Классы органических соединений

Классы органических соединений	Функциональная группа, определяющая класс органических соединений
Галогенопроизводные Спирты, фенолы Альдегиды Кетоны Простые эфиры Сложные эфиры Карбоновые кислоты Тиоспирты Тиоэфиры Сульфокислоты Амины Имины Амиды Нитрилы Нитросоединения Нитрозосоединения Гидразины Гидразосоединения Азо- и диазосоединения	- Hal (Cl, Br, F, I) - OH - CHO >C=O - O – R - COOR - COOH - SH - SR - SO3H - NH2 = NH -CONH2 - C≡N - NO2 - NO - NH – NH2 - NH – NH – - N=N-; - N+≡N

Классификация органических реакций

Органические реакции, подобно неорганическим, можно классифицировать по их результатам на три основных типа реакций:

реакции замещения (символ S от англ. substitution – замещение):

RH + Cl₂ RCl + HCl

реакции присоединения (символ A от англ. addition – присоединение):

CH₂=CH₂ + HCl CH₃CH₂Cl

HC≡CH + 2Br₂ Br₂CHCHBr₂

реакции отщепления (символ Е от англ. elimination – отщепление):

CH₃CH₂OH CH₂=CH₂ + H₂O

Кроме того, органические реакции классифицируют по их механизмам, т.е. по способу разрыва ковалентных связей в реагирующих соединениях и образования новых химических связей в процессе реакции. Различают два способа разрыва связей между атомом углерода (С) и уходящей группой Х (Х – функциональная группа, атом Н или С):

->C : X :

1) гомолитический разрыв (его называют также радикальным) ->C∙ ¦ ∙X ковалентной связи заключается в том, что связующая электронная пара разъединяется, при этом каждый из образующихся осколков (свободных радикалов) получает один неспаренный электрон;

2) гетеролитический разрыв (называемый также ионным)

а) ->C ¦ :X ; б) ->C: ¦ X приводит к переходу связующей пары электронов к одному из осколков. В результате данного разрыва возникают заряженные частицы.

Реакции с гомолитическим характером разрыва связей называются гомолитическими или радикальными (например, S_R – радикальное замещение; А_R – радикальное присоединение).

Гетеролитические реакции с разрывом связей типа «а» являются нуклеофильными («любящие ядро») по отношению к атому углерода с полным или частичным положительным зарядом. Символ S_N означает нуклеофильное замещение.

Гетеролитические реакции с разрывом связей у атома углерода типа «б» называются электрофильными. Например, А_Е – электрофильное присоединение.

Номенклатура и изомерия органических соединений

Известны два типа изомерии – структурная и пространственная. Структурные изомеры различаются последовательностью соединения атомов в молекуле. Существует несколько видов структурной изомерии: изомерия углеродного скелета, изомерия положения кратных связей и изомерия положения функциональных групп.

Для вывода структурных формул изомеров, различающихся последовательностью связей атомов углерода в молекуле: а) составляют структурную формулу углеродного скелета углеводорода нормального строения с заданным числом атомов углерода; б) постепенно укорачивают цепь (каждый раз на один атом углерода) и производят все возможные перестановки одной или нескольких групп СН₃ и таким образом выводят все возможные формулы изомеров.

Пример 1. Составить структурные формулы всех изомерных углеводородов состава С₇Н₁₆.

Решение:

1. Составляем формулу углеродного скелета с нормальной цепью из 7 атомов углерода:

С – С – С – С – С – С – С (1)

2. Укорачиваем цепь на один атом углерода и осуществляем все возможные перестановки группы СН₃ таким образом, чтобы исключить возможность получения одинаковых соединений:

С – С – С – С – С – С (2)

│

С

С – С – С – С – С – С – С

С – С – С – С – С – С (3)

│

С

3. Укорачиваем цепь ещё на один атом углерода (всего на два атома С) и вновь выполняем все возможные перестановки двух СН₃ – групп или одной С₂Н₅ – группы:

С – С – С – С – С (4)

│ │

С С

С – С – С – С – С (5)

│ │

С С

С – С – С – С – С – С – С

С

│

С – С – С – С – С (6)

│

С

С – С – С – С – С (7)

│

С

│

С

4. Укорачиваем углеродную цепь ещё на один углеродный атом (всего на три атома С) и делаем все возможные перегруппировки:

С

│

С – С – С – С – С – С – С С – С – С – С (8)

│ │

С С

Дальнейшее укорачивание углеродной цепи невозможно. Таким образом, выведены восемь структурных формул изомеров состава С₇Н₁₈.

Для вывода структурных формул изомеров, обусловленных различным положением кратных связей (двойная ил тройная), либо функциональных групп (ОН, карбонил, карбоксил, нитро-, аминогруппы и др.) поступают следующим образом:

выводят все структурные изомеры, обусловленные изомерией углеродного скелета;

перемещают графически кратную связь или функциональную группу в те положения, которые возможны с точки зрения четырёхвалентности атома углерода.

Пример 2. Написать все структурные формулы пентенов С₅Н₁₀.

Решение:

1. Составляем все возможные формулы изомеров, различающиеся по строению углеродного скелета:

С

│

а) С – С – С – С – С ; б) С – С – С – С; в) С – С – С

│ │

С С

2. Перемещаем кратную связь в случаях «а» и «б»:

а)

С = С – С – С – С (1)

С – С – С – С – С

С – С = С – С – С (2)

б)

С = С – С – С (3)

│

С

С – С – С – С С – С = С – С (4)

│ │

С С

С – С – С = С (5)

│

С

Таким образом, получены 5 изомеров состава С₅Н₁₀.

Пример 3. Составить структурные формулы всех ароматических углеводородов состава С₉Н₁₂.

Решение:

В случае ароматических углеводородов возможна изомерия скелета боковых ответвлений, а также изомерия положения заместителей в ароматическом кольце.

1. Исходя из молекулярной формулы углеводорода, определяем, что, кроме ароматического кольца (С₆), в молекуле имеется ещё три атома углерода. Составляем структурную формулу изомера с нормальной боковой цепью из трёх атомов углерода:

(1)

2. Укорачиваем боковую цепь на один атом углерода и осуществляем все возможные перестановки СН₃ – группы сначала в боковой цепи, а затем – в бензольном кольце:

3. Укорачиваем боковую цепь на один атом углерода (всего на два атома С) и осуществляем все возможные перегруппировки двух СН₃ – групп в бензольном кольце:

Таким образом, имеется 8 изомеров состава С₉Н₁₂.

Для названия органических соединений чаще всего используют две номенклатуры – рациональную и систематическую (ИЮПАК). Кроме того, химики широко пользуются и тривиальными (исторически сложившимися) названиями органических веществ.

В рациональной номенклатуре за основу принимается название простейшего члена гомологического ряда (родоначальника) конкретного класса углеводородов, а остальные члены гомологического ряда рассматриваются как его производные. Для предельных (насыщенных) углеводородов за основу берётся метан, для непредельных (ненасыщенных) углеводородов – этилен или ацетилен, для спиртов – метиловый спирт (карбинол) и т.д. Все замещающие группы рассматриваются как радикалы:

СН₃ СН₂ – СН₃

│ │

СН₃ – С – СН₂ – СН₃ СН₃ –С – СН₂ – СН₃ СН₃ – СН=СН₂

│ │

СН₃ СН(СН₃)₂

триметилэтилметан метилдиэтилизопропилметан метилэтилен

СН₃ – С≡С – С₂Н₅ СН₃ – СН₂ – СН₂ОН СН₃ – СО – СН₃

метилэтилацетилен этилкарбинол диметилкетон

( пропиловый спирт) (ацетон)

Первые четыре члена гомологического ряда предельных углеводородов (алканов) имеют тривиальные названия (метан, этан, пропан, бутан). Названия последующих гомологов производятся от греческих числительных с добавлением окончания –ан:

С₅Н₁₂ – пентан, С₉Н₂₀ – нонан, С₁₃Н₂₈ – тридекан,

С₆Н₁₄ – гексан, С₁₀Н₂₂ – декан, С₁₄Н₃₀ – тетрадекан,

С₇Н₁₆ – гептан, С₁₁Н₂₄ – ундекан, С₁₅Н₃₂ – пентадекан,

С₈Н₁₈ – октан, С₁₂Н₂₆ – додекан, С₁₆Н₃₄ – гексадекан и т.д.

При отрыве от молекулы алкана одного или нескольких атомов водорода образуются углеводородные радикалы. В зависимости от числа потерянных атомов радикалы бывают одно-, двух- и трёхвалентными.

Таблица 2

Наиболее распространённые углеводородные радикалы

Радикал	Название	Радикал	Название
СН3 – СН2 = СН ≡ С2Н5 – СН3 – СН = СН3 – С ≡ СН3 – СН2 – СН2 – СН3 – СН2 – СН = (СН3)2СН – СН3–СН2–СН2- СН2 - (СН3)2СН – СН2 – СН3 │ СН3 – СН2 – СН - (СН3)3С- С5Н11- СН3 – СН – СН2 – СН2 – │ СН3	метил метилен метин этил этилиден этилидин н–пропил пропилиден изопропил н-бутил изобутил (первичный) втор.-бутил трет.-бутил н-пентил (амил) изопентил (изоамил)	СН3 – С(СН3)2 – СН2 – СН3 – СН2 – С(СН3)2 – - СН2 – СН2 – -СН2 – СН2 – СН2 – СН2=СН- СН≡С - СН2=С= СН3 – СН=СН- СН2=СН – СН2 – СН2 = С(СН3)- С6Н5 – С6Н5СН2 – СН3 – С6Н4 – С6Н5 – СН = С6Н5 – СН=СН – СН3 – СО – - ОС – СО – С6Н5СО – СН3 – О – С6Н5 – О –	неопентил трет.-пентил этилен триметилен винил этинил винилиден пропенил аллил изопропенил фенил бензил толил бензилиден стирол ацетил оксалил бензоил метокси (аналогично «этокси» и т.д.) фенокси

В основу систематической номенклатуры положено название самой длинной нормальной (неразветвлённой) углеродной цепи с добавлением в качестве приставки названия боковых ответвлений (радикалов). Для этого выделяют самую длинную цепь атомов углерода и нумеруют её с того конца, к которому ближе расположен радикал. При этом нумерацию атомов С производят таким образом, чтобы цифры, указывающие положение заместителей, были наименьшими. Если же радикалов несколько, то цифрой отмечают каждый из них. Количество одинаковых радикалов обозначается приставками ди- , три-, тетра- и т.д. Сами радикалы перечисляются в порядке возрастания сложности. Более простыми считаются радикалы с меньшим числом углеродных атомов.

СН₃

1 2 3 4 5 1 2 │

СН₃ –СН – СН₂ – СН₂ – СН₃ СН₃ – СН – СН – СН₃

│ │ 3 4

СН₃ СН₃

2 – метилпентан 2, 3-диметилбутан

С₂Н₅

8 7 │ 5 4 3 2 1

СН₃ –СН₂ – СН – СН₂ – СН₂ – СН – СН₂ – СН₃ 3 – метил – 6 – этилоктан

6 │

СН₃

Если в качестве заместителей выступают атомы галогенов, нитрогруппа, аминогруппа или др., то при нумерации предпочтение отдаётся им:

4 3 2 1

СН₃ – СН – СН(Сl) – СН₃ 2 – хлор – 3-метилбутан

│

СН₃

С целью экономии места упрощённые структурные формулы очень часто пишут, располагая в одну строчку не только атомы главной цепи, но и боковые группы. При этом повторяющиеся и боковые группы могут быть заключены в скобки. Например, формулы

СН₃ СН₃ СН₃ ОН ОН Cl

│ │ │ │ │ │

СН₃ –СН₂ – СН₂ – СН₃ СН₃ – СН – СН – СН – СН₃ СН₂ – СН – СН₂

могут быть написаны так:

СН₃(СН₂)₃СН₃ (СН₃)₂СНСН(СН₃)СН(СН₃)₂ СН₂(ОН)СН(ОН)СН₂Сl