Глава 21. Алканы Номенклатура и изомерия

Алканы являются насыщенными, или предельными, углеводоро­дами, поскольку все свободные валентности атомов углерода заняты (полностью «насыщены») атомами водорода. Простейшим предста­вителем алканов служит метан СН₄. Начиная с него, можно постро­ить ряд, в котором каждый последующий углеводород отличается от предыдущего на одну группу СН₂. Члены этого ряда называются гомологами, а сам ряд – гомологическим. Общая формула гомоло­гического ряда алканов С_nН_2n+2

По систематической номенклатуре ИЮПАК первым четырем членам гомологического ряда алканов присвоены их исторически сложившиеся названия – метан, этан, пропан, бу­тан. Названия остальных алканов с нормальной, т.е. неразветвленной углеродной цепью, составляются из греческого названия числи­тельного, соответствующего числу атомов углерода в цепи, с добавлением суффикса -ан.

Формула	Название	Формула	Название
СН4	Метан	С9Н20	Нонан
С2Н6	Этан	С10Н22	Декан
С3Н8	Пропан	С11Н24	Ундекан
С4Н10	Бутан	С12Н26	Додекан
С5Н12	Пентан	С13Н28	Тридекан
С6Н14	Гексан	С20H42	Эйкозан
С7Н16	Гептан	С30Н62	Триаконтан
С8Н18	Октан	С100H202	Гектан

Алканы с разветвленной цепью рассматриваются как производ­ные нормального алкана, в котором один или несколько атомов водорода замещены на углеводородные радикалы. Для этого выбира­ют главную углеродную цепь, которая содержит наибольшее число атомов углерода и составляет основу названия. Главную цепь нуме­руют с того конца, ближе к которому находится заместитель. Перед основой названия указывают номер атома углерода, при котором находится заместитель, и название этого заместителя, например:

В молекуле метана атом углерода связан с четырьмя атомами водорода (СН₄). Электронная формула углерода в основном состоянии 1s²2s²2р², а в возбужденном состо­янии 1s,²2s¹2р^з. Атом углерода в возбужден­ном состоянии имеет четыре неспаренных электрона и может связаться с четырьмя атомами водорода. Все четыре связи С–Н в метане одинаковы по длине и прочности, что можно объяснить с привлечением ги­потезы о гибридизации атомных орбиталей, имеющие форму неправильной восьмерки – sр³-гибридизация.

Строение других алка­нов подобно метану.

Основу молекул алканов составляет углеродный ске­лет, который может принимать самые разные геометрические фор­мы при сохранении длин связей и углов между связями. Например, углеродная цепь пентана С₅Н₁₂ может выглядеть следующим обра­зом:

Данные положения углеродной цепи называются конформациями. При обычных температурах разные конформации алканов сво­бодно переходят друг в друга путем вращения С–С связей, поэтому очень часто конформации называют поворотными изомерами. Так, в молекуле этана С₂Н₆ возможны два основных положения групп CH₃ друг относительно друга – «заторможенное» и «заслоненное».

Основной вид изомерии для алканов – изомерия углеродного скелета. Начиная с С₄Н₁₀, одной и той же молекулярной формуле отвечают несколько алканов, различающихся строением углеродного скелета (т.е., числом атомов углерода в главной цепи и/или поло­жением заместителей). Число возможных изомеров С_nН_2n+2 резко увеличивается с ростом п. Для бутана С₂₄Н₁₀ известны два изомера:

для пентана С₅Н₁₂ – три, для гексана С₆Н₁₄ – 5, для гептана С₇Н₁₆ – 9, для октана C₈H₁₈ – 18, для нонана С₉Н₂₀ – 35, для эйкозана С₂₀Н₄₂ – 366319. Для каждого п существует единственный изомер с неразветвленным углеродным скелетом, он называется нормальным.

Если у молекулы алкана отнять один атом водорода, то получа­ются углеводородные радикалы с одной свободной валентностью. Общая формула предельных углеводородных радикалов C_nH_2n+1. Названия углеводородных радикалов составляются от названия соответствующего углеводорода с добавлением суффикса -ил. Простейшие радикалы:

Начиная с С₃Н₇–, для радикалов возможна структурная изомерия, связанная со строением углеродного скелета или с положением сво­бодной валентности. Так, два радикала С₃Н₇– (пропил и изопропил) имеют одинаковый углеродный скелет, однако в пропиле свободная валентность находится у первичного атома углерода, а в изопропиле – у вторичного.

Атом углерода называют первичным, вторичным, третичным или четвертичным в зависимости от того, с каким числом других углеродных атомов он связан. Например, в молекуле изооктана пять первичных атомов углерода (обведены кружком), один вторичный (обведен пятиугольником), один третичный (в треугольнике) и один четвертичный (показан в квадрате):