РОССИЙСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Н.И.ПИРОГОВА Органическая химия Курс лекций для студентов медико-биологического факультета, специальность «Медицинская биофизика», «Медицинская кибернетика» 2023/24 уч. год Кафедра химии ИФМХ Лекция № 1 Введение. Номенклатура органических соединений. Электронное и пространственное строение органических соединений. Читает доцент кафедры химии ИФМХ Янкович Инна Владимировна Введение Органическая химия – химия углеводородов и их производных, включая гетероциклические соединения Особенности органических соединений: • основу органической молекулы составляет углеродный скелет, включающей от одного до нескольких сотен атомов углерода; • кроме атомов С и Н в состав органических соединений входит ограниченное число атомов: O, N, S, P, галогены; • для органических соединений широко распространено явление изомерии; • органические вещества имеют в подавляющем большинстве молекулярное строение; • основной тип связи – ковалентная связь; • горючесть 3 Классификация органических соединений • Строение углеродного скелета • Степень насыщенности связей • Наличие и природа функциональных групп Органическая соединения Ациклические (алифатические) Насыщенные Ненасыщенные Циклические Карбоциклические Алициклические Насыщенные Ароматические Гетероциклические Неароматические Ненасыщенные 4 Классификация органических соединений Функциональная группа – атом или группа атомов, обязательно содержащая гетероатом, определяющие принадлежность к данному классу органических соединений и ответственная за его химические свойства Полифункциональные – соединения с несколькими одинаковыми функциональными группами глицерин (пропантриол-1,2,3) этилендиамин (этандиамин-1,2) янтарная кислота (бутандиовая кислота) Гетерофункциональные – соединения с разными функциональными группами молочная кислота (2-гидроксипропановая кислота) глицериновый альдегид (2,3-дигидроксипропаналь) аспарагиновая кислота (2-амнобутандиовая кислота) 5 Классы органических соединений и старшинство характеристических групп Название Формула Функциональная группа префиксы суффиксы класса класса 1-й тип — характеристические группы и углеводородные радикалы, указываемые в заместительной номенклатуре только в префиксах Алканы R–H –R алкильная группа алкил- – Галогенопроизводные R–Hal –F, –Cl –Br, –I фтор, хлор бром, иод фторо-, хлоробромо-, иодо- – Нитропроизводные R–NO2 –NO2 нитрогруппа нитро- – Простые эфиры R–O–R' –O–R' алкоксильная группа алкокси- – Сульфиды R–S–R' –S–R' алкилтиогруппа алкилтио- – 6 Классы органических соединений и старшинство характеристических групп Формула Функциональная группа префиксы суффиксы класса 2-й тип — характеристические группы, указываемые и в префиксах, и в суффиксах (расположены в порядке убывания старшинства) в заместительной номенклатуре O -овая кислота -C Карбоновые O OH RC OH карбоксильная группа карбокси(-карбоновая кислоты -C O OH кислота)* O O Сульфоновые -сульфоновая RS OH -S OH сульфогруппа сульфоO O кислоты** кислота O оксо-аль RC H Альдегиды карбонильная группа (формил-) (-карбальдегид)* O C O RC R' Кетоны карбонильная группа оксо-он Название класса Спирты, фенолы R–OH –OH гидроксильная группа гидрокси- -ол Тиолы*** R–SH –SH тиольная группа меркапто-, сульфанил- -тиол Амины R–NH2 –NH2 аминогруппа амино*атом углерода функциональной группы не входит в родоначальную структуру, **сульфокислоты, ***тиоспирты (меркаптаны) -амин 7 Названия некоторых органиче ских соединений и радика лов 8 Номенклатура органиче ских соединений Номенклатура органических соединений – это система терминов, обозначающих строение веществ и пространственное расположение атомов в молекуле Тривиальная номенклатура – ни одна из частей названия не используется в систематическом смысле Систематическая номенклатура является научной и отражает состав, химическое и пространственное строение соединения Заместительная номенклатура Радикальнофункциональная номенклатура В настоящее время принята систематическая номенклатура ИЮПАК (IUPAC – International Union of Pure and Applied Chemistry) - Международный союз теоретической и прикладной химии 9 Радика льно -функциональная номенклатура В радикально-функциональной номенклатуре в основе названия лежит название функциональной группы, определяющей химический класс соединения (амин, спирт, эфир, альдегид и т.д), к которому присоединяют наименование органического радикала: С2Н5ОН этиловый спирт Некоторые названия функциональных классов в радикально-функциональной номенклатуре (в порядке падения старшинства) Группа –C≡N, –N≡C >C=O –OH –SH –O–OH –O– –S–, >SO, >SO2 –Hal –N3 С2Н5Cl этилхлорид Название функционального класса –цианид, –изоцианид –кетон спирт –гидросульфид (–тиол) –гидропероксид эфир (простой) –сульфид, –сульфоксид, –сульфон –фторид, –хлорид, –бромид,–иодид, –азид СН3-О-С2Н5 метилэтиловый эфир винилметилкетон 10 Радика льно -функциональная номенклатура 1. 2. 3. 4. Используются названия органических радикалов, функциональных групп, классов соединений, тривиальные названия. В качестве локантов использует греческие буквы (α, β, γ, δ, ε, ω), а также префиксы орто-, мета-, пара-. При наличии нескольких разных заместителей, они приводятся в алфавитном порядке. Локанты ставятся, начиная с атома углерода, ближайшего к функциональной группе. Примеры построения названий по радикально-функциональной номенклатуре 1. Для симметричных углеводородов – как удвоенный радикал: СН2=СН–СН2–СН2–СН=СН2 СН2=СН–СН=СН2 дивинил диаллил дибензил 2. Для соединений с одной функциональной группой (галогенопроизводные, спирты, тиолы, амины, кетоны, простые эфиры, сульфиды, дисульфиды) название радикала соединяют с названием класса: CH 3 СН2=СН–СН2–S–СН2–СН=СН2 CH3 С NH2 CH3 трет-бутиламин C2H5–S–S–CH3 метилэтилдисульфид диаллилсульфид 3. Для более сложных соединений, например, включающих две функциональные группы, за основу (родоначальную структуру) берут вещество, имеющее тривиальное название, положение заместителей указывают либо греческими Br буквами (α-, β-, γ- ), либо префиксами орто-, мета-, пара-: O СH3 CH CH2 C OH NH2 дигидроксиацетон β-аминомасляная кислота O C HO H мета-гидроксибензальдегид N γ-бромопиридин 11 Заме стительная номенклатура В заместительной номенклатуре основой названия служит один углеводородный фрагмент (родоначальная структура), а другие фрагменты рассматриваются как заместители атомов водорода Родоначальная структура – химическая структура, составляющая основу называемого соединения. Для нециклических соединений – углеводород, соответствующий самой длинной углеродной цепи, включающей старшую характеристическую группу (группы). Если характеристических групп несколько, то их максимальное число должно входить в главную цепь. Для циклических и гетероциклических соединений – карбоцикл или гетероцикл. Заместитель – атом или группа атомов, замещающие атомы водорода в родоначальной структуре Характеристическая группа – термин в правилах заместительной номенклатуры, практически соответствующий понятию функциональная группа Старшая характеристическая группа – характеристическая группа, название которой отражается суффиксом в названии соединения Локант – цифра или буква, указывающая положение заместителя в родоначальной структуре. 12 Заме стительная номенклатура Структура названия ПРЕФИКСЫ А Б В Г и т.д. КОРЕНЬ АН ЕН ИН СУФ Ф И КС Все заместители (кроме СТАРШЕЙ РОДОНАЧАЛЬНАЯ СТРУКТУРА – степень ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКОЙ ГРУППЫ) СТАРШАЯ главная цепь или цикл насыщенности ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКАЯ по алфавиту главной цепи ГРУППА Последовательность действий при установлении названия: 1. Выявить все имеющиеся характеристические группы. 2. Установить, какая группа является старшей. Ее выносят в суффикс с указанием локанта. Остальные характеристические группы перечисляют в префиксе. 3. Выбрать родоначальную структуру. 4. Пронумеровать главную цепь, чтобы старшая характеристическая группа получила наименьший номер. В гетероциклических соединениях нумерацию атомов в цикле начинают с гетероатома. 5. Перечислить префиксы в алфавитном порядке с указанием локантов и использованием умножающих префиксов, причем умножающие префиксы не влияют на алфавитную последовательность. 6. Для сложных заместителей, в которых уже использованы умножающие дополнительные умножающие префиксы (бис-, трис-, тетракис- и т.д.). префиксы, применяются 13 Заме стительная номенклатура Последовательность действий при установлении названия (продолжение): 7. Составить полное название соединения. Локанты перечисляются через запятую, между локантами и префиксами или суффиксами ставится дефис. Локанты ставятся перед префиксами и после суффиксов. пентен-4-ол-2 гексен-1-ин-5 2,3-дигидроксипропаналь 1 2 3 4 5 6 3-фенилгександион-2,5 3-хлоро-3-циклогексилпропаналь N,N-диметил2-аминопропановая кислота 14 Изомерия Изомеры – вещества, имеющие одинаковый качественный и количественный состав, но различающиеся последовательностью соединения атомов (структурные изомеры) или расположением их в пространстве (пространственные изомеры) Виды изомерии Пространственная (стереоизомерия) Структурная Изомерия углеродного скелета Кратных связей Изомерия положения Функцион альных групп Межклассовая изомерия Заместителей в ароматическом цикле Геометрическая (цис-, транс-) изомерия Оптическая изомерия Гетероатомов 15 Структурная изомерия СН3 СН СН СН C СН3 СН3 NH2 О ОН 2-амино-3,4-диметилпентановая кислота Изомеры углеродного скелета: Изомеры положения функциональной группы: Межклассовые изомеры: 16 Электронное строение Реакционная способность соединений зависит: от типа химической связи; природы связываемых атомов; их взаимного влияния в молекуле Н 1s1 C 1s2 2s2 2p2 C* 1s2 2s1 2p3 Гибридизация – смешивание нескольких атомных орбиталей различной формы и близкой энергии с образованием такого же числа новых гибридных орбиталей, расположение которых в пространстве соответствует геометрии молекулы sp2 sp3 sp 17 Электронное строение N 1s2 2s2 2p3 в аммиаке, в алифатических аминах О 1s2 2s2 2p4 sp2 sp2 sp3 «пиррольный» атом азота в иминах, анилине, в пирроле sp3 в воде, алифатических спиртах «пиридиновый» атом азота в пиридине, пиримидине sp2 в фенолах, в карбонильных соединениях 18 Ко в а л е н т н а я с в я з ь Ковалентная связь Локализованная связь – молекулярные орбитали охватывают только два взаимодействующих атома Делокализованная связь – молекулярные орбитали охватывают более двух атомов Обычно такого типа связи возникают в сопряженных и ароматических системах Ковалентная связь -Связь образуется при перекрывании атомных орбиталей вдоль линии, соединяющей центры атомов Образование -связи на примере молекул Н2, HCl, Cl2: -Связь образуется при дополнительном перекрывании атомных орбиталей, перпендикулярных оси -связи. При этом между атомами возникают кратные связи Сопряжение ковалентных связей Сопряжение – образование единой р-электронной системы (многоцентровой молекулярной орбитали), включающей три или более атомов, за счет перекрывания их p-орбиталей π,π-Сопряжение возникает при взаимодействии π-МО одной связи с одной или несколькими π-МО соседних связей, отделенных одной одинарной связью (при чередовании простых и кратных связей) р,π-Сопряжение возникает при взаимодействии π-МО одной связи с негибридной р-орбиталью соседнего атома, содержащей неподеленную пару электронов (а также на ней может содержаться один неспаренный электрон (радикал), или вообще отсутствовать электроны (карбокатион)) 20 π,π-Сопряжение ,-Сопряжение в бутадиене-1,3 lсв(С –С ),(С –С ) = 0.136 нм * lсв(С=С) = 0.134 нм 1 2 3 4 lсв(С –С ) = 0.148 нм 2 3 lсв(С–С) = 0.154 нм окончательная структура гипотетическая структура с негибридизованными p-орбиталями 21 π,π-Сопряжение ,-Сопряженные системы изопрен гексатриен-1,3,5 акролеин винилацетилен акрилонитрил β-каротин 22 р,π-Сопряжение р , π - Сопряжение в винилметиловом эфире (метоксиэтене) СН2=СН-О-СН3 sp2 H C H Негибридизованные p-орбитали sp2 H sp2 C O H C H H р , π - с о п р я же н и е 23 р,π-Сопряжение p,-Сопряженные системы винилхлорид ацетамид аллил-катион аллил-радикал аллил-анион Сопряжение — образование в молекуле единого делокализованного электронного облака в результате перекрывания негибридизованных р-орбиталей Сопряженные системы — термодинамически выгодны Энергия сопряжения — выигрыш в энергии, получаемый за счет сопряжения (для бутадиена-1,3 Есопряжения = 15 кДж/моль) 24 Ароматичность Ароматичность – особый вид сопряжения Совокупность характерных свойств ароматических соединений: несмотря на высокую степень ненасыщенности склонность вступать в реакции замещения, а не присоединения; устойчивость к действию окислителей и температуры; повышенная термодинамическая стабильность по сравнению с сопряженными системами с открытой цепью Правило ароматичности Хюккеля Соединение ароматично, если оно имеет плоский замкнутый цикл сопряженную π-электронную систему, охватывающую все атомы цикла и содержащую (4n+2) р-электронов, где n=0, 1, 2, 3 и т.д. 6 pē (n=1) бензол 8 pē (n=1.5) циклооктатетраен – не ароматичен(!) 25 Ароматичность Строение молекулы бензола σ-связи негибридизованные p-орбитали шестицентровая МО (4n+2)= 6, если n=1 Бензол – плоский правильный шестиугольник с валентными углами 120, все связи СС равноценны (0.140 нм) и все атомы углерода sp2-гибридизованы; все связи СС и СН лежат в одной плоскости. Число – р-электронов равно 6 π,π- сопряжение в бензоле Есопряжения = 150 кДж/моль 26 Ароматичность Примеры ароматических соединений (4n+2) Конденсированные ароматические системы Небензоидные соединения H H ClO4 Na нафталин 10 pē (n=2) антрацен 14 pē (n=3) H циклопропенил катион 2 pē (n=0) H H циклопентадиенид-1,3 натрия 6 pē (n=1) тропилийперхлорат 6 pē (n=1) Ароматические гетероциклы N H O N Пиррол 6 pē (n=1) Фуран 6 pē (n=1) Пиридин 6 pē (n=1) 27 Взаимное влияние атомов Шкала электроотрицательности (по Л.Полингу) Li < H < S = Csp3 < I < Br = Csp2 < Cl = N < Csp < O < F 1 2.2 2.5 2.6 2.8 3.0 3.2 3.5 4 неполярные связи малополярные связи сильнополярные связи смещение электронной плотности σ-связи смещение электронной плотности π-связи 28 Взаимное влияние атомов Электронный эффект – перераспределение электронной плотности в частице под действием заместителя Заместители Электронодонорные (ЭД) (посылающие электроны) эффект + Электроноакцепторные (ЭА) (притягивающие электроны) эффект – Электронные эффекты Индуктивный (±I) Мезомерный (±М) 29 Индуктивный эффект Индуктивный эффект (I-эффект) ─ передача электронного влияния заместителей по цепи -связей IH = 0 +I-эффект: Alk– (CH3–, C2H5– и т.д.); O–; S–; атомы металлов –I-эффект: –Hal, –OH, H2O+–, –NH2, –NH3+, –NO2, –CN, –C(O)H, –C(O)R, –COOH, –COOR, –SO3H F F C CH2 CH2 + H3N CH2 CH2 CH2 F Индуктивный эффект из-за слабой поляризуемости σ-связей распространяется с затуханием, действует максимум на 4-е ближайшие σ-связи 30 Мезомерный эффект Мезомерный эффект (М-эффект, эффект сопряжения) – передача электронного влияния путем смещения π-электронов или неподеленных электронных пар гетероатомов в сопряженной системе –С=C, –C6H5, –Hal, –OH, –OR, O, – NH2 +M-эффект: СН3 О СН СН2 +М(-NH2) +М(СН3O-) –M-эффект: CH2 CH CH2 +М(СH2=CH-) +М(С6Н5-) анилин –C=O, –COOH, –C≡N, –C=C, –C6H5, – NO2, –SO3H О СН2 СН С –М(-С(О)Н) Н акролеин СH2 NH2 винилметиловый эфир Карбокатионы: О С Карбанионы: –М(-СООН) СH2 ОН бензойная кислота –М(С6Н5-) CH2 CH CH2 –М(СH2=CH-) Мезомерный эффект распространяется без затухания, т.к. негибридные р-орбитали более поляризуемы, а их электроны более подвижны 31 Электронные эффекты Характер совместного действия заместителей • Индуктивные и мезомерные эффекты заместителей могут не совпадать по направлению • Они влияют на реакционную способность соединений и в статическом, и в динамическом состоянии. Заместитель Алкил (Alk) –О– –NH2, –NHR, –NR2 –OH, –OR Галогены –СH=CH2 –COOH –C(O)H –SO3H –NO2 Индуктивный эффект (I) +I +I –I –I –I –I Мезомерный эффект (М) — +М +М +М +М ±М Суммарный эффект ЭД ЭД ЭД ЭД ЭД или ЭА ЭД или ЭА –I ±М ЭД или ЭА –I –I –I –I –М –М –М –М ЭА ЭА ЭА ЭА Соотношение IиМ –I << +М –I << +М –I > +М –I ≈ +М 32 Ус т о й ч и в о с т ь к а р б о к а т и о н о в Карбокатионы – частицы с положительным зарядом на атоме углерода, находящемся в состоянии sp2-гибридизации и обладающем вакантной орбиталью sp2 Факторы, влияющие на устойчивость карбокатионов : 1. Наличие электронодонорных заместителей, способных понижать положительный заряд у атома С+: < < 2. Возможность делокализации положительного заряда за счет эффекта сопряжения: < < 3. Наличие электронодонорных заместителей, проявляющих +М эффект: < < < 33 Ус т о й ч и в о с т ь р а д и к а л о в Свободный радикал – частица, имеющая неспаренный электрон у атома C, в состоянии sp2-гибридизации sp2 Факторы, влияющие на устойчивость радикалов : 1. Наличие электронодонорных заместителей, способствующих делокализации неспаренного электрона: 2. Возможность делокализации неспаренного электрона за счет эффекта сопряжения: 3. Наличие электронодонорных заместителей, проявляющих +М-эффект: 34 Ус т о й ч и в о с т ь к а р б а н и о н о в Карбанионы – частицы, имеющие неподеленную пару электронов и несущие отрицательный заряд на атоме углерода sp3 sp2 sp Факторы, влияющие на устойчивость карбанионов : 1. Наличие электроноакцепторных заместителей, способных понижать отрицательный заряд у атома С– : < карбанион енолят-ион 2. Наличие р,π-сопряжения с двойной связью или ароматической системой: < 3. < Наличие электроноакцепторных заместителей (–М, –I) в сопряженной системе с атомом С– : < < < 4. Степень гибридизации атома С–: чем больше доля s-орбитали, тем меньше размер МО и тем сильнее притягивает пару электронов и сильнее удерживает отрицательный заряд sp3 < sp2 < sp 35 Кислотно -основные свойства (КО С) органиче ских соединений Кислотность и основность по Брёнстеду-Лоури (1923г.) Кислоты ─ вещества, способные отдавать протон (доноры протона) Основания ─ вещества, способные присоединять протон (акцепторы протона) Сопряженная пара кислота и основание – две частицы, различающиеся на один протон кислоты сопряженные основания основания СН3СООН СН3СОО CH3NH3+ CH3NH2 + Н+ СН3 ОН + Н+ + H+ CH COOR + H+ 2 сопряженные кислотыH + СН3 O H CH3COOR 36 Кислотно -основные свойства (КО С) органиче ских соединений Типы кислот и оснований (по природе кислотного и основного центра) Типы оснований Типы кислот СН-кислоты RC NH-кислоты RNH3+ C H OH-кислоты RCH2OH SH-кислоты RSH -основания СН2 СН2 n-основания RNH2 ROH RSH 32 КО С органиче ских соединений Факторы, определяющие кислотность 1. Природа атома в кислотном центре: усиление кислотных свойств C H + H R O H 2. Заряд кислотного центра: >> R O H N H H F H S H Cl H O 3. Природа заместителей у кислотного центра: ЭА_заместители увеличивают кислотность, а ЭД – уменьшают: Cl3C COOH pKa = 0.66 > H COOH > CH3 pKa = 3.75 COOH pKa = 4.7 4. Степень делокализации отрицательного заряда в анионе: O C2H5 O pKa = 16 O H H pKa = 10 CH3-C O H pKa = 4.7 5. Стабильность сопряженного этой кислоте основания (аниона), за счет делокализации отрицательного заряда; чем стабильнее анион, тем сильнее кислота: С2Н5 O О О СН3-С О увеличение кислотности увеличение устойчивости аниона 6. Способность аниона к сольватации (взаимодействию с растворителем): чем меньше размер иона и чем больше делокализован в нем заряд, тем лучше он сольватируется 38 КО С органиче ских соединений Факторы, определяющие основность качественная оценка основности построена на тех же принципах, что кислотности, но действующих обычно в противоположном направлении 1. Природа атома в основном центре увеличение основности N (мнемоническое правило NOS) 2. Заряд основного центра: R O O F S Cl >> R-O-H 3. Электронодонорные заместители повышают основность, электроноакцепторные понижают CH3 NH2 > NH3 > метиламин +ICH3 аммиак IH = 0 NH2 анилин +MNH2 CH3 NH2 > п-толуидин +ICH3 NH2 > NO2 анилин IH = 0 NH2 п-нитроанилин INO2, +MNO2 4. Стабильность образующегося катиона (сопряженной кислоты) за счет ЭД-заместителей: чем стабильнее катион, тем сильнее основание 5. Доступность пары электронов гетероатома основного центра 39 КО Н Е Ц Л Е К Ц И И В С Е М С П АС И Б О ! ! !
