Лекция 6. Часть 1

1.

ЛЕКЦИЯ 6
Часть 1
Классификация и номенклатура
органических соединений.
Пространственное строение молекул
органических соединений

2.

Классификация
органических соединений

3.

Классификация по строению углеродного
скелета
Органические соединения
Ациклические (алифатические)
соединения
Неразветвленные Разветвленные
н-гексан
Циклические соединения
Карбоциклические
(соединения, в
которых углеродный
скелет замкнут в
цикл)
Гетероциклические
(содержат в цикле один
или более
гетероатомов)
2-метилбутан
(изопентан)
циклогексан
Никотиновая
кислота

4.

Классификация в соответствии с характером связи
между атомами углерода
Насыщенные соединения
С открытой цепью
(алифатические,
или алканы)
Циклические
(алициклические,
или циклоалканы)
Ненасыщенные соединения
С двойными связями
С открытой цепью
(олефины, или
алкены, полиены
(алкадиены,
алкатриены))
Циклические
(циклоалкены,
циклополиены,
арены)
С тройными связями
С открытой цепью
(алкины, или
ацетиленовые
углеводороды)
Циклические
(циклоалкины)

5.

Классификация
функциональных производных углеводородов
Функциональная группа – атом или группа атомов
неуглеводородного характера, которые определяют химические
свойства соединения и принадлежность его к определенному
классу.
• Монофункциональные соединения – соединения,
содержащие одну функциональную группу.
• Полифункциональные соединения - соединения, содержащие
несколько одинаковых функциональных групп.
• Гетерофункциональные соединения - соединения,
содержащие различные функциональные группы.
5

6.

Тривиальная номенклатура
глицерин
толуол
о-ксилол
салициловая кислота
Общепринятые тривиальные названия некоторых гетероциклов
фуран
тиофен
пиридин
пиррол
имидазол
пиразол
пиразин

7.

Тривиальная номенклатура
Исторически первыми были тривиальные названия веществ, которые
указывали либо на источник выделения (кофеин, мочевина), либо на
определенные свойства веществ (глицерин, от греч. “сладкий”).
мочевина
глицерин
резорцин
бензойная
кислота
толуол
о-ксилол
салициловая
кислота
фталевая
кислота
7

8.

Тривиальная номенклатура
Общепринятые тривиальные названия
некоторых гетероциклов
фуран
пиразол
тиофен
имидазол
пиррол
пиридин
пиразин
8

9.

Тривиальная номенклатура
Гетероциклические основания пиримидинового ряда компоненты нуклеиновых кислот
пиримидин
тимин
урацил
цитозин
10

10.

Тривиальная номенклатура
мочевая кислота
аденин
пурин
кофеин
гуанин
Гетероциклические основания пуринового ряда компоненты нуклеиновых кислот
11

11.

Радикально-функциональная номенклатура
Группа
Название функциональной
группы
кетон
спирт
эфир простой (или оксид)
сульфоксид
амин
фторид, хлорид, бромид, иодид
этиловый спирт
метилпропиловый эфир
триэтиламин
диметилсульфоксид
11

12.

Заместительная номенклатура органических
соединений
НАЗВАНИЕ СОЕДИНЕНИЯ
Префиксы
Основа
Суффикс
Окончание
Углеводородные
радикалы
и нестаршие
группы
Главная цепь
или
основная
циклическая
структура
Природа
связи
-ан
-ен
-ин
Только
старшая
функциональная
группа
12

13.

Заместительная номенклатура. Порядок старшинства
функциональных групп, обозначаемых приставками и окончаниями
*
*
*
* - атом углерода является частью родоначальной структуры и имеет свой номер
14

14.

Названия углеводородных радикалов
Группа
Название группы
метил
этил
пропил
изопропил
винил
аллил
этинил
циклогексил
фенил
бензил

15.

Положение заместителей в ароматическом кольце
2-гидроксибензойная кислота
(салициловая кислота)
3(β)
2(α)
4-аминобензойная кислота
(ПАБК)
никотиновая кислота
β (3) - пиридинкарбоновая кислота
15

16.

К какому классу относится соединение?
16

17.

Изомерия
Изомеры – соединения с одинаковой молекулярной формулой, то есть
одинаковые по атомному составу и молекулярной массе, но различающиеся
по строению.
Изомеры
Соединения с
одинаковым составом, но
различные по строению
Структурные
Стереоизомеры
(отличаются
химическим строением)
(отличаются
пространственным
строением)
Конфигурационные
Конформационные
21

18.

Структурные изомеры
Изомеры, имеющие разную последовательность связывания
атомов.
• Изомеры цепи (скелетные изомеры)
пентан
2-метилбутан
• Изомеры положения функциональных групп и кратных
связей
2-хлорбутановая кислота
3-хлорбутановая кислота
бут-1-ен
(Е)-бут-2-ен
22

19.

Cтереоизомерия
Стереохимия изучает влияние пространственного строения
молекул на химические и физико-химические свойства
соединений.
Стереоизомеры — это соединения, имеющие одинаковое
химическое строение, но отличающиеся расположением
атомов в трехмерном пространстве.
23

20.

Пространственное строение
Конфигурация – пространственное расположение атомов или атомных
групп. Конфигурация молекулы и ее фрагментов определяется типом
гибридизации валентных орбиталей атомов
sp3-Гибридизация
109 °28'
Смешение одной 2sи трех 2р-орбиталей:
Тетраэдрическое
строение
19

21.

Конфигурация. Стереохимическая формула
Связь направлена от
наблюдателя
H
H
C
H
H
СН4
метан
Связь направлена к
наблюдателю
2-аминоэтан-1-ол
(коламин)
Конфигурация изображается
стереохимической формулой
Конфигурация не может изменяться при
вращении и изгибе связей
25

22.

Конфигурационная оптическая стереоизомерия
Хиральные объекты
противоположные
конфигурации
Хиральность (от греч. cheir - рука) –
свойство объекта быть несовместимым со
своим
зеркальным
изображением.
Хиральные тела характеризуются тем, что у
них отсутствуют плоскости и центры
симметрии.
26

23.

Конфигурационная оптическая стереоизомерия.
Хиральный центр
Асимметрический атом – атом углерода в состоянии sp3гибридизации, у которого все четыре заместителя разные.
27

24.

Нарисуйте структурные формулы и выберите
хиральные молекулы из следующего перечня:
1) 2-гидроксибутановая кислота
2) 3-метилбутановая кислота
3) 2-метилбутандиовая кислота
28

25.

Конфигурационная оптическая стереоизомерия.
Энантиомеры
– пары стереоизомеров, молекулы которых несовместимы в пространстве и
относятся друг к другу как предмет и несовпадающее с ним зеркальное
отображение.
• D-аланин
• L-аланин
Стереохимические формулы энантиомеров аланина
30

26.

Конфигурационная оптическая стереоизомерия.
Энантиомеры
• Энантиомеры являются оптически активными
соединениями (способны вращать плоскость
поляризованного света на один и тот же угол, но в
разные
стороны),
поэтому
их
называют
оптическими антиподами.
Энантиомерам присущи:
• Одинаковые физические свойства,
за исключением оптической активности;
• Одинаковые химические свойства
Энантиомеры могут существенно различаться по
биологическим свойствам.
31

27.

Пространственное строение непредельных соединений
sp2-гибридизация характерна для алкенов
π-Связь – это связь, образованная при боковом перекрывании
негибридизованных р-АО с максимальным перекрыванием над и под
плоскостью σ-связей.
sp2 -гибридизация
sp-гибридизация
Конфигурация плоская треугольная
Конфигурация линейная
32

28.

Конфигурации непредельных соединений.
цис-, транс-Изомерия
π-Связь делает невозможным поворот одного из атомов
относительно другого без разрыва связи
π-Диастереомеры отличаются по физическим свойствам
цис-гекс-3-ен
tпл.=138 оС, tкип.=66.4 оС
транс-гекс-3-ен
tпл.=114 оС, tкип.=67.1 оС
цис-изомер
транс-изомер
33

29.

Конфигурация и биологические свойства
Стереоспецифичность – фундаментальное свойство сложных структур,
составляющих основу живой материи, и химических процессов,
протекающих в ней.
Стереоспецифичность характерна для ферментативных реакций.
Принцип трёхточечного взаимодействия – один из подходов,
объясняющих различие в характере взаимодействия хиральных молекул с
активными центрами ферментов или клеточных рецепторов.
D’
B’
A’
Рецептор или фермент и субстрат
скоординированы тремя точками
D’
B’
A’
Трёхточечное взаимодействие
не осуществляется
34

30.

Конфигурация и биологические свойства
Живые организмы гомохиральны
Моносахариды
Аминокислоты
ДНК
т-РНК
35

31.

Конформационная стереоизомерия
Конформациями (лат. conformatio – форма, построение,
расположение) называются различные геометрические
(пространственные) формы, которые молекула может
принимать в результате вращения вокруг σ-связей
sp3-Гибридизованные
атомы углерода связаны
σ-связью,
обладающей цилиндрической симметрией. Вокруг этой связи
возможно вращение.
36

32.

Конформационная стереоизомерия
В длинных углеродных цепях возможно вращение вокруг нескольких
С-С связей. Поэтому вся цепь может принимать разнообразные
геометрические формы.
Стеариновая кислота
43

33.

Строение циклических молекул.
Типы напряжений в циклах
И. Ф. В. Адольф
фон Байер
(1835-1917)
Теория напряжения Байера: увеличение энергии
в циклической молекуле, вызванное отклонением
валентных углов в цикле от 109,50 (нормального
тетраэдрического),
называется
угловым
напряжением или напряжением Байера в кольце.
Торсионное напряжение (напряжение Питцера) –
увеличение
энергии
молекулы,
вызванное
заслоненным положением σ-связей.
Уменьшение напряжения в циклической молекуле может быть достигнуто
искажением формы молекулы путем изменения ее валентных углов.
48

34.

Строение циклических молекул.
Типы напряжений в циклах
Торсионное напряжение
(напряжение Питцера) –
напряжение, вызванное
заслоненным положением
химических связей
Угловое напряжение
(напряжение Байера)
обусловлено
отклонением
валентных углов в
цикле от стандартных
значений
109 º
тетраэдрический угол
45,9 º
Угол сжатия
60
º
42

35.

Конформации пятиатомных циклов
“Конверт”
“Твист”
50

36.

Конформации шестиатомных циклов
полукресло
кресло
полукресло
кресло
“искаженная ванна”
(твист-форма)
кресло
полукресло
ванна
51

37.

Конформации шестичленных циклов
Аксиальные и экваториальные связи
а
а е
а
е
е
е
а
а
е а
е
• аксиальные связи
параллельны оси симметрии,
проходящей через центр цикла
• экваториальные связи
направлены под углом 109о к
аксиальным от центра
Наиболее энергетически выгодное
расположение заместителей в
экваториальном положении
Циклогексанол
53

38.

Конформации шестичленных циклов
В таутомерной смеси изомеров моносахаридов
преимущественно содержатся пиранозные циклы в наиболее
выгодной конформации кресла с экваториальным положением
всех заместителей
H
H
CH2 OH
H
CH2 OH
O
HO
H
HO
H
O
HO
OH
HO
H
OH
H
H
OH
OH
H
H
α-D-глюкопираноза 36%
β-D-глюкопираноза 64%
4 заместителя на экваториальных
все заместители на экваториальных
связях, один – гидроксогруппа – на
связях
аксиальной связи
56

39.

Конформации шестичленных циклов
Аксиальное положение заместителей может быть
стабилизировано водородной связью
водородная связь
O
H
... O
H
HO
H
H
H
аксиальное положение
ОН- групп
OH
H
экваториальное положение
ОН- групп
57