Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:А ты хочешь знать химию. Учебно-справочное пособие для старшеклассников и абитуриентов
.pdf
гомологического ряда метана необходимо, чтобы была возможность пользоваться указанной номенклатурой в дальнейшем при изучении других классов органических соединений
(спиртов, альдегидов, кислот), которые также образуют гомологические ряды. Названия спиртов, альдегидов и кислот по
систематической номенклатуре образуют от названий соот-
ветствующих углеводородов, т. е. углеводородов с тем же
числом атомов углерода в молекуле. Необходимо также ознакомиться с понятием радикал.
Радикал — это атом или группа атомов, имеющая неспаренный электрон (неспаренные электроны), т. е. это одна из
составных частей молекулы.
Радикалы образуются при химических реакциях в результате разрыва химических связей. Но сейчас мы не будем рассматривать химические реакции, а только мысленно представим, что получится, если оторвать от молекулы, например,
этана один атом водорода: молекула имеет состав С
2Н6
, но
останется при отрыве одного атома водорода лишь одновалентный остаток молекулы С
–, который и называется ра-
2Н5
дикалом.
§ 6. Номенклатура, структурные формулы и изомерия
предельных углеводородов — алканов
Название радикалов предельных углеводородов образуют,
заменяя суффикс -ан на суффикс -ил в названии соответствующего (с тем же числом атомов углерода в молекуле) углеводорода. Например, если есть метан СН
метану радикал СН
С
, то соответствующий этану радикал С2Н5– будет назы-
2Н6
– будет называться метил, если есть этан
3
, то соответствующий
4
ваться этил и т. д.
Рассмотрим возможные применяемые формулы предельных углеводородов.
Метан СН
— это молекулярная формула, которая пока-
4
зывает только качественный и количественный состав вещества.
Атом углерода в возбуждённом состоянии имеет четыре
неспаренных электрона, по которым атом углерода может образовать четыре ковалентные связи с атомами водорода в результате образования общих электронных пар, при этом атомы водорода приобретают завершённую электронную оболочку (2е как в атоме гелия), а атом углерода приобретает
281
восьмиэлектронную оболочку (как в атомах других инертных
газов), и, чтобы показать это, используют так называемую
электронную формулу вещества.
Н
..
Н : С : Н — это электронная формула метана.
..
Н
Заменяя каждую общую пару электронов чёрточкой, получаем структурную формулу (графическое изображение)
метана, которая показывает порядок соединения атомов в молекуле, и каждая чёрточка в формуле обозначает валентность
(пару электронов).
Структурная формула — это такая формула, которая
показывает последовательность соединения атомов и кратность связей между ними (простые, двойные, тройные), а также валентность элементов, образующих вещество.
Из указанной формулы видно, что валентность углерода
равна четырём, а валентность водорода равна единице.
Н
Н–С–Н
Н
Этан С
. Для этана можно записать два вида структур-
2Н6
ных формул:
Н Н
Н–С–С–Н СН
развёрнутая структурная сокращённая структурная
формула формула
и чёрточки обозначают только соединение атомов углерода С–С связи, несмотря на то, что в формуле чёрточка отходит от водорода,
она относится к атомам углерода.
Н Н
В сокращённой структурной формуле не изображают связи С–Н,
–СН
3
3
Пропан С3Н8. Для пропана, также как и для этана, можно
записать только одну структурную формулу (как развёрнутую, так и сокращённую), учитывая, что валентность углерода в органических соединениях всегда равна четырём, валентность водорода всегда равна единице.
Н Н Н
Н–С–С–С–Н СН
развёрнутая структурная сокращённая структурная
формула формула
Н Н Н
– СН2– СН
3
282
3
Бутан С4Н10.
(А)
Н Н Н Н
Н–С–С–С–С–Н СН
–СН2–СН2–СН
3
3
Н Н Н Н
развёрнутая структурная сокращённая структурная
формула формула
Сокращённую структурную формулу можно записать и по
другому, взяв дважды повторяющуюся группу атомов СН
–
2
в скобки, а за скобкой написать индекс, указывающий число
повторяющихся групп СН
СН
–(СН2)2–СН
3
3
–:
2
Но оказывается молекулярной формуле С4Н10 может соот-
ветствовать ещё одна структурная формула:
(Б)
Н Н Н
Н–С–С–С–Н СН
Н | Н
Н–С–Н
–СН–СН
3
СН
3
3
Н
развёрнутая структурная сокращённая структурная
формула формула
Данные структурные формулы показывают иной порядок
соединения атомов углерода в молекуле вещества. В первом
случае (А) атомы углерода в молекуле соединены друг с
другом, образуя незамкнутую неразветвлённую цепь
–С–С–С–С–
незамкнутую, но разветвлённую цепь
, а во втором случае (Б) атомы углерода образуют
–С–С–С–
–С–
Структурные формулы (А) и (Б) говорят о том, что они являются формулами двух разных веществ — изомеров, имеющих разное строение, но имеющих одинаковый качественный
и количественный состав — поэтому они имеют одну и ту же
молекулярную формулу С
4Н10
.
Изомеры — это вещества, имеющие один и тот же качественный и количественный состав, но разное химическое
строение.
Изомеры — это вещества, которые имеют одну и ту же
молекулярную формулу, но разные структурные формулы.
Молекулярной формуле С
соответствуют два вещества
4Н10
(для удобства записи обычно используют сокращённые структурные формулы):
283
1 2 3 4 1 2 3
СН3–СН2–СН2–СН3 СН3–СН–СН
3
I
н-бутан СН
2-метилпропан
3
Судя по молекулярной формуле веществ, эти вещества —
бутаны.
С возрастанием числа атомов углерода в молекуле углеводорода число изомеров резко увеличивается и каждый изомер
имеет своё собственное название.
В соответствии с международной (систематической) номенклатурой существуют правила, по которым дают названия органическим веществам, в частности предельным углеводородам:
1. При неразветвлённой цепи атомов углерода к названию
вещества, данного ему в соответствии с числом атомов углерода в молекуле, добавляют букву н- перед названием вещества,
что означает «нормальный», тем самым показывая, что в молекуле вещества неразветвлённая цепь атомов углерода.
2. Для составления названий предельных углеводородов
с разветвлённой цепью принимают, что в молекулах веществ
некоторые атомы водорода замещены различными радикалами (заместителями). Рассмотрим вышеприведённый пример
с целью понять, как было составлено название этого вещества:
1 2 3
СН3–СН–СН
3
I
СН
2-метилпропан
3
Мы должны рассматривать это вещество как пропан, в котором атом водорода у 2-го атома углерода замещён на радикал метил.
В названии на первое место ставят цифру, указывающую
атом углерода, к которому присоединён радикал, затем идёт
название радикала и название углеводорода, в котором, как
полагаем, произошло замещение. В вышеприведённом примере в нумерованной цепи атомов углерода — три атома углерода и радикал метил присоединён ко второму атому углерода, а поэтому название углеводорода: 2-метилпропан.
Обращаем внимание на то, что концевые атомы углерода
имеют по три атома водорода. Начиная с концевых атомов
углерода, их нумеруют, предварительно выбирая самую длинную углеродную цепь. Начало нумерации должно быть с того
284
конца, к которому ближе расположен радикал, заместивший
атом водорода в углеводороде, в котором нумеруют атомы
углерода.
Если у одного и того же атома углерода находятся два одинаковых радикала, тогда цифру повторяют дважды и перед
названием радикала ставят «ди», что на греческом языке значит два. Если радикалов три, пишут «три», а если четыре —
добавляют «тетра», если пять — «пента» и т. д. Рассмотрим
следующие примеры:
СН
СН
а)
1 2I 3
3 1 2I 3I 4 5
б) СН3 – СН – С–СН2–СН
СН
3
3
3
СН3–С–СН3 I
I CH
СН
2,2-диметилпропан 2,3,3-триметилпентан
3 4 5
в) СН3–СН–СН2–СН
С2Н
1,2
3
3
I
5
3
Чтобы дать название веществу под буквой (в), надо найти
самую длинную углеродную цепь, а для этого надо помнить,
что радикал этил С
углерода СН
— и что радикал этил можно представить запи-
3
санным следующим образом: СН
– имеет в своём составе конечный атом
2Н5
–СН2–. Если производить
3
нумерацию атомов углерода по горизонтали от одного конечного атома углерода до другого получится цепь, состоящая из
4-х атомов углерода, но, если производить нумерацию от конечного атома углерода в радикале этиле, то получим более
длинную цепь, состоящую из 5-ти атомов углерода, а потому
название вещества (в) будет: 3-метилпентан.
Дают название не только веществу, но и атомам углерода
в зависимости от числа образуемых ими С–С связей. Рассмотрим для примера названия атомов углерода в веществе
2,3,3-триметилпентане:
СН
1 2
СН3–СН – С–СН2–СН
СН
3
I
3I 4 5
3
3
I
CH
2,3,3-триметилпентан
3
1-й, 5-й атомы углерода в основной цепи и атомы углерода
в радикалах образуют только по одной С–С связи, и их назы-
285
вают первичными; 4-й атом образует две С–С связи, соединяясь с 3-м и 5-м атомами углерода, а поэтому его называют вто-
ричным; 2-й атом –третичный, так как он использует две
С–С связи на соединение с 1-м и 3-м атомами углерода в основной цепи и одну С–С связь на присоединение радикала; 3-й
атом углерода — четвертичный, потому что все его четыре
связи будут С–С связи — две используются на соединение со
2-м и 4-м атомами углерода в основной цепи и к нему присоединены два радикала.
§ 7. Гомология, изомерия и номенклатура предельных
углеводородов на примере гомологических рядов,
имеющих одну и ту же общую формулу СnН
Молеку -
лярная
фор мула
пентан
С
5Н12
С6Н14 гексан
С7Н16 гептан
Ряд метана (н-алканы) Ряд изобутана Ряд
1 2 3 4 5
СН3-СН2-СН2-СН2-СН
н-пентан
С
1 2 3 4 5 6
СН3-СН2-СН2-СН2-СН2-СН
н-гексан С6Н
1 2 3 4 5 6 7
СН3-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН
н-гептан С7Н
3
5Н12
14
16
4 3 2 1
СН3 -СН2-СН-СН
СН
2-метилбутан
С
4 3 2 1
СН2-СН2-СН-СН
3
СН3 СН
2-метилпентан
С
4 3 2 1
СН2 -СН2-СН-СН
3
С2Н5 СН
2-метилгексан
С
3
3
5Н12
3
3
6Н14
3
3
7Н16
2,2-диметилпропана
СН
1 2 3
СН3-С -СН
СН
2,2-диметилпропан
С
СН
1 2 3 4
СН3-С -СН2-СН
СН
2,2–диметилбутан
С
СН
1 2 3 4 5
СН3-С -СН2-СН2-СН
СН
2,2-диметилпентан
С
2n +2
Таблица 25
3
3
3
5Н12
3
3
3
6Н14
3
3
3
7Н16
В табл. 26 представлено по три члена трёх гомологических
рядов (рядов может быть гораздо больше), которые имеют
одну и ту же общую формулу С
. Но даже на таких немно-
nН2n+2
гочисленных примерах, данных в таблице, углеводородов наглядно представлены гомологи и изомеры. Название веще-
ства отражает строение вещества и, следовательно, сходство
в названии веществ показывает сходство в их строении.
В вертикальных столбцах таблицы записаны формулы и названия гомологов: гомологи ряда метана — н-алканы (углево-
286
Таблица 26
Ряд
2,3-диметилбутана
2n +2
H
n
Ряд
2,2-диметилпропана
Ряд
изобутана
(н-алканы)
Ряд метана
Гомология, изомерия и номенклатура предельных углеводородов
3
СН
3
-СН-СН
3
2-метилпропан
-СН-СН
3
1 2 3
СН
10
Н
4
С
4 3 2 1
СН
-СН
СН
3
-СН
2
-СН
2
-СН
3
1 2 3 4
СН
-СН
-СН
-СН
н-бутан
-СН
10
Н
4
1 2 3 4 5
С
СН
1 2 3 4
12
Н
5
С
3
3
3
-С-СН
3
СН
СН
СН
2,2-диметилпропан
1 2 3
3
2
3
СН
3
2
2
2
3
3
2-метилбутан
12
Н
5
1 2 3 4 5
С
н-пентан
12
Н
5
1 2 3 4 5 6
С
3
3
СН
3
-СН-СН-СН
14
3
Н
6
СН
С
2,3-диметилбутан
СН
14
Н
6
С
3
-СН
2
3
-С-СН
3
СН
СН
2,2-диметилбутан
1 2 3 4
3
-СН
2
-СН
2
3
2-метилпентан
14
-СН-СН
3
Н
6
СН
СН
С
3
-СН
2
-СН
2
-СН
2
-СН
2
н-гексан
-СН
14
3
Н
6
СН
С
3
3
СН
3
-СН-СН-СН
2
-СН
16
3
Н
7
5 4 3 2 1
3
СН
1 2 3 4 5 6
1 2,3,4,5,6 7
2,3-диметилпентан
СН
С
СН
16
Н
7
С
3
-СН
2
-СН
2
3
-С-СН
3
СН
СН
2,2-диметилпентан
1 2 3 4 5
3
-СН
2
-СН
2
-СН
2
3
2-метилгексан
16
-СН-СН
3
Н
7
СН
СН
С
3
-СН
2
-СН
2
-СН
2
3
-СН
2
-СН
5
)
2
-СН
2
–(СН
3
СН
н-гептан
-СН
16
3
Н
7
1 2 3 4 5 6 7
СН
С
–,
2
на примере гомологических рядов, имеющих одну и ту же общую формулу С
бутан
10
лярная
Молеку-
формула
Н
4
С
пентан
12
Н
5
С
гексан
14
Н
6
С
гептан
16
Н
7
С
Гомологи – это органические вещества, сходные по своему строению и, следовательно, обладающие сходны-
ми химическими свойствами, имеющие общие методы получения; состав всех членов гомологического ряда мо-
жет быть выражен общей формулой, причём состав членов ряда отличается на одну или несколько групп –СН
называемую гомологической разностью.
287
(н-бутан, 2-метилпропан); изомеры, имеющие фор-
10
Н
4
(н-пентан, 2-метилбутан, 2,2-диметилпропан), и т. д.
12
Н
5
Название вещества отражает строение вещества и, следовательно, сходство в названии веществ показывает
сходство в их строении. В данной таблице в вертикальных столбцах записаны формулы и названия гомо-
логов: гомологи ряда метана — н-алканы (углеводороды с неразветвлённой цепью атомов углерода), гомологи
изобутана (названия которых начинаются с 2-метил…), гомологи ряда 2,2-диметилпропана (названия которых
начинаются с 2,2-диметил…), гомологи ряда 2,3-диметилбутана (названия которых начинаются с 2,3 ди-
Изомеры — это органические вещества, которые имеют один и тот же качественный и количественный со-
метил …) и т. д.
став, но разное химическое строение. Так как качественный и количественный состав отражается молекуляр-
ной формулой, то изомеры должны иметь одну и ту же химическую молекулярную формулу, но названия долж-
ны быть разными и не иметь никакого сходства в названии вещества, так как изомеры имеют разное химиче-
ское строение, которое отражается в названии вещества. В данной таблице изомеры представлены в
горизонтальных рядах: изомеры, имеющие формулу С
мулу С
288
дороды с неразветвлённой цепью атомов углерода), гомологи
изобутана (названия которых начинаются с 2-метил…), гомологи ряда 2,2-диметилпропана (названия которых начинаются с 2,2-диметил…) и т. д.
Поскольку качественный и количественный состав отражается молекулярной формулой, то изомеры имеют одну и ту
же молекулярную формулу, но названия изомеров должны
быть разными и в названии веществ не должно быть никакого
сходства, потому что изомеры имеют разное химическое
строение. Изомеры представлены в горизонтальных рядах
таблицы: изомеры, имеющие формулу С
(н-пентан, 2-ме-
5Н12
тилбутан, 2,2-диметилпропан), изомеры, имеющие формулу
С
(н-гексан, 2-метилпентан, 2,2-диметилбутан), изомеры,
6Н14
имеющие формулу С
(н-гептан, 2-метилгексан, 2,2-диме-
7Н16
тилпентан), и т. д.
§ 8. Циклопарафины-циклоалканы.
Номенклатура. Изомерия и гомология
Циклопарафины — углеводороды, имеющие замкнутую
цепь атомов углерода. В молекулах циклопарафинов имеют-
ся только ординарные сигма-связи, а поэтому по свойствам
они близки к предельным углеводородам.
Название циклопарафинов образуется путём добавления
цикло к названию соответствующих предельных углеводородов. В названии циклопарафинов используют суффикс ан,
так как суффикс указывает на вид связи, а в циклопарафинах
имеется сигма-связь, т. е. такая же, как и в предельных углеводородах. Общая формула циклопарафинов С
СН2 СН2–СН2 СН2 СН
СН2–СН2 СН2–СН2 СН2 СН
2 СН2
СН2 СН2 СН2 СН
СН
циклопропан циклобутан циклопентан циклогексан
2
СН
2
nН2n.
2
2
У циклопарафинов возможна изомерия, которая обусловлена числом атомов углерода в цикле и боковыми ответвлениями. Так формуле С
соответствуют два циклопарафина:
4Н8
циклобутан и метилциклопропан.
289
СН–СН
СН2–СН
3
2
У циклопарафинов изомерия связана с возможностью образования боковых углеродных цепей. Гомологами циклопропана будут метилциклопропан, этилциклопропан и т. д.,
гомологами циклобутана будут метилциклобутан, этилциклобутан и т. д.
§ 9. Номенклатура, структурные формулы,
гомология и изомерия углеводородов
этиленового ряда — алкенов
Углеводороды этиленового ряда — это углеводороды, в
молекулах которых имеется одна двойная связь.
Как уже отмечалось выше, наличие двойной связи в молекуле обозначают с помощью суффикса ен в названии вещества. Но двойная связь может быть расположена в молекуле
по-разному. Положение двойной связи показывают в конце
названия цифрой (номером) атома углерода, от которого начинается двойная связь. Даже при наличии в молекуле заместителей нумерацию атомов углерода начинают с того конца
молекулы, к которому ближе двойная связь. Остальные правила образования названия вещества такие же, как и при образовании названий предельных углеводородов. Рассмотрим
образование названий углеводородов этиленового ряда —
изомеров и существование разных видов изомерии на примере углеводородов, имеющих одну и ту же молекулярную формулу С
являются изомерами:
1) изомерия углеродного скелета. Примерами
изомеров с разветвлённой цепью атомов углерода являются
углеводороды: а, б, в.
а) СН3–СН–СН2–СН2–СН=СН
СН
5-метилгексен-1
СН
5 4 3 2 1
б) СН3–С–СН2–СН=СН
СН
4,4-диметилпентен-1
. Все вещества, формулы которых приведены ниже,
7Н14
6 5 4 3 2 1
2
3
3
2
3
290
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]