§ 8. Номенклатура и изомерия алканов

Определения и обозначения

Алкан — предельный ациклический углеводород, в котором атомы углерода соединены только одинарными связями. Общая формула алканов — CₙH₂ₙ₊₂, где n — число атомов углерода. Слово «ациклический» означает, что цепь не замкнута в кольцо. Формула позволяет проверить, относится ли соединение к алканам.

Структурная изомерия — явление, при котором вещества имеют одинаковую молекулярную формулу, но атомы в них соединены по-разному. Такие вещества называют структурными изомерами. Например, атомы углерода могут образовать прямую цепь или цепь с ответвлением. Понятие помогает отличать состав вещества от его строения.

Углеродный скелет — порядок соединения атомов углерода в молекуле. Скелет может быть неразветвлённой цепью или иметь ответвления. Представляя его, сначала проследи только связи между атомами углерода, не отвлекаясь на водород. Это упрощает сравнение молекул и поиск возможных изомеров.

Алкильный заместитель — группа атомов, которая получается из алкана при удалении одного атома водорода. Например, из метана образуется метил CH₃–, а из этана — этил C₂H₅–. Такая группа присоединена к главной цепи вместо атома водорода. Название заместителя нужно, чтобы точно описать ответвление в молекуле.

Как это устроено

Общая формула алканов связана с тем, что каждый атом углерода образует четыре связи, а каждый водород — одну. В открытой цепи с n атомами углерода на концах оказывается больше атомов водорода, чем внутри, поэтому их число выражается формулой CₙH₂ₙ₊₂. Одинарные связи означают, что между соседними атомами углерода нет дополнительных связей. Например, для трёх атомов углерода формула будет C₃H₈.

Когда атомов углерода мало, способов соединить их в цепь немного. С ростом их числа появляются разные варианты скелета: часть атомов может образовать ответвление, а не продолжать одну цепь. Если при этом формула остаётся той же, а связи между атомами меняются, получаются структурные изомеры. Поэтому у бутана есть два скелета, а у C₅H₁₂ — уже три варианта строения.

Чтобы назвать разветвлённый алкан, сначала находят главную цепь — самую длинную непрерывную последовательность атомов углерода. «Непрерывная» значит, что каждый следующий атом связан с предыдущим, а цепь не перескакивает через разрыв. Она может поворачивать и проходить через ответвления, поэтому не обязательно совпадает с прямым участком формулы на бумаге. Число атомов в главной цепи определяет название основного алкана.

Затем главную цепь нумеруют от одного конца к другому. Направление выбирают так, чтобы заместители получили наименьшие возможные номера: для двух направлений сравнивают наборы номеров по порядку и останавливаются на первом различии. Номера показывают, к каким атомам главной цепи присоединены заместители. Благодаря этому название однозначно задаёт строение молекулы.

В названии сначала указывают номер и название каждого заместителя, а затем — название алкана, соответствующее главной цепи. Если одинаковых заместителей несколько, перед их названием ставят приставку ди-, три- или другую и перечисляют все их номера. Например, две метильные группы обозначают приставкой диметил-. Номера разделяют запятыми, а номер и слово соединяют дефисом: так легче увидеть и количество групп, и места их присоединения.

Правила составления названий разветвлённых алканов

Пользуйся таблицей по порядку: сначала найди главную цепь и только потом определяй заместители. Не начинай составлять название, пока не сравнил оба направления нумерации. Последняя строка помогает проверить, что в названии есть и заместители, и основа алкана.

Разбор задач

Назвать соединение CH₃–CH(CH₃)–CH₃.

Скобки показывают, что группа CH₃ присоединена к среднему атому углерода цепи. Нужно определить длину главной цепи, назвать ответвление и указать его положение. По этим данным составляется полное название.

1. Проследим непрерывную цепь: в ней три атома углерода, значит, основа названия — пропан.
2. Группа CH₃ в скобках не входит в главную цепь и является метильным заместителем.
3. Нумерация с любого конца даёт заместителю номер 2, поскольку он находится у среднего атома.
4. Соединим номер, название заместителя и название основы: 2-метилпропан.

Ответ: 2-метилпропан. В его молекуле четыре атома углерода, но главная цепь содержит только три. Это наглядно показывает, почему при названии нужно отдельно учитывать скелет и ответвления.

Записать структурные формулы всех изомеров состава C₅H₁₂ и назвать каждый.

Формула C₅H₁₂ соответствует алкану с пятью атомами углерода. Нужно перебрать различные углеродные скелеты, не создавая новый вариант простым поворотом рисунка. В каждом случае формула должна содержать ровно пять атомов углерода.

1. Если все пять атомов образуют одну непрерывную цепь, получаем CH₃–CH₂–CH₂–CH₂–CH₃. Это пентан.
2. Если цепь содержит четыре атома, оставшийся атом можно присоединить как метильную группу ко второму атому цепи. Получаем CH₃–CH(CH₃)–CH₂–CH₃ — 2-метилбутан.
3. Если центральный атом соединён с четырьмя метильными группами, получается CH₃–C(CH₃)₂–CH₃. Самая длинная цепь здесь содержит три атома, поэтому название — 2,2-диметилпропан.
4. Другие положения ответвления в цепи из четырёх атомов либо переименовываются при нумерации с другого конца, либо дают уже рассмотренный скелет. Значит, новых изомеров не возникает.

Ответ: пентан, 2-метилбутан и 2,2-диметилпропан. У всех трёх веществ молекулярная формула C₅H₁₂, но углеродные скелеты различаются. Поэтому это структурные изомеры.

Назвать соединение CH₃–CH(CH₃)–CH₂–CH(CH₃)–CH₃ и объяснить выбор нумерации.

В формуле видны две группы CH₃ в скобках, но сначала требуется найти наиболее длинную цепь. Затем нужно определить положение обеих групп и проверить, меняется ли оно при нумерации с другого конца. Одинаковые заместители в названии объединяются специальной приставкой.

1. Непрерывная цепь через основные атомы формулы содержит пять атомов углерода, поэтому основа названия — пентан.
2. Обе группы CH₃ являются метильными заместителями. Они присоединены ко второму и четвёртому атомам главной цепи.
3. При нумерации с любого конца получаются номера 2 и 4. Ни одно направление не даёт более низкий набор, поэтому выбор конца не меняет название.
4. Для двух одинаковых заместителей используем приставку ди- и записываем оба номера: 2,4-диметилпентан.

Ответ: 2,4-диметилпентан. Здесь важно указать два номера, хотя заместители одинаковы: так точно обозначены оба места присоединения. Приставка ди- сообщает, что метильных групп две.

Типичные ошибки

Иногда за главную цепь принимают только прямой участок формулы и пропускают более длинный путь через ответвление. Так происходит, если ориентироваться на вид рисунка, а не на связи между атомами. Проверь себя: проследи все возможные непрерывные пути, не проходя через один атом дважды, и сравни их длину. Главной будет цепь с наибольшим числом атомов углерода.

Другая ошибка — нумеровать цепь с привычного или визуально удобного конца, не проверив второе направление. Из-за этого заместитель может получить больший номер, а название окажется неверным. Выпиши номера для обоих вариантов и сравни их слева направо. Выбирай набор, у которого первое различающееся число меньше.

Разные наклоны и повороты одной формулы иногда принимают за разные изомеры. Причина в том, что рисунок кажется новым, хотя порядок связей между атомами не изменился. Чтобы проверить себя, проследи, с какими атомами связан каждый атом углерода. Если связи совпадают, перед тобой та же структура, изображённая иначе.

В названии могут забыть номер заместителя или приставку ди-, три- при повторении одинаковых групп. Такая запись не показывает полностью ни положение, ни количество ответвлений. Сверь название с формулой: каждому заместителю должен соответствовать номер, а одинаковых групп должно быть столько, сколько указывает приставка. Затем проверь, что номера стоят перед названием групп.

Связь с другими темами

Для работы с алканами нужны знания о валентности углерода и водорода: углерод образует четыре связи, водород — одну. Также необходимо понимать, что одинарная ковалентная связь соединяет атомы общей электронной парой, и знать общую формулу алканов. Эти сведения помогают проверять, правильно ли составлена структурная формула и хватает ли в ней атомов водорода.

Навык чтения структурных формул и правила номенклатуры применяются не только к алканам. При изучении других классов органических веществ нужно будет распознавать части молекулы, сравнивать строение и давать соединениям названия. Представление об изомерии помогает понять, почему одинаковый состав ещё не означает одинаковое строение и свойства вещества.

Что запомнить

• Алканы имеют общую формулу CₙH₂ₙ₊₂.
• Изомеры имеют одинаковую молекулярную формулу, но различное строение.
• Главная цепь — самая длинная непрерывная цепь атомов углерода.
• Нумерацию выбирают так, чтобы заместители получили наименьшие номера.
• Названия заместителей указывают перед названием главной цепи.
• Одинаковые заместители обозначают приставками ди-, три- и другими.