Гомологический ряд аренов. Изомерия и номенклатура

Определения и обозначения

Ароматические углеводороды (арены) — углеводороды, содержащие одно или несколько бензольных колец. В этой теме рассматриваются главным образом соединения с одним кольцом, поскольку для них можно установить общую формулу и проследить последовательность гомологов. Бензольное кольцо служит общей частью молекул, а присоединённые к нему группы могут различаться.

Гомологический ряд аренов — последовательность соединений, соседние представители которой отличаются на группу –CH₂–. Для одноядерных аренов общая формула — CₙH₂ₙ₋₆. Она помогает находить молекулярную формулу вещества, если известно число атомов углерода, и проверять, относится ли соединение к этому ряду.

Изомерия аренов — существование веществ с одинаковой молекулярной формулой, но разным строением. У алкилбензолов различаться могут углеродная цепь заместителя или расположение заместителей в кольце. Понимание этого понятия нужно, чтобы не принимать вещества одинакового состава за одно и то же соединение.

Орто-, мета- и пара-положения обозначают взаимное расположение двух заместителей в бензольном кольце: 1,2-, 1,3- и 1,4-положения соответственно. Словесные обозначения удобны для краткого описания расположения групп, а цифры позволяют точно указать его в систематическом названии.

Как это устроено

У предельного ациклического углеводорода с n атомами углерода формула CₙH₂ₙ₊₂. Если бы у соединения с шестью атомами углерода была только насыщенная открытая цепь, оно содержало бы четырнадцать атомов водорода; у бензола C₆H₆ их восемь меньше. Такое уменьшение связано с циклом и ненасыщенной системой бензольного кольца: кольцо соответствует одной степени ненасыщенности, а три двойные связи — ещё трём. Поэтому для одноядерных аренов сохраняется разница в восемь атомов водорода: CₙH₂ₙ₊₂ − 8 = CₙH₂ₙ₋₆.

Основу гомологического ряда можно проследить от бензола. Если один атом водорода в его кольце заменить на группу CH₃, получится метилбензол C₇H₈; если боковую цепь увеличить на одно звено –CH₂–, появится этилбензол C₈H₁₀. При переходе к следующему члену ряда состав молекулы меняется именно на –CH₂–, потому что к углеродной цепи добавляется один атом углерода с двумя атомами водорода. Так сохраняется бензольное кольцо, а растёт боковая часть молекулы.

Одинаковая молекулярная формула ещё не гарантирует одинакового строения. Например, у алкилбензолов с несколькими атомами углерода в заместителях можно по-разному соединить атомы углерода в боковой цепи: прямую цепь отличает от разветвлённой. Другой вариант изомерии возникает, когда одинаковые заместители присоединены к разным атомам кольца. Чтобы найти все изомеры, нужно рассмотреть оба источника различий и исключить структуры, которые совпадают после поворота или отражения кольца.

Для двух заместителей один из атомов кольца условно нумеруют как 1, а затем считают расстояние до второго по кратчайшему пути. Если второй заместитель стоит рядом, получается пара 1,2, или орто-положение; если между заместителями один атом кольца — 1,3, или мета-положение. Когда они находятся напротив друг друга, это 1,4, или пара-положение. Такая нумерация нужна, чтобы одинаковые заместители можно было однозначно различить, как в названиях трёх ксилолов.

В названии сначала выбирают основу — в рассматриваемых примерах это бензол, — затем указывают присоединённые к кольцу группы. Нумерацию ведут так, чтобы набор номеров заместителей был наименьшим: например, вместо 1,5 выбирают равнозначное расположение 1,3. Для метилбензола используется также название толуол, а для диметилбензолов — ксилол; названия орто-, мета- и пара-ксилол уточняют взаимное расположение двух групп CH₃. Если заместители разные, их называют с указанием номеров, например 1-этил-3-метилбензол.

Представители гомологического ряда одноядерных аренов и изомерия

В таблице можно проследить, как при сохранении бензольного кольца меняются заместители и состав молекулы. Сравнение формул показывает, что этилбензол и ксилолы имеют одинаковую формулу C₈H₁₀, но разное строение. Обозначения орто-, мета- и пара- помогают сразу увидеть, где находятся две группы CH₃.

Разбор задач

Задача 1. Запишите формулы двух следующих после бензола представителей гомологического ряда аренов и назовите их. Здесь важно не просто прибавить атом углерода к формуле, а сохранить признак соседних гомологов — разницу в одну группу –CH₂–. Проверка по общей формуле CₙH₂ₙ₋₆ поможет убедиться, что формулы составлены верно.

1. У бензола шесть атомов углерода, поэтому первый следующий гомолог содержит семь: при n = 7 получаем H = 2 · 7 − 6 = 8.
2. Формула первого вещества C₇H₈; замена одного атома водорода бензола на CH₃ даёт метилбензол, или толуол.
3. Ещё одно звено –CH₂– увеличивает число атомов углерода до восьми: при n = 8 получаем H = 2 · 8 − 6 = 10. Формула второго вещества C₈H₁₀, его название — этилбензол.

Ответ: C₇H₈ — метилбензол (толуол); C₈H₁₀ — этилбензол.

Задача 2. Назовите соединение, в бензольном кольце которого находятся группы CH₃ и C₂H₅ в положениях 1 и 3. Две разные группы нельзя обозначить как орто-, мета- или пара-ксилол: ксилолы содержат именно две группы CH₃. Поэтому нужно назвать оба заместителя и привести их номера.

1. Выбираем основу названия — бензол. Кольцо нумеруем от атома углерода с одним заместителем, а направление выбираем так, чтобы второй получил номер 3.
2. Устанавливаем названия групп: CH₃ — метил, C₂H₅ — этил. В названии разные заместители располагают по алфавиту: этил перед метилом.
3. Добавляем номера, показывающие положение каждой группы: этил находится у атома 1, метил — у атома 3.

Ответ: 1-этил-3-метилбензол.

Задача 3. Для вещества состава C₈H₁₀ запишите структурные формулы всех изомеров-аренов и назовите их. Восемь атомов углерода можно распределить между кольцом и заместителями двумя способами: одна боковая цепь из двух атомов углерода или две метильные группы. Во втором случае нужно проверить все неравнозначные положения групп в кольце.

1. Если к бензольному кольцу присоединена одна группа C₂H₅, получается структура C₆H₅–CH₂–CH₃ — этилбензол.
2. Если присоединить две группы CH₃, получится структура C₆H₄(CH₃)₂. При нумерации кольца возможны три разных положения заместителей: 1,2; 1,3 и 1,4.
3. Записываем названия трёх полученных структур: 1,2-диметилбензол (орто-ксилол), 1,3-диметилбензол (мета-ксилол), 1,4-диметилбензол (пара-ксилол).
4. Сверяем состав: у каждой структуры восемь атомов углерода и десять атомов водорода, то есть формула C₈H₁₀. Других способов распределить атомы углерода между кольцом и заместителями для этих аренов нет.

Ответ: этилбензол, орто-ксилол, мета-ксилол и пара-ксилол; всего четыре изомера-арена.

Типичные ошибки

Формулу CₙH₂ₙ₋₆ иногда применяют ко всем ароматическим углеводородам. Так происходит потому, что ученики переносят формулу одноядерных аренов на соединения с несколькими кольцами, хотя число колец меняет количество атомов водорода. Проверяйте, есть ли в веществе только одно бензольное кольцо; если колец несколько, эту формулу без дополнительного обоснования использовать нельзя.

Можно решить, что алкилбензолы с одинаковой формулой отличаются только положением групп в кольце. Причина ошибки — внимание только к самому кольцу, хотя углеродный скелет боковой цепи тоже может иметь разное строение. При проверке отдельно перечислите варианты цепи, а затем варианты расположения заместителей: так вы не пропустите изомерию углеродного скелета.

Орто-, мета- и пара-положения порой путают или считают названиями любых вариантов расположения заместителей. Эти термины относятся именно к двум заместителям и соответствуют парам 1,2; 1,3 и 1,4. Проверка проста: пронумеруйте кольцо, посчитайте расстояние между заместителями и сопоставьте его с нужной парой номеров.

Ещё одна ошибка — выбрать направление нумерации с большими номерами или вовсе не указать номера. Это приводит к неоднозначному названию, потому что из него нельзя точно восстановить структуру. После нумерации сравните оба возможных набора локантов и оставьте наименьший; затем проверьте, что каждому заместителю соответствует свой номер.

Связь с другими темами

Для этой темы нужны знания о строении бензольного кольца: без него нельзя понять, как заместители связаны с циклом и чем отличаются их положения. Понятие гомологов помогает проследить изменение состава молекул, а правила названия алканов и заместителей — составлять имена алкилбензолов. Эти сведения становятся основой для дальнейшего изучения аренов.

Изомерия и номенклатура понадобятся при разборе химических свойств аренов: строение молекулы помогает объяснять взаимное влияние кольца и заместителей. Та же логика нужна при изучении способов получения ароматических соединений и при записи формул продуктов реакций. Умение распознавать изомеры позволяет не смешивать вещества с одинаковым составом, но разными свойствами.

Что запомнить

• Соседние гомологи отличаются на группу –CH₂–.
• Для одноядерных аренов справедлива общая формула CₙH₂ₙ₋₆.
• Метилбензол имеет тривиальное название толуол.
• Диметилбензолы называют ксилолами.
• Орто-, мета- и пара-положения соответствуют 1,2-, 1,3- и 1,4-положениям.
• При нумерации кольца выбирают наименьший набор номеров заместителей.