5. Алканы

Алканами называются углеводороды с открытой цепью, имеющие общую формулу C_nH_2n+2 и содержащие только простые углерод-углеродные связи. Алканы образуют гомологический ряд, в котором каждый член отличается от предыдущего на постоянную структурную единицу (CH₂) , называемую гомологической разностью.

Таблица 5.1

Гомологический ряд алканов. Число структурных изомеров

Число атомов	Название, формула		Число изомеров
1	Метан	СН4	1
2	Этан	C2H6	1
3	Пропан	C3H8	1
4	Бутан	С4Н10	2
5	Пентан	С5Н12	3
6	Гексан	С6Н14	5
7	Гептан	С7Н16	9
8	Октан	С8Н18	18
9	Нонан	С9Н20	35
10	Декан	С10Н22	75

Изомеры - это соединения, имеющие одинаковый состав, но различное строение и вследствие этого разные физико-химические свойства.

Существуют структурные и пространственные изомеры (стереоизомеры).

Структурные изомеры - это соединения, имеющие одинаковый состав, но различную последовательность связывания атомов.

Пространственными изомерами называются соединения, в которых одинаковые состав и способ связывания атомов, но различное расположение атомов в пространстве.

Первые три члена гомологического ряда не имеют изомеров. Число структурных изомеров последующих гомологов, начиная с бутана, растет очень быстро с увеличением атомов углерода в молекуле (см. табл. 5.1). Эмпирической формуле С₄Н₁₀ соответствуют два структурных изомера, а формуле С₅Н₁₀ – три

Атом углерода в метане находится в sp³ - гибридном состоянии. Гибридные орбитали имеют большую степень направленности, чем негибридизованные s- и р- орбитали, и в результате большего перекрывания с орбиталями соседнего атома дают более прочные -связи; sp³-гибридные орбитали эквивалентны, направлены к вершинам правильного тетраэдра, угол между орбиталями 109,5, это обеспечивает минимальное отталкивание между ними. Экспериментальные данные подтверждают: метан имеет тетраэдрическую структуру, все связи углерод - водород одинаковой длины - 10.910^-2 нм. Для разрыва CH связи в метане требуется 102 ккал/моль (42710³ Дж/моль).

В молекуле этана -связь между атомами углерода Н₃ССН₃ обладает цилиндрической симметрией. Поэтому в молекуле этана две метильные группы вращаются вокруг углерод - углеродной связи почти свободно.

Различные расположения групп и атомов в пространстве, возникающие в результате поворота одного атома относительно другого вдоль линии связи, соединяющей эти атомы, называются конформациями.

Однако вращение одной метильной группы относительно другой не совсем свободно. Потенциальная энергия молекулы минимальна для заторможенной конформации II, при вращении метильной группы она возрастает и достигает максимума для заслонённой конформации I. Избыток энергии заслонённой конформации по сравнению с заторможенной называют энергией торсионного напряжения. Для молекулы этана эта энергия равна 13·10³ Дж/моль (рис. 1.1).

Заслоненная конформация этана (I)	Заторможенная конформация этана (II)

Считают, что избыток энергии появляется вследствие отталкивания электронных облаков углерод-водородных связей в тот момент, когда они проходят мимо друг друга. Поскольку при комнатной температуре энергия некоторых столкновений молекул может достигать 86·10³ Дж/моль, то барьер в 13·10³ Дж/моль легко преодолевается. Вращение в этане рассматривают как свободное.

Рис. 5.1. Энергетический профиль вращения групп CH₃ в молекуле этана вокруг связи углерод-углерод

Конформации, соответствующие энергетическим минимумам, называют конформационными изомерами или конформерами. В более сложных молекулах число конформеров может быть достаточно большим.