Классификация, номенклатуры, изомерия

Литература
(полный список см. в СДО)
А.Э.Щербина, Л.Г.Матусевич, И.В.Сенько, А.М.Звонок. Органическая химия. Реакционная способность основных классов органических соединений/Мн.: БГТУ, 2000. – 612 с.
А.Э.Щербина, Л.Г.Матусевич. Органическая химия. Основной курс/Мн.: Новое знание, 2013. – 807 с.
Кузьменок Н.М., Селиверстова Т.С. Органическая химия. Тесты, задачи, упражнения. – Минск: БГТУ, 2007. – 234 с.
Щербина А. Э. Теоретические основы органической химии учебное пособие для студентов учреждений высшего образования по химико-технологическим специальностям, Белорусский государственный технологический университет. [Электронный ресурс] / А.Э. Щербина, М.А. Кушнер, Т.С. Селиверстова, О.Я. Толкач, А.Д. Алексеев. – Минск: БГТУ, 2015. – 317 с. Т. С. Селиверстова, М. А. Кушнер, В. С. Безбородов. Органическая химия. Гетерофункциональные природные соединения / Минск: БГТУ, 2010. – 252 с.

М.А. Кушнер, Т. С. Селиверстова. Углеводы. Тесты, индивидуальные задания, лабораторные работы (Электр. пособие)/ Мн.: БГТУ, 2012. – 62 с.
В.Л.Белобородов, С.Э.Зурабян, А.П.Лузин, Н.А.Тюкавкина. Органическая химия. Основной курс/М.:Дрофа, 2002 г. – 639 с.
В.Ф. Травень. Органическая химия в 2-х томах/М.:Академкнига, 2005. – 1309 с.
Щербина А.Э., Матусевич Л.Г., Сенько И.В. Органическая химия. Лабораторный практикум по органическому синтезу. – Минск: БГТУ, 2006. – 415 с.
И др.

ПРИМЕРНЫЙ ПЛАН
проведения практических занятий (ПЗ) со студентами 2 курса специальности ООСиРИПР на 3 семестр (группа 13)
Контр. тесты- 55 баллов; самостоятельная работа –5 баллов ИТОГО – 60 баллов
ЛИТЕРАТУРА
Кузьменок, Н. М. Органическая химия. Тесты, задачи, упражнения / Н. М. Кузьменок, Т. С. Селиверстова – Минск: БГТУ, 2007. – 22

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ КУРСА
Изучить на современном научно-теоретическом уровне строение и реакционную способность важнейших классов органических соединений, особенно содержащих функциональные группы, характерные для веществ, широко распространенных в природе, а также лекарственных средств синтетического и природного происхождения, продуктов основного и тонкого промышленного органического синтеза.
Сформировать представление об естественных и объективных связях органической химии с такими смежными дисциплинами как биохимия, медицина, химическая технология и др.
Создать базис для формирования специалистов, способных в своей профессиональной деятельности учитывать интересы не только своей узкой специальности, но и смежных областей, особенно тех которые связаны с защитой окружающей среды, устойчивым развитием всего общества

И. Я. Берцелиус, 1808 г. – впервые ввел термин ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
А. Кекуле, 1851 г. - первое определение органической химии (ОХ) –
ХИМИЯ СОЕДИНЕНИЙ УГЛЕРОДА
К. Шорлеммер, 1889 –химия углеводородов и их функциональных производных

Этапы развития ОХ
1820-1860 – доструктурный (до возникновения теории химического строения). Характеризуется накоплением фактического материала, синтезом простейших органических веществ, встречающихся в природе: Ф.Вёллер, 1828 г. – мочевина; М.Ж.Бертло, 1854 г. – соединения типа жиров, затем спирт из этилена и воды, муравьиную кислоту; Н.Н.Зинин, 1841 г. – анилин; А.М.Бутлеров, 1861 г. – метиленнитан.
1860-1910 – период возникновения структурной теории химического строения (А.М.Бутлеров, А.Купер, А.Кекуле). Произошёл расцвет органического синтеза. Осуществлен синтез сложных природных веществ, сформулированы основные представления стереохимической теории (1874, Я.Ван Гофф, Ж. Ле Бель)

Достижения 2 этапа:
синтез органических в-в сложной
молекулярной структуры:
ализарин (Гребе, Либерман, 1869 г.)
индиго (Байер, 1879 г.)
никотин (Пикше, 1904 г.)

3. 1910-1960 – период внедрения в ОХ новых методов исследования, создание электронной теории строения атома.
4. 1960 - настоящее время – современная ОХ (синтетическая и теоретическая). Широкое использование новых физических методов исследования структуры и свойств органических соединений – спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР), Масс-спектроскопия, инфракрасная спектроскопия (ИК)
Рентгеноструктурный анализ (РСтА) и др.
Новые методы расчета с использованием квантово-механических представлений и электронной техники.
Появилась возможность синтеза почти любого органического соединения: алкалоиды, хлорофилл, витамин В12, антибиотики, гормоны, полинуклеотиды и др.

ОСНОВНЫЕ СЫРЬЕВЫЕ ИСТОЧНИКИ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ

Химическая переработка – 5%
Сгорает в топках и двигателях внутреннего сгорания – 95 %
Проблемы –
ограниченные запасы нефти и газа;
больщой объём СО2 (~20 млрд т) и других вредных газов и других выбросов, что ведет за собой загрязнение окружающей среды

Промышленный (основной) органический синтез - технологические процессы производства моторных топлив различных мономеров для получения полимерных материалов, производство красителей, взрывчатых веществ
Тонкий органический синтез – синтез витаминов, лекарственных препаратов, парфюмерных веществ, ядохимикатов, специальных органических добавок
Микробиологический синтез

Способы изображения структурных формул ОВ:
1. Развернутые структурные формулы (СФ)
2. Сокращенные СФ
3. Скелетные СФ

Классификация и основы номенклатуры органических соединений
Особенность структуры органических веществ –
в структурной формуле каждого конкретного соединения необходимо научиться выделять фрагменты в виде
а) углеводородного остатка молекулы, который зачастую остается неизменным под тем или иным химическим воздействием
б) её отличительной характеристики в виде функциональной группы (ФГ) и (или) кратных связей, определяющих к какому классу углеводородов принадлежит конкретное вещество.

ФГ- атом или группа атомов, определяющих химические свойства соединения и его принадлежность к определенному классу органических веществ

В структуре молекулы большинства органических веществ можно выделить
фрагменты, которые в ходе той или иной реакции остаются без изменения,
и
фрагменты, которые в данном или другом случае подвергаются трансформациям (как правило это ФГ).

В основу современных классификаций органических веществ положено два важнейших принципа:
строение углеродного скелета молекулы;
наличие в молекуле определенной ФГ
КЛАССИФИКАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ

Углеродный скелет молекулы – условная запись углеродной основы молекулы, отображающая только атомы углерода и последовательность их связей друг с другом
В качестве углеродного скелета молекулы любого органического вещества принято рассматривать только количество атомов углерода и последовательность связей между ними без учета кратных связей и функциональных групп.

В молекуле органического вещества может быть не одна функциональная группа, или кроме такой группы присутствует кратная связь. Такие вещества, а также те, что содержат в молекуле две и более различные ФГ относятся к поли- или гетерофукциональным.

По первому признаку все органические вещества подразделяются на
ациклические (алифатические) (1),
карбоциклические (2) и
гетероциклические (ГЦ) (3).

(1) - соединения с открытой (незамкнутой) цепью углеродных атомов. Они могут не содержать кратных углерод-углеродных связей и быть насыщенными (предельными) или являться ненасыщенными, если в состав молекул входят двойные или тройные связи

(2) - содержат замкнутые углеродные цепи (циклы) и могут быть насыщенными, ненасыщенными или ароматическими.

(3) - соединения в составе своих циклов содержат кроме атомов углерода также некоторые иные атомы, называемые гетероатомами, к которым относятся в первую очередь N, O, S

Как классификация, так и номенклатура органических веществ во многом опираются на классификацию углеводородов (соединений, состоящих только из углерода и водорода).
Необходимо отметить, что углеводороды имеют собственную классификацию, основанную на природе углерод-углеродных связей в их молекулах

Классы углеводородов

В зависимости от природы функциональных групп определяют отношение органических веществ к тому или иному классу функциональных производных алифатических, циклических или гетероциклических органических веществ. Для такого отнесения требуется знать данные таблицы

К одному и тому же классу органических веществ всегда принадлежит огромное количество органических соединений.
Они образуют гомологические ряды.
Гомологический ряд - ряд веществ
одного и того же класса, в котором каждый
последующий член отличается от предыдущего
на гомологическую разницу – группу СН2.

Соединения из одного того же ряда в целом имеют одинаковые правила при образовании названий и обладают сходными химическими свойствами.
ВАЖНО - правильно соотнести то или иное вещество к определенному классу соединений (гомологическому ряду) для того, чтобы не только назвать это вещество, но и определить круг его физико-химических свойств.

Наиболее распространенными в органической химии признаны:
а) тривиальная номенклатура,
б) рациональная номенклатура,
в) систематическая номенклатура ИЮПАК (IUPAC – Международный союз чистой и прикладной химии).
Главное правило для всех номенклатур – каждому названию должно соответствовать только одно соединение.

Тривиальная номенклатура - перечень случайных названий органических соединений, которые возникли исторически и своим происхождением обязаны либо источникам нахождения веществ в природе, либо особым свойствам, обнаруженным для данного вещества на первых этапах его получения или обнаружения. Она не отражает структурных особенностей строения того или иного соединения и не имеет четкой системы для образования названий новых веществ, перечень которых расширялся достаточно быстрыми темпами.

Рациональная номенклатура базируется на классификации органических веществ и за основу названия любых веществ данного класса соединений в данной номенклатуре положены названия наиболее простых (чаще первых) членов гомологического данного ряда. Все другие соединения этого же класса рассматриваются как производные основного соединения, в которых атомы водорода замещены на углеводородные (алкильные) заместители или какие-либо функциональные группы.

Для названия соединения по рациональной номенклатуре, необходимо:
определить КЛАСС
называемого соединения;
2) выбрать в соединении ОСНОВУ НАЗВАНИЯ (основы рациональных названий приведены в табл.
3) назвать свзанные с атомами основы углеводородные заместители. Одинаковые заместители обозначить приставками «ди», «три», «тетра» (названия наиболее часто встречающихся алкильных групп в порядке старшинства приведены в табл. ниже

4) составить название, начиная с названия заместителей от
более простых к более сложным и заканчивая названием основы.
При наличии двух заместителей при двойной связи АЛКЕНОВ их положение у
основного фрагмента указывают словами «симм-» (симметричный)
или «несимм-» (несимметричный).

Структурные формулы и названия наиболее часто встречающихся углеводородных заместителей (алкилов и др.).
Алкилами (углеводородными заместителями, радикалами)
называют условные частицы, образующиеся при мысленном
отнятии атома водорода от молекулы углеводорода.
Общепринятое обозначение алкилов R-

Условная схема их образования:
Названия алкилы получают
в соответствии со схемой

/1, стр. 14-19/

Номенклатура ИЮПАК (IUPAC), (систематическая номенклатура). Название соединения представляет собой сложное слово, состоящее из корня (родоначального названия), префиксов и суффиксов, характеризующих число и характер заместителей, а также степень ненасыщенности соединения.

В названии присутствуют цифры, называемые локантами и указывающие на положение заместителей, функциональных групп и кратных связей в главной углеродной цепи родоначальной структуры.
1) Для написания названия следует прежде всего определить КЛАСС соединения

Чтобы назвать соединение по систематической номенклатуре ИЮПАК нужно:
1) выбрать родоначальную структуру;
2) выявить все имеющиеся в соединении функциональные группы;
3) установить, какая группа является старшей; название этой группы отражается в названии соединения в виде суффикса и его ставят в конце названия соединения; все остальные группы дают в названии в виде префиксов (приставок);
4) обозначить ненасыщенность соответствующим суффиксом (-ен или –ин), а также префиксом (дегидро-, тетрагидро- и др.);
5) пронумеровать главную цепь, придавая старшей группе наименьший из возможных номеров (локантов);
6) перечислить префиксы (приставки) в алфавитном порядке ( при этом умножающие приставки ди-, три- и т. д. не учитываются);
7) составить полное название соединения согласно схеме:

2) Схема построения названия соединения по номенклатуре ИЮПАК

Данная схема указывает та то, что функциональные группы характеризуются так называемым старшинством и подразделяются на два типа:
- одни их них указываются только в префиксах,
- другие могут входить в название как в роли префиксов, так и в роли суффиксов в зависимости от принятого старшинства.

В приведенной табл. старшинство заместителей убывает при движении по ней сверху вниз. Основные правила построения названия органического вещества по номенклатуре ИЮПАК и примеры названия соединений различных классов приведены в учебнике /1, стр. 19-20/.
Название соединения всегда начинается с определения класса органических веществ, к которому это соединение относится

Углеродный скелет молекулы – условная форма записи, отображающая только последовательность связей атомов углерода между собой. Он может быть одинаковым у молекул разных по природе веществ.
Например:
Углеродный скелет:

Структурные изомеры – разные по природе и свойствам вещества, имеющие один и тот же состав (молекулярную или брутто-формулу), но отличающиеся последовательностью соединения атомов в молекулах.
СТРУКТУРНАЯ ИЗОМЕРИЯ
(см. с. 26-28)
Последовательность соединения атомов в молекулах – ХИМИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ ИЛИ СТРУКТУРА. Структура молекул органических веществ всегда изображается только структурными формулами

Структурная изомерия может быть обусловлена различными причинами:
- Изомеры углеродного скелета – изомеры, различающиеся последовательностью связывания атомов углерода.
Изомеры положения – изомеры, различающиеся положением одинаковых функциональных групп или кратных связей при одинаковом углеродном скелете.
Межклассовые изомеры (изомеры функциональной группы) –
изомеры, различающиеся характером функциональной группы.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ
Первые теории
Теория радикалов
Согласно И.Берцелиусу все химические вещества, в том числе и органические состоят из электроположительных и электроотрицательных атомов и групп атомов (радикалов), которые удерживаются в молекулах за счет сил электростатического электричества.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ
Первые теории
Теория радикалов
Согласно И.Берцелиусу все химические вещества, в том числе и органические состоят из электроположительных и электроотрицательных атомов и групп атомов (радикалов), которые удерживаются в молекулах за счет сил электростатического электричества.

Считалось, что радикалы переходят от одного вещества к другому и остаются неизменёнными в реакциях.
Положительная роль – появилось важное для органической химии понятие РАДИКАЛ – фрагмент молекулы с одной или несколькими свободными валентностями.

Теория типов
Основоположники Ж.Дюма, Ш.Жерар. Рассматривали сходство реакций органических и неорганических веществ, на чём основывали рассмотрение органических веществ как производных неорганических веществ, получаемых замещением одного или нескольких атомов в молекуле неорганического вещества на органические остатки (радикалы). Например:

Развитие теоретических представлений
1852 г. – Э.Франкланд ввел понятие валентности
1857 г. – А.Кекуле, А.Купер установили ЧЕТЫРЕХВАЛЕНТНОСТЬ АТОМА УГЛЕРОДА и представление о том, что атомы углерода способны соединяться между собой, образовывая цепочки
1858 г. – А.Купер ввёл обозначение химической связи в виде черточки, структурные формулы приобрели вид близкий к современному

Теория химического строения органических соединений
19.09.1861 г. в г.Шпейере на съезде врачей и естествоиспытателей А.М.Бутлеров изложил основные положения структурной теории

1. Последовательность связывания атомов в молекуле называется химическим строением (структурой)
2. Химические свойства вещества определяются природой атомов из которых оно построено, их количеством и строением
3. Вещества, имеющие один и тот же состав и молекулярную массу, но различное химическое строение (структуру), называются ИЗОМЕРАМИ

4. Химическая природа отдельных атомов изменяется в зависимости от их химического окружения (от того с какими атомами они связаны)
5. Изучая химические превращения веществ можно установить их строение

1874 г. – Якоб Вант Гофф и Жозеф Ле-Бель выдвинули гипотезу о тэтраэдрическом строении насыщенного атома углерода (в sp3-гибридном состоянии). Это значит, что атомы или группы атомов, соединенные с таким атомом С расположены не в одной плоскости с этим атомом, а находятся в вершинах тэтраэдра, внутрь которого помещен рассматриваемый атом С: