1.5. Структурная изомерия алканов

Изомерия - явление, при котором одному и тому же качественному и количественному составу соответствуют несколько соединений, отличающихся друг от друга взаимным расположением атомов, т.е. строением, а следовательно, и свойствами.

Углеводородам с четырьмя и более углеродными атомами свойственно явление структурной изомерии - изомерии углеродного скелета. В ряду алканов формулы изомеров нагляднее всего строить в виде схем углеродного скелета, постепенно наращивая по одному углеродному атому.

Углеродные скелеты трех первых представителей выглядят так:

Никакого другого порядка химических связей атомов углерода для цепей С₁-С₃ быть не может.

Для углеводорода с четырьмя углеродными атомами можно построить формулы двух изомеров

Дополнив схемы нужным числом водородных атомов, получим структурные формулы для двух изомерных алканов:

Структурные формулы изображают лишь порядок химической связи атомов, а не их истинное расположение в пространстве или на плоскости (хотя это расположение точно известно). Поэтому представленные ниже формулы отображают одно и то же соединение:

Углеводород с пятью углеродными атомами в молекуле существует в виде трех изомеров:

Соединения с неразветвленной углеродной цепью, как, например, бутан, пентан, называют соединениями нормального строения или сокращенно н-углеводородами; если же цепь имеет разветвление, то соединения называют изосоединениями. Приставка изо- используется в названиях соединений, в которых две метильные группы находятся на конце неразветвленной цепи; приставка нео- указывает на наличие трех метильных групп на конце неразветвленной цепи.

Зависимость количества изомеров предельных углеводородов от числа углеродных атомов в молекуле представлена в следующей таблице:

Число углеродных атомов	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Количество изомеров	1	1	1	2	3	5	9	18	25	75

1.6. Стереоизомерия (конформационная или поворотная изомерия)

В алканах существует свободное вращение вокруг простой углерод-углеродной связи. Различные расположения атомов, которые могут взаимно превращаться друг в друга путем вращения вокруг простых углерод-углеродных связей, называются конформациями.

В этане возможно расположение атомов типа I, в котором атомы водорода находятся друг за другом, и расположение атомов типа II, когда атомы водорода, связанные с одним углеродным атомом, расположены между атомами водорода, связанными с другим атомом углерода. Кроме того, существует неопределенное число промежуточных положений.

Конформация I называется заслоненной, а конформация II - заторможенной. Промежуточные конформации носят название скошенных. Для изображения различных конформаций удобны так называемые проекции Ньюмена.

Потенциальная энергия молекулы минимальна для заторможенной конформации. Она возрастает при вращении вокруг углерод-углеродной связи и достигает максимума для заслоненной конформации. Энергия, необходимая для вращения вокруг углерод-углеродной связи, называется торсионной энергией. Фактически различные конформации находятся в динамическом равновесии, и возможность перехода одной заторможенной конформации в другую через заслоненную конформацию определяется барьером вращения, который составляет 3 ккал/моль (12,5610³ Дж/моль).

Барьер этот не очень высокий, и считается, что в этане вокруг простой углерод-углеродной связи существует свободное вращение и быстрое взаимопревращение заторможенных конформаций.

При замене атомов водорода в этане на другие атомы или группы атомов возникают иные факторы, влияющие на относительную устойчивость конформеров: вандерваальсовы силы, диполь-дипольные взаимодействия, водородная связь. Но тенденция связей соседних атомов углерода находиться в заторможенной конформации остается, и любое отклонение от заторможенной конформации приводит к появлению торсионного напряжения.

Рассмотрим молекулу н-бутана вдоль связи С₂-С₃. Молекула аналогична молекуле этана, но у каждого атома углерода один атом водорода замещен на метильную группу. Благодаря наличию метильных групп существует несколько заторможенных конформаций. Существует анти-конформация (I), в которой метильные группы максимально удалены друг от друга (угол 180 ⁰). Существуют две скошенные или гош-конформации (II и III), в которых метильные группы образуют угол 60⁰; они представляют собой несовместимые зеркальные изображения.

Установлено, что анти-конформация более устойчива (на 0,9 ккал/моль), чем скошенная. В обоих скошенных конформациях торсионное напряжение отсутствует.