Склад и будова алканів.

Гомологічний ряд метану

Починаючи з метану, можна побудувати ряд, в якому кожний наступний вуглеводень відрізняється від попереднього на одну групу СН2. Молекули цих вуглеводнів схожі за будовою, оскільки утворені тільки атомами Карбону в стані sp3-гібридизації пов’язаними між собою за допомогою тільки одинарних σ-зв’язків. Члени цього ряду називаються гомологами, а сам ряд – гомологічним.

Гомологи – речовини, молекули яких схожі за будовою і відрізняються за складом на одну або кілька груп СН2.

Група СН2 називається гомологічною різницею.

Метан та його гомологи відносяться до класу алканів вони є насиченими вуглеводнями, оскільки всі вільні валентності атомів Карбону зайняті (повністю «насичені») атомами Гідрогену.

У таблиці 1 наведено формули, назви і температури плавління і кипіння перших 10 представників алканів.

Таблиця 1. Алкани нерозгалуженої будови

Назва алкану Молекулярна формула Структурна формула Температура (оС)
плавлення кипіння
Метан CH4 CH4 −182 −162
Етан 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.

Загальна формула алканів – СnН2n + 2, де n – число атомів Карбону в молекулі.
За систематичною номенклатурою IUPAC першим чотирьом алканами збережені їх історично склалися назви – метан, етан, пропан, бутан. Починаючи з п’ятого представника з неразголуженим карбоновим ланцюгом назви утворюються з кореня грецької назви числівника, що відповідає числу атомів Карбону в ланцюзі, з додаванням суфікса -ан. Так, грецька назва числівника 5 – «пента», звідси вуглеводень С5Н12 називається пентан. Щоб підкреслити наявність неразголуженого ланцюга, застосовують назву н-пентан (нормальний пентан).

Електронна і просторова будова алканів.

Розглянемо будову молекули етану. На електронній та структурный формулах видно, що в молекулі етану наявний ковалентний зв’язок між атомами Карбону (мал. 1)

Мал.1 Електронна (А) і структурна (Б) формули етану

Оскільки всі атоми Карбону в молекулах алканів знаходяться в стані sp3-гібридизації, то цей зв’язок утворений sp3-гібридними орбіталями (мал. 2). Довжина цього зв’язку дорівнює  0,154 нм, а енергія – 348 кДж/моль. Решта три гібридні орбіталі утворюють зв’язки з s-орбіталями атомів Гідрогену. Як і в молекулі метану всі зв’язки в молекулі етану розташовані уздовж лінії, що з’єднує ядра атомів, тобто є σ-зв’язками. При цьому зберігається валентний кут 109°28′.

Мал. 2. Утворення зв’язків в молекулі етану.

Розглянемо кулестрижневі моделі молекул етану, пропану і бутану (мал. 3).

Мал. 3. Кулестрижневі моделі молекули етану (А), пропану (Б), бутану (В)

Нерозгалужені вуглеводні часто називають лінійними. Насправді, починаючи з пропану, атоми Карбону в просторі розташовані не на одній прямій, а зигзагоподібно. Це пов’язано з тим, що, sp3-гібридні орбіталі спрямовані до вершин тетраедра. Якщо все зв’язки однакові, то молекула має форму правильного тетраедра з кутом зв’язку 109°28′. Якщо ж атоми або групи атомів різні, то валентні кути можуть на 3-6о відрізнятися від кута в правильному тетраедрі. Наприклад, в молекулі пропану кут зв’язку, утворений атомами Карбону С-С-С дорівнює 112,5о, а кут утворений зв’язками Карбону і Гідрогену Н-С-Н варіює від 104о до 106о.

Карбоновий скелет алканів надзвичайно рухливий, він може згинатися і приймати різну форму без зміни довжин зв’язків і кутів між зв’язками за рахунок обертання фрагментів молекули навколо зв’язків Карбон-Карбон.

Конформації алканів.

Конформації – (від лат. conformatio – форма, побудова, розташування) геометричні форми, якихі можуть набувати молекули органічних сполук при обертанні атомів або груп атомів навколо одинарних зв’язків при збереженні незмінними порядку хімічних зв’язків атомів, довжини зв’язків і валентних кутів. Молекули, що відрізняються тільки своїми конформаціями, називаються конформерами, або поворотними ізомерами.

На відео 1 ви можете побачити взаємоперетворення конформацій етану. Конформації мають різну потенційну енергію. Конформація, в якій атоми Гідрогену двох метильних груп знаходяться один над іншим і відстань між ними найменша, називається затулена, вона має найбільшу потенційну енергію і є найменш стійкою. Метильні групи відштовхуються одна від одної, затулена конформація переходить в інші і, нарешті, перетворюється в найбільш стійку – загальмовану конформацію,  в якій кожен атом Гідрогену однієї метильної групи знаходиться між двома атомами Гідрогену іншої метильної групи, тому загальмована конформація має найменшу енергію.

Загальмована і близькі до неї конформації переважають при нормальних температурах. З підвищенням температури частка молекул з затуленою і близькими до неї конформаціями зростає. Таким чином, зразок етану є сумішшю конформацій.

Зі збільшенням числа атомів Карбону в ланцюзі значно розширюється діапазон варіантів різних конформацій, які може приймати молекула за рахунок обертання навколо кожного σ-зв’язку.

Ізомерія алканів.

Для алканів характерна структурна ізомерія карбонового скелету, що обумовлена порядком сполучення атомів в молекулі. Атоми Карбону здатні приєднувати від 1 до 4 інших атомів Карбону з  утворенням розгалуженихі молекул. Тому у вуглеводню складу С4Н10 існують 2 ізомери: лінійний – н-бутан і розгалужений – ізобутан (мал. 4-5).

Мал.4 Структурна формула бутану

Мал. 5. Структурна формула ізобутану

Зі збільшенням числа атомів Карбону в молекулі алканів зростає і кількість можливих ізомерів. У таблиці 2 наведено кількість можливих ізомерів у деяких алканів.

Таблица 2

Назва алкану Молекулярна формула Кількість можливих ізомерів

Бутан

C4H10

2

Пентан

C5H12

3

Гексан

C6H14

5

Гептан

C7H16

9

Октан

C8H18

18

Нонан

C9H20

35

Декан

C10H22

75

Эйкозан

С20Н42

366319

Як бачимо з таблиці, починаючи з пентану кількість можливих ізомерів перевищує 2, тому для отримання однозначної назви таких вуглеводнів недостатньо використання приставки ізо-.
Система правил, що дозволяє дати однозначну назву кожній індивідуальній сполуці називається номенклатура.

Номенклатура алканів

В даний час найбільш поширеною є замісникова номенклатура IUPAC.
IUPAC – International Union of Pure and Applied chemistry – Міжнародний союз теоретичної і прикладної хімії, міжнародна організація хіміків, рекомендації якої з питань номенклатури мають силу стандарту.
За правилами IUPAC назва алкана складається з назви головного (родоначального) ланцюга, що утворює корінь слова, і назв замісників, які використовуються в якості префіксів.
Замісник – це будь-який атом або група атомів, що заміщають атом Гідрогену в родоначальній структурі. У молекулах алканів замісниками є вуглеводневі (алкільні) радикали. Їх назви утворюються від назв алканів з відповідною кількістю атомів Карбону шляхом заміни суфікса -ан на -ил (таблиця 3).

Увага! За правилами українського правопису суфікс -ил після приголосних б, в, г, к, л, м, н, п, ф  змінюється на -іл. 

Таблиця 3. Назви алканів і алкільних радикалів

Формула алкану Назва алкану Формула радикалу (алкілу) Назва радикалу (алкілу)
CH4 метан -CH3 метил
C2H6 етан -C2H5 етил
C3H8 пропан -C3H7 пропіл
C4H10 бутан -C4H9 бутил
C5H12 пентан -C5H11 пентил
C6H14 гексан -C6H13 гексил
C7H16 гептан -C7H15 гептил
C8H18 октан -C8H17 октил
C9H20 нонан -C9H19 ноніл
C10H22 декан -C10H21 децил

 

Для правильної побудови назви необхідно обрати головний ланцюг і пронумеровати атоми Карбону в ньому використовуючи наступні правила:

1) виділити в структурній формулі найбільш довгий ланцюг атомів Карбону;

2) пронумерувати ці атоми, починаючи з того кінця, до якого ближче перше розгалуження;

3) в префіксі вказати положення замісника (радикала) цифрою і його назву;

Цифра, яка вказує на положення замісника в молекулі, називається локант.

4) якщо в молекулі кілька однакових замісників, то перед їх назвою використовують приставки ди-, три_ тетра, пента- і т. д.

5) якщо в молекулі є різні замісники, то їх вказують в алфавітному порядку;

6) при складанні назв локанти, що вказують на розташування однакових замісників, відокремлюються один від одного комами, після цифр ставиться дефіс.

Наприклад, структурні ізомери гексану згідно замісній номенклатурі мають наступні назви:

н-гексан

2-метилпентан

3-метилпентан

2,3-диметилбутан

2,2-диметилбутан

7) Якщо в молекулі алкану на однаковій відстані від обох кінців головного ланцюга стоять однакові радикали, то початок нумерації визначають таким чином, щоб сума всіх локантsв була найменшою, наприклад:

3-етил-2,4,6-триметилгептан