Алканы

Глава 2. Алканы

Например:

Алканы неспособны к реакциям присоединения. Составим формулы первых представителей класса алканов. Простейшим из них является метан CH4, в молекуле которого всего один атом углерода:

Поскольку атом углерода в органических соединениях четырехвалентен, мы без труда запишем структурную формулу и для следующего члена ряда алканов — этана, в молекуле которого два углеродных атома:

Составу СН4 и С2Н6 соответствует только по одной структурной формуле. Это справедливо и для следующего члена ряда алканов — пропана, имеющего состав C3H8. Действительно, если изобразить углеродную цепь пропана не линейно (С–С–С), а иначе, например

CC C

то по существу ничего не меняется: в молекуле по-прежнему имеется три атома углерода — два первичных и один вторичный.

Углеродный скелет бутана (C4H10), в принципе, тоже можно записать по-разному:

40

§ 6. Изомерия и номенклатура алканов

Все представленные структуры идентичны: содержат два первичных и два вторичных атома углерода.

Теперь поступим по-другому. Возьмем линейную цепочку С–С–С–С за основу и мысленно отсечем последний углеродный атом. Если затем присоединить этот атом к концам углеродной цепи, получим первоначальный вариант. Если же осуществить присоединение к центральному атому углерода, образуется принципиально новая структура, в которой три первичных атома углерода и один третичный атомы углерода:

C C C C C C C

C

Однако качественный и количественный состав молекулы тот же самый — С4Н10. Добавьте водородные атомы и убедитесь в этом сами:

Эти углеводороды — изомеры: у них одинаковый состав, но различное строение и, следовательно, должны быть разные свойства. Так, температура кипения бутана –0,5 °С, в то время как у изобутана –10 °С. Подобный тип изомерии называется изомерией углеродного скелета. Составим формулы возможных изомеров молекулы алкана, содержащего пять углеродных атомов. Самая простая конфигурация углеродной цепи такова:

Для удобства углеродные атомы в цепи пронумерованы (эти номера называются локантами от лат. locus — место). Углеродный скелет второго изомера получаем аналогично тому, как делали это в предыдущем случае, отсекаем пятый углеродный атом и присоединяем его к атому углерода внутри цепи:

41

Глава 2. Алканы

Теперь основной является углеродная цепь из четырех атомов углерода, а структуры (а) и (б), получающиеся при этом, будут совершенно идентичны:

Вэтом можно убедиться, пронумеровав атомы в главной цепи с того края,

ккоторому ближе расположен заместитель:

Запишем структурную формулу еще одного алкана с пятью углеродными атомами в молекуле. Для этого отсечем четвертый атом углерода в структуре, приведенной выше, и присоединим его ко второму атому:

Теперь составим сокращенные структурные формулы всех трех изомеров:

H3C CH2 CH2 CH2 CH3 H3C CH CH2 CH3

CH3

CH3

H3C C CH3

CH3

42

§ 6. Изомерия и номенклатура алканов

Состав этих изомеров отражается молекулярной формулой C5H12. Сопоставив молекулярные формулы приведенных ранее алканов (CH4,

C2H6, C3H8, C4H10, C5H12), выведем общую формулу, отражающую состав любого алкана: СnH2n+2, где n — число углеродных атомов.

Число возможных изомеров резко возрастает с увеличением числа углеродных атомов в молекуле алкана. Так, углеводороду C10H22 соответствует 75 изомеров, соединению состава C15H32 — 4347 изомеров, а для C20H42 их уже 366 319. И главная причина такого явления — изомерия углеродного скелета! Стоит ли удивляться такой многочисленности органических веществ?

Номенклатура алканов

Каждое вновь открытое вещество «приобретает» имя, которое часто связывают с первоисточником его получения, например: лимонная, яблочная, молочная кислоты; толуол (выделен из толуанских бальзамов*). Иногда в названии отражается одно из характерных свойств вещества: пикриновая кислота (греч. pycros — горький), глицерин (греч. glycos — сладкий). Такая номенклатура называется тривиальной. Она не отражает строения вещества и не позволяет составить его формулу по названию.

Важно было разработать номенклатуру, благодаря которой, прочитав название соединения, можно однозначно составить его структурную формулу.

Номенклатура — система названий веществ.

В ходе развития органической химии были предложены различные варианты номенклатуры (рациональная, женевская, льежская и др.). В 1947 году на совещании Международного союза теоретической и прикладной химии (International Union of Pure and Applied Chemistry — IUPAC), состоявшемся в Лондоне, было принято решение о разработке новых международных правил номенклатуры органических соединений. Начиная с 1957 года они публикуются под названием «Правила номенклатуры органических соединений IUPAC». В дальнейшем мы будем руководствоваться именно этими правилами, хотя в ряде случаев для широко используемых веществ тривиальные названия также часто употребляются.

Названия алканов с неразветвленной цепью состоят из корня, обозначающего число атомов углерода в цепи, и суффикса «-ан», характерного для алканов. Названия первых четырех алканов сложились исторически: метан, этан, пропан, бутан. Для последующих членов ряда корень образуется с помощью греческих числительных, соответствующих числу атомов углерода в молекуле: 5 — пента-, 6 — гекса-, 7— гепта-, 8 — окта- и т. д. Так, алкан с неразветвлен-

*Толуанские бальзамы получали в местечке Толу (Северная Африка).

43

Глава 2. Алканы

Таблица 2.1. Названия алканов и алкильных радикалов

ной цепью, в молекуле которого шесть атомов углерода, имеет название гексан (корень выделен полужирным шрифтом), далее — гептан, октан, нонан и т. д.

Начиная с бутана, возможна изомерия углеродного скелета. Поэтому к названию алкана с неразветвленной цепью иногда добавляется буква «н», указывающая на алкан «нормального» (неразветвленного) строения — н-бутан, н-пентан и т. д. Названия первых десяти алканов с неразветвленной цепью приведены в табл. 2.1. Здесь же представлены названия соответствующих алкильных радикалов, которые образуются отщеплением атома водорода от соответствующего алкана. При этом суффикс «-ан» в названии алкана заменяется на суффикс «-ил». Знание этих радикалов позволяет по известной структурной формуле составить название любого алкана и наоборот.

Рассмотрим на примере углеводорода, структурная формула которого приведена ниже, как составляется по номенклатуре IUPAC название алкана с разветвленной цепочкой:

H3C CH CH CH CH2 CH3 CH3 CH2 CH3

CH3

Молекула этого углеводорода может быть рассмотрена как производное гексана, где три водородных атома у соседних атомов углерода замещены на

44

§ 6. Изомерия и номенклатура алканов

две метильные и одну этильную группы. Местоположение этих групп в названии должно быть строго определено. Для этого необходимо выполнить следующие правила.

1.Найти в структуре данного углеводорода самую длинную углеродную цепь и пронумеровать атомы углерода, начиная с того конца, к которому ближе расположен заместитель.

2.Основой должно служить название того неразветвленного алкана, которому по числу атомов углерода соответствует главная цепь (в данном случае гексан).

3.Перед основой указываются номера углеродных атомов (локанты), при которых расположены заместители. За локантами через дефис называют заместители.

4.Если имеются одинаковые заместители при разных углеродных атомах, локанты объединяют, а перед названием заместителя ставится умножающая приставка: ди- — 2, три- — 3, тетра- — 4, пента- — 5, гекса- — 6 и т. д. Цифры между собой отделяются запятыми, а цифры от слов — дефисом. Таким образом, название обсуждаемого углеводорода будет следующим: 2,4-диметил-3-этилгексан.

Если все заместители относительно главной цепи одинаковые, то локанты объединяются через запятую, а перед заместителем ставится соответствующая приставка. Обратите внимание, что если один и тот же углеродный атом содержит сразу два заместителя, то и локант записывается дважды. Учитывая сказанное, назовем углеводород, структурная формула которого представлена ниже:

CH3

45

Глава 2. Алканы

Изомерия углеводородных радикалов

Радикалы образуются при удалении атома водорода из молекулы соответствующего алкана. В случае метана СН4 и этана С2Н6 образуются единственно возможные радикалы — метил- (СН3–) и этил- (С2Н5–) соответственно. Однако при удалении одного атома водорода из молекулы пропана могут образоваться уже два различных радикала — пропил- (первичный) и изопропил- (вторичный):

С увеличением числа углеродных атомов в молекуле алкана растет и возможное число радикалов. Ниже представлены структурные формулы радикалов, соответствующие предельному углеводороду состава С4Н10:

ВОПРОСЫ И УПРАЖНЕНИЯ

1.Из приведенного ниже перечня молекулярных формул выберите формулы алканов: C5H10, C8H18, C9H16, C6H6, C4H10, C7H16, C5H8.

2.Составьте молекулярные формулы алканов, в молекулах которых: а) 11 атомов

углерода; б) x атомов углерода; в) 24 атома водорода; г) y атомов водорода.

3.Предельные углеводороды, имеющие неразветвленную углеродную цепочку и содержащие в составе молекул 20, 21, 22 углеродных атома, носят названия соответ-

46

§ 6. Изомерия и номенклатура алканов

ственно эйкозан, генэйкозан и доказан. Запишите молекулярные формулы трикозана и тетракозана.

4.Напишите формулу структурного изомера С6Н14, содержащего четвертичный углеродный атом.

5.Определите, сколько различных веществ представлено следующими формулами:

6.Найдите изомеры среди веществ, формулы которых приведены ниже:

47

Глава 2. Алканы

7.Составьте сокращенные структурные формулы изомеров, отвечающих составу C7H16, и дайте им названия.

8.Установите молекулярную формулу алкана, массовая доля водорода в котором составляет 16,67 %. Составьте формулы изомеров, отвечающих полученной формуле.

9.Назовите алканы, структурные формулы которых приведены ниже:

48