Гомологический ряд алканов. Изомерия и номенклатура

Определения и обозначения

Алканы — предельные ациклические углеводороды с одинарными связями C–C и общей формулой CₙH₂ₙ₊₂, где n — число атомов углерода. Слово «ациклические» означает, что атомы углерода образуют открытую цепь, а не кольцо. Формула позволяет установить состав молекулы, если известно количество атомов углерода.

Гомологи — вещества одного класса, сходные по строению и свойствам, состав которых отличается на одну или несколько групп –CH₂–. Поэтому у соседних представителей одного ряда различается число атомов углерода и водорода, но сохраняется общий тип строения. Понятие помогает сравнивать вещества с близкими химическими свойствами.

Гомологический ряд алканов — последовательность алканов, расположенных по возрастанию числа атомов углерода и отличающихся соседними членами на группу –CH₂–. Начинается ряд с метана CH₄, за которым следуют этан C₂H₆ и пропан C₃H₈. По месту вещества в ряду можно определить его формулу и сопоставить его с соседними алканами.

Структурная изомерия алканов — существование веществ одинакового состава, но с разным порядком соединения атомов в углеродном скелете. Такие вещества называют структурными изомерами. Это понятие нужно, чтобы различать соединения, у которых совпадает молекулярная формула, но различается строение и, следовательно, название.

Как это устроено

В молекуле алкана углерод образует четыре ковалентные связи, а водород — одну. Если соединить n атомов углерода в открытую цепь одинарными связями, для соединения самих атомов углерода потребуется n − 1 связей; остальные валентности углерода будут заняты водородом. Так получается число атомов водорода 2n + 2 и формула CₙH₂ₙ₊₂. Например, при n = 4 формула имеет вид C₄H₁₀.

Метан CH₄, этан C₂H₆, пропан C₃H₈ и бутан C₄H₁₀ образуют первые звенья ряда: каждый следующий алкан содержит группу –CH₂– сверх предыдущего. По мере удлинения цепи молекулы становятся крупнее, поэтому их взаимодействие друг с другом постепенно усиливается. Из-за этого физические свойства членов ряда меняются постепенно, а не скачком; например, температуры кипения в целом возрастают.

Когда атомов углерода достаточно, их можно соединить не только в одну прямую цепь, но и в разветвлённый скелет. У бутана C₄H₁₀ есть прямой вариант CH₃–CH₂–CH₂–CH₃ и разветвлённый вариант 2-метилпропан CH₃–CH(CH₃)–CH₃. Формула у них одна, потому что число атомов каждого элемента одинаково, но связи между атомами углерода распределены по-разному. Поэтому это структурные изомеры; у метана, этана и пропана разветвление невозможно, и у каждого только один скелет.

В разветвлённой молекуле сначала находят главную цепь — самую длинную непрерывную последовательность атомов углерода. Затем её нумеруют с того конца, который ближе к заместителю, чтобы получить наименьшие номера. Боковые группы, образованные от алканов удалением одного атома водорода, называют алкильными: например, –CH₃ — метил, а –C₂H₅ — этил. Число атомов углерода в заместителе не меняет длину главной цепи.

Название составляют из номеров атомов главной цепи, названий заместителей и названия самой цепи. Основу выбирают по числу атомов углерода именно в главной цепи: три атома дают пропан, четыре — бутан, пять — пентан. Если одинаковых заместителей несколько, используют приставки ди-, три- и указывают положение каждого; например, 2,3-диметилпентан содержит два метила при втором и третьем атомах цепи. Перед названием проверяют, что главная цепь действительно самая длинная, а нумерация даёт заместителям наименьший набор номеров.

Первые представители гомологического ряда алканов

Сверяйте формулу с числом атомов углерода и проверяйте, что водородов на два больше, чем удвоенное число атомов углерода. В последней строке указано число разных скелетов, а не число гомологов. Таблица помогает увидеть, что с ростом цепи появляются варианты её разветвления.

Разбор задач

Задача 1. Определить молекулярную формулу алкана, содержащего 6 атомов углерода, и назвать его. Сначала нужно найти число атомов водорода по общей формуле, затем выбрать название по количеству атомов углерода. Расчёт выполняем последовательно.

1. В общей формуле CₙH₂ₙ₊₂ подставляем n = 6.
2. Считаем число атомов водорода: 2 · 6 + 2 = 14.
3. Получаем C₆H₁₄; алкан с шестью атомами углерода называется гексаном.

Ответ: C₆H₁₄, гексан.

Задача 2. Записать все структурные формулы алканов состава C₅H₁₂ и назвать каждый изомер. Чтобы не пропустить вариант и не повторить один скелет под другим рисунком, сначала рассматриваем самую длинную цепь, а затем постепенно укорачиваем её. Перестановка одинаковых ветвей нового изомера не создаёт.

1. Цепь из пяти атомов углерода без разветвлений даёт пентан: CH₃–CH₂–CH₂–CH₂–CH₃.
2. Цепь из четырёх атомов с одним метильным заместителем даёт 2-метилбутан: CH₃–CH(CH₃)–CH₂–CH₃. Положение 3 не записываем отдельно: при нумерации с другого конца получается тот же скелет с заместителем в положении 2.
3. Цепь из трёх атомов с двумя метильными группами даёт 2,2-диметилпропан: C(CH₃)₄. Другие размещения сводятся к уже перечисленным структурам или нарушают выбор самой длинной цепи.

Ответ: у C₅H₁₂ три структурных изомера: пентан, 2-метилбутан и 2,2-диметилпропан.

Задача 3. Назвать алкан CH₃–CH(CH₃)–CH₂–CH(CH₃)–CH₃. Ветви в скобках — это метильные заместители, но сначала необходимо определить главную цепь и её длину. После этого выбираем направление нумерации и собираем название.

1. Находим самую длинную непрерывную цепь: в ней пять атомов углерода, значит, основа названия — пентан.
2. Нумеруем цепь с любого конца: в обоих направлениях метильные группы оказываются у второго и четвёртого атомов.
3. Указываем оба номера и приставку ди- перед названием заместителя; основу присоединяем как название главной цепи.

Ответ: 2,4-диметилпентан. Всего в молекуле семь атомов углерода, однако основа здесь пентан, потому что главная непрерывная цепь содержит пять атомов.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что одинаковая молекулярная формула всегда означает одинаковое строение. Так пропускают, например, разветвлённый изомер бутана. Это происходит, когда формулу принимают за полное описание молекулы; проверка проста: при достаточном числе атомов углерода попробуйте построить разные скелеты и убедитесь, что они не совпадают после поворота или перенумерации.

Ошибка — выбирать главную цепь по тому, как удобнее нарисовать формулу, а не по её длине. Тогда за основу можно принять более короткую цепь и получить неправильное название. Чтобы проверить себя, проследите все непрерывные пути по атомам углерода и выберите путь с наибольшим числом атомов.

Ошибка — начинать нумерацию с конца, удалённого от заместителя. Причина обычно в том, что направление выбирают до того, как отмечают все боковые группы. Пронумеруйте цепь с обоих концов и сравните полученные номера: выбирают вариант с наименьшими возможными номерами заместителей.

Ошибка — путать число атомов углерода главной цепи с общим числом атомов углерода молекулы. Тогда неверно выбирают основу названия или называют заместитель не по его составу. Проверяйте отдельно две величины: длину главной цепи и число атомов в каждой боковой группе; их сумма должна совпадать с числом углеродов в формуле.

Связь с другими темами

Для изучения алканов нужно знать валентность углерода и водорода: без неё нельзя понять, почему атомы соединяются именно так и как выводится общая формула. Понадобятся также знания о химических связях и умение читать структурные формулы, в том числе сокращённые записи с группами CH₃ и CH₂. Эти основы помогают проверять, не нарушена ли валентность атома углерода в формуле.

Изомерия и номенклатура встречаются не только у алканов. В других классах органических веществ тоже сравнивают строение соединений и составляют названия по формулам, хотя там могут появляться дополнительные правила. Умение выделять скелет, находить заместители и аккуратно нумеровать цепь станет основой для дальнейшей работы с органическими соединениями.

Что запомнить

• Общая формула алканов — CₙH₂ₙ₊₂.
• Соседние алканы гомологического ряда отличаются на группу –CH₂–.
• Число атомов углерода определяет основу названия алкана.
• Изомеры имеют одинаковую молекулярную формулу, но различное строение.
• Главная цепь — самая длинная непрерывная цепь атомов углерода.
• Нумерацию ведут с конца, ближайшего к заместителю.
• Одинаковые заместители обозначают приставками ди-, три- и указывают номера их положения.