Классификация органических соединений
advertisement
Органическая химия http://www.chem.asu.ru/org/ochem_bio/index.html Лектор: Маркин Вадим Иванович доцент кафедры органической химии, канд. хим. наук E-mail: markin@chem.asu.ru Преподаватели КАТРАКОВ Игорь Борисович, доцент, канд. хим. наук ПАНЧЕНКО Ольга Анатольевна, доцент, канд. хим. наук 2 Модульно-рейтинговая технология обучения Модули – 8 Лекции – 32 ч Лабораторные работы – 16 ч Семинары – 16 ч Контрольные работы – 3 ЭКЗАМЕН 3 Модульно-рейтинговая технология обучения Модульная программа (модуль) •самостоятельная работа (выполнение индивидуального задания); •посещение лекций; •индивидуальная консультация у преподавателя; •семинарское занятие; •лабораторный практикум. 4 Структура рейтинга по курсу органической химии Рейтинг (Rmax) Вид контроля Текущий Форма учебной работы В баллах в% 1. Семинар (КС) 810=80 8.0 2. Тестовый контроль (КТ) 850=400 40.0 3. Лабораторный практикум (КЭ) 915=135 13.5 615 61.5 Работа №1 (Rоб1) 95 9.5 Работа №2 (Rоб2) 130 13.0 Работа №3 (Rоб3) 160 16.0 385 38.5 385 38.5 1000 100 810=80 8 15 1.5 95 9.5 Итого Обобща ющий Итого Итоговый Экзаменационная контрольная работа (RИт) ИТОГО Призовой фонд Текущий лекционный контроль (КЛ) Лабораторная работа №12 Итого 5 Нормировка рейтинга к стандартной оценке Оценка «Отлично» «Хорошо» «Удовлетворительно» «Неудовлетворительно» Набранный рейтинг (Ri) в% в баллах [80 – 100] 800 – 1000 [65 – 80[ 650 – 799 [55 – 65[ 550 – 649 < 55 < 549 6 Сайт курса «Органическая химия» http://www.chem.asu.ru/org/ochem_bio/index.html 7 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ Часть I 8 Органическая химия в ряду других наук Органическая химия вполне может свести человека с ума. Она создает у меня впечатление девственного тропического леса, полного самых удивительных вещей; из этой чудовищной и безграничной чащи невозможно выбраться и в нее страшно войти. Фридрих Велер (1835) Фридрих Велер (1800-1882) 9 Органическая химия в ряду других наук 10 Иерархия химических соединений Неорганические соединения (Mr=18―64) (оксид углерода (IV), вода, азот, ион аммония, нитрат-ион и др.) Оксид углерода (IV) Метаболиты (Mr=50―200) (пирувоат, цитрат, сукцинат, глицерилальдегид-3-фосфат, фруктоза-1,6-дифосфат и др.) Пирувоат Строительные блоки (Mr=100―350) (аминокислоты, нуклеотиды, моносахариды, глицерин и др.) Аланин Макромолекулы (Mr=103―109) (пептиды, белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, липиды и др.) 11 Предмет органической химии Органическая химия — химия соединений углерода. Элементы Н, О, N, S, галогены – называют органогенами. Органическая химия — химия углеводородов и их производных. 12 Причины выделения органической химии в отдельную науку 1. Четырехвалентность атома углерода H H H метан H C C C H C H O H H C H H этилен C H ацетилен H формальдегид 13 Причины выделения органической химии в отдельную науку 2. Способность образовывать длинные цепи и кольца (т.н. циклы) декан циклопропан циклогексан циклооктан 14 Причины выделения органической химии в отдельную науку 2. Способность образовывать длинные цепи и кольца (т.н. циклы) бензол кубан адамантан 15 Причины выделения органической химии в отдельную науку 2. Способность образовывать длинные цепи и кольца (т.н. циклы) [3]-катенан ротоксан фулерен-С60 16 Причины выделения органической химии в отдельную науку 3. Способность образовывать устойчивые или очень устойчивые связи с другими элементами 17 Причины выделения органической химии в отдельную науку 3. Способность образовывать устойчивые или очень устойчивые связи с другими элементами Реактив Гриньяра R-MgX Ph Ph Ph Ph Ph P P Pd Ph P Ph Ph Ph Ph Ph Ph P Тетракистрифенилфосфин палладий 18 Причины выделения органической химии в отдельную науку 4. Из всех элементов периодической системы именно углерод играет главную и определяющую роль в биологическом мире 19 Многочисленность органических соединений Chemical Abstract Service (CAS) http://www.cas.org 20 Многочисленность органических соединений http://www.cas.org/cgi-bin/regreport.pl 21 Многочисленность органических соединений OH O H2N O O OH H2C OH OH HO Палитоксин 10-7 г OH OH O OH OH HO OH CH3 OH OH OH OH OH O O CH3 OH CH3 HO OH O OH OH OH OH HO N H N H O CH3 H3C OH HO OH HO O OH O OH H3C O CH3 OH OH O OH OH HO OH OH OH OH 22 Многочисленность органических соединений Палитоксин 10-7 г 23 Многочисленность органических соединений Итак, богатство и разнообразие мира органических соединений является первой и важной причиной выделения органической химии в самостоятельную науку. 24 Особенности органических соединений 25 Источники органических соединений 26 Теория строения органических соединений Теория типов Ш. Жерар (40–50 гг 19 в) Четырехвалентность атома углерода Фридрих Кекуле (1857) ЖЕРАР Шарль Фредерик (21.VIII.1816 - 19.VIII.1856) Фридрих Август 7 сентября 1829 г. – 13 июля 1896 г. 27 Основные положения теории строения органических соединений (1861) БУТЛЕРОВ Александр Михайлович 3(15) сентября 1828 г. – 5(17) августа 1886 г. 28 Основные положения теории строения органических соединений (1861) 1) атомы в молекулах соединены друг с другом химическими связями в соответствии с их валентностью; 2) атомы в молекулах органических веществ соединяются между собой в определенной последовательности, что обусловливает химическое строение молекулы; 3) свойства органических соединений зависят не только от числа и природы входящих в их состав атомов, но и от химического строения 29 молекул; Основные положения теории строения органических соединений (1861) 4) в молекулах существует взаимное влияние атомов как связанных, так и непосредственно друг с другом не связанных; 5) химическое строение вещества можно определить в результате изучения его химических превращений и, наоборот, по строению вещества можно характеризовать его свойства. 30 Основные положения теории строения органических соединений (1861) Структурная формула — это изображение последовательности связи атомов в молекуле. Брутто-формула – СН4О или CH3OH Структурная формула H H C O H H CH3OH Упрощенные формулы строения 31 иногда называют рациональными Структурные формулы H3C CH2 CH2 CH3 н-бутан CH3 CH2 OH OH этиловый спирт 32 Объемные модели молекул скелетные шаростержневые сферические (Стюарта-Бриглеба) 33 Объемные модели молекул скелетные шаростержневые сферические (Стюарта-Бриглеба) 34 Функциональная группа Функциональная группа – атом или группа определенным способом связанных атомов, наличие которой в молекуле органического вещества придает ему характерные свойства и определяет его принадлежность к тому или иному классу соединений. O O O C OH H2N CH2 C CH3 C OH OH уксусная кислота бензойная кислота глицин (аминокислота) 35 Изомерия С2Н6О H H H C C O H H H этиловый спирт Ткип= 78 С H H H C O C H H H диметиловый эфир Ткип= -24 С 36 Изомерия Изомерия (от греч. isos — равный) С4Н10 CH3 H3C CH2 CH2 CH3 н-бутан Ткип= -0,5С H3C CH CH3 изобутан Ткип= -11,7С 37 Изомерия С5Н12 H3C CH2 CH2 CH2 CH3 пентан Ткип= 36.2С H3C CH CH2 CH3 CH3 2-метилбутан Ткип= 28С CH3 H3C C CH3 CH3 2,2-диметилпропан Ткип= 9.5С 38 Изомерия Число изомеров в ряду алканов Название Формула Число изомеров Формула Название Число изомеров CH4 метан 1 C11H24 ундекан 159 C2H6 этан 1 C12H26 додекан 355 C3H8 пропан 1 C13H28 тридекан 802 C4H10 бутан 2 C14H30 тетрадекан 1 858 C5H12 пентан 3 C15H32 пентадекан 4 347 C6H14 гексан 5 C20H42 эйкозан C7H16 гептан 9 C25H52 пентакозан 36 797 588 C8H18 октан 18 C30H62 триаконтан 4 111 846 763 C9H20 нонан 35 C40H82 тетраконтан C10H22 декан 75 366 319 62 491 178 805 831 39 Изомерия Изомеры — это вещества, которые имеют одинаковую молекулярную формулу, но различное химическое строение, а поэтому обладают разными свойствами. 40 Изомерия ИЗОМЕРИЯ Структурная Пространственная Углеродного скелета Оптическая Положения функциональной группы или кратных связей Валентная Геометрическая 41 Изомерия Структурная изомерия Изомерия углеродного скелета CH3 циклобутан метилциклопропан 43 Изомерия Структурная изомерия Изомерия положения функциональной группы CH3CH2CH2CH2OH CH3CHCH2CH3 OH бутанол-1 бутанол-2 CH2 CHCH3CH3 CH3CH CHCH3 бутен-1 бутен-2 44 Изомерия Структурная изомерия Изомерия положения функциональной группы CH2CH2COOH CH3CHCOOH NH2 NH2 -аминопропионовая кислота -аминопропионовая кислота CH2 CH C C CH CH2 дивинилацетилен бензол 45 Изомерия Структурная изомерия Валентная изомерия бензвален бензол бицикло[2.2.0]гекса-2,5-диен "бензол Дьюара" призман "бензол Ланденбурга" 46 Изомерия Пространственная изомерия (Стереоизомерия) Геометрическая изомерия HOOC COOH HOOC C C H H C C H малеиновая кислота (цис-1,2-этилендикарбоновая кислота) CH3 H COOH фумаровая кислота (транс-1,2-этилендикарбоновая кислота) CH3 CH3 CH3 47 Изомерия Пространственная изомерия (Стереоизомерия) Геометрическая изомерия HOOC COOH HOOC C C H H C C H малеиновая кислота (цис-1,2-этилендикарбоновая кислота) H COOH фумаровая кислота (транс-1,2-этилендикарбоновая кислота) 48 Изомерия Пространственная изомерия (Стереоизомерия) Геометрическая изомерия CH3 CH3 CH3 цис-1,2-диметилциклопентан CH3 транс-1,2-диметилциклопентан 49 Изомерия Пространственная изомерия (Стереоизомерия) Оптическая изомерия CH3 C H2N CH3 H H COOH HOOC S--аминопропионовая кислота C NH2 R--аминопропионовая кислота 50 Изомерия Пространственная изомерия (Стереоизомерия) Оптическая изомерия S--аминопропионовая кислота R--аминопропионовая кислота Изомерия — одно из наиболее своеобразных проявлений специфики и особенности органической химии 51 Гомология Группы органических соединений однотипной структуры с одинаковой функциональными группами, отличающиеся друг от друга по количеству групп CH2 в углеродной цепи, составляют гомологический ряд. Гомологический ряд метана CH4 CH3CH3 CH3CH2CH3 CH3CH2CH2CH3 и т.д. 52 Гомология Гомологический ряд изобутана CH3 CH3CHCH3 CH3 CH3 CH3CHCH2CH3 CH3CHCH2CH2CH3 CH3 CH3CHCH2CH2CH2CH3 Гомологический ряд метанола CH3OH CH3CH2OH CH3CH2CH2CH2OH CH3CH2CH2OH и т.д. 53 Учение о взаимном влиянии атомов в молекуле МАРКОВНИКОВ Владимир Васильевич 1837–1904 54 Классификация органических соединений C C C C C C C C C C C C C C C Открытая неразветвленная цепь Открытая разветвленная цепь Замкнутая цепь 55 Классификация органических соединений Органические соединения Ациклические (алифатические) гексан Алициклические Карбоциклические Ароматические Гетероциклические Металлорганические Селенорганические Элементорганические Борорганические Кремнийорганические Фосфорорганические 56 Классификация органических соединений CH2 Органические соединения Ациклические (алифатические) H2C CH2 H2C CH2 CH2 циклогексан Алициклические Карбоциклические Ароматические Гетероциклические циклобутен Металлорганические Селенорганические Элементорганические Борорганические Кремнийорганические Фосфорорганические 57 Классификация органических соединений Органические соединения Ациклические (алифатические) бензол Алициклические Карбоциклические Ароматические Гетероциклические Металлорганические Селенорганические Элементорганические фенантрен Борорганические Кремнийорганические Фосфорорганические 58 Классификация органических соединений Органические соединения Ациклические (алифатические) N пиридин Алициклические Карбоциклические Ароматические Гетероциклические N H Металлорганические Селенорганические Элементорганические Борорганические Кремнийорганические Фосфорорганические пиррол 59 Классификация органических соединений Органические соединения Cl CH3 Li Cl Si метиллитий Ациклические (алифатические) CH3 Cl метилтрихлорсилан Алициклические Карбоциклические Ароматические P Гетероциклические трифенилфосфин Металлорганические Селенорганические Элементорганические Борорганические Кремнийорганические Фосфорорганические 60 Классификация органических соединений 61 Классификация органических соединений 62 Классификация органических соединений 63 Классификация органических соединений Соединения могут содержать не одну, а несколько функциональных групп. Если эти группы одинаковые, то соединения называются полифункциональными. CHCl3 CH2 CH CH2 OH OH OH хлороформ глицерин 64 Классификация органических соединений Соединения, содержащие различные функциональные группы, называются гетерофункциональными. CH3 CH COOH OH молочная кислота CH2 CH2 NH2 OH коламин 65 Основы номенклатуры органических соединений Тривиальная номенклатура O H C CH3 OH HOOC COOH OH муравьиная кислота древесный спирт щавелевая кислота O CH3 C COOH пировиноградная кислота 66 Основы номенклатуры органических соединений Тривиальная номенклатура O O HN NH O Барбитуровая кислота 31.10.1835 – 20.08.1917 Иоганн Фридрих Вильгельм Адольф фон Байер 67 Основы номенклатуры органических соединений Рациональная номенклатура H3C C C CH3 диметилацетилен H3C CH CH3 CH2 CH2 CH3 CH H3C CH3 симм-диметилэтилен OH CH3 CH2 C CH H3C C C O OH CH3 CH3 этилпропилизопропилкарбинол триметилуксусная кислота 68 Основы номенклатуры органических соединений Систематическая номенклатура ИЮПАК ИЮПАК [от английского названия Международного союза чистой и прикладной химии — International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC)] Систематические названия составлены из слов, специально созданных или выбранных для описания структурных особенностей соединения. 69 Основы номенклатуры органических соединений Систематическая номенклатура ИЮПАК Характеристическая группа Префикс Суффикс —(C)OOH — -овая кислота —COOH карбокси- -карбоновая кислота —SO3H сульфо- -сульфокислота —(C)H=O оксо- -аль —CH=O формил- -карбальдегид оксо- -он —OH гидрокси-2 -ол —SH меркапто- -тиол —NH2 амино- -амин —NO2 ннтро- — —OR алкокси- — —F, —Cl, —Br, —I (Hal) фтор-, хлор-, бром-, иод(галоген-) — C O 70
