Что такое родоначальная структура в химии
Что такое родоначальная структура в химии
это совокупность названий индивидуальных веществ, их групп и классов, а также правила составления этих названий. Номенклатурные правила, разрабатываемые международным союзом чистой и прикладной химии (IUPAC), приняты в большинстве стран мира.
Согласно правилам IUPAC существуют следующие названия органических соединений:
Систематические названия полностью составляются из слов и частиц, которые отражают определенные элементы строения молекулы и опиcывают структурные особенности соединения, например:
Систематическая номенклатура используется во всем мире, употребляет международную терминологию и отражает состав, а также химическое и пространственное строение соединения.
Тривиальные названия не зависят от структуры и часто связаны с источником выделения или способом получения данного соединения. Например, яблочная кислота:
Тривиальные названия представляют собой исторически сложившиеся названий, которые отражают природный источник вещества (молочная кислота, мочевина, кофеин), характерные свойства (глицерин, гремучая кислота) или имя первооткрывателя (кетон Михлера, углеводород Чичибабина). Тривиальные названия не отражают точный состав и строение вещества, но позволяют увидеть, к какому классу соединений относится соединение. Многие тривиальные названия достаточно лаконичны, общеупотребимы и эквивалентны во всем мире, например валериановая кислота (англ. valeric acid), ксилол (англ. xylol), пропионовый альдегид (англ. propionaldehyde). Поэтому употребление некоторых из них разрешено правилами IUPAC
В полусистематических-полутривиальных названиях лишь некоторые части применяются в систематическом смысле, например названия первых членов ряда алканов (метан, бутан) содержат тривиальные основы и систематический суффикс:
Правила IUPAC допускают использование разных типов номенклатуры:
— соединительной и некоторых других
Наиболее общее значение имеют два типа: заместительная и радикально-функциональная номенклатуры:
Чтобы правильно составлять названия по заместительной номенклатуре и правильно рисовать структурные формулы по названиям, необходимо познакомиться с основными понятиями и определениями:
Алгоритм составления названий органических соединений по заместительной номенклатуре приведен ниже:
Таблица, которая поможет правильно определить старшую группу, а также правильно назвать все функциональные группы в молекуле приведена ниже. Функциональные группы в таблице расположены в порядке падения старшинства сверху вниз:
I. Нужно определить все имеющиеся характеристические группы и выбрать главную, которая указывается в ˄ (группа может отсутствовать). Все другие заместители обозначаются в алфавитном порядке.
С помощью локантов указывают положение всех функциональных групп и положение двойной связи. При этом нумерацию начинают с того конца молекулы, где номер старшей функциональной группы будет наименьшим.
Таким образом, название соединения: 3-бромбутен-3-он-2
Назовите соединение, зная его структурную формулу:
1. Находим самую длинную цепь: она состоит из 6 атомов.
2. Нумеруем атомы углерода, начиная справа, потому что радикал метил – C H 3 CH3 расположен ближе к правому концу выбранной цепи (при втором атоме углерода). Если бы нумерация углеродного скелета начиналась слева, то заместитель этил- стоял бы при третьем атоме углерода.
3. Называем выбранную цепь: цепь из шести атомов обозначается корнем «гекса»; в цепи все связи одинарные, следовательно, используем суффикс «ан». Получаем «гексан».
4. Находим заместители, называем их и определяем их местоположение:
Метил – C H 3 CH3 стоит у второго атома углерода, а этил – C 2 H 5 C2H5 — у четвертого атома. Добавляем названия радикалов к названию углеводородной цепи и цифрами указываем их местоположение. Заместители указываем в алфавитном порядке! Первым пишем метил, потому что его название начинается на «м», а название этил — на «э».
Напишите структурную формулу соединения 2,4-диметил-4-этилоктен-6.
1. Находим в названии соединения корень, обозначающий количество атомов углерода в главной цепи. Это корень «окт», он означает, что в цепи 8 атомов. Рисуем углеродный скелет главной цепи и нумеруем атомы.
2. В названии соединения мы видим суффикс «ен», это означает, что есть одна кратная связь, а именно двойная, и начинается она около шестого атома углерода. Следовательно, между шестым и седьмым атомами нужно нарисовать двойную связь.
4. Дописываем недостающие атомы водорода у каждого атома углерода в цепи. Помним, что углерод всегда четырехвалентен. Полученная формула соответствует названию 2,4-диметил-4-этилоктен-6.
Что такое родоначальная структура в химии
В табл. 3 приведены группы, объединенные в классы, которые могут называться в суффиксе. Какая-то из них, находясь в химическом соединении одна или в сочетании с группами из табл. 2, должна называться в суффиксе заместительного названия или выступить в качестве функционального наименования класса при использовании радикало-функциональной номенклатуры (см. последующие разделы). Примерами могут здесь служить названия: гексановая кислота, пентаналь, 3-аценафтенкарбоновая кислота, 1-хлор-2-бутанол и 4-метоксициклогексанон.
Если в молекуле присутствуют две или более одинаковые группы, рассматриваемые как главные, то это указывается умножающим префиксами: ди-, три- и т. д., например: 2,3-гександиол, 1,3,5-пентантрикарбоновая кислота, 4-метокси-1,3-циклогександиол. Часто соединение содержит более одной из указанных в таблице трех групп, и поскольку, согласно правилу, только одна группа упоминается в суффиксе названия (остальные в префиксе), то приоритет старшинства групп определяется порядком, приведенным в табл. 3. Этот порядок основывается на проведенном много лет назад реферативным журналом « Chemical Abstracs » статистическом исследовании порядка, в котором большинство химиков располагали классы изучаемых ими соединений, когда официальных рекомендаций по этому поводу еще не существовало.
Важнейшие классы соединений в порядке падения старшинства главных групп
Порядок
падения старшинства главных групп
Ониевые или аналогичные катионы
Производные кислот в следующем порядке: ангидриды, сложные эфиры, ацилгалогениды, амиды, гидразиды, имиды, амидины и др.
Нитрилы (цианиды), затем изоцианиды.
Кетоны, их аналоги и производные в той же последовательности, что и альдегиды
Амины, затем имины, гидразины и др.
Названия приведенных в этом списке заместителей, присутствующих в рассматриваемом соединении, но не избранных в качестве главной группы, помещаются в префиксах. В табл. 4 указаны названия важнейших из этих групп, употребляемые как в качестве суффиксов, так и в виде префиксов. Примерами могут служить названия:
2-аминоэтанол, о-аминофенол, 2-оксоциклопентанкарбоновая кислота и 4-фтор-3-этоксибензамид. В графе «Название в суффиксе» в случае кислот и некоторых их производных содержится два варианта названий. Например: когда мы говорим «бутановая кислота», то подразумеваем, что характеристической группой в ней является — COOH , углерод же входит в состав скелета (бутана); в названии же циклогексанкарбоновой кислоты характеристической группой оказывается уже вся карбоксильная группа СООН.
Обозначение важнейших характеристических групп
Характеристическая группа
Сульфоновые кислоты
** Здесь и далее квадратная скобка, отделяющая С-атом, означает, что в данном варианте названия он считается входящим в углеродный скелет, а не в характеристическую группу.
*** В реальных названиях: метоксикарбонил, метоксикарбоксилат и т. п.
Отделяемые префиксы располагаются в алфавитном порядке, при котором умножающие префиксы не учитываются. Сперва названия атомов и групп располагают в алфавитном порядке, а затем вставляют умножающие префиксы и локанты, например:
о-бромхлорбензол, 2-метил-
4-этилдекан, 3,3-диметил-1,1,1-трихлорпентан.
Сложные радикалы образуют единый префикс, который включается в алфавитный порядок по первой букве наименования. Например:
1-(диметиламино)-4-(метиламино)-3-этил-2-нафтойная кислота; 1,5-бис(диметиламино)-4-хлор-3-этил-2-нафтойная кислота.
В случае идентичных префиксов с разными цифровыми локантами первым ставится префикс с младшим локантом. Например:
Если в радикало-функциональном названии присутствуют два различных радикала, то они тоже пишутся в алфавитном порядке. Например:
метилэтилкетон, бутилэтиловый эфир.
Курсивы при расстановке в алфавитном порядке не учитываются, например:
Для соединений и радикалов применяется один и тот же принцип нумерации, с единственным исключением: в соединениях наименьший номер дается главной (функциональной) группе (или группам); в радикалах он придается атому со «свободной» валентностью (валентностями), а все замещающие группы перечисляются в префиксах.
В номенклатуре понятие наименьший локант имеет специальный смысл. Если сравнить два или более возможных варианта нумерации, составленных в восходящем порядке цифр, то младшим будет считаться тот, который в первом различающемся месте имеет меньший локант. Так, порядок локантов 1,1,7,8 младше, чем 1,2,3,4.
Правила IU РАС в этом вопросе рекомендуют
для алифатических соединений:
используя приводимые признаки, последовательно, до тех пор, пока не будет достигнуто окончательное решение, приписывать меньшие номера элементам структуры, как то:
2) суммарная ненасыщенность (т. е. сумма двойных и тройных связей);
5) атомы или группы, указываемые в префиксах;
6) префиксы в порядке перечисления (по алфавиту);
для циклических систем:
предписывать нумерацию, которая подчас оставляет очень мало возможностей или совсем их не оставляет при выборе нумерации заместителей. Однако в тех случаях, когда выбор возможен, младшие номера даются в следующей последовательности:
1) «обозначенный» атом водорода (см. с. 382, А–21.6; с. 398);
3) кратная связь в соединениях, название которых показывает частичное гидрирование (циклоалкены, пиразолины и им подобные);
4) группа, обозначаемая префиксом;
5) группа, обозначаемая первым по алфавиту префиксом.
(1)
Заместители в данном случае не определяют порядок нумерации вещества (1), которое следует называть 3-метил-6-хлор-2-хинолинкарбоновой кислотой. В следующих четырех простых примерах, соединениях (2)—(5), содержащих по одному заместителю (необязательно являющемуся главной группой), нумерация могла бы идти в двух направлениях, но выбирается наименьший локант для заместителя [или гетероатомов в примере (5)].
Если цикл дает возможность совершенно свободной нумерации, как, например, в соединении (6), то нумерацию начинают от главной группы. Если в соединении имеется не одна главная группа, то их нумеруют, например, как в (7). В последнем случае метильная группа определяет, какая карбоксильная группа получает номер 1, а какая — 3. Правило наименьших локантов приводит к решениям, показанным на примерах соединений (8)—(9). Так, (8) — 1,6,7-триметилнафталин, а не 2,3,8-триметилнафталин, (9) — 2,7,8-триметилдекан, а не 3,4,9-триметилдекан.
 |  |  |  |
(10)
Здесь родоначальная структура — алифатическая цепь, поскольку с ней связана главная характеристическая группа (карбоксил старше аминогруппы). Название — 3-(3 ‘-аминофенил)-3-метилбутановая кислота.
(11)
Здесь родоначальная структура — бензольное ядро, поскольку с ней связана главная характеристическая группа — карбоксил. Название — 3-(4 ‘-амино-2 ‘-бутил)бензойная кислота.
При выборе родоначальной структуры, решая вопрос об относительном старшинстве, надо учитывать дополнительные факторы,. Так, для ациклических структур руководствуются следующими критериями (каждый из последующих вступает в силу лишь в тех случаях, когда предыдущий не приводит к однозначному выбору).
1. Максимальное число старших характеристических групп, например:
(12)
Главная цепь — из четырех С-атомов (более длинная цепь С5 не включала бы обеих старших характеристических групп, которыми здесь являются гидроксилы).
2. Максимальная ненасыщенность по совокупности двойных и тройных связей:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3. Максимальная длина цепи.
При решении вопроса о старшинстве циклов последовательно применяют следующие критерии:
— все гетероциклы старше карбоциклов;
— старшинство гетероциклов определяется природой гетероатома: N > O > S > Se > Te ;
— максимальное число циклов;
— наличие в системе большего цикла;
— максимальное число узловых атомов.
Кроме указанных критериев в ряде случаев приходится принимать во внимание и целый ряд других: принцип наименьших локантов (см. ниже), стереохимические характеристики и др.
Главное правило: родоначальную структуру нумеруют так, чтобы старшая характеристическая группа получила наименьший из возможных номеров. Однако иногда это простое правило не дает возможности выбрать однозначную нумерацию. Тогда используют правило наименьших локантов, например:
(14)
Здесь характеристические группы позволяют начать нумерацию как слева, так и справа, но в последнем случае метильные группы имели бы локанты 3,4 — большие, чем при нумерации слева, которая и отвечает правилу наименьших локантов.
(15)
(16)
Что такое родоначальная структура в химии
1. КЛАССИФИКАЦИЯ И НОМЕНКЛАТУРА ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
КЛАССИФИКАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
Каждый период развития органической химии отмечен попытками ученых каким-то образом привести разнообразие химических соединений в единую систему.
Важнейшими признаками, которые положены в основу современной классификации органических соединений, являются строение углеродной цепи и природа функциональных групп.
Классификация по строению углеродной цепи
В зависимости от расположения углеродных атомов в молекуле органические соединения делят на несколько больших групп.
Различают два типа органических соединений: ациклические и циклические. Ациклические или алифатические (от древнегреч. алифар – жир) – вещества с открытой (незамкнутой) цепью, другое их название – соединения жирного ряда. По строению углеводородной цепи среди ациклических соединений различают: насыщенные (предельные) вещества, содержащие только простые углерод-углеродные связи и ненасыщенные (непредельные) алифатические – структуры с кратными (двойными, тройными) углерод-углеродными связями.
К циклическим относятся соединения, содержащие в своей структуре замкнутые цепи атомов – циклы (от греч. циклос – круг). Природа атомов, входящих в цикл, лежит в основе деления всех циклических соединений на две большие группы: карбоциклические и гетероциклические. В молекулах карбоциклических соединений цикл состоит только из атомов углерода. Гетероциклические соединения имеют в своей структуре циклы, содержащие наряду с атомами углерода атомы других элементов, чаще всего О, S, N.
Карбоциклические соединения в свою очередь делятся на алициклические и ароматические.
Алициклические структуры подобно алифатическим соединениям по степени насыщенности подразделяются на насыщенные и ненасыщенные:
Среди гетероциклических соединений различают насыщенные, ненасыщенные и ароматические структуры:
Соединения, молекулы которых состоят только из атомов углерода и водорода, называются углеводородами. Замещение одного или нескольких атомов водорода на функциональные группы ведет к образованию других классов органических соединений.
Классификация по природе функциональной группы
Функциональная группа – структурный фрагмент молекулы, характеризующий свойства соединений данного класса. Например, свойства карбоновых кислот характеризуются наличием карбоксильной группы СOOH; в спиртах функциональная группа – спиртовый гидроксил –ОН; к аминам относятся соединения, содержащие группу –NH2 и т. д.
По количеству и однородности функциональных групп органические соединения делят на моно-, поли- и гетерофункциональные.
Вещества с одной функциональной группой называют монофункциональными, с несколькими одинаковыми функциональными группами – полифункциональными. Соединения, содержащие несколько различных функциональных групп, – гетерофункциональные.
Соединения одного класса объединены в гомологические ряды. Гомологический ряд – это ряд органических соединений с одинаковыми функциональными группами и однотипным строением, каждый представитель гомологического ряда отличается от предыдущего на постоянную единицу (–СН2–), которую называют гомологической разностью. Члены гомологического ряда называются гомологами.
НОМЕНКЛАТУРА ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
Химическая номенклатура – совокупность названий индивидуальных химических веществ, их групп и классов, а также правила составления их названий.
Соблюдать соответствия между существующей классификацией веществ и их наименованиями позволяют номенклатурные системы.
Номенклатура органических соединений складывалась на протяжении всего периода возникновения и становления органической химии как науки. Для названий органических соединений применяют несколько номенклатурных систем: тривиальную, рациональную, международную (ИЮПАК).
На первых этапах развития органической химии соединения назывались случайно. Это было связано с их нахождением в природе: щавелевая кислота, яблочная кислота и другие, или с источником их получения: древесный спирт, муравьиная кислота и др. Многие тривиальные названия прочно укоренились и до сих пор широко применяются.
В основе рациональной номенклатуры используется принцип деления органических соединений на гомологические ряды. Вещества рассматриваются как производные простейшего представителя данного ряда, для алканов – метана, алкенов – этилена, алкинов – ацетилена и т. д., например:
В настоящее время применение рациональной номенклатуры ограничено. Основные ее принципы нашли свое отображение в радикало-функциональной номенклатуре.
Международная номенклатура (ИЮПАК)
Первая попытка создать номенклатурную систему, которая позволяла бы дать однозначное название любому органическому соединению, была предпринята химиками в 1892 году на международном конгрессе в Женеве (женевская номенклатура). Правила современной номенклатуры были разработаны на XIX конгрессе Международного союза теоретической и прикладной химии в 1957 году. Эти правила известны под названием номенклатуры ИЮПАК.
Номенклатурные правила ИЮПАК предусматривают несколько способов образования названий органических соединений. Наиболее широко применяются заместительная и радикало-функциональная номенклатуры.
Прежде чем перейти к рассмотрению заместительной номенклатуры, дадим определение основным понятиям.
Родоначальная структура – структурный фрагмент молекулы (молекулярный остов), лежащий в основе названия соединения: главная углеродная цепь атомов для ациклических соединений, для карбо- и гетероциклических – цикл:
Родоначальное название может быть систематическим, тривиальным или полусистематическим.
В органической химии для sр3-гибридизованного углерода существует такое понятие, как первичный, вторичный, третичный.
Радикал – остаток углеводорода, образующийся в результате удаления одного или нескольких атомов водорода. Свободную валентность в радикалах обозначают черточкой.
По количеству свободных валентностей различают одно-, двух-, трехвалентные радикалы:
В зависимости от того, у какого атома углерода находится свободная валентность, различают первичные, вторичные и третичные радикалы:
Заместителем называют любой атом или группу атомов, включая радикал и функциональную группу, которые не входят в родоначальную структуру.
Положение заместителей в молекуле указывают с помощью цифр или букв, которые называют локантами. Для обозначения нескольких одинаковых заместителей или кратных связей в данной молекуле применяют множительные (умножающие) приставки: ди- (два), три- (три), тетра- (четыре), пента- (пять) и т. д.
Согласно заместительной номенклатуре органические соединения рассматривают как производные углеводородов, в молекулах которых один или несколько атомов водорода замешены на другие атомы или атомные группы.
Составление названий проводят в определенном порядке:
1. Среди всех функциональных групп, имеющихся в соединении, выбирают старшую. Следующие группы перечисляют в порядке уменьшения их старшинства:
В названии органического вещества лишь старшая функциональная группа обозначается в суффиксе, все остальные – в префиксе, но некоторые функциональные группы всегда находят свое отражение в префиксе:
Их не рассматривают по старшинству.
2. Устанавливают родоначальную структуру. Если соединение содержит кратные связи, то они должны войти в родоначальную структуру.
3. Проводят нумерацию атомов родоначальной структуры таким образом, чтобы старшая функциональная группа получила по возможности меньший номер.
4. Составляют название соединения в целом: первым указывают в алфавитном порядке функциональные группы (кроме старшей) и углеводородные радикалы в префиксе, затем – название родоначальной структуры в корне и в конце названия – старшую функциональную группу в суффиксе.
Локанты, буквенные или цифровые, и множительные приставки располагают перед названием заместителей или кратных связей.
Пример составления названий:
В основе радикало-функциональной номенклатуры лежит название класса (спирт, кетон и др.), перед которым перечисляют названия радикалов и функциональных групп (кроме старшей),
В дальнейшем при изучении различных классов органических соединений мы расширим приведенные краткие пояснения на многочисленных примерах.