Органическая химия – химия углерода  и его соединений

Число известных органических соединений (около 6 млн) значительно превышает число соединений всех остальных элементов периодической системы Менделеева.

Органические вещества имеют исключительное значение как вследствие их крайне многообразного практического применения, так и потому, что они играют важнейшую роль в процессах жизнедеятельности организмов.

Имеются существенные отличия в свойствах и реакционной способности органических соединений от неорганических, вследствие чего возникла необходимость в развитии многих специфических методов исследования органических соединений.

Первые теоретические воззрения

Теория радикалов

Первая теория в органической химии — теория радикалов. Согласно теории радикалов органические вещества состоят из «неизменяемых» групп атомов, получивших название радикалов. Радикалы при химических реакциях в неизменном виде переходят из молекулы одного вещества в молекулу другого, подобно тому как переходят из молекулы в молекулу атомы элементов.

Теория типов

Теория типов подчеркивала, что в реакциях органических веществ обнаруживается сходство с реакциями простейших неорганических соединений. Органические вещества предлагалось рассматривать образовавшимися из простейших неорганических веществ замещением в последних одного или нескольких атомов на разные органические группы, названные «остатками» (чтобы не употреблять отвергнутого слова «радикал»).

ТЕОРИЯ СТРОЕНИЯ А.М. БУТЛЕРОВА

1.         Атомы в молекулах соединены друг с другом химическими связями в соответствии с их валентностью.

2.         Атомы в молекулах органических веществ соединяются между собой в определенной последовательности, что обуславливает химическое строение молекулы.

3.         Свойства органических соединений зависят не только от числа и природы входящих в их состав атомов, но и от химического строения молекул.

4.         В молекулах существует взаимное влияние атомов как связанных, так и непосредственно друг с другом не связанных.

5.         Химическое строение вещества можно определить в результате изучения его химических превращений и, наоборот, по строению вещества можно характеризовать его свойства.

УГЛЕРОД

Атомы углерода способны соединяться друг с другом в цепи различного строения.

Наиболее важными считаются соединения углерода и водорода

(углеводороды), остальные классы органических веществ – их производные.

Теория строения   органического вещества позволяет    сделать вывод   относительно углерода в   связи    с   его   положением в +6 периодической системе:

1.Углерод четырехвалентен     1s² 2s2_р2

2.Все   валентности атома    углерода равнозначны и размещены симметрично

CH3CH

H3C C CH3                       H3C C CH3                                     H2CCCH2                                     H3C CCH CH3

3. Атомы углерода способны образовывать связи друг с другом

                                                                                                                                                                                                                                                                                    CH3 CH3

                                                                       CH3                                                                               CH3                                                                                                                                                                                   CH3                                                                               CH3                                                                      CH3                                 C C

H3CCH3 H3C C C CH3 H3C C C C CH3 C C

H3CCH3

                                                                       CH3                                                                               CH3                                                                                                                                                                                   CH3                                                                               CH3                                                                   H3C

                                                                                                                                                                                                                                                                                   CH3 CH3

4. Атомы углерода способны образовывать кратные связи

                                                                одинарные                   двойные тройные

ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ

Органогены – химические элементы, входящие в состав органических молекул

                       1.Углерод (валентность 4)            5. Фосфор (валентность 5)

                       2.Водород (валентность 1)  6. Сера (валентность 2)

3.Кислород (валентность 2) 7. Галогены (валентность 1) 4.Азот (валентность 3 и 4)

Углеродный скелет (углеродная цепь) – это последовательность всех химически связанных

между собой атомов углерода

OHOH

                                      Br CC Cl    BrCCCl

HH

Функциональная группа – атом или группа атомов, определяющая принадлежность соединения к данному классу и ответственная за его химические и физические свойства

Радикал – фрагмент молекулы, обладающий единицей

свободной валентности

CH3

                                                                H                       H H          H

                                                                             H C H H C C ^H                                                                                               H C H

                                                                      CH₃                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                         H HO

CH3

                                                  метил                  этил                 метокси фенил

КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ТИПУ УГЛЕРОДНОЙ ЦЕПИ

КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ФУНКЦИОНАЛЬНЫМ ГРУППАМ

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, 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, уксусная кислота, масляная кислота, гликоль, аланин и многие другие.

Рациональная номенклатура этой номенклатуре за основу — по                           Систематическая номенклатураноменклатура IUPAC — —

международная единая химическая наименования органического номенклатура. Систематическая соединения обычно принимают номенклатура основывается на название наиболее простого (чаще современной теории строения и всего первого) члена данного классификации органических гомологического ряда. Все соединений и пытается решить остальные соединения главную проблему номенклатуры: рассматриваются как производные название каждого органического этого соединения, образованные соединения должно содержать замещением в нем атомов водорода правильные названия функций углеводородными или иными

(заместителей) и основного скелета радикалами (например: углеводорода и должно быть таким, триметилуксусный альдегид, чтобы по названию можно было метиламин, хлоруксусная кислота, написать единственно правильную метиловый спирт). структурную формулу.

ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМАТИЧЕСКОГО НАЗВАНИЯ СОЕДИНЕНИЯ

1.    Выбрать самую длинную углеродную цепь.

2.    Пронумеровать ее с той стороны, к которой ближе радикалы, или старший заместитель, или кратная связь ( в зависимости от класса вещества).

3.    Указать в префиксе положение (номер атома углерода) и название радикала, заместителя, функциональной группы в алфавитном порядке.

4.    Записать корень, соответствующий числу атомов углерода в главной цепи.

5.    Указать суффикс, если есть соответствующие функциональные группы.

6.    Если в веществе несколько одинаковых радикалов, заместителей, связей или функциональных групп, то они называются вместе, с использованием числительных: 2 - ди, 3 – три, 4 – тетра и т.д.

7.    При написании названия все цифры отделяются друг от друга запятыми, а от букв – дефисами.

НОМЕНКЛАТУРА АЦИКЛИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ (АЛКАНОВ)

Суффикс у ациклических углеводородов (алканов) –ан.

1                 2           3           4              5           6                                       7            6             5           4            3            2 1

CH₃ CH            CH     CH₂       CH     CH₃      CH₃ CH₂ CH CH CH CH CH₃

                                       CH₃ CH₃                      CH₃            CH₃ CH₂ CH₃ CH₃

(но не 2,4,52,3,5-триметилгексан-триметилгексан) ^CH₂ ^CH₂ ^CH₃

2,3,5-триметил-4-пропилгептан

НОМЕНКЛАТУРА ЭТИЛЕНОВЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ (АЛКЕНОВ)

Суффикс у этиленовых углеводородов (алкенов) –ен.

                            5            4            3           2          1                                          6            5          ^{4 3}

                                   CH₃ CH₂ CH CHCH₂    CH₃ CH CH₂ CH CH₂ CH₂CH₃

                                                                                 CH₃                                                                        CH3 CH₂ CH₁ 2

                                                               3-метилпентен-1 5-метил-3-пропилгексен-1

                                                  (или 3-метил-1-пентен)             (или 5-метил-3-пропил-1-гексен)

Для углеводорода CH₂=CH₂ сохраняется несистематическое название – этилен.

НОМЕНКЛАТУРА АЦЕТИЛЕНОВЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ (АЛКИНОВ)

Суффикс у ацетиленовых углеводородов (алкинов) –ин.

                                                1        2       3            4             5                                                  1        2       3            4 5

                                               HC C CH₂ CH₂ CH₃    HC C CH₂ CH CH₃

                                                                         пентин-1                                               ^CH3

(или 1-пентин)

4-метилпентин-1 Для углеводорода CH≡CH сохраняется несистематическое (или 4-метил-1-пентин) название – ацетилен.

НОМЕНКЛАТУРА ГАЛОГЕНОПРОИЗВОДНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ

           1             2            3            4           5             6                                              1             2            3            4 5

CH₃           CH      CH      CH     CH₂     CH₃          CH₃ CHCH      CH    CH₃

                                       Cl        Cl        CH₃                                                         Br

                                    4-метил-2,3-дихлоргексан            _CH¹ _{2    CH}²  _CH³ ₂                          4-бромпентен-2

                                                                                                                                                                           Br         I         Cl

1-бром-2-иод-3-хлорпропан

НОМЕНКЛАТУРА СПИРТОВ И ФЕНОЛОВ

Суффикс у спиртов и фенолов –он.

5              4           3             2           1                                          2           1                                 4             3           2 1

CH₃ CH         CH₂      CH              CH₃ CH₃ CH₂ CH CH₂OH           CH₃ CH C CH₂OH

3

                             CH₃                  OH                                                CH OH5         6                     CH₃

     (или 4-4метилпентанол-2                               4CH2CH2CH3 2-метил-метилбутен-2-бутен-2--1-олол-1)

                                    -метил-2-пентанол)                                 2-                             -1,3                                           (или 2

этилгександиол

НОМЕНКЛАТУРА АЛЬДЕГИДОВ И КЕТОНОВ

Суффикс у альдегидов –аль, кетонов –он или -дион

^OO

6              5              4             3                                27                                  6             5        4             3 2

CH₃ CH₂ CH₂ CH CH₂ C                                                  CH₃ CH₂ C                                                                                                CH CH₂ CH₂

                                                                                          CH₃                                                         HH

CH3 3-метилгексаналь 5-метилгептен-4-аль (или 5-метил-4-гептеналь)

5              4           3             2            1                                                         5                4           3             2            1

CH₂CH CH₂ CO CH₃                              CH₃ CO CH₂ CO CH₃

                                      пентен-4-он-2   2,4-пентандион (или пентандион-2,4)

НОМЕНКЛАТУРА КАРБОНОВЫХ КИСЛОТ

Суффикс у карбоновых кислот –овая кислота

^OO

6              5              4             3                                27                                  6             5        4             3 2

CH₃ CH₂ CH₂ CH CH₂ C                                                  CH₃ CH₂ C                                                                                                CH CH₂ CH₂

HH

                                                                                   CH3                                                           CH3

                               3-^{метилгексаналь}        5-метилгептен-4-аль (или 5-метил-4-гептеналь)

5             4           3             2            1                                                         5             4           3             2 1

CH₂CH CH₂ CO CH₃                             CH₃ CO CH₂ CO CH₃

                                    пентен-4-он-2    2,4-пентандион (или пентандион-2,4)

НОМЕНКЛАТУРА АЗОТСОДЕРЖАЩИХ СОЕДИНЕНИЙ

Приставка у нитросоединений нитро–, суффикс у аминов -амин

            1            2            3           4                                8              10

CH₃ CH CH CH_{3                                   7}

NH

                                          NO2 CH3                              6

                                         2-нитро-3-метилбутан      5                                                 3            ^NO2 дифениламин

2-нитронафталин

ГОМОЛОГИЯ И ГОМОЛОГИЧЕСКИЕ РЯДЫ В ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ

Гомологи – вещества, расположенные в порядке возрастания относительных молекулярных масс, сходных

по строению и свойствам, но отличающихся друг от друга по составу на одну или несколько групп –СН2.

Гомологический ряд предельных углеводородов

                                                                         H                          H H

CH

H C H ²

                                                                         H                          H H          H H H

                                                                      CH4                         С2Н6          С3Н8

CnH2n+2

Гомологический ряд предельных одноатомных спиртов

                                                                                 H                          H H       H H H

H C OH H C C OH H C C C OH

                                                                                 H                          H H       H H H

                                                                           CH4O                     C2H6O    C3H8O

CnH2n+2O

ИЗОМЕРИЯ

Изомеры – это вещества, которые имеют одинаковую молекулярную формулу, но различное химическое строение, а поэтому обладают разными свойствами.

Изомерия углеродного скелета обусловлена различным

порядком связи атомов углерода

CH₃ CH₂ CH₂ CH₂ CH₃

                                                                                    пентан     CH3CH CH2 CH3

CH₃

2-метилбутан

Изомерия положения возникает в тех случаях, когда функциональные группы, отдельные гетероатомы или кратные связи расположены в различных местах углеродного скелета

CH₃ CH₂ CH₂ CH₂ OH CH₃CH CH₂ CH₃ OH

                                                                                    бутанол-1       бутанол-2

H₂CCH CH₂ CH₃ CH₃ CHCH CH₃ бутен-1    бутен-2

Межклассовая изомерия обусловлена различным положением и сочетанием атомов в молекулах веществ, имеющих одинаковую

молекулярную формулу, но принадлежащих различным классам

H₂CCH CH₂ CH₃ бутен_-1    H2CCH2 H₂CCH₂

циклобутан

Геометрическая изомерия наблюдается в соединениях, содержащих кратные связи или плоские циклы. В отличие от простой связи, кратная связь не позволяет вращать вокруг нее отдельные фрагменты молекулы

HOOCCOOH               HOOCH

                                                                    CC              CC

                                                                                 HH              HCOOH

                                              малеиновая кислота              фумаровая кислота

(цис-1,2-этилен-дикарбоновая кислота)   (транс-1,2-этилен-дикарбоновая кислота)

Оптическая изомерия возникает в тех случаях, когда два изомера, представляют собой зеркальное отражение друг друга. Таким свойством

обладают молекулы, которые могут быть представлены в виде одиночного атома углерода, имеющего четыре различных заместителя

CH₃CH₃

                                                  HCOOH    HOOCH

H₂NNH₂

КОНФОРМАЦИЯ

Конформация – пространственная структура молекулы, изменение которой происходит без разрыва одних и образования других связей

Конформации (I-VI) различаются по устойчивости, т.е. обладают неодинаковой потенциальной энергией, величина которой определяется торсионным и вандерваалъсовым напряжениями.

Торсионное напряжение возникает в результате взаимодействия электронов противостоящих связей, т.е. оно возникает в заслоненных конформациях (I, III, V).

Ван-дер-ваальсовое напряжение появляется при достаточно близком расположении объемных заместителей и приводит к их взаимному отталкиванию.

Такой фактор неустойчивости присущ заслоненной и скошенной конформациям (I, II, VI). Таким образом, наиболее устойчива заторможенная (анти-) конформация (IV), в которой все виды напряжений минимальны.

Промежуточное положение занимают частично заслоненные (III и V) и скошенные (II и IV) конформации.

D, L-НОМЕНКЛАТУРА

E, Z-НОМЕНКЛАТУРА

Для обозначения конфигурации указывают цис- (Z, от немецкого zusammen - вместе) или транс- (Е, от немецкого entgegen - напротив) расположение старших заместителей при двойной связи.

В Z,E-системе старшими считаются заместители с большим атомным номером. Если атомы, непосредственно связанные с ненасыщенными углеродами, одинаковы, то переходят ко "второму слою", в случае необходимости - к "третьему слою" и т.д.

                                                                  17                                7             7 17

                                                                                                          ClNO₂       O₂NCl

R, S-НОМЕНКЛАТУРА

Для определения R- или Sконфигурации оптического изомера по проекционной формуле необходимо путем четного числа перестановок расположить заместители так, чтобы самый младший из них оказался внизу проекции. Падение старшинства остальных трех заместителей по часовой стрелке соответствует Rконфигурации, против часовой

стрелки - S-конфигурации