МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЙ УЧЕБНО-НАУЧНЫЙ ЦЕНТР

ЗАОЧНАЯ ШКОЛА

ХИМИЧЕСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

11 класс. Задание № 1

Основные понятия органической химии.

Номенклатура и изомерия органических соединений Новосибирск Разработка задания: к.х.н., М.П. Половинка

ПРАВИЛА ОФОРМЛЕНИЯ ЗАДАНИЯ

Приступая к выполнению задания, внимательно прочтите методические указания. Попробуйте самостоятельно решить задачи указанные в качестве примера. Сравните свой ход решения с решением в задании.

Работа должна быть выполнена в ученической тетради в клетку.

Обязательно пишите краткое условие задачи, а затем ее решение.

Указывайте номера задач – они должны совпадать с теми, которые указаны в задании. Обязательно оставляйте поля для замечаний преподавателя.

На обложке тетради нужно указать:

1. Отделение (химическое).

2. Тему и номер задания.

3. Класс, в котором Вы учитесь в Заочной школе.

4. Индекс почтового отделения по месту жительства.

5. Ваш подробный домашний адрес, телефон (с кодом города), е-mail.

6. Фамилию, имя, отчество.

Убедительно просим оформлять обложку по указанному образцу.

Работу отсылать:

только простой бандеролью. В тетрадь нужно вложите листок бумаги размером 6х10 см, с написанным на нем Вашим адресом (мы наклеим его на конверт, когда будем отсылать ответ).

или в электронном виде по е-mail: [email protected] или [email protected] (необходимо получить подтверждение, что Ваша работа получена!) Подробная информация (в т.ч. требования к оформлению работ в электронном виде) – на сайте ЗШ СУНЦ НГУ: http://zfmsh.nsu.ru Тел./факс:(383)- 363-40-66, 339-40- Наш адрес: Заочная школа СУНЦ НГУ ул. Пирогова, 11 (Ляпунова, 3), Новосибирск-90, Е-mail: [email protected], ([email protected]) © Специализированный учебно-научный центр НГУ, «Нет в мире непонятного, но многое ещё не понято».

И.И.Мечников Как было написано в одной задаче на вступительных экзаменах на химический факультет МГУ, «…в 1999 году зарегистрировано 18миллионное органическое вещество…», а далее по условию предлагалось по названию нарисовать его структурную формулу. Чаще всего в таких задачах просят нарисовать возможные изомеры и определить тип изомерии.

Казалось, это самые простые задачи в курсе органической химии, в которых не нужно проводить вычислений, вспоминать химические свойства, а требуется изобразить структурные формулы веществ по названию или дать название вещества по структурной формуле в соответствии с правилами IUPAC (Международного союза теоретической и прикладной химии), то есть по международной номенклатуре. Однако практика показывает, что даже такие с виду простые задания могут застать школьника врасплох. Для того, чтобы вы могли успешно справляться с подобными задачами, ниже кратко напомним вам основные положения структурной теории органической химии и правила международной номенклатуры.

Теория строения органических соединений А.М.Бутлерова.

1. Атомы в молекулах органических соединений связаны между собой в определенном порядке химическими связями в соответствии с их валентностью. Углерод во всех органических соединениях четырехвалентен.

2. Свойства веществ зависят не только от их качественного и количественного состава, но и от порядка соединения атомов.

3. Атомы в молекуле взаимно влияют друг на друга.

Молекулярная или брутто-формула указывает на качественный и количественный состав соединения, но не дает сведений о его структуре:

С6H6, C2H6O. Здесь сразу же вспомним, что молекулярная формула, соответствующая предельным углеводородам (алканам) – С nH2n+2, алкенам или циклоалканам - CnH2n, алкинам, диенам или циклоалкенам - CnH2n-2, где n – целое число.

Структурная формула описывает порядок соединения атомов в молекуле.

Химические связи в структурных формулах изображаются черточками.

Наиболее часто применяется написание формул, где связь между водородом и другими атомами обычно не указывается, например, СH3-CH2-CH3. Кроме того, в современной химической литературе часто структурные формулы рисуются без написания символов атомов углерода, изображаются лишь связи, соединяющие их между собой и функциональные группы:

H2 H Функциональная группа – атом (кроме водорода) или группа атомов, связанная с атомом (атомами) углерода, определяющая, как правило, химические свойства данного соединения и отношение к определенному классу органических соединений. ( См. ниже таблицу 1).

Гомологи – соединения, содержащие общий структурный фрагмент, то есть, относящиеся к одному классу и обладающие сходными химическими свойствами, отличающиеся на гомологическую разность - n групп CH2, где n гомологический ряд.

Задача 1. Среди перечисленных соединений выделить гомологи и изомеры:

пентин-1, бутен-2. Если у вас возникли проблемы с написанием структур, названия которых перечислены, прочтите далее материал задания, а потом вернитесь к задаче 1.

Из второго пункта теории А.М.Бутлерова вытекает понятие изомерии.

Изомеры - вещества, имеющие одинаковую молекулярную формулу, но разное строение молекул. Выделяют два основных типа изомерии:

структурная и пространственная.

Структурные изомеры – изомеры с разным порядком соединения атомов.

Можно выделить три группы структурных изомеров:

(изомерия углеродного скелета):

пентан 2-метилбутан (изопентан) 2,2-диметилпропан (неопентан) 2. изомеры положения кратной связи или функциональной группы:

формулой, но различным строением молекулы, относящиеся к разным классам органических соединений; на приведенной схеме пентин-1, пентадиен-1,3 и циклопентен представители класса алкинов, алкадиенов и циклоалкенов соответственно.

соединения атомов в молекуле, но различным взаимным расположением их в пространстве.

1. Цис-транс-изомеры существуют у соединений, содержащих двойную связь или цикл:

В цис-изомерах одинаковые заместители у различных атомов углерода находятся по одну сторону от некоторой плоскости (плоскости, в которой лежат p-орбитали -связи или плоскости цикла), а в транс-изомерах – по физическими свойствами.

2. Оптические изомеры образуют молекулы, которые несовместимы со своим зеркальным отражением, например, молекулы, в которых имеется хотя бы один асимметрический центр – атом углерода, связанный с четырьмя различными заместителями.

CHO CHO

Оптические изомеры глицеринового альдегида (2,3-дигидроксипропаналя) Такое свойство обозначается термином «хиральность», пространственные изомеры называются оптическими антиподами или энантиомерами. Наличие асимметрического атома не является единственной причиной энантиомерии, существует также осевая и плоскостная хиральность.

Энантиомеры обладают, как правило, одинаковыми физическими свойствами (температуры плавления и кипения, растворимость и другие характеристики). Отличия проявляются в способности вращать плоскость измеряется в специальных приборах поляриметрах. Отличия проявляются также в химических реакциях с хиральными реагентами, например, в реакциях оптически активных природных молекул с ферментами.

изменения относительного положения непосредственно не связанных между собой групп атомов в молекуле за счет их вращения вокруг простой связи.

заслоненная конформация бутана заторможенная конформация бутана При обычных температурах конформации легко переходят друг в друга.

Наука, изучающая свойства и превращения молекул, определяемые их различным пространственным строением, называется стереохимией и представляет собой большой раздел органической химии.

Рассказывая об основных понятиях органической химии, мы приводили формулы органических веществ, а под ними названия. Чтобы далее не возникло путаницы в рассмотрении нового материала, сделаем небольшой экскурс в номенклатуру органических соединений, то есть попытаемся научить вас называть самостоятельно органические вещества по структурной формуле и, наоборот, рисовать структурную формулу по названию. Правила международной номенклатуры (ИЮПАК) достаточно сложны и полностью опубликованы в солидных химических изданиях, достаточно хорошо и кратко они изложены, например, в книге Грандберга И.И. «Органическая химия» (практические работы и семинарские занятия) (Москва, Дрофа, 2001). В наше время химики пользуются системой Интернета для составления правильного названия соединения. Однако на уроках органической химии и на экзаменах под рукой как правило не бывает компьютера, а потому изложим ниже основные правила номенклатуры, которые помогут вам в ответах на вопросы школьных задач.

Не раз в тексте вам приходилось встречать понятие углеродного скелета, то есть последовательности атомов углерода соединенных между собой. В углеродном скелете могут быть первичные, вторичные, третичные и четвертичные атомы углерода. Первичный атом углерода соединен с одним атомом углерода, вторичный – с двумя атомами углерода и так далее.

Скелет, содержащий только первичные и вторичные атомы углерода, называется неразветвленным. Скелет, содержащий третичные и четвертичные атомы углерода – разветвленным. На рисунке 1(выше) пентан – неразветвленный скелет, изопентан и неопентан – разветвленные скелеты.

Неразветвленный скелет еще называют «нормальным» скелетом.

В начальных параграфах любого учебника по органической химии, как правило, приводится таблица предельных углеводородов от С 1 до С10, на базе названий нормальных углеродных скелетов строятся более сложные.

Углеводороды образуют соответствующие их структуре радикалы, которые в отличие от исходного углеводорода с суффиксом –ан на конце, оканчиваются на суффикс –ил и имеют на один водородный атом меньше.

Далее приведем названия наиболее распространенных радикалов.

Предельные радикалы:

Для того, чтобы самому успешно называть сложные органические молекулы, сначала научитесь называть предельные углеводороды. Для этого следует выучить названия предельных углеводородов (минимум от С 1 до С10), названия радикалов. В структуре углеводорода выделяют самую длинную и наиболее разветвленную углеродную цепь, то есть цепь с наибольшим количеством заместителей (радикалов). Далее цепь нумеруют, направление нумерации выбирают так, чтобы цифры, указывающие положение заместителей, были наименьшими (сумма номеров заместителей должна быть наименьшей).

6-изопропил-2,6-диметил-4-этилнонан (но не 4-изопропил-4,8-диметил-6-этилнонан) Радикалы перечисляются в алфавитном порядке.

Если в молекуле появляется кратная связь, она должна входить в главную цепь и иметь при нумерации остова меньший номер. Приведем структуры наиболее распространенных непредельных радикалов.

Непредельные радикалы и ароматические радикалы:

Двойная и тройная связь отличаются по старшинству (таблица 1, см. ниже), не забудьте учесть этот факт, если они одновременно находятся в молекуле, старшая группа должна иметь меньший номер атома углерода в цепи.

2,6,6,7-тетраметил-4-этилоктен- А теперь давайте попробуем решить задачу на составление изомеров углеводородов с определенной молекулярной формулой. Главное - уяснить для себя, что молекулы веществ строятся на бумаге по принципу детского конструктора, важно не забывать соблюдать валентности атомов. Здесь, хотим заметить, что изображая формулы изомеров, не забывайте, что существуют циклические молекулы, а они в свою очередь могут содержать боковые цепи, кратные связи могут содержаться как в самом цикле, так и в боковой цепи, кроме того цис- и транс-изомеры могут быть следствием наличия в молекуле как двойной связи, так и цикла.

Задача 2. Приведите структурные формулы всех возможных изомеров углеводорода С5Н8, назовите их по международной номенклатуре.

Если составленных вами структурных формул получилось больше 20-ти, и вы смогли назвать все соединения - смело переходите к другим органическим молекулам, которые включают, наряду с углеродом и водородом, кислород, азот и другие гетероатомы. Если составленных структурных формул гораздо меньше – получите подсказку!

Подсказка. Общая формула предельных углеводородов – CnH2n+2. Сравните её с формулой С5Н8 при n=5, не хватает 4-х атомов водорода до предельного углеводорода. Это может быть следствием наличия в молекуле тройной связи или двух двойных связей или двойной связи и цикла или двух циклов.

А теперь повторите попытку решения задачи 2.

Сложнее всего в этой задаче для школьника – назвать бициклические соединения с формулой C5H8, например, следующие:

бицикло[2.1.0]пентан бицикло[1.1.1.]пентан 2-метилбицикло[1.1.0]бутан Такие структуры называют по системе Байера. Согласно этой системе выбирается самый большой цикл в структуре. Его атомы нумеруют, начиная с узловых атомов (узловые атомы принадлежат сразу нескольким циклам, мостиками называют углеродные цепочки между узловыми атомами, они же по сути и составляют циклы) первые номера получают внутренних мостиков. В названии указывается число циклов, число атомов во всех мостиках, соединяющих узловые атомы (в порядке уменьшения числа атомов в них) и наконец, общее число углеродных атомов в циклической системе, например, бицикло[2.1.0]пентан. Мостик в 0 атомов – это просто С-С-связь между узловыми атомами углерода, как видно из рисунка 2. Если в циклах есть заместители, то нумерация атомов проводится так, чтобы они имели меньший номер. Отдельно стоят спиро-соединения, такие циклические соединения, в которых два цикла имеют один общий атом углерода; название строится из приставки спиро-, далее в квадратных скобках цифры, обозначающие число атомов в циклах в порядке уменьшения, за скобками общее число атомов, входящее в оба цикла.

Систему Байера, мы думаем, вы освоите более глубоко, если в будущем посвятите себя изучению химии сложных полициклических систем, например терпенов – природных соединений, выделяемых из бензольное или нафталиновое кольцо.

Моноциклические и полициклические ароматические углеводороды называют арены. В системе ИЮПАК сохранены тривиальные названия некоторых аренов:

Любые соединения, содержащие в структуре бензольное кольцо, можно назвать как замещенные бензолы без использования тривиальных названий;

положения заместителей обозначают наименьшими номерами или для двух заместителей в кольце терминами орто-, мета-, пара- (о-, м-, п- рядом, через атом или через два атома углерода соответственно).

(или п-этилтолуол) (но не диметилтолуол Задача 3. Изобразите структурные формулы и назовите все возможные изомеры состава C10H14, содержащие в структуре бензольное кольцо.

содержащих в формуле кроме углерода и водорода кислород, азот, серу;

здесь стоит привести названия наиболее распространенных радикалов.

Кислород- и азотсодержащие радикалы:

аналогии составляются подобные радикалы с большими алкильными NO- нитрозо-, NO2- - нитро-.

Если в молекуле появляется функциональная группа, она должна входить в главную углеродную цепь, а нумерация остова проводится таким образом, чтобы она имела меньший номер. Многофункциональные соединения называют по главной (старшей) функции. Для молекул, содержащих несколько кратных связей или функциональных групп, сначала выбирают главную (старшую) группу по таблице старшинства (таблица 1).

подчиненные (младшие) группы – префиксами, в алфавитном порядке (кроме кратных связей, всегда обозначаемых суффиксами). Далее приведем таблицу старшинства заместителей, которая есть не в каждом учебнике.

Таблица 1. Названия функциональных групп в суффиксах и префиксах (в порядке уменьшения старшинства).

10 Все заместители, -Br, -Cl, -F, -I, -NO, -NO2, обозначаемые -OR, -SR (бром-, хлор-, только префиксами фтор-, иод-, нитрозо-, (в алфавитном нитро-, алкокси-, алкилтио-, Ниже представлены примеры структурных формул и названий.

1-бром-2-иод-3-хлорпропан 2-метилбутен-2-ол- N-метилбензамид Часто используются тривиальные названия для следующих соединений:

Задача 4. Назовите по химической номенклатуре известный лекарственный препарат парацетамол, который имеет следующую формулу.

Попробуйте нарисовать все возможные изомеры с остовом бензола и назвать их.

Задача 5. Назовите соединения по международной номенклатуре:

OHOHOH

Задача 6. Нарисуйте и назовите все возможные изомеры состава C7H9N, принадлежащие к ароматическому ряду.

Задача 7. Приведите структурные формулы и назовите изомеры состава C5H12O. Назовите типы изомерии. Отметьте вещества, обладающие оптической активностью.

Задача 8. Приведите формулу амина, в молекуле которого есть два асимметрических атома углерода.

Задача 9. Простые эфиры – это соединения структуры R1-O-R2, где R1 и R как правило алифатические радикалы. Приведите формулы и назовите все простые эфиры – изомеры диметилпропанола.

Задача 10. Выполните задачу 2 для формулы C5H6.

Задача 11. САМАЯ ВАЖНАЯ! Придумайте задачу на тему нынешнего задания и решите её!

В начале задания было упоминание про 18-миллионное органическое соединение, зарегистрированное в 1999 году. Решите задачу!

Задача 12. В 1999 году зарегистрировано 18-миллионное органическое вещество – цис-2-фенил-3-циклогексен-1-карбоновая кислота. Напишите структурные формулы этого вещества и трех его изомеров, относящихся к этому же классу (классу циклогексенкарбоновых кислот).

Желаем успеха и ждем выполненных заданий!

Разработка задания: к.х.н., М.П. Половинка Уч. изд. л. 1, © Специализированный учебно-научный центр НГУ,