высокой химической активностью. С их участием протекают многочисленные реакции – галогенирование, нитрование, сульфохлорирование и др. Цепные реакции с участием радикалов называют реакциями радикального замещения или присоединения:

   Cl : Cl            2Cl

                                       CH₄ + Cl    ® CH₃    + HCl                          (S_R)

  CH₃  + Cl:Cl  ® CH₃Cl + Cl    и т.д.

  Органические  реакции подчиняются, в принципе, тем же законам, что и реакции  неорганических веществ, но имеют свои особенности. Так, в органических реакциях чаще всего принимают участие не ионы, а молекулы. Такие реакции протекают гораздо медленнее и для их ускорения часто используют катализаторы или создают соответствующие условия (повышают температуру или давление).

  Поскольку в процессе получения продукта идёт не одна реакция, а несколько (которые называют побочными), реакцию записывают не в виде химического уравнения (с приведением стехиометрических соотношений реагирующих веществ), а её схему, которая показывает только исходные вещества, основной продукт реакции и условия её проведения. Вместо знака равенства используют стрелку (®), над стрелкой указываю условия проведения реакции, а под стрелкой – побочные вещества, которые выделяются в реакции (со знаком минус).

4. Явление изомерии

   Соединения, имеющие одинаковую молекулярную формулу, но разное химическое строение, а потому обладающие разными свойствами, получили название изомеры («изос» (греч.) – равный, «мерос» – часть). Явление существования изомеров названо изомерией.

   Существует  несколько видов изомерии органических соединений:

    1. Изомерия углеродного скелета – самый простейший случай структурной изомерии. Она зависит от порядка соединения между собой атомов углерода в углеродной цепи:

     

      н-пентан    изо-пентан (2-метилбутан)  2,2-диметилпропан

   Буква н означает «нормальный», т.е. «неразветвлённый», а приставка изо- разветвление (изостроение).

    Надо помнить, что произвольное «искривление»  формулы углеводорода не приводит к  появлению нового изомера. Так, формулы

   

                                       и  

выражают  одно и то же соединение – н-пентан. Образование новых изомеров происходит только в том случае, когда нарушаются связи между атомами.

    2. Изомерия положения кратных связей характерна для непредельных углеводородов: 

                      бутен-1     бутен-2

    3. Изомерия положения функциональных групп наблюдается в том случае, когда углеродный скелет остаётся прежним, но некоторые атомы или группы атомов (заместители) связанные со скелетом, могут занимать различное положение: 

                   бутанол-1      бутанол-2

   4. Геометрическая изомерия (пространственная):

    Пространственная изомерия зависит  от расположения заместителей по отношению  к плоскости двойной связи. Например, бутен-2 имеет два изомера: 
 
 

                    цис-бутен-2       транс-бутен-2

Цис- и транс-изомеры отличаются не только пространственным строением, но и многими физическими и химическими свойствами.

   5. Изомерия порядка связи между различными атомами появляется в том случае, если в углеродной цепи атомы углерода чередуются с другими атомами. Например, одной и той же молекулярной формуле С₂Н₆О соответствуют два совершенно различных вещества –

   СН₃ – СН₂ОН                    и                    СН₃ – О – СН₃

                  этиловый  спирт           диметиловый эфир

У этих соединений различное расположение атомов в молекуле, что является причиной различных физических и химических свойств.

   Явление изомерии, открытое А.М. Бутлеровым, позволяет  на основе одного органического вещества искусственным путём получить огромное количество изомеров, обладающих необходимыми человеку свойствами. Например, предельный углеводород с формулой С₁₄Н₃₀ может иметь 1858 изомеров, а с формулой С₃₀Н₆₂ (триаконтан) – до 4´10⁹ изомеров.

5. Номенклатура органических соединений

  Номенклатура  – это система правил, позволяющих  дать однозначное название каждому соединению. Номенклатура – язык органической химии, который используется для передачи в названиях органических соединений его строения.

  1. Тривиальная номенклатура (от лат. trivialis – обыкновенный) возникла в начальный период развития органической химии, когда названия веществам давали по случайным признакам. Чаще всего эти названия отражают:

• природные источники веществ – лактоза (молочный сахар), муравьиная и яблочная кислоты и т.п.;
• особенные свойства – глицерин (от греч. «глюкус» - сладкий)
• способы получения – пировиноградная кислота (получена пиролизом виноградной кислоты);
• область применения – аскорбиновая кислота (от лат. «скорбут» - цинга, с отрицанием «а» - средство против цинги);
• имя химика, впервые его получившего – кетон Михлера.

Тривиальные названия случайны и не могут быть объединены в систему, однако широко используются и в настоящее время, особенно если речь идёт о привычных и часто используемых веществах. Живучесть тривиальных названий связана с их лаконичностью. Например: ацетон – диметилкетон, новокаин – диэтиламиноэтиловый эфир пара-аминобензойной кислоты.

  2. Рациональная (от лат. ratio – разум) или ядерная номенклатура возникла во второй половине XIX столетия, когда возникло большое количество новых соединений, а тривиальная номенклатура не учитывала их строение и не могла удовлетворить учёных. Ядерная номенклатура рассматривала органическое соединение как производное наиболее простого представителя данного гомологического ряда. В основу названия положено ядро: для алканов – метан, для алкенов – этилен, для алкинов – ацетилен, для аренов и циклоалканов – цикл.

   Все атомы и группы атомов, не входящие в ядро, называют радикалами. Органический радикал – это остаток органической молекулы, у которой удалили один или несколько атомов водорода, оставив свободными одну или несколько валентностей.

   Название  радикалов строится с добавлением  суффикса –ил.  

    СН₄ – метан,  СН₃–   метил     С₂Н₆ – этан, С₂Н₅–   этил

   С₄Н₁₀ –  бутан   СН₃ – СН₂ – СН₂ – СН₂–    бутил

          – СН – СН₂ – СН₃       вторичный бутил

              СН

                      третичный  СН₃ – СН – СН₂–         изобутил            бутил    СН₃

   Количество  радикалов зависит от количества изомеров данного углеродного скелета.

   Кроме предельных, радикалы могут быть:

непредельные –   СН₂ = СН –      винил 

     СН₂ = СН – СН₂–    аллил

циклические –          циклопентил       циклогексил 

ароматические –        фенил         бензил  
 

радикалы других классов органических соединений – 

   

    ацетил      ацетонил 

    Рациональная номенклатура, таким  образом, рассматривает соединения как замещённое теми или иными  радикалами простейшее соединение данного  ряда. Например:

       

диметил-этил-метан            метил-третбутил-этилен    диметилацетилен 

           

метилэтилкетон        диметиламин    триметилуксусная    триметилкарбинол

                                             кислота

   Для углеводородов с С₈ и более назвать все соединения по рациональной номенклатуре затруднительно. Поэтому, хотя рациональная номенклатура ещё широко используется для названий относительно несложных органических соединений, но её вытесняет систематическая номенклатура.

   3. Номенклатура ИЮПАК, или систематическая, утверждена Международным союзом чистой и прикладной химии (IUPAC – International Union of Pure and Applied Chemistry) в 1956 году. Эта номенклатура сейчас общепринята, но усовершенствование и развитие её продолжается. Основные принципы номенклатуры ИЮПАК и этапы построения названия показаны в схеме Заплишного В.Н.

   Для того чтобы назвать органическое вещество по систематической номенклатуре, нужно:

1. Найти самую длинную цепь и пронумеровать её; нумерация начинается от конца цепи, к которому наиболее близко расположена функциональная группа, радикал или кратная связь.
2. Указать адрес (т.е. местоположение в цепи) и назвать заместители или радикалы.
3. Назвать основную цепь (это корень слова).
4. Добавить суффикс при наличии кратных связей (степень насыщенности).
5. При наличии функциональных групп добавить окончание.

Функциональными (характеристическими) группами называют атомы или группы атомов, которые определяют основные химические свойства и класс органических соединений.

 

  
 

   4,5-диметил-3-изопропил-    4-амино-3-метокси-2-хлор-

        5-оксигексен-3-он-2           бутен-2-овая кислота

 

   Номенклатура  ИЮПАК 

    Направление построения названия 
 
 

          1     2      3        4             5          6

    Галогены       Азотсодержащие Углеводородные        Главная цепь        Связи        Функциональные

                             группы       радикалы            (наиболее длинная         группы

    Cl, Br, I, F      NH₂ – амино    СН₃ –    или цикл)   – ан  – ОН   ол  

       NO₂ – нитро     С₂Н₅ –      – основа названия  = ен       С=О  он

                     H₂N = NH – диазо    С₃Н₇ –    (корень)           º ин    аль 

                     CºN – циано    С₄Н₉ –             (суффикс) – СООН  овая

                                                                                                         – SH   тиол

                                                                                                           (окончание)