Как называть химические соединения органика. Химическая номенклатура неорганических соединений
С развитием химической науки и появлением большого числа новых химических соединений все более возрастала необходимость в разработке и принятии понятной ученым всего мира системы их наименования, т.е. . Далее приведем обзор oсновных номенклатур органических соединений.
Тривиальная номенклатура
В истоках развития oрганической химии новым сoединениям приписывали тривиальные названия, т.е. названия сложившиеся исторически и нередко связанные со способом их получения, внешним видом и даже вкусом и т.п. Такая номенклатура органических соединений называется тривиальной. В таблице ниже приведены некоторые из соединений, сохранивших свои названия и в нынешние дни.
Рациональная номенклатура
С расширением списка органических соединений, возникла необходимость связывать их название со Базой рациональной номенклатуры органических соединений является наименование простейшего органического соединения. Например:
Однако, более сложным органическим соединениям невозможно приписать названия подобным способом. В этом случае следует называть соединения согласно правилам систематической номенклатуры ИЮПАК.
Систематическая номенклатура ИЮПАК
ИЮПАК (IUPAC) - Международный союз теоретической и прикладной химии (International Union of Pure and Applied Chemistry).
В данном случае, называя соединения, следует учитывать местоположение атомов углерода в молекуле и структурных элементов. Наиболее часто применяемой является заместительная номенклатура органических соединений, т.е. выделяется базовая основа молекулы, в которой атомы водорода замещены на какие-либо структурные звенья или атомы.
Прежде чем приступить к построению названий соединений, советуем выучить наименования числовых приставок, корней и суффиксов используемых в номенклатуре ИЮПАК .
А также названия функциональных групп:
Для обозначения числа кратных связей и функциональных групп пользуются числительными:
Предельные углеводородные радикалы:
Непредельные углеводородные радикалы:
Ароматические углеводородные радикалы:
Правила построения названия органического соединения по номенклатуре ИЮПАК:
- Выбрать главную цепь молекулы
Определить все присутствующие функциональные группы и их старшинство
Определить наличие кратных связей
- Пронумеровать главную цепь, причем нумерацию следует начинать с наиболее близкому к старшей группе конца цепи. При существовании нескольких таких возможностей, нумеруют цепь так, чтобы минимальный номер получили или кратная связь, или другой заместитель, присутствующий в молекуле.
Карбоциклические соединения нумеруют начиная со связанного со старшей характеристической группой атома углерода. При наличии двух и более заместителей цепь стараются пронумеровать так, чтобы заместителям принадлежали минимальные номера.
- Составить название соединения:
— Определить основу названия соединения, составляющего корень слова, который обозначает предельный углеводород с тем же количеством атомов, что и главная цепь.
— После основы названия следует суффикс, показывающий степень насыщенности и количество кратных связей. Например, — тетраен, — диен . При отсутствии кратных связей используют суффикс – ск.
— Затем, также в суффикс добавляется наименование самой старшей функциональной группы .
— После следует перечисление заместителей в алфавитном порядке с указанием их местоположения арабской цифрой. Например, — 5-изобутил, — 3-фтор. При наличии нескольких одинаковых заместителей указывают их количество и положение, например, 2,5 – дибром-, 1,4,8-тримети-.
Следует учесть, что цифры отделяются от слов дефисом, а между собой – запятыми.
В качестве примера дадим название следующему соединению:
1. Выбираем главную цепь
, в состав которой обязательно входит старшая группа
– СООН.
Определяем другие функциональные группы : — ОН, — Сl, — SH, — NH 2 .
Кратных связей нет.
2. Нумеруем главную цепь , начиная со старшей группы.
3. Число атомов в главной цепи – 12. Основа названия
10-амино-6-гидрокси -7-хлоро-9-сульфанил-метиловыйэфир додекановой кислоты.
10-амино-6-гидрокси-7-хлоро-9-сульфанил-метилдодеканоат
Номенклатура оптических изомеров
- В некоторых классах соединений, таких как альдегиды, окси- и аминокислоты для обозначения взаимного расположения заместителей используют D , L – номенклатуру. Буквой D обозначают конфигурацию правовращающего изомера, L – левовращающего.
В основе D,L -номенклатуры органических соединений лежат проекции Фишера:
- α-аминокислот и α- оксикислот вычленяют «оксикислотный ключ», т.е. верхние части их проекционных формул. Если гидроксильная (амино-) группа расположена справа, то это D -изомер, слева L -изомер.
Например, представленная ниже винная кислота имеет D
— конфигурацию по оксикислотному ключу: 
- чтобы определить конфигурации изомеров сахаров вычленяют «глицериновый ключ», т.е. сравнивают нижние части (нижний асимметрический атом углерода) проекционной формулы сахара с нижней частью проекционной формулы глицеринового альдегида.
Обозначение конфигурации сахара и направление вращения аналогично конфигурации глицеринового альдегида, т.е. D – конфигурации соответствует расположение гидроксильной группы расположена справа, L – конфигурации – слева.
Так, например, ниже представлена D-глюкоза.
2) R -, S-номенклатура (номенклатура Кана, Ингольда и Прелога)
В данном случае заместители при асимметрическом атоме углерода располагаются по старшинству. Оптических изомеры имеют обозначения R и S , а рацемат — RS .
Для описания конфигурации соединения в соответствии с R,S-номенклатурой поступают следующим образом:
- Определяют все заместители у асимметричного атома углерода.
- Определяют старшинство заместителей, т.е. сравнивают их атомные массы. Правила определения ряда старшинства те же, что и при использовании E/Z-номенклатуры геометрических изомеров.
- Ориентируют в пространстве заместители так, чтобы младший заместитель (обычно водород) находился в наиболее отдаленном от наблюдателя углу.
- Определяют конфигурацию по расположению остальных заместителей. Если движение от старшего к среднему и далее к младшему заместителю (т.е. в порядке уменьшения старшинства) осуществляется по часовой стрелке, то это R конфигурация, против часовой стрелки — S-конфигурация.
В таблице ниже приведен перечень заместителей, расположенных в порядке возрастания их старшинства:
Органические соединения - самый обширный класс химических соединений. Многообразие органических соединений связано с уникальным свойством углерода образовывать цепочки из атомов, что в свою очередь обусловлено высокой стабильностью углерод-углеродной связи. Связь углерод-углерод может быть как одинарной, так и кратной - двойной, тройной. При увеличении кратности углерод-углеродной связи возрастает её энергия, то есть стабильность, а длина уменьшается. Высокая валентность углерода - 4, а также возможность образовывать кратные связи, позволяет образовывать различные структуры.
Основные положения теории химического строения А.М. Бутлерова
- Атомы в молекулах соединены друг с другом в определенной последовательности согласно их валентностям. Последовательность межатомных связей в молекуле называется ее химическим строением и отражается одной структурной формулой (формулой строения).
- Химическое строение можно устанавливать химическими методами. (В настоящее время используются также современные физические методы).
- Свойства веществ зависят от их химического строения.
- По свойствам данного вещества можно определить строение его молекулы, а по строению молекулы - предвидеть свойства.
- Атомы и группы атомов в молекуле оказывают взаимное влияние друг на друга.
Теория Бутлерова явилась научным фундаментом органической химии и способствовала быстрому ее развитию. Опираясь на положения теории, А.М. Бутлеров дал объяснение явлению изомерии, предсказал существование различных изомеров и впервые получил некоторые из них.
Классификация органических соединений
Классификацию органических веществ проводят по разным признакам.
1.По строению углеродной цепи (скелета):
· ациклические
· циклические (карбоциклические, гетероциклические)
- По наличию боковой цепи (радикала)
· неразветвленные,
· разветвленные
2. По степени насыщенности (кратности) углерод-углеродных связей:
· предельные (алканы, циклоалканы);
· непредельные (алкены, арены, алкины, диены и т.д.).
- По наличию функциональных групп:
· углеводороды;
· гетерофункциональные органические соединения (оксикислоты, аминокислоты).
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.
Номенклатура органических соединений
Для того, чтобы называть органические соединения используют тривиальную, рациональную и систематическую, или международную (IUPAC) номенклатуру.
Тривиальная (исторически сложившаяся) номенклатура в названии соединения обычно указывает на первоисточник его обнаружения или получения (муравьиная кислота, салициловая кислота и т.д.), на какое-либо из характерных свойств. Такая номенклатура не отражает строение вещества и не позволяет составить формулу по его названию.
По рациональной номенклатуре любое органическое соединение данного гомологического ряда называется как производное простейшего.
По международной номенклатуре определяющим фрагментом, лежащим в основе (в корне) названия ациклических соединений, является самая длинная углеродная цепь, а для циклических – цикл.
Названия первых четырех предельных углеводородов тривиальные (исторические названия) - метан, этан, пропан, бутан. Начиная с пятого, названия образованы греческими числительными, соответствующими количеству атомов углерода в молекуле, с добавлением суффикса «-ан», за исключением числа "девять", когда корнем служит латинское числительное "нона".
Номенклатура гомологов ряда насыщенных углеводородов
| ФОРМУЛА | НАЗВАНИЕ | ФОРМУЛА | НАЗВАНИЕ |
| СН 4 | метан | С 6 Н 14 | гексан |
| С 2 Н 6 | этан | С 7 Н 16 | гептан |
| С 3 Н 8 | пропан | С 8 Н 18 | октан |
| С 4 Н 10 | бутан | С 9 Н 20 | нонан |
| С 5 Н 12 | пентан | С 10 Н 22 | декан |
Одновалентные радикалы, образованные из насыщенных неразветвленных предельных углеводородов отнятием водорода от конечного углеродного атома, называют, заменяя суффикс «-ан» в названии углеводорода, суффиксом «-ил».(- СН 3 метил и т.д.)
При составлении названия вещества по его структурной формуле необходимо последовательно выполнить следующие действия:
1. Выбрать главную углеродную цепь (цикл), включающую основную характеристическую группу, и пронумеровать ее с того конца цепи, ближе к которому расположена старшая группа. Если таких возможностей несколько, то нужно учитывать наличие:
а) других характеристических групп (по старшинству);
б) двойной связи;
в) тройной связи;
г) других заместителей (по алфавиту).
2. Составить название из трех частей;
· С помощью приставки (префикса) обозначить заместители (боковые цепи, младшие характеристические группы) и расположить их по алфавиту. Положение заместителя нужно указать цифрой перед приставкой.
· В основе (корне) назвать главную углеродную цепь с учетом ее вида, длины. К названию главной цепи добавить суффикс, обозначающий степень насыщенности связей. Если в молекуле несколько кратных связей, в суффиксе нужно указать их число, а после суффикса - арабскими цифрами их положение в углеродной цепи.
· В окончание включается название старшей характеристической группы с указанием ее положения.
3. Расставить знаки препинания: все цифры отделить от слов дефисом, а друг от друга - запятыми.
Названия характеристических групп (перечислены в порядке убывания старшинства).
Например: назвать соединения по правилам систематической (IUPAC) номенклатуры:
2,4-диметилгептан 4,6-диметилгептен-1
Классы органических соединений
| Углеводороды | Формула класса | Название класса | Представи- тели | Номенклатура | |||||
| Алканы Циклоалканы Алкен Диены Алкины Арены | , , , , , | [-ан] [цикло----ан] [-ен] [-диен] [-ин] Бензол Метилбензол (толуол) Ксилол | |||||||
| Функциональные классы органических веществ | |||||||||
| Формула функцион. группы | Название группы | Формула класса | Название класса | Представи- тели | Номенклатура | ||||
| Карбок- сильная |
R-COOH
 | Карбоновые кислоты | HCOOH C COOH | [-овая кислота] | |||||
| Альдегид-ная | COH CHO O | Альдегиды | HCOH CCOH | [-аль] | |||||
| Оксо | R - C – R || о ( CO O | Кетоны | C-C-CH 3 || O | [-он] | |||||
| -OH | Гидрокси | OH O Ar-OH | Спирты Фенолы | C-OH OH OH | [-ол] фенол | ||||
| -NН 2 | Амино | N ( NH ( N | Амины Первичные Вторичные Третичные | C-N ( C) 2 NН ( C) 3 N | -амин | ||||
Контрольные вопросы
1. Предмет биоорганической химии, ее значение для биологии и медицины.
2. Строение и классификация органических соединений по типу углеродной цепи. связям и природе функциональных групп.
3. Номенклатура органических соединений. Заместительная номенклатура ИЮПАК.
а) номенклатурные термины: родоначальная структура, характеристическая группа, заместитель;
б) последовательность составления названия органического соедине-ния по общей схеме.
4. Тривиальная и радикально-функциональная номенклатуры органических соединений.
Типовые задания
1. НАЗВАТЬ СОЕДИНЕНИЯ ПО ПРАВИЛАМ СИСТЕМАТИЧЕСКОЙ (IUPAC) НОМЕНКЛАТУРЫ:
2-оксобутандиол-1,4 4-амино-2-тиопентановая кислота
2-изопропилциклогександиол-1,4 4-гидрокси-2,2-диметилгексадиен-2,5-аль -
2. УСТАНОВИТЕ СООТВЕТСТВИЕ МЕЖДУ НАЗВАНИЕМ СОЕДИНЕНИЯ И КЛАССОМ, К КОТОРОМУ ОНО ПРИНАДЛЕЖИТ
НАЗВАНИЕ СОЕДИНЕНИЯ КЛАСС СОЕДИНЕНИЙ
А) фруктоза 1) арены
Б) 2-метилбутен-1 2) алкены
В) толуол 3) алкадиены
Г) пропин 4) моносахариды
Научитесь давать названия углеводородам.
Галоген
углеводороды, органические соединения, содержащие один или более галоген
ов, называют по той же самой схеме. Возьмите имя присоединенного элемента (хлор) и прибавьте его к цепи. Для описания количества используйте такие же префиксы.
Например: CF 3 CHBrCl называется 2-бром-2-хлор-1,1,1-трифторэтан.
Научитесь давать названия спиртам.
Спирт – это углеводородная цепь, к которой прикреплена гидроксидная (OH -) группа. Назовите углеродную цепь и добавьте суффикс -анол
. В конце впереди номер, указывающий на углерод, с которым соединена гидроксидная группа.
Например: CH 3 CH 2 CH 2 (OH) называется пропанол-1.
Научитесь давать названия простым эфирам, углеводородной цепи, связанной с кислородом, который в свою очередь связан с другой углеводородной цепью.
Более короткая из двух цепей становится первой частью названия (используйте префикс). Затем добавьте "окси", а затем – название длинной цепи с окончанием -ан.
Например: CH 3 OCH 2 CH 3 называется метоксиэтан.
- Чаще используются тривиальные названия простых эфиров. Назовите углеводородные цепи как радикалы. Расположите их в алфавитном порядке и добавьте после них слово "эфир".
Например: CH 3 OCH 2 CH 3 называется метилэтиловый эфир.
Научитесь давать названия альдегидам.
Аль
дегиды представляют собой углеводородную цепь с кислородом, связанным двойной связью к последнему/первому углероду. Используйте для углеводородной цепи подходящий префикс и добавьте суффикс -аналь
Например: CH 3 CH(=O) называется этаналь.
Научитесь давать названия кетонам.
Кетон
– это углеводородная цепь, к среднему атому углерода которой присоединен кислород. Используйте суффикс -анон
и указывайте номер позиции для кетонов с количеством атомов углерода больше 3-х.
Например: CH 3 CH 2 CH 2 C(=O)CH 3 называется пентанон-2.
Научитесь давать названия карбоновым кислотам.
Карбоновая кислота
– это углеводородная цепь, с последним/первым углеродом которой связаны двойной связью кислород и гидроксильная группа. Используйте суффикс -ановая кислота
. Номер углерода указывать не нужно.
Например: CH 3 CH 2 C(=O)OH называется пропановая кислота.
Научитесь давать названия сложным эфирам.
Сложный эфир представляет собой углеводородную цепь, в которой с углеродом связан кислород как двойной, так и одинарной связью. Сначала назовите группу без кислорода (R"). Затем назовите часть R-C(=O)O, используя суффикс -аноат. Однако зачастую в части R есть двойная или тройная связь. В этом случае, используйте -еноат или -иноат и укажите, где находится двойная или тройная связь соответственно.
Например: CH 3 C(=O)OCH 2 CH 2 CH 2 CH 3 называется метилпентаноат.
Для наименования органических соединений используется несколько систем, но ни одна из них не подходит для всех соединений. Сохранились многие тривиальные названия, которые либо применялись еще в начальный период органической химии и отражают источник получения или характерные качества, либо являются более новыми несистематическими названиями, которые используются по причине удобства. Так, спирт CH 3 OH иногда называют «древесным спиртом», потому что его когда-то получали сухой перегонкой дерева; систематическое название для этого спирта метанол. Алкалоид морфин назван по его наркотическому действию, но в этом случае тривиальное название является единственным обычно используемым, поскольку систематическое название сложно и громоздко. Тривиальные названия часто дают промышленным продуктам, особенно в фармацевтической промышленности, где продукты продаются под патентованными названиями, причем одно и то же соединение различные фирмы могут выпустить под различными названиями. Часто используются квазисистематические названия, которые не могут адекватно описать структуру соединения без дополнительной информации. Например, инсектицид ДДТ иногда называют дихлордифенилтрихлорэтаном, чего недостаточно, чтобы написать единственную структуру этого соединения, поскольку название ничего не говорит о положении атомов хлора. Полное название для главного активного компонента 2,2-ди(4-хлорфенил)-1,1,1-трихлорэтан.
Основные правила наименования соединений по системе ИЮПАК даны ниже:
1. Находят самую длинную непрерывную цепь углеродных атомов в молекуле. Название соответствующего углеводорода используют как основу названия соединения.
2. Атомам (иным, чем водород) и группам вдоль этой цепи даются наименования, и эти наименования пишут перед названием основного углеводорода.
3. Атомы углерода основной углеводородной цепи нумеруют последовательно, начиная с конца, выбранного так, чтобы атомы углерода, несущие заместители, получили наиболее низкие номера.
4. Положения заместителей указывают локантами числами перед названиями заместителей, обозначающими порядковые номера атомов углерода, к которым они присоединены.
5. Если имеется несколько одинаковых групп, перед их названием ставится приставка «ди», «три», «тетра», «пента», «гекса» и т.д., обозначающая число присутствующих групп.
6. Двойные углерод-углеродные связи указывают суффиксом «ен» («диен», если их две, и т.п.), а тройные суффиксом «ин» («диин» для двух и т.д.); при использовании этих суффиксов окончание «ан» опускают. Положение кратных связей обозначают порядковыми номерами углеродных атомов, подобно тому, как это делается для заместителей.
7. Все название пишется одним словом.
Несколько примеров иллюстрируют эти правила:
Наименование таких сложных радикалов, как CH 3 CHCH 2 Cl в последнем примере, осуществляется по следующим правилам:
1. Углеродный атом со «свободной» связью получает номер 1 ў . Самая длинная углеродная цепь, начиная с этого места, последовательно нумеруется и используется для основного названия (в приведенном примере этан).
2. С заместителями вдоль этой цепи поступают, как описано выше при наименовании соединений.
3. Полное название сложного радикала заключают в скобки, чтобы избежать путаницы с номерами для остальной части молекулы.
Названия по системе ИЮПАК и обычные названия для нескольких часто встречающихся сложных радикалов даны в табл. 2.
Циклические углеводороды называют, прибавляя к названию углеводорода с прямой цепью приставку «цикло». Для указания положения заместителей атомы кольца нумеруют последовательно, начиная с главного заместителя (табл. 3).
Отметим, что в последнем примере углеводород просто называют бензолом (а не 1,3,5-циклогексатриеном), а соответствующий радикал фенилом.
|
Таблица 3. НАЗВАНИЯ НАИБОЛЕЕ ЧАСТО ВСТРЕЧАЮЩИХСЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ (ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКИХ) ГРУПП ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ (ГРУППЫ ПЕРЕЧИСЛЯЮТСЯ СВЕРХУ ВНИЗ В ПОРЯДКЕ ПОНИЖАЮЩЕГОСЯ СТАРШИНСТВА) |
|||
| Соединения |
Группы |
Названия групп |
|
|
в префиксе |
в суффиксе |
||
| Карбоновые кислоты | –COOH –(C)OOH a |
карбокси-
– |
-карбоновая
кислота
-овая кислота |
| Сульфоновые кислоты | –SO 3 H | сульфо- | -сульфоновая
кислота
(-сульфокислота) |
| Амиды | –CONH 2 –(C)ONH 2 a |
карбамоил-
– |
-карбоксамид
-амид |
| Нитрилы | –Cє
N –(C)є N a |
циано-
– |
-карбонитрил
-нитрил |
| Альдегиды | –CH=O –(C)H=O a |
формил-
оксо- |
-карбальдегид
-аль |
| Кетоны | –(C)=O | оксо- (кето) | -он |
| Спирты, фенолы | –OH | гидрокси- | -ол |
| Тиолы | –SH | меркапто- | -тиол |
| Амины | –NH 2 | амино- | -амин |
| Простые эфиры б | –OAlk | алкокси- | – |
| Галогенопроизводные б | F, Cl, Br, I | фтор-, хлор-, бром-, иод- | – |
| Нитрозосоединения б | –NO | нитрозо- | – |
| Нитросоединения б | –NO 2 | нитро- | – |
| Диазосоединения б | –N 2 | диазо- | – |
| Азиды б | –N 3 | азидо- | – |
|
А
Атом С, взятый в
скобки, считается частью главной углеродной цепи, а не функциональной
группы (CH 3 COOH
– этановая, метанкарбоновая, уксусная кислота).
|
|||
Более сложным циклическим соединениям обычно дают тривиальные названия и системы нумерации. К соединениям этого типа относятся полициклические ароматические углеводороды (в которых бензольные кольца соединены двумя общими атомами) и гетероциклические соединения (у которых в состав колец входят гетероатомы). Важнейшие циклические системы и их нумерация приведены в табл. 4. Отметим, что в гетероциклах нумерация начинается с гетероатома и производится так, чтобы другие гетероатомы получили наименьшие номера. Наименование заместителей в этих кольцах следует основным правилам ИЮПАК, приведенным выше.
Наиболее широко для построения названий органических соединений правила ИЮПАК рекомендуют использовать заместительную номенклатуру. Общая схема таких названий: 1) префиксы боковые цепи, затем младшие функции (см . табл. 3) в алфавитном порядке; 2) корень главная цепь или цикл; 3) суффиксы кратные связи, главная функция. Например
Геометрическую изомерию обозначают приставками цис - и транс - (см. выше ).
Оптическую изомерию обозначают символами D-, L- или мезо - перед названием соединения, чтобы указать ряд, к которому оно принадлежит. Другие системы используются реже. Направление вращения плоскополяризованного света часто указывают знаком (+) для правовращающих и знаком () для левовращающих изомеров.
Для кислот, кроме их систематических наименований, в научной литературе широко используются тривиальные названия. Некоторые важные органические кислоты перечислены ниже (табл. 5 и 6).
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.