Введение в органическую химию

15 млн.), наличием специфических свойств, а также их исключительным значением в жизни человека. Хотя органические соединения подчиняются тем же закономерностям, что и неорганические, подобное деление сохранилось. Основным принципом построения органических соединений является замещение: хлормeтан мeтанол нитромeтан CH 3 Cl CH 3 OH CH 3 NO 2 CH 4 мeтан Помимо углеводородов особенно распространены соединения углерода с элементами- органогенами (O, N, Hal, S, P). Многообразие органических соединений объясняется строением атома углерода. Он способен образовывать прочные связи почти с любым элементом, что связано с сочетанием 2- х факторов: наличием на внешнем энергетическом уровне 4-х электронов (не склонен терять или присоединять электроны, т. е. давать ионы) и малым размером атома. Отличия органических соединений от неорганических: почти все горят и разлагаются при нагревании с окислителями с выделением СО 2 ; большинство органических соединений не диссоциируют с образованием ионов; имеют более низкие температуры фазовых переходов (т. пл., т. кип.); реакции органических соединений протекают значительно медленнее и часто не доходят до конца; органические соединения могут содержать последовательность углеродных атомов, соединённых в цепи (открытые или замкнутые); среди органических соединений широко распространены явления изомерии, гомологии, изологии. Изомерия – явление существования соединений одного и того же качественного и количественного состава, но различающихся строением. CH 3 CH 3 C H : H C и H 3 C CH 3 4 10 3 н- бутан изобутан " width="640"

1

Лекция № 1

Органическая химия – раздел химии, в котором изучаются органические соединения.

Органические соединения – углеводороды и их производные. (К. Шорлеммер, 1889 г).

Неорганические соединения углерода: CaCO 3 , Na 2 CO 3 , HCN, CO, CO 2 , Fe(CO) 5 , Al 4 C 3 и др.

Первые химические процессы : приготовление пищи, выделка шкур, спиртовое

брожение.

Первые органические соединения : сахар, уксус, спирт, индиго, ализарин.

Термин «органическая химия» впервые введен в начале ХIХ века шведским учёным Й. Берцелиусом. А. Кекуле определил органическую химию как химию соединений углерода (середина ХIХ в).

Выделение органической химии в отдельную науку обусловлено большим числом

и многообразием органических соединений ( 15 млн.), наличием специфических свойств, а также их исключительным значением в жизни человека. Хотя органические соединения подчиняются тем же закономерностям, что и неорганические, подобное деление сохранилось.

Основным принципом построения органических соединений является замещение:

хлормeтан мeтанол нитромeтан

CH 3 Cl CH 3 OH CH 3 NO 2

CH 4

мeтан

Помимо углеводородов особенно распространены соединения углерода с элементами- органогенами (O, N, Hal, S, P).

Многообразие органических соединений объясняется строением атома углерода. Он способен образовывать прочные связи почти с любым элементом, что связано с сочетанием 2- х факторов: наличием на внешнем энергетическом уровне 4-х электронов (не склонен терять или присоединять электроны, т. е. давать ионы) и малым размером атома.

Отличия органических соединений от неорганических:

• почти все горят и разлагаются при нагревании с окислителями с выделением СО 2 ;
• большинство органических соединений не диссоциируют с образованием ионов;
• имеют более низкие температуры фазовых переходов (т. пл., т. кип.);

• реакции органических соединений протекают значительно медленнее и часто не доходят до конца;

• органические соединения могут содержать последовательность углеродных атомов, соединённых в цепи (открытые или замкнутые);
• среди органических соединений широко распространены явления изомерии, гомологии, изологии.

Изомерия – явление существования соединений одного и того же качественного и количественного состава, но различающихся строением.

CH 3

CH 3

C H : H C

и

H 3 C CH 3

4 10 3

н- бутан

изобутан

2

Гомология – существование химически сходных между собой рядов веществ, которые отличаются друг от друга на одну или несколько групп СН 2 , которую называют гомологической разностью (СН 4, С 2 Н 6 , С 3 Н 8 и т. д.)

Изологический ряд – ряд веществ, построенных из одного и того же числа атомов углерода, но отличающихся по составу так, что каждый следующий член содержит на 2 атома водорода или замещающих его атомных группировок меньше, чем предыдущий (С 2 Н 6 , С 2 Н 4 , С 2 Н 2 ).

В неорганической химии изомерия очень редка:

- + -

+

NH 4 HSO 4 и NH 3 OH HSO 3

Чаще изомерия встречается в координационных соединениях:

NH 3

Pt

NH 3

Pt

Cl

Cl

и

Cl

H 3 N

NH 3

Cl

цис -дихлоро- диамминплатина

транс -дихлоро- диамминплатина

Для большинства органических соединений характерны ковалентные связи, а для неорганических – ионные.

В ХVIII веке и первой четверти ХIХ века существовало убеждение, что органические соединения возникают только в живых организмах (виталистическое учение). Однако в 1828 г. Ф. Велер получил органическое соединение мочевину из неорганического соединения цианата аммония:

t o C

H 2 N C NH 2 O

NH 4 CNO

Аналогичным образом из роданида аммония образуется тиомочевина:

t o C

H 2 N C NH 2 S

NH 4 CNS

Н. Зинин получил из нитробензола анилин, который раньше получали из растительного сырья.

Э. Франкланд ввёл понятие валентности. А. Кекуле впервые выдвинул принцип 4- х

валентности углерода и одновременно с А. Купером развил идею о способности углеродных атомов образовывать длинные цепи. Купер предложил систему изображения химических связей в виде чёрточек. Эти учёные считали строение молекулы непознаваемым.

Теоретической основой органической химии является теория строения органических соединений, которая позволяет решать ряд задач: систематизация материала, объяснение природы химической связи, понимание химических процессов, предсказание новых типов соединений и химических реакций, создание и углубление теории реакционной способности органических соединений.

Основные положения теории А. М. Бутлерова (1861 г)

1) В молекуле существует строгая последовательность химической связанности атомов, которая носит название строения .

3

• Химические свойства вещества определяются составом и строением его молекул.

• Так как в конкретных химических реакциях изменяются лишь некоторые части молекулы, то исследование строения продукта реакции помогает судить о строении исходного вещества.
• Атомы и их группы в молекуле оказывают взаимное влияние друг на друга. Реакционная способность отдельных атомов молекулы изменяется при изменении их окружения.

Опираясь на положения теории Бутлеров объяснил явление изомерии, предсказал существование некоторых изомеров и некоторые из них сам же получил.

Ошибочной была концепция о целочисленности связей, которая не могла объяснить строение и свойства молекул типа бензола, дивинила, где нет чисто двойных и одинарных С–С связей. Подобные связи называют делокализованными .

В 1874 г. Я. Вант- Гофф и Ж. Ле Бель создают теорию пространственного расположения атомов в молекуле. Выдвигают тетраэдрическую модель расположения заместителей вокруг атомов углерода, что позволяет объяснить существование изомерных оптически активных веществ с противоположным углом вращения плоскополяризованного света.

F C

F C

Br Cl

Br

Cl H H

зeркало

Таким образом, теория Бутлерова была дополнена стереохимической теорией, а в ХХ в. и квантовомеханическими представлениями.

Квантовая химия позволила определить основные факторы, обуславливающие строение веществ (электронное строение атомов и молекул, типы и характер взаимодействия атомных орбиталей, природу химических связей). Всё это позволило понять механизмы передачи взаимного влияния атомов в молекуле, а также поведение молекул в химических реакциях.

Понятие органическая химия включает:

1) выделение чистых индивидуальных соединений

из природного сырья –

растительного, животного или ископаемого;

• синтез органических соединений и их очистка;
• определение структуры природных или синтетически полученных продуктов;
• выявление связи между строением и свойствами, установление механизма реакции.

Органические соединения играют исключительную роль в процессах жизнедеятельности, их превращения лежат в основе жизни.

По происхождению органические вещества подразделяют на природные (белки, жиры, углеводы и др.) и синтетические (красители, лекарства, парфюмерия, синтетические ткани, пластмассы, ядохимикаты и др.).

В состав человеческого организма входят 24 элемента, причём на долю O, C, H, N, P приходится 99% от массы тела.

Сырьевые источники производства продуктов основного органического синтеза: нефть, природный газ (на них приходится 95%),

торф, сланцы, бурый и каменный уголь, древесина (5%).

4

Изображение соединения с известным порядком связей между всеми атомами с помощью валентных штрихов называется структурной формулой.

Молекулярная формула (брутто-формула) отражает качественный и количественный состав соединения, но не его строение.

Эмпирическая формула – простейшая формула. Например, для глюкозы

молекулярная формула С 6 Н 12 О 6 , а эмпирическая формула CH 2 O.

Изомерия

пространственная

структурная

(изомеры различаются последовательностью соединения атомов в молекуле)

(стереоизомерия)

изомерия функциональных групп (межклассовая)

C 2 H 5 −NO 2 H 2 N−CH 2 −COOH

изомерия углеродного скелета (бутан, изобутан)

изомерия положения гетероатома в цепи

изомерия положения

CH 3 −O−C 3 H 7 C 2 H 5 −O−C 2 H 5

функциональных групп

CH 3 CH(OH)CH 3 и CH 3 CH 2 CH 2 OH

CH 2 =CH−CH 2 CH 3 и CH 3 −CH=CH−CH 3

Пространственная изомерия

(изомеры имеют одинаковую последовательность соединения атомов в молекуле, но различное их расположение в пространстве)

оптическая

геометрическая ( цис - транс -изомерия)

относительно двойной связи

относительно плоскости цикла

H C CH

цис -бутeн- 2

C C

H H

H C H

и

транс -бутeн- 2

C C

H 3 C CH 3

и

цис -1,2- димeтилциклопропан

H CH 3

H CH 3

H H

транс -1,2- димeтилциклопропан

H 3 C H

3

3

3

5

Классификация органичeских вeщeств

по числу, положeнию и природe функциональных групп

по углeродному скeлeту

ацикличeскиe цикличeскиe (алифатичeскиe)

альдeгиды RCHO,

карбоновыe кислоты RCOOH, спирты ROH и т.д.

ароматичeскиe

прeдeльныe нeпрeдeльныe

алицикличeскиe

H 2 C CH 2

HC CH

H 3 C CH 2 CH 2 CH 3 (CH 3 ) 3 CH

гeтeроцикличeскиe (в циклe помимо атомов

углeрода имeются атомы других элeмeнтов)

карбоароматичeскиe

карбоцикличeскиe (содeржится цикл только из атомов углeрода)

бeнзол CH 3 толуол

O

,

циклогeксан циклопропан

N H

пирролидин

N

пиридин

(ароматичeскоe cоeдинeниe)

оксeтан

(нeароматичeскиe cоeдинeния)

Функциональная группа – атом или группа атомов, определяющая химические свойства соединения и принадлежность его к определенному классу.

Соединения с одной функциональной группой называют монофункциональными,

а с несколькими одинаковыми или разными группами – полифункциональными.

Номенклатура органических соединений

систематическая

тривиальная

рациональная

(историческая)

(номенклатура ИЮПАК

IUPAC)

• ​ по источнику получения (лимонная, яблочная кислоты)

• по характерным свойствам

(глицерин, глюкоза от греч. «сладкий»)

• ​ торговые названия (фреоны, анальгин)

радикально- функциональная

заместительная

Принципы построения систематических названий

• Определяют старшую характеристическую группу.

• Определяют родоначальную структуру – главную углеродную цепь или основную циклическую систему, которая должна включать максимальное число старших групп.

Главная углеродная цепь для ациклических соединений выбирается по следующим критериям (каждый последующий критерий вступает в действие лишь тогда, когда предыдущий не приводит к однозначному выбору):

а)

максимальное число старших групп; максимальное число кратных связей; максимальная длина цепи; максимальное число заместителей.

б)

в)

г)

3) Называют родоначальную структуру и старшую характеристическую группу.

6

• Определяют и называют заместители.

• Проводят нумерацию атомов родоначальной структуры так, чтобы старшая группа получила наименьший из возможных номеров.

Если выбор нумерации неоднозначен, то применяют правило наименьших локантов – цепь или цикл нумеруют так, чтобы заместители получили наименьшие номера. Из 2- х возможных последовательностей наименьшей считается та, в которой первой встретится меньшая цифра, чем в другой последовательности, например: 1, 2, 7 –

«меньше», чем 1, 3, 4.

Локант – цифра или буква, указывающая положение заместителя или кратной связи в родоначальном названии.

• Объединяют отдельные части названия в общее полное название, придерживаясь алфавитного порядка префиксов (умножающие приставки не включаются в алфавитный порядок). Цифры- локанты ставят перед префиксами и после суффиксов, отделяя их от букв дефисами.

Название соединения строится из следующих частей: префикс + родоначальное название + суффикс

старшая ф. группа

углеводородные радикалы и нестаршие функциональные группы

главная цепь

или основная циклическая структура

Пример:

O

6 5 4 3 2 1

H 3 C CH CH CH C C

OH CH 3 Br

H

2-бром-5-гидрокси-4-мeтилгeксeн-2- аль

суффикс

старшeй функц. группы

замeститeли и харак- тeристич. группы

по алфавиту

суффикс двойной связи

родона- чальноe

названиe

В радикально – функциональной номенклатуре для отражения названия старшей характеристической группы никогда не применяются суффиксы. Вместо этого одним словом отражают название функционального класса, а остальную часть названия - соответствующим радикалом. Для 2-х валентных характеристических групп указывают оба радикала, связанных с этой группой. Если соединение включает более одного типа характеристических групп, то за название функционального класса принимают такое, которое расположено выше других в таблице. Все остальные группы обозначают префиксами.

метилэтилсульфид пропилбромид

СН 3 −S−С 2 Н 5 СН 3 СН 2 СН 2 Br

7

Характеристические группы, обозначаемые в заместительной номенклатуре только префиксами

Класс соединения

Характеристическая группа

Галогенпроизводные

Простые эфиры

Префикс

- Br, -I, -F, - С1

Сульфиды

- OR

бромо- , иодо- , фторо- , хлоро- *

R- окси

- SR

Нитросоединения

R- тио

- NO 2

Нитрозосоединения

нитро-

- NO

Азосоединения

нитрозо-

- N=N-

азо-

* В русской терминологии буква «о» часто опускается.

Префиксы и суффиксы, применяемые для обозначения важнейших характеристических групп

(в порядке падения старшинства)

Класс соединения

Характеристическая группа

Формула*

Катионы:

Название

Карбоновые кислоты

префикса

для N + , О + , S +

Сульфоновые

- С ООН

для С +

суффикса

Соли карбоновых

-

-онио-

- SO 3 H

- СООН

кислоты (сульфокислоты)

Ангидриды кислот

- овая кислота

- С ООМ

карбокси-

сульфо-

- ониа-

- оний

кислот

Сложные эфиры

-

- С О-О- С О-

- карбоновая кислота

- сульфоновая кислота

- илий

- СООМ

Галогенангидриды

- оат катиона М +

- C OOR

-

-

(-сульфокислота)

- овый ангидрид

Амиды

-

- С ОСl

кислот (на примере хлорангидридов)

- COOR

- карбоксилат катиона М +

Нитрилы

- оат **

R-оксикарбонил

-

- C ONH 2

- СОСl

Альдегиды

-карбоксилат **

-

- С≡ N

-оилхлорид

-CONH 2

хлороформил-

- C H=O

Кетоны

-

- амид

- С ≡ N

карбамоил-

-карбонилхлорид

оксо-

-нитрил

Спирты, фенолы

С= О

циано-

- CH=O

-карбоксамид

Тиолы

- аль

формил-

оксо-

-карбонитрил

- ОН

Амины

- SH

гидрокси-

- он

-карбальдегид

- ол

меркапто-

Имины

- NH 2

- тиол

амино-

=NH

- амин

имино-

- имин

*

Атом углерода в группах, отмеченных жирным шрифтом, включается в состав родоначальной структуры.

** Перед корнем ставится название радикала R.

C=O - OH Кетон Спирт - SH Гидросульфид -О- ОН Гидропероксид - O- Эфир (простой) или оксид -S- , SO, SO 2 Сульфид, сульфоксид, сульфон - F, - Сl, -Br, - I Фторид, хлорид, бромид, иодид - N 3 Азид " width="640"

8

Некоторые названия функциональных классов в радикально-функциональной номенклатуре

(в порядке падения старшинства).

Группа

Название функционального класса

X в производных кислот

RCO- X и RSO 2 - X

По группе X:

- CN, - NC

фторид, хлорид, бромид, иодид, цианид, азид и т. д.

Цианид, изоцианид

C=O

- OH

Кетон

Спирт

- SH

Гидросульфид

-О- ОН

Гидропероксид

- O-

Эфир (простой) или оксид

-S- , SO, SO 2

Сульфид, сульфоксид, сульфон

- F, - Сl, -Br, - I

Фторид, хлорид, бромид, иодид

- N 3

Азид