Ингибиторный анализ. Свободные радикалы. Определение, номенклатура, классификация. Что такое свободные радикалы

Таблица 12.1.

Алканы ациклопического ряда C n H 2 n +2 .

Таблица 12.2.

Названия развлетвленных радикалов.

Радикал (свободный радикал, от фр. Radical и лат. Radicalis — «коренной», «имеющий корень», от лат. Radix, «корень») в химии — парамагнитная частица (атомы или молекулы) с неспаренных электронов на внешней атомной или молекулярной орбитали.

Общая характеристика

Радикалы могут быть нейтральным или нести положительный или отрицательный заряд. В зависимости от характера орбитали, которую занимает неспаренный электрон, различают π-радикалы и σ-радикалы. В зависимости от природы центрального атома (атома с наибольшей спиновой плотности) различают С ·, В ·, N · и другие атомоцентровани радикалы.

Первый органический свободный радикал, трифенилметиловий радикал был идентифицирован Мозесом Гомберг в 1900 году в Университете Мичигана.

Свободные радикалы играют важную роль в горении, химических превращениях в атмосфере, полимеризации, химии плазмы, биохимических и многих других процессах. В биологических системах свободнорадикального окисления могут подлежать нуклеиновые кислоты, белки, липиды и другие вещества, среди этих реакций особенно важное значение имеет перекисное окисление липидов. Некоторые свободные радикалы, такие как супероксид-анион и моноксид азота, во многих организмов регулируют определенные процессы, например изменение тонуса кровеносных сосудов. Они также играют роль в промежуточном метаболизме различных соединений. Эти радикалы могут быть посредниками в так называемом «редокс сигналюванни».

Свободные радикалы в химических реакциях

Свободные радикалы могут возникать под действием тепла, катализаторов, ультрафиолетового и радиационного излучения, других воздействий на молекулы. Характерная особенность свободных радикалов — высокая химическая активность, обусловленная наличием свободных валентностей (неспаренных электронов). Большинство свободных радикалов имеют малую продолжительность жизни (на уровне нескольких мс). Свободные радикалы играют важную роль в гетерогенном катализе, ферментативных процессах в живых организмах, в реакциях быстрого окисления — горение, в важных промежуточных процессах — крекинга, пиролиза, полимеризации, процессах, которые включают МЕХАНОХИМИЧЕСКИ активацию и др. Свободные радикалы с кинетической энергией, которая намного превышает определенное среднее значение, характерное для него, называют горячим радикалом.

Термины «радикал» и «свободный радикал» иногда используются равнозначно, однако радикал может быть связан за счет ван-дер-вальсивських или других нековалентных связей.

Исторический срок

Исторически термин «радикал» также использовался для описания частей молекулы, особенно когда они остаются неизменными во время реакций, такое определение все еще можно найти в старых учебниках. Например, метиловый спирт описывался как составляющая метилового и гидроксильного радикалов. Ни один из этих «радикалов» не был радикалом в современном химическом смысле, поскольку они были постоянно связаны и не имели неспарованих электронов. В масс-спектрометрии, однако, эти группы отделяются в виде радикалов под градом высокоэнергичных электронов и могут наблюдаются как отдельные частицы. Сейчас для обозначения частей больших молекул используются термины «заместитель» или «функциональная группа».

В живых организмах

Свободные радикалы задействованы в ряде биологических процессов, в частности они необходимы для внутриклеточного уничтожения бактерий фагоцитами — гранулоцитами и макрофагами. Также эти частицы участвуют в клеточном сигналюванни (так называемое «редокс сигналювання»).

Среди свободных радикалов производных кислорода в биологических системах важнейшими являются супероксид-анион и гидроксильный радикал, оба формируются из кислорода в восстановительных условиях. Из-за высокой реакционной способности эти частицы могут вступать в нежелательные взаимодействия и вредить организму. Чрезмерная концентрация свободных радикалов может привести к повреждению и гибели клеток, в частности при таких патологических процессов как рак, инсульт, инфаркт миокарда, сахарный диабет и другие.

Считается, что нежелательные взаимодействия между свободными радикалами и ДНК и вызванные ими мутации мутаций, которые могут нарушать прохождения клеточного цикла, вносят вклад в образование злокачественных опухолей.

Некоторые признаки старения и связанные с радикалами, например, при развитии атеросклероза они окисляют холестерол до 7 кетохолестеролу.. Также они могут быть задействованы развития болезни Паркинсона, глухоты, вызванной старением или медицинскими препаратами, шизофрении, болезни Альцгеймера. СВОБОДНОРАДИКАЛЬНОГО гипозеза старения утверждает, что именно эти частицы являются основной причиной наступления старости.

Классический свободнорадикальное синдром — гемохроматоз (болезнь накопления железа) — обычно сопровождается набором расстройств, связанных со свободными радикалами — нарушение движения, психоз, аномалии пигмантации кожи, глухота, артрит и сахарный диабет.

Поскольку, во-первых, свободные радикалы необходимы для жизни, а во-вторых, они образуются как побочные продукты метаболизма кислорода, у организмов выработался ряд механизмов, позволяющих противодействовать свободнорадикальным повреждениям. Это, в частности ферменты супероксиддисмутаза, каталаза, глутатионпероксидаза и глутатионредуктаза. Кроме этого существует ряд Неферментный биологических антиоксидантов: витамины A, C и E, полифенолы, убихинон, триптофан, фенилаланин, церулоплазмин, трансферрин, гаптоглобин. Также существуют данные о роли билирубина и мочевой кислоты в процессах обезвреживания свободных радикалов.

В настоящее время известно более 10 млн органических соединений. Такое громадное количество соединений требует строгой классификации и единых международных номенклатурных правил. Этому вопросу уделяется особое внимание в связи с использованием компьютерных технологий для создания разнообразных баз данных.

1.1. Классификация

Строение органических соединений описывается с помощью структурных формул.

Структурной формулой называют изображение последовательности связывания атомов в молекуле при помощи химических символов.

С понятием последовательности соединения атомов в молекуле непосредственно связано явление изомерии, т. е. существования соединений одинакового состава, но различного химического стро- ения, называемых структурными изомерами (изомеры строения). Важнейшей характеристикой большинства неорганических соединений служит состав, выражаемый молекулярной формулой, например хлороводородная кислота HC1, серная кислота H 2 SO 4. Для органи- ческих соединений состав и соответственно молекулярная формула не являются однозначными характеристиками, так как одному и тому же составу может соответствовать много реально существующих соединений. Например, структурные изомеры бутан и изобутан, имея одинаковую молекулярную формулу С 4 Н 10, различаются последовательностью связывания атомов и имеют разные физико-химические характеристики.

Первым классификационным критерием служит деление органических соединений на группы с учетом строения углеродного скелета (схема 1.1).

Схема 1.1. Классификация органических соединений по строению углеродного скелета

Ациклические соединения - это соединения с незамкнутой цепью атомов углерода.

Алифатические (от греч. a leiphar - жир) углеводороды - простейшие представители ациклических соединений - содержат только атомы углерода и водорода и могут быть насыщенными (алканы) и ненасыщенными (алкены, алкадиены, алкины). Их структурные формулы часто записывают в сокращенном (сжатом) виде, как показано на примере н -пентана и 2,3-диметилбутана. При этом обозначение одинарных связей опускают, а одинаковые группы заключают в скобки и указывают число этих групп.

Углеродная цепь может быть неразветвленной (например, в н-пентане) и разветвленной (например, в 2,3-диметилбутане и изопрене).

Циклические соединения - это соединения с замкнутой цепью атомов.

В зависимости от природы атомов, составляющих цикл, различают карбоциклические и гетероциклические соединения.

Карбоциклические соединения содержат в цикле только атомы углерода и делятся на ароматические и алициклические (циклические неароматические). Число атомов углерода в циклах может быть различным. Известны большие циклы (макроциклы), состоящие из 30 атомов углерода и более.

Для изображения циклических структур удобны скелетные формулы, в которых опускают символы атомов углерода и водорода, но символы остальных элементов (N, O, S и др.) указывают. В таких

формулах каждый угол многоугольника означает атом углерода с необходимым числом атомов водорода (с учетом четырехвалентности атома углерода).

Родоначальником ароматических углеводородов (аренов) является бензол. Нафталин, антрацен и фенантрен относятся к полициклическим аренам. Они содержат конденсированные бензольные кольца.

Гетероциклические соединения содержат в цикле, кроме атомов углерода, один или несколько атомов других элементов - гетероатомов (от греч. heteros - другой, иной): азот, кислород, серу и др.

Большое многообразие органических соединений можно рассматривать в целом как углеводороды или их производные, полученные путем введения в структуру углеводородов функциональных групп.

Функциональная группа - это гетероатом или группа атомов неуглеводородного характера, определяющие принадлежность соеди- нения к определенному классу и ответственных за его химические свойства.

Вторым, более существенным классификационным критерием, служит деление органических соединений на классы в зависимости от природы функциональных групп. Общие формулы и названия важнейших классов приведены в табл. 1.1.

Соединения с одной функциональной группой называют монофункциональными (например, этанол), с несколькими одинаковыми функциональными группами - полифункциональными (например,

Таблица 1.1. Важнейшие классы органических соединений

* К функциональным группам иногда причисляют двойную и тройную связи.

** Применяемое иногда название тиоэфиры использовать не следует, так как оно

относится к серосодержащим сложным эфирам (см. 6.4.2).

глицерин), с несколькими разными функциональными группами - гетерофункциональными (например, коламин).

Соединения каждого класса составляют гомологический ряд, т. е. группу родственных соединений с однотипной структурой, каждый последующий член которого отличается от предыдущего на гомологическую разность СН 2 в составе углеводородного радикала. Например, ближайшими гомологами являются этан С 2 Н 6 и пропан С з Н 8 , метанол

СН 3 ОН и этанол СН 3 СН 2 ОН, пропановая СН 3 СН 2 СООН и бутановая СН 3 СН 2 СН 2 СООН кислоты. Гомологи обладают близкими химическими свойствами и закономерно изменяющимися физическими свойствами.

1.2. Номенклатура

Номенклатура представляет собой систему правил, позволяющих дать однозначное название каждому индивидуальному соединению. Для медицины знание общих правил номенклатуры имеет особенно большое значение, так как в соответствии с ними строятся названия многочисленных лекарственных средств.

В настоящее время общепринята систематическая номенклатура ИЮПАК (IUPAC - Международный союз теоретической и прикладной химии)*.

Однако до сих пор сохраняются и широко применяются (особенно в медицине) тривиальные (обыденные) и полутривиальные названия, использовавшиеся еще до того, как становилось известным строение вещества. В этих названиях могут отражаться природные источники и способы получения, особо заметные свойства и области применения. Например, лактоза (молочный сахар) выделена из молока (от лат. lactum - молоко), пальмитиновая кислота - из пальмового масла, пировиноградная кислота получена при пиролизе виноградной кислоты, в названии глицерина отражен его сладкий вкус (от греч. glykys - сладкий).

Тривиальные названия особенно часто имеют природные соединения - аминокислоты, углеводы, алкалоиды, стероиды. Употребление некоторых укоренившихся тривиальных и полутривиальных названий разрешается правилами ИЮПАК. К таким названиям относятся, например, «глицерин» и названия многих широко известных ароматических углеводородов и их производных.

* Номенклатурные правила ИЮПАК по химии. Т. 2. - Органическая химия/пер. с англ. - М.: ВИНИТИ, 1979. - 896 с.; Хлебников А.Ф., Новиков М.С. Современная номенклатура органических соединений, или Как правильно называть органические вещества. - СПб.: НПО «Профессионал», 2004. - 431 с.

В тривиальных названиях дизамещенных производных бензола взаимное расположение заместителей в кольце обозначается префиксами орто- (о-) - для групп, находящихся рядом, мета- (м-) - через один атом углерода и пара- (п-) - напротив. Например:

Для использования систематической номенклатуры ИЮПАК необходимо знать содержание следующих номенклатурных терминов:

Органический радикал;

Родоначальная структура;

Характеристическая группа;

Заместитель;

Локант.

Органический радикал* - остаток молекулы, из которой удаляются один или несколько атомов водорода и при этом остаются свободными одна или несколько валентностей.

Углеводородные радикалы алифатического ряда имеют общее название - алкилы (в общих формулах обозначаются R), радикалы ароматического ряда - арилы (Ar). Два первых представителя алканов - метан и этан - образуют одновалентные радикалы метил СН 3 - и этил СН 3 СН 2 -. Названия одновалентных радикалов обычно образуются при замене суффикса -ан суффиксом -ил.

Атом углерода, связанный только с одним атомом углерода (т. е. концевой), называют первичным, с двумя - вторичным, с тремя - третичным, с четырьмя - четвертичным.

* Этот термин не следует путать с термином «свободный радикал», который характеризует атом или группу атомов с неспаренным электроном.

Каждый последующий гомолог из-за неравноценности атомов углерода образует несколько радикалов. При удалении атома водорода от концевого атома углерода пропана получают радикал н -пропил (нормальный пропил), а от вторичного атома углерода - радикал изопропил. Бутан и изобутан каждый образуют по два радикала. Буква н- (которую разрешается опускать) перед названием радикала указывает, что свободная валентность находится на конце неразветвленной цепи. Префикс втор- (вторичный) означает, что свободная валентность находится у вторичного атома углерода, а префикс трет- (третичный) - у третичного.

Родоначальная структура - химическая структура, составляющая основу называемого соединения. В ациклических соединениях в качестве родоначальной структуры рассматривается главная цепь атомов углерода, в карбоциклических и гетероциклических соединениях - цикл.

Характеристическая группа - функциональная группа, связанная с родоначальной структурой или частично входящая в ее состав.

Заместитель - любой атом или группа атомов, замещающие в ор- ганическом соединении атом водорода.

Локант (от лат. locus - место) цифра или буква, указывающая положение заместителя или кратной связи.

Наиболее широко применяются два вида номенклатуры: заместительная и радикально-функциональная.

1.2.1. Заместительная номенклатура

Общая конструкция названия по заместительной номенклатуре представлена на схеме 1.2.

Схема 1.2. Общая конструкция названия соединения по заместительной номенклатуре

Название органического соединения представляет собой сложное слово, включающее название родоначальной структуры (корень) и названия разного типа заместителей (в виде префиксов и суффиксов), отражающих их природу, местонахождение и число. Отсюда и название этой номенклатуры - заместительная.

Заместители подразделяются на два типа:

Углеводородные радикалы и характеристические группы, обозначаемые только префиксами (табл. 1.2);

Характеристические группы, обозначаемые как префиксами, так и суффиксами в зависимости от старшинства (табл. 1.3).

Для составления названия органического соединения по заместительной номенклатуре используют приводимую ниже последовательность правил.

Таблица 1.2. Некоторые характеристические группы, обозначаемые только префиксами

Таблица 1.3. Префиксы и суффиксы, применяемые для обозначения важнейших характеристических групп

* Атом углерода, отмеченный цветом, включается в состав родоначальной структуры.

** Большинство фенолов имеет тривиальные названия.

Правило 1. Выбор старшей характеристической группы. Выявляют все имеющиеся заместители. Среди характеристических групп определяют старшую группу (если она присутствует), используя шкалу старшинства (см. табл. 1.3).

Правило 2. Определение родоначальной структуры. В качестве родо- начальной структуры в ациклических соединениях используют главную цепь атомов углерода, а в карбоциклических и гетероциклических соединениях - основную циклическую структуру.

Главную цепь атомов углерода в ациклических соединениях выбирают по приведенным ниже критериям, причем каждый последую- щий критерий используют, если предыдущий не приводит к однозначному результату:

Максимальное число характеристических групп, обозначаемых как префиксами, так и суффиксами;

Максимальное число кратных связей;

Максимальная длина цепи атомов углерода;

Максимальное число характеристических групп, обозначаемых только префиксами.

Правило 3. Нумерация родоначальной структуры. Родоначальную структуру нумеруют так, чтобы старшая характеристическая группа получила наименьший локант. Если выбор нумерации неоднозначен, то применяют правило наименьших локантов, т. е. нумеруют так, чтобы заместители получили наименьшие номера.

Правило 4. Название блока родоначальной структуры со старшей характеристической группой. В названии родоначальной структуры степень насыщенности отражают суффиксами: -ан в случае насыщенного углеродного скелета, -ен - при наличии двойной и -ин - тройной связи. К названию родоначальной структуры присоединяют суффикс, обозначающий старшую характеристическую группу.

Правило 5. Названия заместителей (кроме старшей характеристической группы). Дают название заместителям, обозначаемым префиксами в алфавитном порядке. Положение каждого заместителя и каждой кратной связи указывают цифрами, соответствующими номеру атома углерода, с которым связан заместитель (для кратной связи указывают только наименьший номер).

В русской терминологии цифры ставят перед префиксами и после суффиксов, например, 2-аминоэтанол H 2 NCH 2 CH 2 OH, бутадиен-1,3

СН 2 =СН-СН=СН 2 , пропанол-1 СН 3 СН 2 СН 2 ОН.

Для иллюстрации этих правил ниже приведены примеры построения названий ряда соединений в соответствии с общей схемой 1.2. В каждом случае отмечены особенности строения и способ их отражения в названии.

Схема 1.3. Построение систематического названия фторотана

2- бромо-1,1,1-трифторо-2-хлороэтан (средство для ингаляционного наркоза)

При наличии в соединении нескольких одинаковых заместителей при одном и том же атоме углерода локант повторяют столько раз, сколько имеется заместителей, с добавлением соответствующего умножающего префикса (схема 1.3). Заместители перечисляют по алфавиту, причем умножающий префикс (в данном примере - три-) в алфавитном порядке не учитывают. Схема 1.4. Построение систематического названия цитраля

После суффикса -аль, как и для сочетания -овая кислота, можно не указывать положение характеристических групп, так как они всегда находятся в начале цепи (схема 1.4). Двойные связи отражают суффиксом -диен с соответствующими локантами в названии родоначальной структуры.

Суффиксом обозначают старшую из трех характеристических групп (схема 1.5); остальные заместители, включая нестаршие характеристические группы, перечисляют по алфавиту как префиксы.

Схема 1.5. Построение систематического названия пеницилламина

Схема 1.6. Построение систематического названия щавелевоуксусной кислоты

оксобутандиовая кислота (продукт углеводного обмена)

Умножающий префикс ди- перед сочетанием -овая кислота указывает на наличие двух старших характеристических групп (схема 1.6). Локант перед оксо- опущен, так как иное положение оксогруппы соответствует той же структуре.

Схема 1.7. Построение систематического названия ментола

Нумерацию в цикле ведут от атома углерода, с которым связана старшая характеристическая группа (ОН) (схема 1.7), несмотря на то, что наименьший набор локантов всех заместителей в кольце может быть 1,2,4-, а не 1,2,5- (как в рассматриваемом примере).

Схема 1.8. Построение систематического названия пиридоксаля

I Заместители: ГВДРОКСИМЕТИЛ,ГИДРОКСИ, МЕТИЛ I

Альдегидную группу, атом углерода которой не включен в родоначальную структуру (схема 1.8), обозначают суффиксом -карбаль- дегид (см. табл. 1.3). Группу -СН 2 ОН рассматривают как составной заместитель и называют «гидроксиметил», т. е. метил, в котором в свою очередь произведено замещение атома водорода гидроксильной группой. Другие примеры составных заместителей: диметиламино- (CH 3) 2 N-, этокси- (сокращение от этилокси) С 2 Н 5 О-.

1.2.2. Радикально-функциональная номенклатура

Радикально-функциональная номенклатура используется реже, чем заместительная. В основном она применяется для таких классов органических соединений, как спирты, амины, простые эфиры, сульфиды и некоторых других.

Для соединений с одной функциональной группой общее название включает название углеводородного радикала, а наличие функцио- нальной группы отражают опосредованно через название соответствующего класса соединений, принятого в этом виде номенклатуры (табл. 1.4).

Таблица 1.4. Названия классов соединений, используемые в радикальнофункциональной номенклатуре*

1.2.3. Построение структуры по систематическому названию

Изображение структуры по систематическому названию представляется обычно более легкой задачей. Сначала записывают родо- начальную структуру - открытую цепь или цикл, затем нумеруют атомы углерода и расставляют заместители. В заключение дописывают атомы водорода с условием, чтобы каждый атом углерода оказался четырехвалентным.

В качестве примера приводится построение структур лекарственного средства ПАСК (сокращение от пара-аминосалициловой кислоты, систематическое название - 4-амино-2-гидроксибензойная кислота) и лимонной (2-гидроксипропан-1,2,3-трикарбоновой) кислоты.

4-Амино-2-гидроксибензойная кислота

Родоначальная структура - тривиальное название цикла со старшей характеристической

группой (СООН):

Расстановка заместителей - группа у атома С-4 и группа ОН у атома С-2:

2-Гидроксипропан-1,2,3-трикарбоновая кислота

Главная углеродная цепь и нумерация:

Расстановка заместителей - три группы СООН (-трикарбоновая кислота) и группа ОН у атома С-2:

Дополнение атомами водорода:

Следует заметить, что в систематическом названии лимонной кислоты в качестве родоначальной структуры выбран пропан, а не более длинная цепь - пентан, так как в пятиуглеродную цепь невозможно включить атомы углерода всех карбоксильных групп.

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИИ

Москва – 2006 г.

Министерство образования Российской Федерации

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИИ

Кафедра «Общая и физическая химия»

НОМЕНКЛАТУРА ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

Методические указания

Под редакцией д.х.н., проф. В.С. Первова

Москва – 2006г.

Допущено редакционно-издательским советом

Составители: Г.Н.Беспалов,Г.С.Исаева,И.В.Ярошенко, Е.Д.Стрельцова

УДК. 5.4.7.1

Номенклатура органических соединений. Методические указания./Сост.:Г.Н.Беспалов, Г.С.Исаева, И.В.Ярошенко, Е.Д.Стрельцова

М.: МГУИЭ, 2006, 28 с., 2 табл.

Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по специальностям 1705, 1705.06: 1705.07, 1712.03, изучающих органическую химию. В работе рассматриваются основы системы наименований веществ по рациональной номенклатуре и номенклатуре ИЮПАК. Для проверки усвоения материала предлагаются пятнадцать вариантов заданий.

Рецензенты: кафедра химической технологии плас-тических масс МХТИим. Д.И.Менделеева.

д.х.н., проф., А.Л.Русанов, ИНЭОС РАН.

© Г.Н. Беспалов, Г.С.Исаева,И.В.Ярошенко, Е.Д.Стрельцова

ВВЕДЕНИЕ

Номенклатура – это система наименований веществ. Основное требование, предъявляемое к научной номенклатуре, состоит в том, чтобы она однозначно определяла то или иное химическое соединение, исключая возможность смешения этого соединения с другим, была бы простой и позволяла бы по названию соединения построить его структурную формулу.

Существует несколько различных систем. Одной из первых является тривиальная номенклатура . До сих пор многие органические соединения имеют случайные исторически сложившиеся названия. Одни из них связаны с нахождением в природе, другие с методом получения, третьи – отражают физическое состояние и так далее. Бензол, спирт, метан, гремучая кислота, муравьиная кислота, ацетон, эфир – это тривиальные названия органических веществ. Эти названия не объединены по определённому признаку в стройную систему и не отражают строение молекул органических веществ. Однако, многие природные и синтетические вещества сложной структуры до сих пор имеют тривиальные названия в силу их краткости и выразительности.

Появление теоретических основ органической химии привело к созданию новых систем классификации и, следовательно, новых способов наименования органических соединений, отражающих химическое строение. Это означает, что по названию можно однозначно составить структурные формулу вещества и по структурной формуле дать название вещества. Так появилась рациональная номенклатура и Женевская номенклатура, дальнейшее развитие которой привело к созданию системы ИЮПАК , преложенной Международным союзом чистой прикладной химии, рекомендованной для названия всех органических веществ. Однако в практической деятельности приходится сталкиваться с различными системами названий органических веществ.

Для составления названий органических веществ как по рациональной номенклатуре, так и по системе ИЮПАК необходимо знать названия углеводородных радикалов. Углеводородные радикалы – это частицы, которые получаются при отрыве одного или нескольких атомов водорода от молекулы углеводорода. В молекулах углеводородов следует различать первичные, вторичные, третичные и четвертичные атомы углерода, что определяется числом его связей с соседними углеродными атомами. Первичный имеет одну связь с атомом углерода, вторичный – две связи с атомом или атомами углерода, третичный – три, четверичный – четыре.

При отрыве атома водорода от первичного атома углерода получается первичный радикал (то есть свободная единица валентности имеется у первичного атома углерода), от вторичного – вторичный радикал , от третичного – третичный радикал .

В таблице 1 приведены формулы предельных углеводородов и образованных от них радикалов, а также их названия. Как видно из таблицы, от метана и этана можно образовать лишь по одному радикалу. От пропана, углеводорода с тремя атомами углерода, можно образовать уже два изомерных радикала – пропил и изопропил в зависимости от какого атома углерода (первичного или вторичного) отрывается атом водорода. Начиная с бутана, у углеводородов появляются изомеры . В соответствии с этим увеличивается и число изомерных радикалов: н.бутил, втор. бутил, изобутил, трет. бутил.

Название последующих углеводородов складывается из греческого числительного, соответствующего числу атомов углерода в молекуле и суффикса «ан».

С увеличением числа атомов углерода в углеводороде возрастает количество изомеров, растёт и количество радикалов, которые можно от них образовать.

Специальных названий большинство изомеров не имеет. Однако по рациональной номенклатуре и номенклатуре ИЮПАК можно назвать любое сколь угодно сложное соединение, используя названия простых радикалов.

Таблица 1.

Предельные углеводороды и их радикалы.

В таблице 2. приведены некоторые непредельные и ароматические углеводороды и соответствующие им радикалы Таблица 2. Непредельные и ароматические углеводороды и их радикалы.

РАЦИОНАЛЬНАЯ НОМЕНКЛАТУРА

Рациональная номенклатура базируется на теории типов . В основе этой системы лежит названия простейших членов гомологических рядов: метана , если отсутствуют двойные связи, этилена , если присутствует одна двойная связь, и ацетилена , если в соединении есть одна тройная связь. Все остальные углеводороды рассматриваются как производные этих простейших углеводородов, полученные путём замещения одного или нескольких атомов водорода на углеводородные радикалы . Для того, чтобы назвать то или иное соединение нужно перечислить радикалы-заместители, а затем назвать соответствующий углеводород. Перечисление радикалов нужно начать с простейшего метила, а затем по мере усложнения – этил, пропил и т.д.. Разветвленные радикалы считаются более сложными, чем нормальные с тем же числом атомов углерода. Такое
соединение можно назвать метилэтилизопропилметан. Если в соединении содержится несколько одинаковых радикалов, то следует указать сколько этих радикалов содержится в соединении, используя умножающие приставки – греческие числительные: 2 – ди, 3 – три, 4 – тетра, поэтому соединение будет называться триметилэтилметан.

За центральный атом метана лучше выбирать тот углеродный атом, при котором находится наибольшее число заместителей. В зависимости от того, какой атом углерода выбирается за центральный атом метана, одному и тому же веществу по рациональной номенклатуре можно дать несколько различных названий.

Аналогичным образом называются и соединения с двойной и тройной связями:

Для того, чтобы различить два изомерных соединения можно использовать два способа. В первом соединении радикалы-заместители располагаются у двух разных углеродных атомов, связанных двойной связью, симметрично относительно двойной связи. Во втором соединении оба радикала располагаются у одного и того же углеродного атома, т.е. несимметрично относительно двойной связи.

Поэтому они так и называются: первое – симметрично метилэтилен , а второе - несимметрично метилэтил-этилен. Во втором способе один углеродный атом углерода, соединенный с более простым радикалом обозначается греческой буквой  , другой - . При названии таких соединений указывают, при каком углеродном атоме какой находится радикал. Таким образом первое соединение будет называться  -метил-  -этилэтилен , а второе -  -метил-  -этилэтилен.

Название углеводородов, молекула которых имеет симметричное строение, т. е. состоит из двух одинаковых радикалов, составляется из названий этих радикалов и приставки ди-

Циклические углеводороды в рациональной номенклатуре рассматриваются как полиметилены и называются по количеству метиленовых групп, входящих в кольцо, причём используются греческие числительные:

Если в цикле имеются заместители, то они перечисляются перед названием основного цикла. Такое

соединение будет называться метилгексаметилен.

Рациональная номенклатура до сих пор используется при наименовании сравнительно простых соединений, особенно, когда хотят подчеркнуть фукциональный тип соединения. Однако наименование сильно разветвлённых углеводородов вызывает затруднения, так как отсутствуют названия сложных радикалов.

НОМЕНКЛАТУРА ИЮПАК

Номенклатура ИЮПАК (IUPAC), предложенная Международным союзом чистой и прикладной химии, даёт возможность назвать любое сколь угодно сложное соединение. Эта номенклатура является развитием и упорядочением Женевской номенклатуры, с которой она имеет много общего.

В этой номенклатуре первые четыре предельных углеводорода нормального строения имеют тривиальные названия: метан, этан, пропан и бутан. Названия последующих нормальных (неразветвлённых) углеводородов образуются от основы греческих числительных с добавлением окончания -ан: С 5 Н 12 - пентан, С 6 Н 14 - гексан, С 7 Н 16 -гептан и т. д. (см. табл.1)

Для названия разветвлённых углеводородов необходимо выбрать самую длинную нормальную цепь . Если в углеводороде можно выделить несколько цепей одинаковой длины, то следует выбрать самую разветвлённую цепь . Название этого углеводорода, соответствующего самой длиной цепи, принимается за основу названия данного углеводорода. Следовательно, углеводород, имеющий строение

будет рассматриваться как производное гептана. Эту самую длинную цепь нумеруют , причём направление нумерации выбирают так, чтобы цифры, указывающие положение боковых цепей, были бы наименьшими. Для каждого бокового заместителя арабской цифрой указывают место расположения его в цепи и дают название. Если в соединении находится несколько одинаковых заместителей, то наряду с указанием места расположения каждого заместителя с помощью умножающих приставок (греческих числительных) ди-, три-, татра- и так далее, указывается их количество. Боковые заместители перечисляют в порядке возрастания их сложности: метил СН 3 – менее сложен, чем этил С 2 Н 5 -, т.е. радикал с меньшим числом атомов углерода менее сложен, чем с большим числом атомов. При одинаковом числе атомов углерода менее сложен тот радикал, у которого основная цепь

длиннее: втор. бутил
менее сложен, чем трет. бутил

Таким образом, приведённое ранее соединение будет называться 2,2,5-триметил-3-этилгептан.

При наличии в углеводороде кратных связей за главную цепь принимается самая длинная, которая содержат двойную или тройную связь. Если в углеводороде имеется одна двойная связь, то окончание –ан в названии предельного углеводорода, соответствующего в этой цепи, заменяется на окончание – ен и арабской цифрой указывается номер атома углерода, у которого начинается двойная цепь. Так соединение

будет называться гептин-3.

Если в соединении содержатся две двойные или тройные связи, то окончания названий углеводородов должны быть – диен или - диин соответственно с указанием номеров атомов, у которых начинаются кратные связи:

При наличии двойной и тройной связей окончание в названии углеводорода будет –ен-ин с указанием номеров атомов, у которых начинаются соответствующие кратные связи:

В случае разветвлённых непредельных углеводородов главную цепь выбирают таким образом, чтобы положения двойных и ройных связей были обозначены наименьшими номерами.

Названия циклических углеводородов образуют, добавляя к названию предельного углеводорода с тем же числом атомов углерода приставку цикло-

При наличии боковых заместителей указывается их местоположение, количество и название, после чего называется циклический углеводород.

Если в цикле содержатся кратные связи, то это отражается на изменении окончания на -ен при наличии двойной связи или на окончание на –ин при наличии одной тройной связи.

Для простейшего моноциклического ароматического соединения сохраняется тривиальное название – бензол. Кроме того, сохраняются тривиальные названия некоторых замещённых ароматических углеводородов

Моноциклические ароматические углеводороды рассматриваются как производные бензола, полученные путём замещения атомов водорода на углеводородные радикалы. Для того, чтобы назвать то или иное ароматическое соединение следует пронумеровать атомы углерода бензольного кольца, указать положения заместителей в кольце, указать сколько их, назвать эти радикалы, после чего назвать ароматический углеводород. Положения заместителей следует обозначать наименьшими номерами. Таким образом, соединение

будет называться 1,4-диметил-2-этилбензол.

Если в бензольном кольце имеется только два заместителя, то вместо цифр 1,2- , 1,3- и 1,4- можно соответственно использовать обозначения орто (о-), мета (м-) и пара (п-)

Названия некоторых конденсированных и полициклических ароматических углеводородов и порядок нумерации атомов углерода приводятся далее.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.

Павлов Б.А., Терентьев А.П.. Курс органической химии. М.-Л.

Домашнее задание 1

Вариант 1,16

а) (CH 3) 2 (CH) 2 (C 2 H 5) 2 ,

б) (CH 3) 2 CCH(CH 3)

а) метилизопропилтрет.бутилметан,

б) метилэтилацетилен.

а) 2,2,3-триметилбутан,

б) 3,4-диметилгексен-3.

Вариант 2,17

1. Напишите в развернутом виде структурные формулы следующих углеводородов и назовите их по рациональной номенклатуре и номенклатуре ИЮПАК. Укажите сколько первичных, вторичных, третичных и четвертичных углеродных атомов в каждом соединении:

а) (CH 3) 3 CCH(CH 3)CH(CH 3)(C 2 H 5)

б) (СН 3)(С 2 Н 5)С 2 (С 2 Н 5) 2 .

2. Напишите структурные формулы следующих соединений

и назовите их по номенклатуре ИЮПАК:

б) -метил--этил--втор.бутилэтилен.

3.Напишите структурные формулы следующих соединений и назовите их по рациональной номенклатуре:

а) 2,2,3,4-тетраметил-3-этилпентан,

б) 2,5-диметилгексин-3.

: Вариант 3,18

1. Напишите а развернутом виде структурные формулы следующих углеводородов и назовите их по рациональной номенклатуре и номенклатуре ИЮПАК. Укажите сколько первичных, вторичных, третичных и четвертичных углеродных атомов в каждом соединении:

а) (CH 3) 3 ССН(С 2 Н 5)СН(СН 3)(С 2 Н 5),

б) (CH 3) 2 CHС 2 СН(CH 3) 2 .

2. Напишите структурные формулы следующих соединений и назовите их по номенклатуре ИЮПАК

а) этилдивтор.бутилметан,

б) изопропилтрет.бутилацетилен.

3. Напишите структурные формулы следующих соединений и назовите их по рациональной номенклатуре:

а) 2,2-диметил-3-этилпентан,

б) 2,2,5,5-тетраметилгексен-3

Вариант 4,19

1. Напишите а развернутом виде структурные формулы следующих углеводородов и назовите их по рациональной номенклатуре и номенклатуре ИЮПАК. Укажите сколько первичных, вторичных, третичных и четвертичных углеродных атомов в каждом соединении:

а) (CH 3) 2 (СН) 4 (СН 3)(С 2 Н 5),

б) (CH 3) 3 С 2 (СН 3)(С 2 Н 5)СН(СН 3) 2 .

а)метилизопропилтрет.бутилметан,

б)сим.втор.бутилтрет.бутилэтилен.

3. Напишите структурные формулы следующих соединений и назовите их по рациональной номенклатуре:

а)2,2,4,4-тетраметил-3-этилпентан,

б) 2,2,5-триметилгексин-3.

Вариант 5,20

1. Напишите в развернутом виде структурные формулы следующих углеводородов и назовите их по рациональной номенклатуре и номенклатуре ИЮПАК. Укажите сколько первичных, вторичных, третичных и четвертичных углеродных атомов в каждом соединении:

а) СН 3 (СН 2) 2 СН(С 2 Н 5)СН(СН 3)(С 2 Н 5),

б) (CH 3) 3 С 4 (СН 3) 3 .

2. Напишите структурные формулы следующих соединений и назовите их по номенклатуре ИЮПАК

а) этилизопропилизобутилметан,

б)-этил--изопропил--втор.бутилэтилен.

3. Напишите структурные формулы следующих соединений и назовите их по рациональной номенклатуре:

а) 2-метил-3,3-диэтилпентан,

б) бутадиен-1,3

Вариант 6, 21

1. Напишите в развернутом виде структурные формулы следующих углеводородов и назовите их по рациональной номенклатуре и номенклатуре ИЮПАК. Укажите сколько первичных, вторичных, третичных и четвертичных углеродных атомов в каждом соединении:

а) (CH 3) 3 С(СН 2) 2 СН(СН 3) 2 ,

б) СН 2 С(СН 3)СНСН 2 .

2. Напишите структурные формулы следующих соединений и назовите их по номенклатуре ИЮПАК

а) метилэтилизопропилтрет.бутилметан,

б) ,-диметил--вторбутилэтилен.

Лекция № 1

СОЕДИНЕНИЙ

1. Структурная изомерия.

Лекция № 1

КЛАССИФИКАЦИЯ И НОМЕНКЛАТУРА ОРГАНИЧЕСКИХ
СОЕДИНЕНИЙ

1. Классификация органических соединений.
2. Номенклатура органических соединений.
3. Структурная изомерия.

1. Классификация органических соединений.

Органические соединения классифицируют по двум основным признакам: строению
углеродного скелета и функциональным группам.

По строению углеродного скелета различают ациклические, карбоциклические и
гетероциклические соединения.

Ациклические соединения – содержат открытую цепь атомов углерода.

Карбоциклические соединения – содержат замкнутую цепь углеродных
атомов и подразделяются на алициклические и ароматические. К алициклическим относятся все карбоциклические соединения, кроме
ароматических. Ароматические соединения содержат циклогексатриеновый
фрагмент (бензольное ядро).

Гетероциклические соединения — содержат циклы, включающие наряду с атомами углерода один
или несколько гетероатомов.

По природе функциональных групп органические
соединения делят на классы .

Таблица 1. Основные классы органических
соединений.

2. Номенклатура органических
соединений.

В настоящее время в органической химии общепринятой является систематическая номенклатура, разработанная Международным союзом чистой и прикладной химии
(IUPAC ). Наряду с ней сохранились и
используются тривиальная и рациональная номенклатуры.

Тривиальная номенклатура состоит
из исторически сложившихся названий, которые не отражают состава и строения
вещества. Они являются случайными и отражают природный источник вещества
(молочная кислота, мочевина, кофеин), характерные свойства (глицерин, гремучая
кислота), способ получения (пировиноградная кислота, серный эфир), имя
первооткрывателя (кетон Михлера, углеводород Чичибабина), область применения
(аскорбиновая кислота). Преимуществом тривиальных названий является их
лаконичность, поэтому употребление некоторых из них разрешено правилами
IUPAC.

Систематическая номенклатура является научной и отражает состав, химическое и пространственное строение
соединения. Название соединения выражается при помощи сложного слова, составные
части которого отражают определенные элементы строения молекулы вещества. В
основе правил номенклатуры IUPAC лежат принципы заместительной
номенклатуры , согласно которой молекулы соединений рассматриваются как
производные углеводородов, в которых атомы водорода замещены на другие атомы или
группы атомов. При построении названия в молекуле соединения выделяют следующие
структурные элементы.

Родоначальная структура – главная цепь
углеродная цепь или циклическая структура в карбо- и гетероциклах.

Углеводородный радикал – остаток
формульного обозначения углеводорода со свободными валентностями (см. таблицу
2).

Характеристическая группа –
функциональная группа, связанная с родоначальной структурой или входящая в ее
состав (см. таблицу 3).

При составлении названия последовательно
выполняют следующие правила.

1. Определяют старшую характеристическую
   группу и указывают ее обозначение в суффиксе (см. таблицу 3).
2. Определяют родоначальную структуру по
   следующим критериям в порядке падения старшинства: а) содержит старшую
   характеристическую группу; б) содержит максимальное число характеристических
   групп; в) содержит максимальное число кратных связей; г) имеет максимальную
   длину. Родоначальную структуру обозначают в корне названия в соответствии с
   длиной цепи или размером цикла: С 1 – “мет”, С 2 – “эт”, С 3 – “проп”, С 4 – “бут”, С 5 и далее – корни греческих числительных.
3. Определяют степень насыщенности и отражают
   ее в суффиксе: “ан” – нет кратных связей, “ен” – двойная связь, “ин” –
   тройная связь.
4. Устанавливают остальные заместители
   (углеводородные радикалы и младшие характеристические группы) и перечисляют
   их названия в префиксе в алфавитном порядке.
5. Устанавливают умножающие префиксы – “ди”,
   “три”, “тетра”, указывающие число одинаковых структурных элементов (при
   перечислении заместителей в алфавитном порядке не учитываются ).
6. Проводят нумерацию родоначальной структуры
   так, чтобы старшая характеристическая группа имела наименьший порядковый
   номер. Локанты (цифры) ставят перед названием родоначальной структуры, перед
   префиксами и перед суффиксами.

Таблица 2. Названия алканов и алкильных
радикалов, принятые систематической номенклатурой IUPAC.

Алкан	Название	Алкильный радикал	Название
CH 4	Метан	СН 3 —	Метил
CH 3 CH 3	Этан	CH 3 CH 2 —	Этил
CH 3 CH 2 CH 3	Пропан	CH 3 CH 2 CH 2 —	Пропил
			Изопропил
CH 3 CH 2 СН 2 CH 3	н -Бутан	CH 3 CH 2 СН 2 CH 2 —	н- Бутил
			втор- Бутил
	Изобутан		Изобутил
			трет- Бутил
CH 3 CH 2 СН 2 CH 2 СН 3	н -Пентан	CH 3 CH 2 СН 2 CH 2 СН 2 —	н -Пентил
	Изопентан		Изопентил
	Неопентан		Неопентил

Таблица 3. Названия характеристических
групп (перечислены в порядке убывания старшинства).

* Атом углерода,
заключенный в скобки, входит в состав родоначальной структуры.

** Алкокси-группы и все
следующие за ними перечисляются в префиксе по алфавиту и не имеют порядка
старшинства.

Рациональная (радикально-функциональная)
номенклатура используется для названий простых моно- и
бифункциональных соединений и некоторых классов природных соединений. Основу
названия составляет название данного класса соединений или одного из членов
гомологического ряда с указанием заместителей. В качестве локантов, как правило,
используются греческие буквы.

3. Структурная изомерия.

Изомеры – это вещества, имеющие одинаковый состав и молекулярную
массу, но разные физические и химические свойства. Различия в свойствах изомеров
обусловлены различиями в их химическом или пространственном строении.

Под химическим строением понимают природу и последовательность связей
между атомами в молекуле. Изомеры, молекулы которых отличаются по химическому
строению, называют структурными изомерами .

Структурные изомеры могут отличаться:

• по строению углеродного скелета

• по положению кратных связей и
  функциональных групп

• по типу функциональных групп