§ 13. Изомеры предельных углеводородов имеют разные названия

Определения и обозначения

Предельные углеводороды, или алканы, — соединения углерода и водорода, в которых связи между атомами углерода одинарные. Для ациклических алканов, то есть молекул без замкнутого углеродного кольца, общая формула — CₙH₂ₙ₊₂. Она позволяет определить, подходит ли формула вещества к алканам, и проверить число атомов водорода.

Структурные изомеры — вещества с одинаковой молекулярной формулой, но разным порядком соединения атомов. Поэтому одинаковый набор атомов ещё не означает, что перед нами одно и то же вещество. Это понятие нужно, чтобы различать соединения, которые имеют одинаковый состав, но отличаются строением и названием.

Углеродный скелет — порядок соединения атомов углерода в молекуле. Он бывает неразветвлённым, когда атомы образуют одну цепь, и разветвлённым, когда от основной цепи отходят ответвления. По скелету удобно сравнивать изомеры и описывать строение алкана.

Систематическая номенклатура алканов — правила составления названий, которые отражают строение скелета и положение заместителей. Заместителями называют группы атомов, присоединённые к главной цепи вместо атома водорода. По систематическому названию можно восстановить строение молекулы и отличить её от других изомеров.

Как это устроено

Изомерия алканов возникает потому, что при том же числе атомов углерода возможны разные способы соединить их в скелет. Например, для C₄H₁₀ можно построить цепь из четырёх атомов углерода — бутан, либо цепь из трёх атомов с ответвлением CH₃ — 2-метилпропан. В обоих случаях соблюдается валентность углерода, поэтому число атомов водорода одинаково. Различие состоит именно в порядке соединения атомов, а не в составе.

Чтобы назвать разветвлённый алкан, сначала находят самую длинную непрерывную цепь атомов углерода. Непрерывной считается цепь, по которой можно пройти от одного конца к другому, не перескакивая между атомами и не проходя через один атом дважды. Её название задаёт основу: цепь из трёх атомов называют пропаном, из четырёх — бутаном, из пяти — пентаном. Атомы углерода, не вошедшие в главную цепь, образуют ответвления.

Главную цепь нумеруют с того конца, который ближе к заместителю: так получают меньшие номера. Например, если ответвление CH₃ находится ближе к левому концу цепи, нумерация слева даст ему номер 2, а справа — номер 3. Выбирают первый вариант, поскольку положение заместителя должно быть указано наименьшим возможным числом. При нескольких ответвлениях сравнивают наборы номеров, полученные при нумерации с двух концов.

Боковые ответвления называют алкильными заместителями: группа CH₃ называется метилом. В названии перед ним ставят номер атома главной цепи, к которому он присоединён, например 2-метил. Если одинаковых заместителей несколько, указывают номера каждого и используют приставки ди-, три- и другие. Так, два метильных заместителя при втором атоме цепи обозначаются как 2,2-диметил.

Полное название составляют из положения и названия заместителя, а затем указывают название главной цепи: например, 2-метилбутан. Вначале проверяют, что главная цепь действительно самая длинная, затем — что номера заместителей минимальны. После этого считают все атомы углерода, включая заместители, и сверяют состав с формулой алкана. Такая проверка помогает заметить неверно выбранную цепь или пропущенное ответвление.

Примеры изомеров алканов и их названия

В таблице показано, как одинаковая молекулярная формула может соответствовать разным углеродным скелетам. Сопоставляйте не только названия, но и число атомов в главной цепи с числом ответвлений. Например, в молекулах C₅H₁₂ всего пять атомов углерода, в том числе те, что находятся в заместителях.

Разбор задач

Задача 1. Назвать алкан по формуле CH₃–CH(CH₃)–CH₃. Скобки показывают, что группа CH₃ присоединена к среднему атому углерода. Начнём с цепи, содержащей наибольшее число атомов углерода, и только потом определим название ответвления.

1. Находим самую длинную непрерывную цепь: в ней три атома углерода, значит, основа названия — пропан.
2. Оставшаяся группа CH₃ является метильным заместителем. Она находится у второго атома главной цепи при нумерации с любого конца.
3. Соединяем номер заместителя, его название и название главной цепи: 2-метилпропан. Всего в молекуле четыре атома углерода, поэтому формула C₄H₁₀ согласуется с формулой алкана.

Ответ: 2-метилпропан. Нельзя назвать эту молекулу бутаном: цепь из четырёх атомов углерода в данной структуре непрерывно не проходит.

Задача 2. Записать структурную формулу 2-метилбутана и проверить, является ли он изомером пентана. Начинаем с названия: «бутан» указывает на главную цепь из четырёх атомов углерода, а «2-метил» — на группу CH₃ у второго атома. Затем подсчитываем атомы и сравниваем формулы веществ.

1. Записываем цепь бутана: CH₃–CH₂–CH₂–CH₃.
2. У второго атома заменяем один атом водорода на группу CH₃. Получаем CH₃–CH(CH₃)–CH₂–CH₃.
3. В этой структуре пять атомов углерода и двенадцать атомов водорода, значит, формула C₅H₁₂. Пентан тоже имеет формулу C₅H₁₂, но его скелет — неразветвлённая цепь из пяти атомов.

Ответ: формула 2-метилбутана — CH₃–CH(CH₃)–CH₂–CH₃; это изомер пентана, потому что молекулярные формулы одинаковы, а скелеты различаются.

Задача 3. Для C₆H₁₄ предложить две разные структуры, назвать их и объяснить, почему они изомеры. Удобно начать с неразветвлённого скелета, а затем изменить расположение атомов, сохраняя их общее число. При каждом построении проверяем, что у углерода не больше четырёх связей.

1. Первая структура — цепь из шести атомов: CH₃–CH₂–CH₂–CH₂–CH₂–CH₃. Это гексан; его формула C₆H₁₄.
2. Во второй структуре выбираем цепь из пяти атомов и присоединяем CH₃ к второму: CH₃–CH(CH₃)–CH₂–CH₂–CH₃. Её название — 2-метилпентан.
3. Считаем атомы во второй структуре: пять в главной цепи и один в заместителе, всего шесть. Обе структуры отвечают формуле C₆H₁₄, но соединение атомов у них различается.

Ответ: гексан и 2-метилпентан — структурные изомеры. Для получения других структур можно менять расположение ответвлений, но нельзя менять число атомов или нарушать валентность.

Типичные ошибки

Ошибка — выбрать главной не самую длинную цепь. Тогда ответвление может оказаться частью более длинного непрерывного пути, а название не будет соответствовать правилам номенклатуры. Такое часто случается, если ориентироваться только на горизонтальную линию в записи формулы. Проверьте все возможные непрерывные пути от конца до конца и выберите содержащий больше всего атомов углерода.

Ошибка — нумеровать цепь с конца, который даёт заместителям большие номера. Иногда направление выбирают по привычке чтения формулы, не сравнивая оба варианта. Но цифры должны обозначать положение заместителей, а не направление записи молекулы. Запишите номера при нумерации с обоих концов и выберите меньший набор.

Ошибка — считать изомерами вещества с разными молекулярными формулами. Различие названий или свойств само по себе не доказывает изомерию. Её признак — одинаковый состав при различном строении. Для самопроверки сначала сравните число атомов каждого элемента, а затем проверьте, отличается ли порядок их соединения.

Ошибка — принимать число атомов в главной цепи за общее число атомов углерода в молекуле. В разветвлённом алкане атомы углерода заместителей тоже входят в состав скелета и молекулярную формулу. Эту путаницу допускают, когда считают только выбранную цепь. Пересчитайте отдельно атомы главной цепи и ответвлений, а затем сложите их.

Связь с другими темами

Для работы с названиями алканов нужны знания о валентности углерода, строении предельных углеводородов и общей формуле CₙH₂ₙ₊₂. Следует также знать названия неразветвлённых алканов, поскольку они становятся основой названий разветвлённых соединений. Эти знания помогают строить формулы так, чтобы число связей у каждого атома углерода соответствовало его валентности.

Правила выбора цепи и обозначения заместителей пригодятся при изучении изомерии других классов органических веществ. Систематическое называние помогает связывать название с конкретной структурой и сравнивать соединения одного состава. Это умение понадобится и при составлении названий органических соединений с более сложным строением.

Что запомнить

• Изомеры имеют одинаковую молекулярную формулу, но различное строение.
• Изомерия алканов связана с различным строением углеродного скелета.
• Главной выбирают самую длинную непрерывную цепь углеродных атомов.
• Цепь нумеруют так, чтобы заместители получили наименьшие номера.
• Положение заместителя указывают цифрой перед его названием.
• Одинаковые заместители обозначают приставками ди-, три- и другими.