1.2. Углеродный скелет молекул органических веществ

Определения и обозначения

Углеродный скелет — совокупность связанных между собой атомов углерода в молекуле. Он определяет форму углеродной части органического вещества. Чтобы найти скелет, мысленно уберите атомы водорода и другие группы и оставьте связи C–C.

Углеродная цепь — последовательность атомов углерода, соединённых ковалентными связями. Такая цепь может включать одинарные, двойные или тройные связи. Понятие цепи помогает установить порядок соединения атомов и правильно классифицировать молекулу.

Открытая углеродная цепь — цепь, в которой крайние атомы углерода не соединены друг с другом. Она может быть прямой или иметь боковые ответвления. По открытому строению легко отличить цепь от углеродного цикла.

Замкнутая углеродная цепь — цепь, образующая цикл за счёт соединения крайних атомов углерода. В такой структуре атомы углерода образуют замкнутый контур. Циклический скелет может быть насыщенным, ненасыщенным и содержать ответвления.

Как это устроено

Атомы углерода способны образовывать прочные ковалентные связи друг с другом, потому что каждый из них может участвовать в образовании четырёх связей. Поэтому углеродные атомы соединяются последовательно в длинные цепи. Если к основной цепи присоединяются дополнительные атомы углерода, возникают разветвления, а соединение концов цепи приводит к циклу.

Чтобы выделить скелет по структурной формуле, сначала найдите все обозначения C и проследите связи именно между ними. Атомы H, O, N, галогенов и группы вроде –OH или –COOH к углеродному скелету не относятся. Например, в CH₃–CH₂–OH скелет состоит из двух связанных атомов углерода, а группа –OH является функциональной группой.

Неразветвлённая открытая цепь образует одну последовательность: каждый внутренний атом углерода связан с двумя соседними углеродными атомами. В разветвлённой цепи один или несколько атомов углерода соединены с боковой углеродной группой. Место ответвления меняет порядок соединения атомов и может привести к другому веществу даже при том же составе.

Если между соседними атомами углерода есть только одинарные связи, участок называют насыщенным. Двойная связь C=C или тройная связь C≡C уменьшает число атомов водорода, которые могут быть присоединены к этим атомам, поэтому такой участок называют ненасыщенным. Кратность связи не является ответвлением: она показывает характер соединения двух уже связанных атомов.

Молекулярная формула сообщает, сколько атомов каждого элемента входит в состав вещества, но не показывает порядок их соединения. Одни и те же пять атомов углерода, например, можно соединить в прямую цепь или расположить с ответвлением. Такие вещества называют изомерами, а различие их углеродных скелетов часто приводит к различиям в физических и химических свойствах.

Классификация углеродных скелетов

Одну и ту же молекулу можно описать сразу по нескольким признакам. Например, CH₃–CH(CH₃)–CH₃ — открытый, разветвлённый и насыщенный скелет. При работе с формулой удобно проверять признаки именно в таком порядке: замыкание, ответвления, кратность связей.

Разбор задач

Задача 1

Условие: По формуле CH₃–CH=CH–CH₃ определите, является ли скелет открытым или замкнутым, неразветвлённым или разветвлённым, насыщенным или ненасыщенным.

1. Прослеживаем связи только между четырьмя атомами углерода. Крайние атомы не соединены, поэтому цепь открытая.
2. Каждый атом углерода входит в одну последовательность без боковой группы. Значит, цепь неразветвлённая.
3. Между вторым и третьим атомами есть двойная связь C=C. Следовательно, скелет ненасыщенный.

Ответ: открытый, неразветвлённый, ненасыщенный скелет.

Задача 2

Условие: Для формулы C₅H₁₂ составьте все структурные формулы веществ с разными углеродными скелетами.

1. Сначала строим прямую цепь из пяти атомов: CH₃–CH₂–CH₂–CH₂–CH₃.
2. Затем укорачиваем главную цепь до четырёх атомов и присоединяем к ней одну группу CH₃: CH₃–CH(CH₃)–CH₂–CH₃.
3. Наконец, строим цепь из трёх атомов с двумя метильными ответвлениями у среднего атома: CH₃–C(CH₃)₂–CH₃.
4. Проверяем валентность углерода и убеждаемся, что в каждом варианте пять атомов C и двенадцать атомов H.

Ответ: CH₃–CH₂–CH₂–CH₂–CH₃; CH₃–CH(CH₃)–CH₂–CH₃; CH₃–C(CH₃)₂–CH₃.

Задача 3

Условие: Сравните CH₃–CH₂–CH₂–CH₃ и CH₃–CH(CH₃)–CH₃. Являются ли вещества изомерами?

1. В первой формуле четыре атома углерода образуют прямую неразветвлённую цепь.
2. Во второй формуле три атома входят в главную цепь, а четвёртый образует ответвление.
3. Обе формулы содержат четыре атома C и десять атомов H, но порядок соединения атомов различается.

Ответ: вещества являются изомерами; у первого скелет неразветвлённый, у второго — разветвлённый.

Типичные ошибки

Ученик считает углеродным скелетом всю структурную формулу. Так происходит, потому что на схеме все атомы выглядят частью общего изображения. Проверьте себя: в скелете должны остаться только атомы C и связи между ними.

Цепь иногда определяют по расположению записи на странице, а не по связям. Формулу можно записать под углом или развернуть, не изменив вещество. Проследите переходы от одного атома углерода к другому, а не направление строки.

Двойную или тройную связь ошибочно принимают за разветвление. Разветвление появляется только при присоединении боковой углеродной цепи, тогда как кратность характеризует связь между двумя атомами. Сосчитайте, сколько углеродных соседей имеет каждый атом.

Одинаковую молекулярную формулу принимают за признак одного вещества. Формула состава не показывает порядок соединения атомов, поэтому возможны изомеры. Нарисуйте углеродные скелеты и сравните их, прежде чем делать вывод.

Связь с другими темами

Для работы с углеродным скелетом нужны знания о валентности углерода, ковалентных связях и структурных формулах. Эта тема служит основой для изучения гомологических рядов, изомерии и номенклатуры органических соединений. По скелету объясняют свойства углеводородов, спиртов, альдегидов, карбоновых кислот и других классов веществ.

Что запомнить

• Углеродный скелет образован атомами углерода и связями между ними.
• Цепь может быть открытой или замкнутой.
• Открытая цепь бывает неразветвлённой или разветвлённой.
• Кратные связи характеризуют ненасыщенность углеродного скелета.
• Разный порядок соединения атомов углерода может давать изомеры.
• При разборе формулы сначала прослеживают связи между атомами углерода, а затем классифицируют скелет.