Органические соединения классифицируют, учитывая два основных структурных признака:
Строение углеродной цепи(углеродного скелета);
Наличие и строение функциональных групп.
Углеродный скелет (углеродная цепь) - последовательность химически связанных между собой атомов углерода.
Функциональная группа - атом или группа атомов, определяющие принадлежность соединения к определенному классу и ответственные за его химические свойства.
Классификация соединений по строению углеродной цепи
В зависимости от строения углеродной цепи органические соединения делят на ациклические и циклические.
Ациклические соединения - соединения с открытой (незамкнутой) углеродной цепью. Эти соединения называются также алифатическими.
Среди ациклических соединений различают предельные (насыщенные), содержащие в скелете только одинарные связи C-C и непредельные (ненасыщенные),включающие кратные связи C = C и C C.
Ациклические соединения
Предельные:
Непредельные:
Ациклические соединения подразделяют также на соединения с не разветвленной и разветвленной цепью. В этом случае учитывается число связей атома углерода с другими углеродными атомами.
Цепь, в которую входят третичные или четвертичные атомы углерода, является разветвленной (в названии часто обозначается приставкой «изо»).
Например:
Атомы углерода:
Первичный;
Вторичный;
Третичный.
Циклические соединения - соединения с замкнутой углеродной цепью.
В зависимости от природы атомов, составляющих цикл, различают карбоциклические и гетероциклические соединения.
Карбоциклические соединения содержат в цикле только атомы углерода. Они делятся на две существенно различающихся по химическим свойствам группы: алифатические циклические - сокращенно алициклические - и ароматические соединения.
Карбоциклические соединения
Алицеклические:
Ароматические:
Гетероциклические соединения содержат в цикле, кроме атомов углерода, один или несколько атомов других элементов - гетероатомов (от греч. heteros - другой, иной) - кислород, азот, серу и др.
Гетероциклические соединения
Классификация соединений по функциональным группам
Соединения, в состав которых входят только углерод и водород, называются углеводородами.
Другие, более многочисленные, органические соединения можно рассматривать как производные углеводородов, которые образуются при введении в углеводороды функциональных групп, содержащих другие элементы.
В зависимости от природы функциональных групп органические соединения делят на классы. Некоторые наиболее характерные функциональные группы и соответствующие им классы соединений приведены в таблице:
Классы органических соединений
Примечание: к функциональным группам иногда относят двойную и тройную связи.
В состав молекул органических соединений могут входить две или более одинаковых или различных функциональных групп.
Например: HO- CH 2 - CH 2 -OH (этиленгликоль); NH 2 -CH 2 - COOH (аминокислота глицин ).
Все классы органических соединений взаимосвязаны. Переход от одних классов соединений к другим осуществляется в основном за счет превращения функциональных групп без изменения углеродного скелета. Соединения каждого класса составляют гомологический ряд.
Цель лекции: знакомство с классификацией и номенклатурой органических соединений
План:
1. Предмет и задачи органической химии. Значение её для фармации.
2. Классификация органических соединений.
3. Принципы тривиальной и рациональной номенклатуры.
4. Принципы номенклатуры ИЮПАК.
Предмет и задачи органической химии.
Органическая химия - это раздел химии, посвященный изучению строения, способов синтеза и химических превращений углеводородов и их функциональных производных.
Термин «органическая химия » впервые ввел шведский химик Йенс Якоб Берцеллиус в 1807 г.
Благодаря особенностям своего строения органические вещества очень многочисленны. Сегодня их число достигает 10 млн.
В настоящее время состояние органической химии таково, что позволяет научно спланировать и осуществить синтез любых сложных молекул (белков, витаминов, ферментов, лекарственных препаратов и т. д.).
Органическая химия тесно связана с фармацией. Она позволяет осуществлять выделение индивидуальных лекарственных веществ из растительного и животного сырья, синтезирует и проводит очистку лекарственного сырья, определяет структуру вещества и механизм химического действия, позволяет определять подлинность того или иного лекарственного препарата. Достаточно сказать, что 95 % лекарственных средств имеют органическую природу.
Классификация органических соединений
В классификации принимаются за основу два важнейших признака: строение углеродного скелета и наличие в молекуле функциональных групп.
По строению углеродного скелета органические. соединения делятся на три большие группы.
I Ациклические (алифатические) соединения, имеющие открытую углеродную цепь как неразветвлённую, так и разветвлённую.
Родоначальными соединениями в органической химии признаны углеводороды , состоящие только из атомов углерода и водорода. Разнообразные органические соединения можно рассматривать как производные углеводородов, полученные введением в них функциональных групп.
Функциональной группой называют структурный фрагмент молекулы, характерный для данного класса органических соединений и определяющий его химические свойства.
Например, свойства спиртов определяются наличием гидроксогруппы (- ОН ), свойства аминов - аминогруппы (- NH 2 ), карбоновых кислот наличием в молекуле карбоксильной группы (- СООН ) и так далее.
Таблица 1 . Основные классы органических соединений
Такая классификация важна потому, что функциональные группы во многом определяют химические свойства данного класса соединений.
Если соединения содержат несколько функциональных групп и они одинаковые, то такие соединения называют полифункциональными (СН 2 ОН - СНОН - СН 2 ОН - глицерин), если молекула содержит разные функциональные группы, то это гетерофункциональное соединение (СН 3 - СН(ОН) - СООН - молочная кислота). Гетерофункциональные соединения можно сразу отнести к нескольким классам соединений.
Существует несколько определений, что такое органические вещества, чем они отличаются от другой группы соединений — неорганических. Одно из наиболее распространенных объяснений вытекает из названия «углеводороды». Действительно, в основе всех органических молекул находятся цепочки атомов углерода, связанные с водородом. Присутствуют и другие элементы, получившие наименование «органогенные».
Органическая химия до открытия мочевины
Издавна люди пользуются многими природнымие веществами и минералами: серой, золотом, железной и медной рудой, поваренной солью. За все время существования науки — с древнейших времен и до первой половины XIX века — ученые не могли доказать связь живой и неживой природы на уровне микроскопического строения (атомов, молекул). Считалось, что своим появлением органические вещества обязаны мифической жизненной силе — витализму. Бытовал миф о возможности вырастить человечка «гомункулуса». Для этого надо было сложить в бочонок разные продукты жизнедеятельности, подождать определенное время, пока зародится жизненная сила.
Сокрушительный удар по витализму нанесли работы Веллера, который синтезировал органическое вещество мочевину из неорганических компонентов. Так было доказано, что никакой жизненной силы нет, природа едина, организмы и неорганические соединения образованы атомами одних и тех же элементов. Состав мочевины был известен и до работ Веллера, изучение этого соединения не составляло в те годы большого труда. Замечательным был сам факт получения вещества, характерного для обмена веществ, вне тела животного или человека.
Теория А. М. Бутлерова
Велика роль русской школы химиков в становлении науки, изучающей органические вещества. С именами Бутлерова, Марковникова, Зелинского, Лебедева связаны целые эпохи в развитии органического синтеза. Основоположником теории строения соединений является А. М. Бутлеров. Знаменитый ученый-химик в 60-х годах XIX века объяснил состав органических веществ, причины многообразия их строения, вскрыл взаимосвязь, существующую между составом, строением и свойствами веществ.
На основе выводов Бутлерова удалось не только систематизировать знания об уже существующих органических соединениях. Появилась возможность предсказать свойства еще не известных науке веществ, создать технологические схемы для их получения в промышленных условиях. В полной мере воплощаются в жизнь многие идеи ведущих химиков-органиков в наши дни.
При окислении углеводородов получаются новые органические вещества — представители других классов (альдегидов, кетонов, спиртов, карбоновых кислот). Например, большие объемы ацетилена идут на производство уксусной кислоты. Часть этого продукта реакции в дальнейшем расходуется для получения синтетических волокон. Раствор кислоты (9% и 6%) есть в каждом доме — это обычный уксус. Окисление органических веществ служит основой для получения очень большого числа соединений, имеющих промышленное, сельскохозяйственное, медицинское значение.
Ароматические углеводороды
Ароматичность в молекулах органических веществ — это присутствие одного или нескольких бензольных ядер. Цепочка из 6 атомов углерода замыкается в кольцо, в нем возникает сопряженная связь, поэтому свойства таких углеводородов не похожи на другие УВ.
Ароматические углеводороды (или арены) имеют огромное практическое значение. Широко применяются многие из них: бензол, толуол, ксилол. Они используются как растворители и сырье для производства лекарств, красителей, каучука, резины и других продуктов органического синтеза.
Кислородосодержащие соединения
В составе большой группы органических веществ присутствуют атомы кислорода. Они входят в наиболее активную часть молекулы, ее функциональную группу. Спирты содержат одну или несколько гидроксильных частиц —ОН. Примеры спиртов: метанол, этанол, глицерин. В карбоновых кислотах присутствует другая функциональная частица — карбоксил (—СОООН).
Другие кислородосодержащие органические соединения — альдегиды и кетоны. Карбоновые кислоты, спирты и альдегиды в больших количествах присутсвуют в составе разных органов растений. Они могут быть источниками для получения натуральных продуктов (уксусной кислоты, этилового спирта, ментола).
Жиры являются соединениями карбоновых кислот и трехатомного спирта глицерина. Кроме спиртов и кислот линейного строения, есть органические соединения с бензольным кольцом и функциональной группой. Примеры ароматических спиртов: фенол, толуол.
Углеводы
Важнейшие органические вещества организма, входящие в состав клеток, — белки, ферменты, нуклеиновые кислоты, углеводы и жиры (липиды). Простые углеводы — моносахариды — встречаются в клетках в виде рибозы, дезоксирибозы, фруктозы и глюкозы. Последний в этом коротком списке углевод — основное вещество обмена веществ в клетках. Рибоза и дезоксирибоза — составные части рибонуклеиновой и дезоксирибонуклеиновой кислот (РНК и ДНК).
При расщеплении молекул глюкозы выделяется энергия, необходимая для жизнедеятельности. Сначала она запасается при образовании своеобразного переонсчика энергии — аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Это вещество переносится кровью, доставляется в ткани и клетки. При последовательном отщеплении от аденозина трех остатков фосфорной кислоты энергия освобождатеся.
Жиры
Липиды — вещества живых организмов, обладающие специфическими свойствами. Они не растворяются в воде, являются гидрофобными частицами. Особенно богаты веществами этого класса семена и плоды некоторых растений, нервная ткань, печень, почки, кровь животных и человека.
Кожа человека и животных содержит множество мелких сальных желез. Выделяемый ими секрет выводится на поверхность тела, смазывает ее, защищает от потери влаги и проникновения микробов. Слой подкожной жировой клетчатки оберегает от повреждений внутренние органы, служит запасным веществом.
Белки
Протеины составляют более половины всех органических веществ клетки, в некоторых тканях их содержание доходит до 80%. Для всех видов белков характерные высокие молекулярные массы, наличие первичной, вторичной, третичной и четвертичной структур. При нагревании они разрушаются — происходит денатурация. Первичная структура — это огромная для микромира цепочка аминокислот. Под действием особых ферментов в пищеварительной системе животных и человека протеиновая макромолекула распадется на составные части. Они попадают в клетки, где происходит синтез органических веществ — других белков, специфичных для каждого живого существа.
Ферменты и их роль
Реакции в клетке протекают со скоростью, которая в производственных условиях трудно достижима, благодаря катализаторам — ферментам. Различают ферменты, действующие только на белки, — липазы. Гидролиз крахмала происходит с участием амилазы. Для разложения на составные части жиров необходимы липазы. Процессы с участием ферментов идут вов всех живых организмах. Если у человека нет в клетках какого-либо фермента, то это сказывается на обмене веществ, в целом на здоровье.
Нуклеиновые кислоты
Вещества, впервые обнаруженные и выделенные из ядер клеток, выполняют функцию передачи наследственных признаков. Основное количество ДНК содержится в хромосомах, а молекулы РНК расположены в цитоплазме. При редупликации (удвоении) ДНК появляется возможность передать наследственную информацию половым клеткам — гаметам. При их слиянии новый организм получает генетический материал от родителей.
Первый подход – по природе углеводородного скелета
I. Ациклические или алифатические соединения - не содержат цикл:
предельные (насыщенные, парафиновые)
непредельные (ненасыщенные) с двойными, тройными связями.
II. Карбоциклические (в цикле только углерод) соединения:
алициклические – насыщенные и ненасыщенные циклические углеводороды;
ароматические – сопряженные циклические соединения с особыми ароматическими свойствами.
III. Гетероциклические соединения - в составе цикла гетероатомы (heteros – иной).
Второй подход – по природе функциональной группы, определяющей химические свойства соединения.
|
Функциональная группа |
Название |
||
|
Углеводороды |
|||
|
Ацетилен |
|||
|
Галогенсодержащие соединения |
|||
|
Галогенопроизводные |
–Hal (halogen) |
Хлористый этил, этилхлорид |
|
|
Кислородосодержащие соединения |
|||
|
Спирты, фенолы |
CH 3 CH 2 OH
|
Этиловый спирт, этанол |
|
|
Простые эфиры |
CH 3 –O–CH 3 |
Диметиловый эфир |
|
|
Альдегиды |
|
|
Уксусный альдегид, этаналь |
|
|
|
Ацетон, пропанон |
|
|
Карбоновые кислоты |
|
|
Уксусная кислота, этановая кислота |
|
Сложные эфиры |
|
|
Этиловый эфир уксусной кислоты, этилацетат |
|
Галогенангидриды |
|
|
Хлорангидрид уксусной кислоты, ацетилхлорид |
|
Ангидриды |
|
|
Ангидрид уксусной кислоты |
|
|
|
Амид уксусной кислоты, ацетамид |
|
|
Азотосодержащие соединения |
|||
|
Нитросоединения |
Нитрометан |
||
|
Этиламин |
|||
|
Ацетонитрил, нитрил уксусной кислоты |
|||
|
Нитрозосоединения |
Нитрозобензол |
||
|
Гидразосоединения |
Фенилгидразин |
||
|
Азосоединения |
C 6 H 5 N=NC 6 H 5 |
Азобензол |
|
|
Диазонивые соли |
Фенилдиазоний хлорид |
||
Номенклатура органических соединений
1) 1892 г. (Женева, Международный химический конгресс) - женевская ;
2) 1930 г. (Льеж, Международный союз теоретической и прикладной химии - International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) - льежская ;
Тривиальная номенклатура : названия дают случайно.
Хлороформ, мочевина.
Древесный спирт, винный спирт.
Муравьиная кислота, янтарная кислота.
Глюкоза, сахароза и т.д.
Рациональная номенклатура : в основе «рациональное звено» - название простейшего представителя класса + названия заместителей (начиная с простейшего) с указанием количества при помощи приставок ди-, три-, тетра-, пента- .
Встречается для простых органических соединений, особенно в старой химической литературе.
Положение заместителей указывают латинскими буквами
или словами “симметричный” (симм -), “несимметричный” (несимм -), орто -(о- ), мета - (м -), пара -(п -),
буквами N–(у азота), О–(у кислорода).
Номенклатура IUPAC (международная)
Основные принципы этой системы номенклатуры следующие.
1. В основе - самая длинная углеводородная цепь со старшей функциональной группой, обозначаемой суффиксом.
2. Атомы углерода в цепи нумеруются последовательно с того конца, к которому ближе расположена старшая функциональная группа.
При нумерации предпочтение (при прочих равных условиях) имеет двойная, затем тройная связь.
Если оба варианта нумерации равнозначны, то направление выбирается таким образом, чтобы сумма цифр, указывающих положение заместителей, была наименьшей (правильней – в которой первой стоит меньшая цифра).
3. К основе названия добавляются, начиная с простейшего, названия заместителей, при необходимости – с указанием их количества при помощи приставок ди-, три-, тетра-, пента-.
При этом для каждого заместителя указывают его номер в цепи.
Положение, название заместителей указывают в префиксе перед названием цепи, отделяя цифры дефисом.
Для функциональных групп цифра может стоять перед названием цепи или после названия цепи перед или после названия суффикса с отделением дефисом;
4. Названия заместителей (радикалов) могут быть системные и тривиальные.
Алкильные радикалы называют, изменяя окончание -ан на -ил в названии соответствующего алкана.
В названии радикала отражается тип атома углерода, имеющего свободную валентность: атом углерода, связанный
с одним углеродным атомом, называется первичным –СН 3 ,
с
двумя – вторичным
,
с
тремя – третичным
с
четырьмя – четвертичным
.
Другие радикалы, имея или не имея окончание -ил , обычно носят тривиальное название.
Двухвалентные радикалы имеют окончание -ен или -иден.
