§ 17. Классификация, номенклатура и изомерия спиртов

Определения и обозначения

Спирты — органические вещества, в молекулах которых гидроксильная группа связана с насыщенным атомом углерода. Насыщенным называют атом углерода, соединённый с другими атомами только одинарными связями. Это определение помогает отличать спирты от веществ, в которых группа –OH связана с ненасыщенным или ароматическим углеродным фрагментом.

Гидроксильная группа –OH — функциональная группа спиртов, то есть часть молекулы, которая определяет принадлежность вещества к классу и влияет на его свойства. Обозначение –OH показывает, что кислород и водород образуют группу, присоединённую к углеродному скелету. По ней спирт распознают среди органических веществ и учитывают при составлении названия.

Изомерия — существование веществ с одинаковой молекулярной формулой, но различным строением. Изомеры содержат одинаковое число атомов каждого элемента, однако связи между атомами или их расположение отличаются. Это понятие нужно, чтобы не путать совпадение состава с тождеством веществ: изомеры могут иметь разные названия и свойства.

Номенклатура спиртов — система правил образования их названий по строению углеродного скелета и положению группы –OH. Название должно сообщать, сколько атомов углерода входит в главную цепь и при каком атоме находится гидроксильная группа. Поэтому одного названия алкана недостаточно: в названии спирта обозначают также –OH.

Как это устроено

По числу гидроксильных групп спирты делят на одноатомные и многоатомные. У одноатомного спирта есть одна группа –OH, у многоатомного — две или более. Такое деление связано с тем, что каждая группа –OH занимает место атома водорода при углеродном скелете и влияет на свойства молекулы; число групп отражают и в названиях многоатомных спиртов.

Классифицировать спирты можно по строению углеводородного радикала: он бывает открытоцепным или циклическим, а связи между атомами углерода — насыщенными или кратными. Отдельный признак — тип атома углерода, к которому присоединена –OH. Если этот атом связан с одним, двумя или тремя другими атомами углерода, спирт называют соответственно первичным, вторичным или третичным; так учитывают окружение функциональной группы.

Предельный одноатомный ациклический спирт можно представить как алкан, в котором один атом водорода заменён на –OH. Алкан имеет формулу CₙH₂ₙ₊₂; после такой замены остаётся CₙH₂ₙ₊₁OH. Поэтому общая формула этих спиртов — CₙH₂ₙ₊₁OH, а число n показывает количество атомов углерода в цепи. Формула относится именно к предельным одноатомным спиртам с открытой цепью.

Чтобы назвать спирт, сначала выбирают самую длинную углеродную цепь, в которую входит атом углерода с группой –OH. Затем нумеруют её от того конца, который ближе к –OH: эта группа должна получить наименьший номер. Основание названия указывает число атомов углерода, а суффикс -ол обозначает спирт; номер перед суффиксом показывает положение группы, например бутан-2-ол.

Изомерия возникает, когда для одной формулы возможны разные способы соединить атомы. У спиртов различаться может ветвление углеродного скелета или положение группы –OH при неизменном скелете. Если групп –OH несколько, возможны разные варианты их расположения. Чтобы найти все изомеры, необходимо проверить и скелет, и положение функциональных групп, не записывая одну структуру повторно.

Классификация, названия и виды изомерии спиртов

Сначала определите, по какому признаку сравниваются вещества: числу –OH, скелету или положению группы. Затем проверьте структуру и название по соответствующей строке таблицы. Примеры показывают, что при одинаковой формуле различие может возникать не только из-за положения –OH, но и из-за ветвления цепи.

Разбор задач

1. Назвать спирт CH₃–CH₂–CH(OH)–CH₃

Нужно назвать вещество по систематической номенклатуре. В формуле видна непрерывная цепь из четырёх атомов углерода, а группа –OH находится у второго атома, если считать с правого края. Проверим, что нумерация действительно выбрана правильно, и составим название.

1. Находим самую длинную цепь, содержащую углерод с –OH: в ней четыре атома углерода, значит, основа названия — бутан.
2. Сравниваем концы цепи. Справа группа –OH ближе: при счёте справа она получает номер 2, а при счёте слева — номер 3.
3. Берём меньший номер и добавляем суффикс -ол, обозначив положение группы.

Ответ: бутан-2-ол. Проверка: в названии указаны и цепь из четырёх атомов углерода, и положение гидроксильной группы.

2. Записать формулы пропан-1-ола и пропан-2-ола и определить вид изомерии

В обоих названиях основа «пропан» означает цепь из трёх атомов углерода. Число перед суффиксом -ол показывает, у какого атома находится –OH. Сравним формулы, чтобы установить, одинаковы ли скелеты и чем именно отличаются вещества.

1. Для пропан-1-ола присоединяем –OH к первому атому цепи: CH₃–CH₂–CH₂–OH.
2. Для пропан-2-ола помещаем –OH ко второму атому: CH₃–CH(OH)–CH₃.
3. У обеих молекул состав C₃H₈O и одинаковая цепь из трёх углеродов, но группа –OH расположена по-разному.

Ответ: это изомеры положения группы –OH. Они имеют одинаковую молекулярную формулу, но различное строение.

3. Составить формулы всех изомерных предельных одноатомных спиртов состава C₄H₁₀O и назвать их

Нужно найти спирты, а не все вещества с формулой C₄H₁₀O: например, эфиры в этот список не входят. Чтобы не пропустить изомеры, отдельно переберём возможные углеродные скелеты, а затем допустимые положения –OH. Положение, при котором группа оказалась бы у углерода с лишней валентностью, исключаем.

1. Для неразветвлённой цепи из четырёх атомов углерода получаем два разных положения –OH: CH₃–CH₂–CH₂–CH₂–OH и CH₃–CH(OH)–CH₂–CH₃.
2. Эти формулы называют бутан-1-олом и бутан-2-олом. Положения у третьего и четвёртого атомов новой структуры не дают: они совпадают с уже записанными при нумерации с другого конца.
3. В разветвлённом скелете 2-метилпропана –OH может находиться у концевого атома или у центрального: (CH₃)₂CH–CH₂–OH и (CH₃)₃C–OH.
4. Называем эти вещества 2-метилпропан-1-олом и 2-метилпропан-2-олом. Других вариантов скелета из четырёх атомов углерода нет.

Ответ: четыре спирта — бутан-1-ол, бутан-2-ол, 2-метилпропан-1-ол и 2-метилпропан-2-ол. У всех одна формула C₄H₁₀O, но различаются скелет или положение –OH.

Типичные ошибки

Ошибка — называть фенолы спиртами, потому что в обоих случаях присутствует –OH. Однако в спирте эта группа связана с насыщенным атомом углерода, а в феноле — непосредственно с ароматическим кольцом. Путаница возникает из-за сходного обозначения группы. Проверьте, к какому именно атому присоединена –OH.

Иногда цепь нумеруют от конца, ближайшего к заместителю, а не к группе –OH. Так можно получить неверное положение функциональной группы в названии, хотя выбранная цепь остаётся той же. Сначала найдите оба возможных номера для –OH и выберите меньший. Проверьте себя, сравнив расстояние от обоих концов цепи.

Совпадение молекулярных формул не означает, что перед нами одно и то же вещество. Так считают, когда сравнивают только число атомов и не анализируют связи между ними. Разное строение означает изомерию и может соответствовать разным веществам. Для проверки нарисуйте структурные формулы и сравните скелет и положение групп.

При поиске изомеров легко учитывать только положение –OH и забыть о разветвлении углеродного скелета. Причина в том, что сначала обычно рассматривают одну прямую цепь. Чтобы проверить полноту списка, перечислите все возможные скелеты заданного состава, а затем переберите положения –OH в каждом. Повторяющиеся при перевороте цепи варианты записывать дважды не нужно.

Связь с другими темами

Для работы с названиями спиртов нужны знания о строении алканов, углеродном скелете, структурных формулах и нумерации цепи. Эти умения позволяют увидеть главную цепь, распознать ветвление и определить положение –OH. Без них трудно составить название или систематически найти все изомеры вещества.

Сравнение спиртов с альдегидами, карбоновыми кислотами и другими классами органических веществ показывает роль функциональных групп. У каждого класса своя характерная группа и правила её учёта при назывании. Такое сравнение помогает классифицировать органические вещества по строению, а не только по их молекулярной формуле.

Что запомнить

• Функциональная группа спиртов — гидроксильная группа –OH.
• В спиртах группа –OH связана с насыщенным атомом углерода.
• Одноатомный спирт содержит одну группу –OH, многоатомный — несколько.
• В названии спирта указывают положение группы –OH и используют суффикс -ол.
• Цепь нумеруют так, чтобы группа –OH получила наименьший номер.
• Изомерия спиртов возможна из-за различий углеродного скелета и положения группы –OH.