1. КЛАССИФИКАЦИЯ И НОМЕНКЛАТУРА ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

Органические соединения — углеводороды и их производные, в состав которых могут входить атомы  (органогены — Hal, O, N, S). Классификация и номенклатура создает систему для подразделения органических соединений и наимено­вания их; при этом должно соблюдаться соответствие между систе­мой номенклатуры и существующей классификацией.

1.1. Классификация

В основе классификации органических соединений обычно лежит теория строения органических соединений. Органические соединения классифицируют по определенным структурным элементам и по расположению атомов в молекуле. Существуют два основных принципа: деление органических соединений по расположению углеродных атомов в молекуле и по характерным структурным элементам.

Структурными элементами являются различные заместители, которые связаны с углеродными атомами в углеводороде, или типы связей в цепи углеродных атомов. Предложено следующее подразделение структурных элементов:

а) нефункциональные заместители (F, Cl, Br, I, NO₂ и др.);

б) функциональные группы (NH₂, OH, C=O, COOH и др.).

Часто их называют просто функциями. По номенклатуре IUPAC структурные элементы называются характеристическими группами.

В зависимости от расположения углеродных атомов в молекуле органические соединения делятся на несколько больших групп.

I. Соединения с открытой цепью атомов углерода — ацикличес­кие, или алифатические, соединения:

CH₃—CH₃, CH₃CH₂CH₃, CH₃CH(CH₃)CH₃ — предельные (насыщенные) — алканы

CH₂ = CH₂, CH₂ = CHCH₃, HC º CH, CH º C—CH = CH₂ — непредельные (ненасыщенные) — алкены, алкины и т.д. и их производные, содержащие различные функции.

II. Карбоциклические соединения с циклами из углеродных ато­мов:

алициклические соединения — различные циклические углеводороды и их производные с разной величиной цикла и числом циклов и разным числом двойных и тройных связей, кроме шестичленных циклов с тремя двойными связями (ароматические соединения):

1) моноциклические углеводороды — циклоалканы, циклоалкены и циклоалкины

2) спирановые углеводороды — два цикла имеют один общий атом

3) конденсированные углеводороды — два цикла имеют два общих соседних атома

4) мостиковые системы — общими для двух колец являются несмежные атомы

5) ансамбли циклов — кольца, соединенные простой связью

и т.д.

ароматические соединения и их производные: циклические углеводороды и их производные, которые построены из шестичленных циклов с тремя двойными связями:

1) моноароматические соединения — бензол и его производные

2) полициклические соединения с неконденсированными бензольными кольцами

3) полициклические соединения с конденсированными бензольными кольцами

и т.д.

III. Гетероциклические соединения и их производные — цикличе­ские соединения, циклы которых построены не только из углерод­ных атомов, но содержат также гетероатомы (O, N, S и др.); классификация гетероциклических соединений подобна классификации карбоциклических соединений:

алициклические соединения с гетероатомами (моноциклы, спирановые, конденсированные циклы, мостиковые системы, ансамбли циклов)

и т.д.

 гетероароматические соединения (моно- и полициклические соединения с неконденсированными и конденсированными гетероциклами)

и т.д.

Второй основной принцип классификации — деление по функциям (характеристическим группам). В зависимости от того, какая функция введена в молекулу углево­дорода вместо атома водорода, получаем классы органических соединений определенного типа:

— галогенпроизводные углеводородов RCl, RBr, ArI,

— спирты и фенолы ROH, ArOH,

— эфиры и тиоэфиры ROR, RSR,

— альдегиды RCH=O,

— кетоны RC=OR,

— кислоты RC=OOH,

— сульфоновые кислоты RSO₃H,

— нитросоединеия RNO₂,

— амины RNH₂ и т.д.

1.2. Номенклатура

В настоящее время для наименования органических соединений применяются 3 типа номенклатуры: тривиальная, рациональная и систематическая номенклатура — номенклатура IUPAC (ИЮПАК) — International Union of Pure and Applied Chemistry (Международного союза теоретической и прикладной химии).

Тривиальная (историческая) номенклатура — первая номенклатура, возникшая в начале развития органической химии, когда не существовало классификации и теории строения органических соединений. Органическим соединениям давали случайные назва­ния по источнику получения (щавелевая кислота, яблочная кисло­та, ванилин), цвету или запаху (ароматические соединения), реже — по химическим свойствам (парафины). Многие такие названия часто применяются до сих пор, например: мочевина, толуол, ксилол, индиго, уксусная кислота, масляная кислота, валериановая кислота, гликоль, аланин и многие другие.

Рациональная но­менклатура — номенклатура, возникшая с момента создания классификации и унитарной теории строения органических соединений. Как правило, имеет национальный характер. Органические соединения получают названия по соответствующему типу органических соединений (предельные углеводороды, этилены, ацетилены, спирты, альдегиды, кетоны, кислоты и т.д.). Эти названия содержат название основного типа и названия заместителей. В настоящее время такая номенклатура применяется только в тех случаях, когда она дает особенно наглядное представление о соединении. Например: сим-диметилэтилен, метилацетилен, метиловый спирт, триметилкарбинол, триметилуксусный альдегид, диметилкетон, хлоруксусная кислота, метиламин, триметиламин.

Систематическая номенклатура — номенклатура IUPAC — международная единая химическая номенклатура, разработанная комиссией IUPAC по номенклатуре органических соединений и рекомендованная съездами IUPAC в 1957 и 1965 гг. Публиковавшиеся в разные годы, Правила IUPAC в 1979 г. собраны в «голубой книге» [1]. Кроме того, в 1993 г. вышли рекомендации [6], уточняющие и дополняющие правила 1979 г. Часть Правил IUPAC переведена на русский язык [2–5]. Систематическая номенклатура основывается на современной теории строения и классификации органических соединений и пытается решить главную проблему номенклатуры: название каждого органического соединения должно содер­жать правильные названия функций (заместителей) и основного скелета углеводорода и должно быть таким, чтобы по названию можно было написать единственно правильную структурную формулу. Стремление создать единую химическую номенклатуру для ор­ганических соединений возникло в 80-е годы XIX в. после создания А. М. Бутлеровым теории строения. Это осущест­вилось в 1892 г. на международном съезде химиков в Женеве. Съезд утвердил правила номенклатуры органических соединений, которые были разработаны международной комиссией и представ­лены съезду. Эти правила вошли в органическую химию под наз­ванием женевская номенклатура. На основе женевской номенклатуры создан известный справоч­ник Бейльштейна. С ростом числа и типов органических соединений номенклатура все время усложнялась, появлялись новые предложения. Новый номенклатурный съезд химиков состоялся в 1930 г. в Льеже. Были приняты дополнительные правила, основанные на принципах удоб­ства и краткости. Систематическая номенклатура включает в себя некоторые положения женевской и льежской номенклатур.

1.2.1. Общие положения систематической номенклатуры

А. Соглашения и технические термины 

Основные типы названий

Систематическое название: название, полностью составленное из специально созданных или подобранных для описания структурных особенностей соединения, например пентан, оксазол.

Тривиальное название: название, ни одна часть которого не имеет систематического смысла, например ксантофил.

Полусистематическое, или полутривиальное, название: название, только часть которого имеет систематический смысл, например метан (-ан), бутен (-ен), кальциферол (-ол). Большинство названий органических соединений принадлежит к этому классу.

Название, выражающее замещение водорода: показывает, что соединение образовано замещением водорода группой или атомом, например 1-метилнафталин, 1-пентанол.

Название, выражающее замену атома или группы в основной структуре: так называемое а-название — дается соединению, в котором С, CH или CH₂ заменены гетеро-атомом, например 2,7,9-триазафенантрен. Сюда же относятся названия с приставками тио- (а также селено- или теллуро-) для обозначения замены кислорода серой (или, соответственно, селеном и теллуром), например тиопиран.

Название, выражающее удаление определенных атомов или групп: например, в алифатическом ряду — названия, оканчивающиеся на -ен или -ин, а также названия с приставками ангидро-, дегидро-, дезокси- и т. д. или нор-.

Радикально-функциональное название: название, об-разованное от названия радикала и названия функционального класса, например этиловый спирт, метилэтилкетон.

Название, выражающее присоединение: дается соединению, образованному присоединением друг к другу молекул, молекулы и атома или атомов, например стиролдихлорид, 1,2,3,4-тетрагидронафталин, этиленоксид.

Соединительное название: название, составленное последовательным перечислением названий двух молекул; оно обозначает, что две молекулы связаны в результате потери каждой одного атома водорода, например нафталин-уксусная кислота.

Родоначальные названия: названия, от которых производятся другие, более сложные названия (например, бензол — хлорбензол), часто не указывают на химическое родство (этан — этанол).  

Группы, или радикалы

Нейтральные группы атомов, связанные тем или иным образом между собой, например CH₃, CH₂, OH, NO₂, CO, COOH и др. 

Главная (старшая) группа

Функциональная (характеристическая) группа, название которой отмечается в суффиксе, или же, если в соединении содержатся разные функциональные группы, та из них, которую надо назвать в суффиксе. Такая группа указывает на принадлежность соединения к определенному химическому классу и определяет выбор родоначального соединения и нумерации. 

Локант

Слово, обозначающее цифру и/или букву, которые указывают на положение того или иного атома или группы в органическом соединении. 

Цифры

Цифры являются локантами, когда они указывают положение заместителя или связи в структуре молекулы. Две или более цифры, отделенные запятыми, указывают на положение двух или более одинаковых заместителей, например 1,2,4,5-тетрабромциклогексан. Если имеется несколько заместителей, каждый из которых занимает два (или подчас более) положения в молекуле, то пары (тройки и т. д.) цифр разделяются двоеточиями, как в названии 1,2 : 5,6-ди-О-изопропилиденглюцит. После запятых или двоеточий пробел не делается. Одиночные цифры или их наборы соединяются с последующими или предшествующими частями названия с помощью дефисов. В немногочисленных специальных случаях локантами, наряду с цифрами, служат и буквы; тогда они следуют непосредственно за цифрами, между цифрами и дефисом, между цифрами и запятой, например: 4b-, 7a-.

 В названиях полициклических соединений цифры разделяются точками, опять-таки без интервалов. Однако эти цифры не являются локантами.

Цифры-локанты располагаются в возрастающем порядке. Не меченная штрихом цифра считается младше такой же меченной штрихом, которая, в свою очередь, считается младше меченной двумя штрихами. Однако меньшая меченая цифра считается младшей по сравнению с большей немеченой, например: 2,2,2¢,3 > 3',3",4. В осо­бых случаях, например в названиях бицикло- или спиросоединений, делается исключение из этого порядка расположения цифр.

Локанты помещаются в названии вещества как можно раньше, если это не может вызвать недоразумения, например: 2-хлоргексан, 3-метил-2-хлоргексан, 2,3-дихлоргексан.

Имеются также случаи, когда локанты суффиксов не могут быть перемещены влево, например: другой локант на основании специального правила должен занять это место (2-метил-2-бутен, 2Н-пиран-3-ол или бицикло [3,3,0] окт-2-ен). 

Буквенные локанты

Так же широко распространены однобуквенные локанты; ча­сто это набираемые курсивом символы элементов. Локанты располагаются в алфавитном порядке для идентичных групп, вне зависимости от того, является ли буква прописной или строчной. Буквы латинского алфавита предшествуют    буквам греческого алфавита. Как и цифры, буквы могут быть   помечены штрихами, и тогда они располагаются по тем же   правилам старшинства. Иногда встречаются и такие смешанные случаи, как, например, N,b,2-триметил. 

Числовые префиксы

Обычно применяемые в органической химии числовые (мно­жительные) префиксы приведены в табл. 1. Для всех слож­ных выражений применяют умножающие префиксы бис-, трис-, тетракис- и т. д. Чаще всего их используют в названиях соединений со сложными радикалами, например: бис(диметиламино), трис(2-хлороэтил) и др. Это распространено и на те случаи, когда применение скобок вносит ясность в название, как в случае бис(диазо), трис(гидрофталат) и трис(метилен). Последний случай позволяет избежать путаницы с триметиленом, имеющим строение —СН₂СН₂СН₂— .

Таблица 1

Числовые префиксы, применяемые в органической химии

Скобки круглые, квадратные и др.

Во избежание возможных ошибок используются круглые скобки для отделения наименования радикала от основного соединения, например: 2-(бромметил), (фенилазо), 2-(2-тиенил) и др. Во многих сложных случаях до­бавляются квадратные скобки, например: 2-[1-(диэтил-
а­мино)этил] бензойная кислота или 9-[2-(дихлорметок­си)этил]фенантрен. Сокращенные названия, такие как метокси, в скобки не заключаются, в то время как несокращенные, например гептилокси и др., заключаются.

Б. Принципиальные положения основных типов номенклатуры

Типы номенклатуры

Наиболее широко представлены в Правилах систематической номенклатуры IUPAC заместительная и радикало-функциональная номенклатура. Для большинства классов органических соединений рекомендуется использовать данные номенклатуры. В специальных случаях систематическая номенклатура IUPAC предусматривает также использование других подходов к составлению названия, например: аддитивная (присоединение), субтративная (удаление), конъюнктивная (объединительная) или заменительная номенклатура. Особые правила регулируют составление названия карбоциклических и гетероциклических соединений, природных соединений и вопросы стереохимии органических соединений.

1.3. Заместительная Номенклатура

Основным принципом заместительной номенклатуры является замещение атома водорода характеристической группой (другим атомом или группой) в родоначальной структуре. Родоначальной струк­турой называют главную цепь в ациклической молеку­ле, циклическую или гетероциклическую систему (или часть их), которые лежат в основе называемого соединения. Например: для метилциклогексана родоначальной структурой является циклогексан. Таким образом, родоначальная структура не равно­значна углеродному скелету: она может быть и только частью его. Замещение описывается введением суффикса (этан, этанол, этаналь) или/и префикса (бензол, хлорбензол, нитробензол), потеря водорода не учитывается. 

Подход к составлению названия

Выявление старшей характеристической группы — первый этап построения названия. Вслед за этим не­обходимо определить родоначальную структуру, ко­торая будет служить основой названия. Ее нужно выбрать из той части скелета (ациклического, циклического, гетероциклического), к которой непосред­ственно примыкает старшая характеристическая группа — главная группа (функциональные группы).  

Главные группы в заместительной номенклатуре

Главная группа должна быть названа в суффиксе. В соединении может не быть главной группы: соединение является незамещенным углеводородом или гетероциклом или все его заместители относятся к таким группам, которые должны указываться только в префиксах (нефункциональные заместители). В табл. 2 приведены группы и их названия, которые в заместительной номенклатуре обычно указываются только в префиксах.

Таблица 2

Некоторые группы, указываемые в заместительной номенклатуре только в префиксах

В табл. 3 приведены группы, объединенные в классы, которые могут называться в суффиксе. Какая-то из них, находясь в химическом соединении одна или в сочетании с группами из табл. 2, должна называться в суффиксе заместительного названия или выступить в качестве функционального наименования класса при использовании радикало-функциональной номенклатуры (см. последующие разделы). Примерами могут здесь служить названия: гексановая кислота, пентаналь, 3-аценафтенкарбоновая кислота, 1-хлор-2-бутанол и 4-метоксициклогексанон.

Если в молекуле присутствуют две или более одинаковые группы, рассматриваемые как главные, то это указывается умножающим префиксами: ди-, три- и т. д., например: 2,3-гександиол, 1,3,5-пентантрикарбоновая кислота,  4-метокси-1,3-циклогександиол. Часто соединение содержит более одной из указанных в таблице трех групп, и поскольку, согласно правилу, только одна группа упоминается в суффиксе названия (остальные в префиксе), то приоритет старшинства групп определяется порядком, приведенным в табл. 3. Этот порядок основывается на проведенном много лет назад реферативным журналом «Chemical Abstracs» статистическом исследовании порядка, в котором большинство химиков располагали классы изучаемых ими соединений, когда официальных рекомендаций по этому поводу еще не существовало.

Таблица 3

Важнейшие классы соединений в порядке падения старшинства главных групп

Названия приведенных в этом списке заместителей, присутствующих в рассматриваемом соединении, но не избранных в качестве главной группы, помещаются в префиксах. В табл. 4 указаны названия важнейших из этих групп, употребляемые как в качестве суффиксов, так и в виде префиксов. Примерами могут служить названия:
2-аминоэтанол, о-аминофенол, 2-оксоциклопентанкарбоновая кислота и 4-фтор-3-этоксибензамид. В графе «Название в суффиксе» в случае кислот и некоторых их производных содержится два варианта названий. Например: когда мы говорим «бутановая кислота», то подразумеваем, что характеристической группой в ней является —COOH, углерод же входит в состав скелета (бутана); в названии же циклогексанкарбоновой кислоты характеристической группой оказывается уже вся карбоксильная группа СООН.

Таблица 4

Обозначение важнейших характеристических групп 

* В реальных названиях перед -онио- и -оний указывается природа катиона (аммонио, аммоний, оксонио, оксоний и т. д.).

** Здесь и далее квадратная скобка, отделяющая С-атом, означает, что в данном варианте названия он считается входящим в углеродный скелет, а не в характеристическую группу.

*** В реальных названиях: метоксикарбонил, метоксикарбоксилат и т. п.

Алфавитный порядок

Префиксы вводятся в название соединения в алфавитном порядке. Следует разграничить два типа префиксов. Те, которые являются интегральной частью родоначального названия соединения, например: цикло-, изо-, окса-, бензо- и др., — называют неотделяемыми. Те же, которые обозначают замещение, могут быть отделены от родоначального названия и помещаются после него при написании названия в инвертированной форме для индексации (указателей); такие префиксы называют отделяемыми. Например: бензол, хлор-; 1-бутанол, 3-метил-. Правила IUРАС разрешают такие префик­сы, как гидро- или указывающие на присоединение или образование гетеромостика (например, эпокси-), рассматривать либо как неотделяемые, либо как отделяемые.

 Отделяемые префиксы располагаются в алфавитном порядке, при котором умножающие префиксы не учитываются. Сперва названия атомов и групп располагают в алфавитном порядке, а затем вставляют умножающие префиксы и локанты, например:
о-бромхлорбензол, 2-метил-
4-этилдекан, 3,3-диметил-1,1,1-трихлорпентан.

Сложные радикалы образуют единый префикс, который включается в алфавитный порядок по первой букве наименования. Например:

1-(диметиламино)-4-(метиламино)-3-этил-2-нафтойная кислота; 1,5-бис(диметиламино)-4-хлор-3-этил-2-нафтойная кислота.

В случае идентичных префиксов с разными цифровыми локантами первым ставится префикс с младшим локантом. Например:

1-(2-этил-3-метилфенил)-8-(2-этил-4-метилфенил) нафталин.

Если в радикало-функциональном названии присутствуют два различных радикала, то они тоже пишутся в алфавитном порядке. Например:

метилэтилкетон, бутилэтиловый эфир.

Курсивы при расстановке в алфавитном порядке не учитываются, например:

3-(транс-бутен-2-ил)-3-метилфенол.

Нумерация

Для соединений и радикалов применяется один и тот же принцип нумерации, с единственным исключением: в соединениях наименьший номер дается главной (функциональной) группе (или группам); в радикалах он придается атому со «свободной» валентностью (валентностями), а все замещающие группы перечисляются в префиксах.

В номенклатуре понятие наименьший локант имеет специальный смысл. Если сравнить два или более возможных варианта нумерации, составленных в восходящем порядке цифр, то младшим будет считаться тот, который в первом различающемся месте имеет меньший локант. Так, порядок локантов 1,1,7,8 младше, чем 1,2,3,4.

Правила IUРАС в этом вопросе рекомендуют

для алифати­ческих соединений:

используя приводимые признаки, последовательно, до тех пор, пока не будет достигнуто окончательное решение, приписывать меньшие номера элементам структуры, как то:

1) главные группы;

2) суммарная ненасыщенность (т. е. сумма двойных и трой­ных связей);

3) двойные связи;

4) тройные связи;

5) атомы или группы, указываемые в префиксах;

6) префиксы в порядке перечисления (по алфавиту);

для циклических систем:

предписывать нумерацию, которая подчас оставляет очень мало возможностей или совсем их не оставляет при выборе нумерации заместителей. Однако в тех случаях, когда выбор возможен, младшие номера даются в следующей последовательности:

1) «обозначенный» атом водорода (см. с. 382, А–21.6;
с. 398);

2) главная группа;

3) кратная связь в соединениях, название которых показывает частичное гидрирование (циклоалкены, пиразолины и им подобные);

4) группа, обозначаемая префиксом;

5) группа, обозначаемая первым по алфавиту префиксом.

Простейшим случаем служит тот, в котором нумерация строго фиксирована еще в родоначальной структуре, что очень часто бывает у многих циклических соединений (см. п. 2.2), например:

                                                       ⁽¹⁾

Заместители в данном случае не определяют порядок нумерации вещества (1), которое следует называть 3-метил-6-хлор-2-хинолинкарбоновой кислотой. В следующих четырех простых примерах, соединениях (2)—(5), содержащих по одному заместителю (необязательно являющемуся главной группой), нумерация могла бы идти в двух направлениях, но выбирается наименьший локант для заместителя [или гетероатомов в примере (5)].

(2)                                (3)

Если цикл дает возможность совершенно свободной нумера­ции, как, например, в соединении (6), то нумерацию начинают от главной группы. Если в соединении имеется не одна главная группа, то их нумеруют, например, как в (7). В последнем случае метильная группа определяет, какая карбок­сильная группа получает номер 1, а какая — 3. Правило наименьших локантов приводит к решениям, показанным на примерах соединений (8)—(9). Так, (8) — 1,6,7-триметилнафталин, а не 2,3,8-триметилнафталин, (9) — 2,7,8-триметилдекан, а не 3,4,9-триметилдекан.

В НАЧАЛО