8 .3. Ізомерія

Алканам властива структурна і конформаційна ізомерія.

н₃с—сн₂-

Структурна ізомерія алканів зумовлена різною послідовністю зв'язування атомів Карбону в молекулі (ізомерія ланцюга). Вона можлива, починаючи з бутану, який має два структурні ізомери: я-бутан та ізобутан. Пентан С₅Н₁₂ має три ізомери:

СН₃(СН₂)зСН₃

-сн,—сн,—сн,

Н₃С

я-лентан

Н₃С

\ сн

СН-СН₂-СН₃ (СН₃)₂СНС₂Н₅ \ґ* ³ (_СНз)₄С

Н₃С

_/

⁷ ч р н,с V

ізопентан, 2-метилбутан неопентан, 2,2-диметилпропан

Зі збільшенням кількості атомів Карбону в молекулі алкану кіль­кість структурних ізомерів швидко зростає. Так, гексан С₆Н₁₂ має 5 ізомерів, гептан С₇Н₁₆ — 9, октан С₈Н_]8 — 18, декан С₁₀Н₂₂ — 75, ейкозан С₂₀Н₄₂ — 366319.

Конформаційна (поворотна) ізомерія алканів зумовлена обер­танням окремих фрагментів молекули навколо одинарних С—С зв'язків, при цьому довжини зв'язків, валентні кути не змінюють­ся. Унаслідок обертання молекула може набувати різних просто­рових форм, або конформацій. Наприклад, молекула етану вна­слідок обертання навколо зв'язку С—С може набувати нескінченної множини конформацій, кожна з яких характеризується певним значенням потенційної енергії. Дві крайні конформації називають заслоненою і загальмованою.

Для зображення конформацій на площині користуються фор­мулою Ньюмена і перспективними формулами:

нн

Н

Н

Н

н н

н

н н

заслонена конформація етану

н н

Н Н

н

н н

загальмована конформація етану

н

У заслоненій конформації етану атоми Гідрогену метальних груп, якщо дивитися вздовж зв'язку С—С, розташовані один за одним. У загальмованій — атоми Гідрогену однієї метальної групи максимально віддалені від атомів Гідрогену другої. Між заслоне­ною і загальмованою конформаціями молекула в процесі обертан­ня набуває множини скошених конформацій. Максимальну потен­ційну енергію має заслонена конформація.

Енергетична нерівноцінність різних конформацій пояснюєть­ся існуванням у молекулі так званого торсійного напруження (на­пруження Пітцера), яке зумовлене взаємодією (відштовхуванням) електронних хмар супротивних зв'язків С—Н. У заслоненій кон­формації супротивні зв'язки максимально наближені, тому взає­модія між ними найбільша. З віддаленням супротивних зв'язків торсійне напруження зменшується і стає мінімальним у загальмо­ваній конформації. Різниця енергій заслоненої і загальмованої конформацій називається енергетичним бар'єром обертання. Для етану він низький (=12 кДж/моль) і легко переборюється молеку­лою при звичайних температурах за рахунок енергії теплового руху. Однак у кожен момент часу більша частина молекул представлена найбільш енергетично вигідною конформацією. Унаслідок такого низького енергетичного бар'єра виділити ці ізомери неможливо.

_І

Конформації з найменшим запасом енергії називаються конформерами, або конформаційними (поворотними) ізо­мерами.