Функциональные группы и классы
Что такое функциональная группа
Химическое поведение вещества определяется его функциональной группой. Углеводородный скелет сравнительно инертен, а реакционная способность молекулы сосредоточена в группе атомов с полярными или кратными связями. Алканы при обычных условиях не реагируют ни с кислотами, ни со щелочами, ни с большинством окислителей. Вещества с одинаковой функциональной группой ведут себя сходно независимо от строения скелета; поэтому органическую химию изучают по классам соединений, а не по отдельным веществам.
| Класс | Группа | Суффикс | Префикс | Пример |
|---|---|---|---|---|
| карбоновые кислоты | \(\ce{-COOH}\) | -овая кислота | карбокси- | этановая (уксусная) кислота |
| сульфокислоты | \(\ce{-SO3H}\) | -сульфоновая кислота | сульфо- | бензолсульфоновая кислота |
| сложные эфиры | \(\ce{-COOR}\) | алкил…-оат | алкоксикарбонил- | метилэтаноат (метилацетат) |
| галогенангидриды | \(\ce{-COCl}\) | -оилхлорид | хлоркарбонил- | этаноилхлорид (ацетилхлорид) |
| амиды | \(\ce{-CONH2}\) | -амид | карбамоил- | этанамид (ацетамид) |
| нитрилы | \(\ce{-C#N}\) | -нитрил | циано- | этаннитрил (ацетонитрил) |
| альдегиды | \(\ce{-CHO}\) | -аль | оксо- (формил-) | этаналь |
| кетоны | \(\ce{C=O}\) в цепи | -он | оксо- | пропанон (ацетон) |
| спирты и фенолы | \(\ce{-OH}\) | -ол | гидрокси- | этанол, фенол |
| тиолы | \(\ce{-SH}\) | -тиол | сульфанил- (меркапто-) | этантиол |
| амины | \(\ce{-NH2}\) | -амин | амино- | этанамин |
| простые эфиры | \(\ce{-OR}\) | — | алкокси- | метоксиэтан |
| галогенпроизводные | \(\ce{-F}\), \(\ce{-Cl}\), \(\ce{-Br}\), \(\ce{-I}\) | — | фтор-, хлор-, бром-, иод- | хлорэтан |
| нитросоединения | \(\ce{-NO2}\) | — | нитро- | нитробензол |
| алкены, алкины | \(\ce{C=C}\), \(\ce{C#C}\) | -ен, -ин | — | этен, этин |
boltКак определить класс соединения
- Есть ли в молекуле кислород или азот? Если нет, вещество является углеводородом или галогенпроизводным.
- Есть ли группа \(\ce{C=O}\)? Рассмотрите атомы, связанные с карбонильным углеродом: атом водорода указывает на альдегид, два атома углерода — на кетон, группа \(\ce{OH}\) — на кислоту, группа \(\ce{OR}\) — на сложный эфир, группа \(\ce{NH2}\) — на амид, атом хлора — на галогенангидрид.
- Если группы \(\ce{C=O}\) нет: группа \(\ce{OH}\) при \(sp^3\)-атоме углерода означает спирт, при бензольном кольце — фенол; атом кислорода между двумя атомами углерода — простой эфир; группа \(\ce{NH2}\) — амин.
edit_noteРазбор задачи: к какому классу относится \(\ce{CH3-CO-O-CH2-CH3}\)
В молекуле есть группа \(\ce{C=O}\); с карбонильным атомом связаны группа \(\ce{CH3}\) и атом кислорода, несущий этильную группу. Карбонильная группа рядом с фрагментом \(\ce{OR}\) характерна для сложных эфиров: это этилацетат. Такую же молекулярную формулу \(\ce{C4H8O2}\) имеет бутановая кислота \(\ce{CH3-CH2-CH2-COOH}\), однако в ней с карбонильным атомом связана группа \(\ce{OH}\), и свойства кислоты совершенно иные.
errorОшибки при чтении формул
В формуле \(\ce{CH3-COO-CH3}\) атом кислорода расположен между двумя атомами углерода, поэтому это сложный эфир, а не кислота. В формуле \(\ce{CH3-CO-NH2}\) группа \(\ce{C=O}\) связана с атомом азота: это амид, а не амин. Молекула \(\ce{HCOOH}\) содержит одновременно альдегидную и карбоксильную группы, поэтому муравьиная кислота даёт реакцию серебряного зеркала. Наконец, \(\ce{CH2=CH-OH}\) — не спирт, а енол, который самопроизвольно превращается в ацетальдегид.
history_eduРадикалы, типы и функциональные группы
В 1832 году Либих и Вёлер показали, что группа \(\ce{C6H5-CO-}\) (бензоил) переходит из одного соединения в другое в неизменном виде. Так возникла теория радикалов, за ней последовала теория типов Жерара, и только теория строения Бутлерова объяснила, почему группы сохраняются при превращениях: они представляют собой устойчивые фрагменты молекулы с определённым порядком связей.
Старшинство групп
Если молекула содержит несколько функциональных групп, название строится по одной из них, старшей: она обозначается суффиксом и определяет направление нумерации, а остальные группы указываются префиксами. Порядок старшинства групп по убыванию:
Как запомнить порядок старшинства
Помогает сопоставление со степенью окисления: чем выше степень окисления атома углерода в группе, тем старше группа. Поэтому кислота старше альдегида, а альдегид старше спирта. Среди производных кислот первой стоит сама кислота, затем сложные эфиры, галогенангидриды, амиды и нитрилы.
boltКак назвать полифункциональное соединение
- Найдите старшую группу; она даёт суффикс.
- Выберите главную цепь. Она должна включать старшую группу, затем наибольшее число кратных связей и лишь затем быть возможно более длинной.
- Пронумеруйте цепь так, чтобы старшая группа получила наименьший номер.
- Остальные группы укажите префиксами в алфавитном порядке с номерами.
edit_noteРазбор задачи: название левулиновой кислоты \(\ce{CH3-CO-CH2-CH2-COOH}\)
Старшая группа — карбоксильная, её атом углерода получает номер 1. Цепь содержит пять атомов углерода, следовательно, это пентановая кислота. Кетонная группа находится у четвёртого атома и обозначается префиксом «оксо»: 4-оксопентановая кислота.
edit_noteЭтаноламин \(\ce{H2N-CH2-CH2-OH}\)
Гидроксильная группа старше аминогруппы, поэтому название получает суффикс «-ол», а аминогруппа указывается префиксом: 2-аминоэтанол, а не «2-гидроксиэтанамин».
errorГруппы, которые не бывают старшими
Кратные связи, галогены, нитрогруппа и алкоксигруппы старшими не бывают. Кратная связь обозначается суффиксом «-ен» или «-ин» после названия главной цепи, а галоген, группы \(\ce{NO2}\) и \(\ce{OR}\) — только префиксами: 2-бромпропан-1-ол, а не «1-гидрокси-2-бромпропан».
history_eduЖеневская номенклатура
Систематическую номенклатуру органических соединений впервые приняли на международном конгрессе в Женеве в 1892 году. Её развивает Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК), созданный в 1919 году.
Гомологические ряды и портреты классов
Вещества одного класса, различающиеся на одну или несколько групп \(\ce{CH2}\), образуют гомологический ряд. Общая формула ряда позволяет записать неизвестное вещество в виде \(\ce{C_nH_{2n+2}}\) или другой формулы класса и найти значение \(n\) по молярной массе или по продуктам сгорания.
| Ряд | Общая формула |
|---|---|
| алканы | \(\ce{C_nH_{2n+2}}\) |
| алкены и циклоалканы | \(\ce{C_nH_{2n}}\) |
| алкины и алкадиены | \(\ce{C_nH_{2n-2}}\) |
| арены | \(\ce{C_nH_{2n-6}}\) |
| насыщенные одноатомные спирты и простые эфиры | \(\ce{C_nH_{2n+2}O}\) |
| альдегиды и кетоны | \(\ce{C_nH_{2n}O}\) |
| кислоты и сложные эфиры | \(\ce{C_nH_{2n}O2}\) |
| амины | \(\ce{C_nH_{2n+3}N}\) |
Свойства в гомологическом ряду изменяются закономерно: температура кипения возрастает примерно на \(20\)–\(30\ ^\circ\)C с каждой группой \(\ce{CH2}\), растворимость в воде уменьшается, а химическое поведение остаётся прежним. Поэтому достаточно знать характерные свойства класса и одно уравнение реакции на каждое из них.
| Класс | Характерные реакции | Основные реагенты |
|---|---|---|
| алканы | радикальное замещение; горение | \(\ce{Cl2}\), \(h\nu\); \(\ce{O2}\) |
| алкены, алкины | присоединение; мягкое и жёсткое окисление | \(\ce{H2}\), \(\ce{Br2}\), \(\ce{HX}\), \(\ce{H2O}\); \(\ce{KMnO4}\) |
| арены | электрофильное замещение; окисление боковой цепи | \(\ce{HNO3}\), \(\ce{Br2}\) (кат.), \(\ce{KMnO4}\) |
| галогенпроизводные | замещение галогена нуклеофилом; отщепление | \(\ce{NaOH}\) (вода), \(\ce{NaOH}\) (спирт), \(\ce{NH3}\) |
| спирты | замещение и отщепление группы OH; окисление | \(\ce{HX}\), \(\ce{H2SO4}\); \(\ce{CuO}\), \(\ce{K2Cr2O7}\) |
| альдегиды, кетоны | присоединение по \(\ce{C=O}\); окисление (альдегиды) | \(\ce{H2}\), \(\ce{HCN}\), \(\ce{NaHSO3}\); \(\ce{Ag2O}\), \(\ce{Cu(OH)2}\) |
| кислоты | кислотные свойства; замещение OH на OR, Cl, \(\ce{NH2}\) | основания; спирты, \(\ce{PCl5}\), \(\ce{NH3}\) |
| амины | основные свойства; нуклеофильность | кислоты; галогеналканы, ацилхлориды |
edit_noteРазбор задачи: алкан с молярной массой 72 г/моль
\(M(\ce{C_nH_{2n+2}}) = 14n + 2 = 72\), откуда \(n = 5\): вещество имеет формулу \(\ce{C5H12}\) и является пентаном или одним из его изомеров. Так же поступают с другими рядами: молярная масса насыщенного альдегида равна \(14n + 16\), насыщенной кислоты — \(14n + 32\).
scienceХарактерные реакции классов
- \(\ce{CH3-CH3 + Br2 ->[h\nu] CH3-CH2-Br + HBr}\) — для алканов характерно только замещение.
- \(\ce{CH3-CH=CH2 + H2 ->[Ni, t] CH3-CH2-CH3}\) — для алкенов характерно присоединение.
- \(\ce{3CH2=CH2 + 2KMnO4 + 4H2O -> 3HO-CH2-CH2-OH + 2MnO2 v + 2KOH}\) — мягкое окисление алкена (реакция Вагнера) даёт диол.
- \(\ce{C6H6 + Br2 ->[FeBr3] C6H5Br + HBr}\) — арены вступают в замещение в присутствии катализатора.
- \(\ce{C6H5-CH3 + 3[O] ->[KMnO4, H+] C6H5-COOH + H2O}\) — окисление боковой цепи до бензойной кислоты.
- \(\ce{CH3-CH2-Br + NaOH ->[H2O] CH3-CH2-OH + NaBr}\) — замещение галогена в водном растворе щёлочи.
- \(\ce{CH3-CH2-Br + KOH ->[\text{спирт}, t] CH2=CH2 + KBr + H2O}\) — тот же галогеналкан в спиртовом растворе щёлочи отщепляет галогеноводород.
- \(\ce{CH3-CH2-OH + HBr ->[t] CH3-CH2-Br + H2O}\) — замещение гидроксильной группы в спирте.
- \(\ce{3CH3-CH2-OH + K2Cr2O7 + 4H2SO4 -> 3CH3-CHO + Cr2(SO4)3 + K2SO4 + 7H2O}\) — окисление первичного спирта до альдегида.
- \(\ce{CH3-CHO + HCN -> CH3-CH(OH)-CN}\) — присоединение по карбонильной группе альдегида.
- \(\ce{CH3-CHO + 2Cu(OH)2 ->[t] CH3-COOH + Cu2O v + 2H2O}\) — окисление альдегида с образованием красного осадка.
- \(\ce{CH3-COOH + PCl5 -> CH3-COCl + POCl3 + HCl}\) — замещение гидроксильной группы кислоты на хлор.
- \(\ce{CH3-NH2 + HCl -> [CH3-NH3]Cl}\) — амин как основание образует соль.
- \(\ce{CH3-NH2 + CH3-CH2-Br -> CH3-NH-CH2-CH3 + HBr}\) — амин как нуклеофил алкилируется галогеналканом.
boltФормула указывает на класс
Формуле \(\ce{C_nH_{2n}O}\) соответствуют альдегиды, кетоны, ненасыщенные и циклические спирты и простые эфиры. Формуле \(\ce{C_nH_{2n}O2}\) — кислоты и сложные эфиры, реже гидроксиальдегиды. Формула \(\ce{C_nH_{2n+1}N}\) у нейтральной молекулы невозможна: при одном атоме азота число атомов водорода нечётное.
errorОдна общая формула соответствует нескольким рядам
Формуле \(\ce{C_nH_{2n}}\) отвечают и алкены, и циклоалканы; формуле \(\ce{C_nH_{2n-2}}\) — алкины, диены и циклоалкены. Общая формула сужает выбор, но не решает задачу; классы различают качественными реакциями (бромная вода, аммиачный раствор оксида серебра).
history_eduЖерар и гомология
Понятие гомологического ряда ввёл французский химик Шарль Жерар в 1840-х годах. Он заметил, что вещества, различающиеся на группу \(\ce{CH2}\), сходны по свойствам, и предложил изучать их как ряды, а не поодиночке.
push_pinГлавное
Функциональная группа определяет реакционную способность вещества: зная группу, можно предсказать, с какими реагентами вещество будет взаимодействовать. Старшинство групп определяет название, а гомологический ряд — общую формулу и закономерное изменение свойств.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.