Тривиальная, рациональная и систематическая номенклатура полимеров

 

Номенклатура, т.е. принципы и правила образования названий полимеров и сами названия, должна выполнять две основные задачи: позволять воспроизвести химическое строение полимера, исходя из его названия, и сделать наиболее распространенные полимеры легко узнаваемыми. Одна номенклатура не может выполнить эти задачи, поэтому в настоящее время существует несколько номенклатур, и такое положение, по-видимому, сохранится в будущем.

Номенклатура, включающая торговые названия полимеров. Тривиальная номенклатура имеет то несомненное преимущество, что делает полимер узнаваемым для широкого круга специалистов и потребителей. В качестве примера можно привести политетрафторэтилен, который широко известен под названием тефлон. У всех на слуху также такие названия, как фенопласты, аминопласты, поликарбонаты и некоторые другие. Как правило, такие названия не содержат информации о химическом строении полимера, но в данном случае это несущественно, поскольку за этими названиями стоят хорошо известные потребителю и тем более специалисту многотоннажные полимеры. Иногда торговые названия дают достаточно полную информацию о полимере. Например, такие названия, как нейлон 6, нейлон 66 говорят о том, что имеются в виду линейные ациклические полиамиды. В первом случае полимер получен из одного мономера - ε-капролактама, цифра 6 означает, что амидные группы в цепи разделены шестью метиленовыми группами. Во втором случае полимер получен из двух мономеров - гексаметилендиамина и адипиновой кислоты. Первая цифра в названии полимера показывает число атомов углерода в диамине, вторая - в дикарбоновой кислоте.

Рациональная номенклатура. Рациональная номенклатура широко применяется в настоящее время по отношению к полимерам, получаемым методом цепной полимеризации. Перед названием мономера ставится приставка «поли-», если название мономера включает несколько слов, то оно берется в скобки:

 

 

Название полимера может быть образовано, исходя из гипотетического мономера. Так, поливиниловый спирт называют по виниловому спирту, который неустойчив и существует как фенольная форма ацетальдегида. Получают же поливиниловый спирт гидролизом поливинилацетата:

 

 

Когда один и тот же полимер может быть получен из различных мономеров, возникает двойственность в его названии; это характерно для полиэфиров и полиамидов. Например, полимер, полученный из 6-аминокапроновой кислоты, называют поли(6-аминокапроновой кислотой) (а), а тот же полимер, синтезированный из ε-капролактама - поли(ε-капролактамом) (б):

 

 

Данную номенклатуру целесообразно применять к достаточно известным полимерам, название которых часто используют специалисты.

Более общей является номенклатура, основанная на строении мономерного звена, поскольку она может применяться к полимерам, полученным из двух мономеров, что является обычным для поликонденсации. В этом случае после приставки «поли-» в скобках приводится название мономерного звена, причем, та часть названия, которая определяет принадлежность данного полимера к определенному классу, приводится последней. Например, в приведенных ниже названиях полимеров последние слова в скобках указывают на принадлежность полимеров к классам полиэфиров, полиамидов и полиуретанов. Первые слова характеризуют второй мономер:

 

 

Систематическая номенклатура, рекомендованная ИЮПАК (IUPAC. Macromolecules, 6, 149 (1973)). В 70-х гг. XX в. Международным союзом теоретической и прикладной химии -ИЮПАК (International Union and Applied Chemistry - IUPAC) была разработана систематическая номенклатура однотяжевых полимеров, основанная на описании строения составного повторяющегося звена полимерной цепи (СПЗ) в соответствии с определенными правилами(ИЮПАК. Номенклатура органических соединении, разд. А, В, С. 3 изд. Лондон, 1971.). СПЗ представляет собой наименьшую группу атомов с двумя валентностями, повторением которой может быть образована полимерная цепь. В большинстве случаев СПЗ совпадает с мономерным звеном, но в отдельных случаях - не совпадает, что приводит к изменению привычных названий полимеров. Например, полиэтилен в соответствии с этой номенклатурой называется полиметиленом, а СПЗ является группа -СН2-.

Название полимера начинается с приставки «поли-», за которой в скобках следует название СПЗ. Следовательно, чтобы дать название полимеру, необходимо:

идентифицировать СПЗ,

ориентировать СПЗ,

дать название СПЗ.

СПЗ может быть простым или состоять из нескольких подзвеньев. В качестве подзвена выбирается наибольшая группа атомов (или циклов основной цепи), которая может быть названа в соответствии с номенклатурными правилами ИЮПАК для низкомолекулярных органических соединений. Атомы и подзвенья располагаются в СПЗ в порядке убывания старшинства слева направо, путь между подзвеньями должен быть наиболее коротким. Правила старшинства состоят в следующем:

1. Все гетероатомы являются старшими по отношению к углероду. Среди них старшинство определяется положением в периодический системе, оно убывает при движении от правого верхнего угла периодической таблицы к левому нижнему по группам. Ряд старшинства начинается со фтора, старшинство убывает в последовательности: F, Cl, Br,..., О, S, Se,..., N, P, As, Sb,...,Fr.

2. Старшинство подзвеньев определяется рядом: гетероциклы > гетероатомы или линейные подзвенья, включающие гетероатомы > карбоциклы > ациклические подзвенья. Наличие любых заместителей не изменяет порядок старшинства подзвеньев. При прочих равных условиях преимуществом обладают те из них, у которых число, характеризующее положение заместителя, является наименьшим.

3. Гетероциклы по старшинству расположены в ряд: азотсодержащие > гетероциклы, содержащие, наряду с азотом, другие гетероатомы, старшинство которых определяется в соответствии с пунктом 1 > системы с наибольшим количеством колец > системы с наибольшим циклом > цикл с наибольшим количеством гетероатомов > системы с наибольшим количество мгетероатомов > системы с наибольшим ассортиментом гетероатомов. При иных равных условиях ненасыщенные циклы имеют преимущество.

4. Среди карбоциклических группировок главенствуют имеющие наибольшее количество циклов, далее идут системы: с наибольшим индивидуальным циклом > с наибольшим количеством общих атомов у всех циклов > с наименьшим числом, характеризующим места соединения циклов, > системы с наибольшей ненасыщенностью.

Если в основной цепи имеются атомы и циклы одного типа, последовательность их расположения определяется алфавитным порядком названия заместителей, например:

 

 

Данный пример иллюстрирует еще одно правило: направление нумерации атомов в циклах должно приводить к наименьшей цифре, характеризующей положение заместителя.

Рассмотрим примеры. Ниже приведены варианты СПЗ полимера

 

 

Поскольку, согласно правилу 1, в основной цепи полимера старшим является кислород, все структуры, кроме 3 и 4, исключаются из дальнейшего рассмотрения. По правилу 2 предпочтение отдается структуре с наименьшим числом, определяющим положение заместителя, в данном случае, атома фтора. Поэтому в качестве СПЗ рассматриваемого полимера выбирается структура 3, полимер обозначается и называется следующим образом:

 

 

Приведенное ниже соединение

 

 

следует называть поли-1,3-диоксигексаметилен, но не полималонилтриметилен, так как первое название включает наибольшую цепь атомов углерода.

Полимер

 

 

должен быть назван поливинилен, а не полиэтандиилиден

 

 

которому соответствует СПЗ с четырьмя валентностями.

В приведенной далее формуле полимера содержатся циклы в основной цепи:

 

 

В первом случае проявляется старшинство ненасыщенного цикла по сравнению с насыщенным, а также преимущество циклического подзвена перед ациклическим (правила 2, 4).

В следующем примере иллюстрируется старшинство азотсодержащего цикла:

 

 

Последний пример относится к правилу «кратчайшего пути» между подзвеньями в названии.

Ниже приводятся два названия полимера

 

 

поли[3,5-пиридиндиилметиленпиррол-3,4-диилоксиметилен] или поли[3,5-пиридиндиилметиленоксипиррол-3,4-диилметилен]

 

Второе - неудачно, поскольку не обеспечивает кратчайшего пути от пиридинового к пиррольному циклу.

В отдельных случаях, наряду с систематической номенклатурой, рекомендованной ИЮПАК, могут быть использованы и другие номенклатуры. Так, для полимера

 

 

с систематическим названием полиоксиэтилениминометилентиоэтиленамино-1,3-циклогексен может быть применима так называемая заместительная номенклатура. В соответствии с ней СПЗ основной цепи дается название, исходя из аналогичного по количеству и порядку нумерации атомов ациклического углеводорода с соответствующими приставками у гетероатомов «аза», «окса», «тиа» и т.д. Согласно данной номенклатуре полимер будет называться поли-1-окса-6-тиа-4,9-диазанонаметилен-1,3-циклогексен. В табл. 1.4 приведены рациональные и систематические названия наиболее распространенных полимеров. Названия полимеров виниловых мономеров после приставки «поли-» начинаются в скобках с цифры 1, что является характерным признаком данного ряда.

Номенклатура неорганических и элементорганических полимеров. Название полимеров в данном случае может быть дано по рациональной и систематический номенклатуре. В обоих случаях старшинство элементов в цепях прямо противоположно старшинству элементов, принятых для органических соединений. Так, для неорганических и элементорганических полимеров старшим из приведенного ранее фрагмента периодической системы будет Fr, младшим - F (т.е. чем выше электроположительность элемента, тем выше старшинство).

 

 

В случае рациональной номенклатуры название полимеров с неорганической главной цепью складывается из:

приставки «поли-»;

числа и названия боковых радикалов, присоединенных к каждому из атомов основной цепи;

корневых названий элементов, образующих основную цепь;

суффикса, указывающего на характер связи между элементами основной цепи («-ан» - одинарная связь, «-ен» - двойная, «-ин» - тройная);

в случае разных радикалов у одного атома их названия дают в алфавитном порядке латинского алфавита.

В соответствии с Номенклатурными правилами ИЮПАК систематическая номенклатура неорганических, элементорганических и координационных полимеров базируется на тех же основных принципах, что и номенклатура однотяжевых органических полимеров, а именно, их название складывается из приставки «поли-» и помещенного в квадратные скобки названия составного повторяющегося звена, которое складывается из названий его составных фрагментов. Если число повторяющихся звеньев известно, вместо префикса «поли-» может быть использован нужный численный префикс, например, додека-СПЗ. Линейный полимер обозначается перед названием префиксом «катена» (от латинского catena - цепь).

Название СПЗ, состоящего из центрального атома с несколькими заместителями, включая мостиковый, начинается с перечисления заместителей,

 

 

затем идет название центрального атома и далее, после префикса м, название мостикового заместителя (лиганда). Если последний состоит из нескольких атомов, входящих в основную цепь, то тот из них, который связан с центральным атомом СПЗ, отделяется от других двоеточием. В табл. 1.5 приведены формулы некоторых полимеров и их названия, иллюстрирующие изложенные выше правила.