И.И. Бруновленская, В.П. Дядченко, И.В. Ефимова и др. - Основные понятия органической химии

, ~е~ московский госудАРственный я~ИВЕ СИТЕТ ИМЕНИ М.ВЛОМОНОСОВА Химический факультет Кафедра органической химии И.И. Бруновленскзя, В.П. Дядченко, И.В.Ефимова, Е.Д. Матвеева, В.И. Теренин ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ОРГАНИЧЕСКОЙ химии Методическая разработка для студентов ЕИ курса Москва 1998 г. яя аеавияййй ОГЛАВЛЕНИЕ 1. Классификация органических соединений 2. Номенклатура органических соединений 3.

Типы химнчесьэгх связей в органических соединениях 4. Гомолиз, гетеролиз. Промежуточные частицы 5. Электронные эффекты Индуктивный эффект Мезомерный эффект ЭФфект гиперконъюгации Устойчивость карбокатионов, карбанионов и свободных радикалов 6. Кислоты и основания Органические кислоты Органические основания Факторы, влияюшие на силу кислот и оснований 7. Стереохимия органических соединений Клиновидная прекция Конформации. Формулы Ньюмена Хиральность. Молекулы с одним асимметрическим атомом Проекционные формулы Фишера й, Б-номенклатура стереоизомеров Молекулы с .твумя асимметрическими атомами Стереоизомерия алкенов !4 16 17 18 21 22 23 24 27 28 31 32 33 36 37 39 КЛАССИФИКАИИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ Органическую химию можно определить как химию углеводородов и их производных. Углеводороды - это простейшие органигеские соединения, состоящие только из углерода и водорода: СН4 - метан СэН ! - этилен С2Нб - этан СэН2-ацетилен СзНя - пропан СбНб — бензол Использованные здесь молекулярные формулы передают состав молекулы, но не отображают порядок связей в молекуле.

Существует другой способ изображения молеку!! органических соединений — структурные формулы. В них связи между атомами изображаются валентныы штрихом. Структурные формулы приведенных выше углеводородов выглядят следующим образом: Н Н Н Н Н Н ! ! ! Н вЂ” С вЂ” Н Н вЂ” С С вЂ” Н Н вЂ” С С С Н ! ! Н Н Н Г! Н Н Н Н с Н Н ! с=с и — с= с — н с "с б Н Н . с-с с Н Этн формулы показывают, каким именно способом связаны между собой атомы, входящие в состав молекулы (т.е.

порядок связи атомов). При пользовании структурными формулами следует помнить, что углерод в молекулах органических соединений четырехвалентен. Структурные формулы могут быть представлены и в сокращенном варианте, который наиболее часто используется в органической химии: СН3-СН3 СН3-СНэ-СН3 СНэ=СН3 НС=-СН этан пропан этилен ацетилен Валентный штрих, используемый в структурных формулах.

со! са гстнует паре электронов. Если вместо валентных штрихов в ! руктурн ых !!л>рмулах использовать две точки, соответствующие !ачя: !лекгронов, то мы получим электронные формулы, которые в рн а случаен бьнгактг очень полезны. Н Н Н Н .11 Н:С:Н Н;С: С:Н Сгс. Й Й н метан этан этилгч ь Электронные формулы дают наглядное иредставьюгпю о перераспределении электронов между атомами в процессе рсаьини: Н Н Н:С:Н + .С1: — — — + Н:С + Н:С'!! Й Й Н Н Н:С +:С1:С1: — — ь Н:С.С! ь С1: Й Н При наличии в молекуле углеводорода четырех и более атомов углерода возможно существование нескольких соедиььеьььььь, отвечающих данной молекулярной формуле.

Такие соелинения иа и,ьваются изомерами, а само явление - изомерией. СНЗ-СН2-СН2-СНЗ С !Нь) бут:ьн СНЗ СНЗ -С".Н- СНЗ С4Н9 изобутан: разветвленный углеродный скелет Изомсры отличаются по физическим и химическим сььойстьььььь. В молекуле углеводорода зтоьььь углерода связаны межлу собои, образуя углеродный скелет молекулы.

Как видим, молекула бутмю и изобутана различаются, в первую очередь, именно упьсродиым скелетом. В молекуле бутана атомы углерода образуют ььепо ьху >го неразветвленный скелет люлекулы. В молекуле изобугана, напротив. скелет разветвленный. Бутан и изобутан представляьог собои ььрииеры изомерии углеродного скелета. По мере возрастания июла атомов углерода в молекуле углеводорода число изомеров углеродного скелета быстро возрастает. Атомы углерода могут образовывать не только "открытые" цепи, но и замкнутые структуры - циклы: СН2-СН2 СН2 СН2-СН2 СН2 — СН2 циклобутан циклопропзн В этих случаях говорят о циклических соединениях. Если цикл построен только из атомов углерода, говорят о карбоциклнческих соединениях.

Так, циклобутзн и пиклопропан являются карбопиклическими соединениями, карбоциклами или алициклами. !< эив цикла могут ю ь ! и. Г ь.аа говорят о сн — сн ? сн сн О гетрагиарофуран входить и другие атомы, помимо атомов гетероциклических соединеььиях: сн, С.'Н вЂ” -СН сн сн 1 ! сн сн сн, .сн, 0 1чн фурон пипориавн ф сн — сн сн, -сн, !! сн сн СНь СН, Б о тио фон сн СФ сн !! сн сн иирилин АЛКИНЫ СэН2па2 СНаСН СИ=С-СНЗ АЛ КАНЫ С 2 Н 2 и.+ 2 СНь! СНЗ СНЗ СНЗ-СН2-СНЗ Как видно из приведенных примеров, одной и той же обшей формуле соответствует целый ряд (в принципе бесконечный) углеводородов. В этом ряду утлеводороды имеют не только общую формулу, но и сходные свойства. Такие ряды соединений называют гомологическими рядами.

В случае ненасыщенных углеводородов (алкенов и алкинов), помимо изомерии углеродного скелета, возможна изомерия, свяьаиная с различным положением кратной связи (двойной или тройной), например: АЛКЕНЫ С-пН2п СНЗ=СН2 СН2=СН-СНЗ С Р!3-СН2-СН=СН2 СНЗ-СН=СН-СНЗ буге н- ! бутен-2 лаокоон Помимо подразделения углеводородов на циклические и ацик.ьические (т.е. с открытой цепью атомов углерода), выделяют также ь ь. к ьиценные, ненасьпценные и ароматические углеводороды. Насыщенные углеводороды, или алканы, соответствуют обшей формуле С„Н2п+2. В этих соединениях между атомами углерода существуют только одинарные (или простые) связи. Если в молекуле углеводорода имеется одна двойная связь между углеродныььи атомами, то это соединение принадлежит к алкенам, общая формула которых СиН2п, При наличии в молекуле одной тройной связи между атоьььььььь углерода мы имеем дело с алкинами формулы С„Н2п 2.

ТАБЛ И11А ! англ !к1(ио!дальная грудища Пример соединения Класс соединений -ОН пщроксильная .С вЂ”.О карбонильная сг1ирты фенолы альдегиды СН сн~ 'сн или ~ сн, сн ~=н СН СН сн с сн С1н !! с сн СН СН или нафголин кето ны бонзов -~=О ОН карбоксильная -МН2 амино карбоновые кислоты С2Н~1ЧН2 Снэ о"ксилол толу оп м-ксилол и-ксилол СН3-СН2-ОН эта пол ТАБЛ И?3А 2 Нефункциональная группа Класс соединений Пример соединения Г, СК Вг,) г402 ягсН3. -ОС2Н3 Ароматические углеводороды содержат в своем составе одно или несколько бензольных колеи.

Эти соединения, формально ненасыщенные, по свойствам сильно отличаются от алкенов и поэтому представляют собой отдельный класс углеводородов. Из сказанного выше видно, что уже углеводороды, т.е. соединения, построенные из углерода и водорода, представляют собой большое разнообразие органических соединений. Помимо углерода и водорода, в состав молекул органических веществ чаШе всего входят также атомы кислорода, азота, серы. галогенов. Соепинения, содержащие перечисленные атомы, можно рассматривать как углеводороды, в которых олин или несколько атомов вопорода замещены на другой атом или группу атомов: СН3-СН2-С1 СН3-С О СН3-ХН2 хлорэтан Н метиламин уксус ный альде гид Наличие тех или иных замещающих групп позволяет относить соединения к тому или иному классу.

Так, соединения, содержащие в молекуле атом галогена, называют галогеиопроизводными углеводородов. Наличие гипроксильной группы — ОН характерно для спиртов и фенолов и т. д. 3амещающие группы (заместители) принято подразделять на функциональные и нефункциональные. Ниже приведены примеры функциональных групп и соответствущне им классы органических соединений. СН3-ОН СбН3-ОН СН3-С=О Н Снз-С-СН3 СНЗ С=О ОН Одну оговорку слепует сделать относительно карбоновых кисин Так, существуют соединения, родственные карбоновым кислогам которые формально можно рассматривать как продукты замецчсция ОН-группы в карбоновых кислотах на другие группы.

Эти осдинения относят~я к классу карбоновых ки~л~т и называются фу~~кцпональными производными карбоновых кислот, например: СН3-С О СН3-С О СН3-С О СН3-С С! О ОС 3 (чН2 хлорангидрид СН3-С О сложный амид кислоты ангидрид эфир кислоты кислоты СН3-С=1ч' - нитрил кислоты (замешены на азот оба атома кислорода) К нефункциональным заместителям относятся атомы галогенов, нитро-группы, алкокси-группа (в простых эфирах); галогенпроиз- СН3-СН2-С1 водные нитросоепинения СН3-ХО2 простые эфиры СН3-СН2-О-СН3 Здесь привелены лишь краткие сведения о классификации, принятой в органической химии. На самом леле число к!ассов органических соединений гораздо больше. Органические соединения разньгх классов отли гзк>тс5! !ю химическим и физическим свойствам.

В то же время на!угри одного класса проявляется выраженное постоянство химических свойств. НОМЕНКЛАТУРА ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ Важнейшей составляющей языка химика являются названия соединений. Исторически сложившиеся названия органических соелинений связаны, как правило, с источником соединения (гпкуда впервые было вьшелено) или с его свойствами' СНЗ-ОН С Н;ОН НООС-СН-СН-СООН древесный винный ОН ОН спирт спирт винная ючслота СНЗ-СН-СООН ОН молочная кислота Эти названия, дававшиеся соединениям случайным образом. называются чривиальными. По мере развития органической хихв5н число новых соединений быстро возрастало, и испо.чьзовать тривиальные названия стало неулобно. Потребовалось создание системы построения названия органических соединений, чтобы по названию легко можно бьио бы написать структурную формулу соединения и наоборот.

В настоящее время известно несколько подходов к построению названий органических соединений. Та или иная система построения названий соединений называется номенклатурой. Ниже перечислены известные в настоящее время системы номенклатуры органических соединений: рациональная номенклатура женевская номенкчатура льежска5! номенюцпура номенклатура по чистой и прикладной химии (1Ц РАС) Поэтому одно и тоже соединение может быть названо по-разному в разных номенклатурах, например: чная СНЗ-С-С-СНЗ пинаколин - тривиальное название л О СН метил-трет-бутилкегон — рациональное 3 название 2,2-диметилбутзнон-З - женевское название 3.3-лиметилбутанон-2 — название ПЗРАС П !5асгояшее время наиболее употребительной 5н555яггс5! с!а.'5жыл !а>менклатуры, разработанная Международным союзом цо чв н5й и ! ц5пклалной химии (1ЦРАС), основные принциг5ы которой и и ию хспы в настоящем пособии: Мы ограничимся принципами лля :пц5клических соединений.

' . основной принцип номенклатуры ПЗРАС заключается в том. чтп в '. 5елинении выбирают главную цепь (или родоначальную структуру), например: СНЗ СНЗ-СН-СН2-СН-СН"СН-СНЗ (1) СН ОН СН 3 главная цепче родоначальная структура С-С-С-С-С-С-С СНЗ-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СНЗ гептан Все соелинения рассматривают как углеводород с числом атомов углерода в главной цепи (т.е. за основу берут название родоначальной структуры). Атомы и группы атомов, не входящие в главную цепь (за исключением атомов водорода)„рассматривают как заместители.

В примере (!), заместителями являются три группы СН и группа ОН. Название соединения (1) построенное в соответствии с номенклатурой 1ЦРАС, выглядит следующим образом: 2, 3,6- три5гети5~еп тганод-4 Как видим, за основу названия взята родоначальная структура— ге5гган. Заместители приведены в приставках: "метил" с умножающим префиксом "три"„который указывает число метильных групп, и в суффиксе "ол", обозначающем группу ОН.

Цифры перед приставкой и после суффикса указывают положение ланных заместителей в главной цепи и называются локантами. Заместители, являющиеся простыми углеводородными радикалами, называются, как производные соответствующих предельных углеводородов (алканов): углеводород радикал-заместитель Сн,г - метан СНЗ- метил СНЗСНЗ - этан СНЗСН2- эгил СНЗСН2СНЗ - пропан СНЗСН2СН2- пропил СНЗСНэСН2СНЗ - бутан СНЗСНЗСН2СН2- бугил и т.л. Ниже приведены названия некоторых разветвленных ралика,юв, которые допускает номенклатура П)РАС (они заимствованы из рациональной номенклатуры): альтернативеюе название название радикал ! -мети:гэ гил изо пропил 2-метняпропил изобугил 3-метилбугил изопентил 1-метилпропил втор.-бутил 5 4 3 2 СНЗ-С = С - С = СН СНЗ С2Н5 4-метил-3-этилпентен-3-ин-1 ЧНЗ СНЗ-С- СНЗ С1.13 ~ СНСНЗ СНЗ я СН-СН2- СНЗ СНЗл л , СН-СН2СН2- СНЗ СН,-СН,-ЧНСН3 трет.-бутил 1, 1-диметилэтил пп!рих!ер: ! 2 3 4 З 6 СНЗ-СН-СН-СН2-СН2-СНЗ СНЗ ~н-СНЗ СНЗ 3-Изопро пил-2-метнлгексан 11аличие кратных связей отражается в названии изменением и1 1 икса "ан", характерного для алканов, на суффикс "ен" при наяп и~и двойной связи и '"ин" - при наличии тройной связи.