Состав и строение алканов

Гомологический ряд метана

Начиная с метана, можно построить ряд, в котором каждый последующий углеводород отличается от предыдущего на одну группу СН2. Молекулы этих углеводородов схожи по строению, так как образованы только атомами углерода в состоянии sp3-гибридизации связанными между собой посредством только одинарных σ-связей. Члены этого ряда называются гомологами, а сам ряд – гомологическим.

Гомологи – вещества, молекулы которых похожи по строению и отличаются по составу на одну или несколько групп СН2.

Группа СН2 называется гомологической разницей.

Метан и его гомологи относятся к классу алканов и являются насыщенными, или предельными, углеводородами, поскольку все свободные валентности атомов углерода заняты (полностью «насыщены») атомами водорода.

В таблице приведены формулы и названия первых 10 предстивителей алканов.

Таблица 1. Предельные углеводороды (неразветвленного строения)

Название алкана Молекулярная формула Структурная формула Температура (оС)
плавления кипения
Метан CH4 CH4 −182 −162
Этан C2H6 CH3–CH3 −183 −89
Пропан C3H8 CH3−CH2−CH3 −187 −42
Бутан C4H10 CH3−CH2−CH2−CH3 −138 −0,5
Пентан C5H12 CH3−(CH2)3−CH3 −130 +36
Гексан C6H14 CH3−(CH2)4−CH3 −95 +69
Гептан C7H16 CH3−(CH2)5−CH3 −91 +98
Октан C8H18 CH3−(CH2)6−CH3 −57 +126
Нонан C9H20 CH3−(CH2)7−CH3 −54 +151
Декан C10H22 CH3—(CH2)8—CH3 −30 +174
І т. д.

Общая формула алканов – СnН2n+2, где n – число атомов углерода в молекуле.

По систематической номенклатуре IUPAC первым четырем алканам сохранены их исторически сложившиеся названия – метан, этан, пропан, бутан. Начиная с пятого представителя с неразветвленной углеродной цепью названия образуются из корня греческого названия числительного, соответствующего числу атомов углерода в цепи, с добавлением суффикса -ан. Так, греческое название числительного 5 – «пента», отсюда углеводород С5Н12 называется пентан. Чтобы подчеркнуть наличие неразветвлнной цепи, применяют название н-пентан (нормальный пентан).

Электронное и пространственное строение алканов.

Рассмотрим строение молекулы этана. На электронной и структурной формулах видно, что в молекуле этана присутствует ковалентная связь между атомами углерода (рис. 1)

Рис.1 Электронная (А) и структурная (Б) формулы етана

Поскольку все атомы углерода в молекулах алканов находятся в состоянии sp3-гибридизации, то эта связь образована sp3-гибридными орбиталями (рис. 2). Длина этой связи 0,154 нм, а энергия 348 кДж/моль. Остальные три гибридные орбитали образуют связи с s-орбиталями атомов водорода. Как и в молекуле метана все связи в молекуле этана расположены вдоль линии, соединяющей ядра атомов, т.е являются σ-связями. При этом сохраняется валентный угол 109°28′.

Рис. 2. Образование связей в молекуле этана.

Рассмотрим шаростержневые модели молекул этана, пропана и бутана (рис. 3).

Рис. 3. Шаростержневые модели молекул этана (А), пропана (Б) и бутана (В)

Неразветвленные углеводороды часто называют линейными. В действительности, начиная с пропана, атомы углерода в пространстве располагаются не на одной прямой, а зигзагообразно. Это связано с тем, что, sp3-гибридные орбитали направлены к вершинам тетраэдра. Если все связи одинаковы, то молекула имеет форму правильного тетраэдра с углом связи 109°28′. Если же атомы или группы атомов различны, то валентные углы могут на 3-6о отличаться от угла в правильном тетраэдре. Например, в молекуле пропана угол связи, образованный атомами углерода С−С−С равен 112,5о, а угол образованный связями углерода и водорода Н−С−Н варьирует от 104о до 106о.

Углеродный скелет алканов чрезвычайно подвижен, он может изгибаться и принимать различную форму без изменения длин связей и углов между связями за счет вращения фрагментов молекулы вокруг связей углерод-углерод.

Конформации алканов.

Конформации – (от лат. conformatio − форма, построение, расположение) геометрические формы, которые могут принимать молекулы органических соединений при вращении атомов или групп атомов вокруг одинарных связей при сохранении неизменными порядка химических связей атомов, длины связей и валентных углов. Молекулы, отличающиеся только своими конформациями, называются конформерами, или поворотными изомерами.

На видео 1 вы можете увидеть взаимопревращения конформаций этана. Конформации обладают разной потенциальной энергией. Конформация, в которой атомы водорода двух метильных групп находятся один над другим и расстояние между ними наименьшее, называется заслоненная, она имеет наибольшую потенциальную энергию и является наименее устойчивой. Метильные группы отталкиваются друг от друга, заслоненная конформация переходит в другие и, наконец, превращается в наиболее устойчивую – заторможенную конформацию, обладающую наименьшей энергией, в которой каждый атом водорода одной метильной группы находится между двумя атомами водорода другой метильной группы.

Заторможенная и близкие к ней конформации преобладают при нормальных температурах. С повышением температуры доля молекул с заслоненной и близкими к ней конформациями возрастает. Таким образом, образец этана представляет собой смесь конформаций.

С увеличением числа атомов углерода в цепи значительно расширяется диапазон вариантов различных конформаций, которые может принимать молекула за счет вращения вокруг каждой σ-связи.

Изомерия алканов.

Для алканов характерна структурная изомерия углеродного скелета, которая обусловлена порядком соединения атомов в молекуле. Атомы углерода способны присоединять от 1 до 4 других атомов углерода, образуя разветвленные молекулы. Поэтому у углеводорода состава С4Н10 существуют 2 изомера: линейный – н-бутан и разветвленный – изобутан (рис. 4-5).

Рис.4 Структурная формула бутана

Рис. 5. Структурная формула изобутана

С увеличением числа атомов в молекуле алканов растет и количество возможных изомеров. В таблице 2 приведено количество возможных изомеров у некоторых алканов.

Таблица 2

Название алкана Молекулярная формула Количество возможных изомеров

Бутан

C4H10

2

Пентан

C5H12

3

Гексан

C6H14

5

Гептан

C7H16

9

Октан

C8H18

18

Нонан

C9H20

35

Декан

C10H22

75

Эйкозан

С20Н42

366319

Как видим из таблицы, начиная с пентана количество возможных изомеров превышает 2, поэтому для однозначного названия таких углеводородов недостаточно использование приставки изо-.

Система правил, позволяющая дать однозначное название каждому индивидуальному соединению называется номенклатура.

В настоящее время наиболее распространенной является заместительная номенклатура IUPAC.

IUPAC – International Union of Pure and Applied chemistry – Международный союз теоретической и прикладной химии, международная организация химиков, рекомендации которой по вопросам номенклатуры имеют силу стандарта.

По правилам IUPAC название алкана состоит из названия главной (родоначальной) цепи, образующего корень слова, и названий заместителей, используемых в качестве приставок.

Заместитель – это любой атом или группа атомов, замещающих атом водорода в родоначальной структуре. В молекулах алканов заместителями являются углеводородные (алкильные) радикалы. Их названия образуются от названий алканов с соответствующим количеством атомов углерода путем замены суффикса –ан на –ил (таблица 3).

Таблица 3. Названия алканов и алкильных радикалов

Формула алкана Название алкана Формула радикала (алкила) Название радикала (алкила)
CH4 метан -CH3 метил
C2H6 этан -C2H5 этил
C3H8 пропан -C3H7 пропил
C4H10 бутан -C4H9 бутил
C5H12 пентан -C5H11 пентил
C6H14 гексан -C6H13 гексил
C7H16 гептан -C7H15 гептил
C8H18 октан -C8H17 октил
C9H20 нонан -C9H19 нонил
C10H22 декан -C10H21 децил

 

Для правильного построения названия необходимо провести выбор главной цепи и нумерацию атомов углерода в ней используя следующие правила:

1) выделить в структурной формуле наиболее длинную цепь атомов углерода;

2) пронумеровать эти атомы, начиная с того конца, к которому ближе первое разветвление;

3) в префиксе указать положение заместителя (радикала) цифрой и его название;

Цифра, указывающая на положение заместителя в молекуле, называется локант.

4) если в молекуле несколько одинаковых заместителей, то перед их названием используют приставки ди-, три_ тетра-, пента- и т. д.

5) если в молекуле имеются разные заместители, то их указывают в алфавитном порядке;

6) при составлении названий локанты, указывающие местоположение одинаковых заместителей, отделяются друг от друга запятыми, после цифр ставится дефис.

Например, структурные изомеры гексана по заместительной номенклатуре имеют следующие названия:

н-гексан

2-метилпентан

3-метилпентан

2,3-диметилбутан

2,2-диметилбутан

7) Если в молекуле алкана на одинаковом расстоянии от обоих концов главной цепи стоят одинаковые радикалы, то начало нумерации определяют таким образом, чтобы сумма всех локантов была наименьшей, например:

2,4,6-триметил-3-этилгептан