Конспект лекційного заняття

1. Гомологічний ряд алканів та циклоалканів.

Найпростіші органічні сполуки, які складаються з Карбону і Гідрогену, називаються вуглеводнями. Вуглеводні, які мають відкритий ланцюг карбонових атомів, називаються аліфатичними, або вуглеводнями жирного ряду. Численна група аліфатичних вуглеводнів поділяється на дві підгрупи: 1) насичені, або граничні, вуглеводні; 2) ненасичені, або неграничні, вуглеводні, які містять подвійні чи потрійні зв’язки.

Насиченими називають такі вуглеводні, атоми Карбону в молекулах яких сполучені між собою простими (одинарними) -зв’язками. Всі інші одиниці валентності атомів Карбону в цих сполуках зайняті (насичені) атомами Гідрогену. Атоми Карбону в молекулах насичених вуглеводнів перебувають у першому валентному стані, тобто в стані sp³-гібридизації. Насичені вуглеводні називають ще алканами, або парафінами. Парафінами ці органічні сполуки називають тому, що довгий час їх вважали малореакційноздатними. Стара назва насичених вуглеводнів – аліфатичні, або жирні, вуглеводні (від лат. alifatic – жирний). Ця назва походить від назви перших вивчених сполук, які колись відносили до цих речовин, – жирів.

Найпростішим представником насичених вуглеводнів є метан СН₄:

Наведена структурна формула метану не відбиває просторової будови молекули. Для розгляду цієї будови необхідно згадати про форми електронних хмаринок і електронну будову атома Карбону. Електронна будова атома Карбону зображується в такий спосіб: 1s²2s²2p² або схематично:

Як видно, на зовнішній оболонці є два неспарених електрони, отже Карбон повинен бути двохвалентним. Однак, у переважній більшості випадків Карбон в органічних сполуках чотирьохвалентний. Це пов'язано з тим, що при утворенні ковалентного зв'язку атом Карбону переходить у збуджений стан, при якому електронна пара на 2s-орбіталі роз'єднується й один електрон займає вакантну p-орбіталь. Схематично:

У результаті є вже не два, а чотири неспарених електрони. Оскільки ці чотири електрони різні (2s- і 2p-електрони), то повинні б бути різні й зв'язки в атома Карбону, однак доведено, що зв'язки в молекулі метану рівнозначні. Виявляється при “змішуванні” чотирьох орбіталей збудженого атома Карбону (однієї 2s- і трьох 2p-орбіталей) утворюються чотири рівноцінні sp₃-гібридні орбіталі. Вони мають форму гантелі, одна з половин якої значно більше іншої. Внаслідок взаємного відштовхування sp₃-гібридні орбіталі спрямовані в просторі до вершин тетраедра й кути між ними рівні 10928' (найбільш вигідне розташування).

Рис.1. Модель sp3-гібридного стану електронної оболонки атома Карбону.

sp₃- Гібридизація характерна для атомів Карбону в насичених вуглеводнях (алканах) – зокрема, у метані.

Рис.2. Схема електронної будови молекули метану.

Із рис. 2 видно, що кожна sp₃-гібридна орбіталь при перекриванні з s-орбіталлю атомів Гідрогену утворює із ними чотири, так звані, -зв'язки. -Зв'язок – це одинарний ковалентний зв'язок, утворений при перекриванні орбіталей по прямій, що з'єднує ядра атомів, з максимумом перекривання на цій прямій. Атом Карбону в молекулі метану розташований у центрі тетраедра, атоми Гідрогену – у його вершинах, всі валентні кути між напрямками зв'язків рівні між собою й становлять кут 10928'. Слід зазначити, що в молекулі етану (CH₃–СH₃) одна із семи -зв'язків (С–С) утворюється в результаті перекривання двох sp₃-гібридних орбіталей атомів Карбону.

Рис. 3. Утворення молекули етану перекриванням двох гібридних електронних хмаринок атомів Карбону.

Насичені вуглеводні утворюють ряд сполук, в якому наступний член відрізняється за складом від попереднього на постійну величину, що дорівнює СН₂.Такий ряд називається гомологічним, а окремі члени його – гомологами (табл.1).

Таблиця 1.

Фізичні константи деяких насичених вуглеводнів.

Назва	Формула	Тпл, оС	Ткип, оС
Метан		-182,5	-101,5
Етан		-173,3	-88,6
Пропан		-187,7	-42,7
Бутан		-138,3	-0,5
Пентан		-129,7	+36,7
Гексан		-95,3	68,7
Гептан		-90,6	98,4
Октан		-56,8	125,7
Нонан		-53,5	150,8
Декан		-29,6	174,1
Пентадекан		+10	270,5
Ейкозан		36,8	342,7
Пентакозан		53,7	400
Триаконтан		65,8	446,4
Гектан		115,2	-

Постійна різниця в складі між суміжними членами гомологічного ряду СН₂ називається гомологічною різницею. Всі сполуки гомологічного ряду насичених вуглеводнів виражаються загальною формулою СnН_2n+2 (n = 1, 2, 3, 4…).

Явище існування гомологів і гомологічних рядів дістало в органічній хімії назву гомології. Гомологія властива й іншим класам органічних речовин, причому для всіх гомологічних рядів гомологічною різницею є група СН₂.

Назви перших чотирьох насичених виникли випадково. Починаючи з С₅Н₁₂, назви алканів утворені від грецьких або латинських числівників, які вказують кількість карбонових атомів у молекулі даного насиченого вуглеводню, з додаванням до цих назв суфіксу – ан (табл. 1).