Алканы являются насыщенными углеводородами и содержат максимально возможное число атомов водорода. Простейшим представителем класса является метан (CH 4).
По номенклатуре ИЮПАК названия алкано в образуются при помощи суффикса -ан путём добавления к соответствующему корню от названия углеводорода. Выбирается наиболее длинная неразветвлённая углеводородная цепь так, чтобы у наибольшего числа заместителей был минимальный номер в цепи. В названии соединения цифрой указывают номер углеродного атома, при котором находится замещающая группа или гетероатом, затем название группы или гетероатома и название главной цепи.
Для алканов характерен тип гибридизации - sp 3 .
Пространственное строение - у метана тетраэдрическая форма молекулы, у алканов n>4 - зигзагообразная форма.
Изомерия предельных углеводородов обусловлена простейшим видом структурной изомерии - изомерией углеродного скелета. Гомологическая разница - -CH 2 -.
Физические свойства
Температуры плавления и кипения увеличиваются с молекулярной массой и длиной главной углеродной цепи. При нормальных условиях неразветвлённые алканы с CH 4 до C 4 H 10 - газы; с C 5 H 12 до C 13 H 28 - жидкости; после C 14 H 30 - твёрдые тела. Температуры плавления и кипения понижаются от менее разветвленных к более разветвленным. Газообразные алканы горят бесцветным или бледно-голубым пламенем с выделением большого количества тепла.
Химические свойства алканов
1. Реакции замещения.
Галогенирование - это одна из реакций замещения. В первую очередь галогенируется наименее гидрированый атом углерода (третичный атом, затем вторичный, первичные атомы галогенируются в последнюю очередь). Галогенирование алканов проходит поэтапно - за один этап замещается не более одного атома водорода:
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl (хлорметан)
CH 3 Cl + Cl 2 → CH 2 Cl 2 + HCl (дихлорметан)
CH 2 Cl 2 + Cl 2 → CHCl 3 + HCl (трихлорметан)
CHCl 3 + Cl 2 → CCl 4 + HCl (тетрахлорметан).
Нитрование алканов (реакция Коновалова)
На алканы действует pазбавленная азотная кислота пpи нагpевании и давлении. В pезультате пpоисходит замещение атома водоpода на остаток азотной кислоты – нитpогpуппу NO 2 .
R- H + HO -NO 2 → R-NO 2 + H 2 O
Эту pеакцию называют pеакцией нитpования, а пpодукты pеакции – нитpосоединениями.
2. Горение.
Основным химическим свойством предельных углеводородов, определяющих их использование в качестве топлива, является реакция горения. Пример:
CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O + Q
Значение Q достигает 46 000 - 50 000 кДж/кг.
В случае нехватки кислорода вместо углекислого газа получается угарный газ или уголь (в зависимости от концентрации кислорода).
В общем виде реакцию горения алканов можно записать следующим образом:
С n Н 2n+2 + (1,5n+0,5)O 2 → nCO 2 + (n+1)H 2 O
3. Крекинг алканов.
Реакции разложения происходят лишь под влиянием больших температур. Повышение температуры приводит к разрыву углеродной связи и образованию свободных радикалов.
CH 4 → C + 2H 2 (t > 1000 °C)
C 2 H 6 → 2C + 3H 2
Крекинг – процесс термического разложения углеводородов, в основе которого лежат реакции расщепления углеродной цепи крупных молекул с образованием соединений с более короткой цепью.
Термический крекинг. При температуре 450–700 o С алканы распадаются за счет разрыва связей С–С (более прочные связи С-Н при такой температуре сохраняются) и образуются алканы и алкены с меньшим числом углеродных атомов.
Например:
C 6 H 14 → C 2 H 6 + C 4 H 8
Каталитический крекинг проводят в присутствии катализаторов (обычно оксидов алюминия и кремния) при температуре450°С и атмосферном давлении. При этом наряду с разрывом молекул происходят реакции изомеризации и дегидрирования:
2CH 4 1500 ° C → H–C≡C–H (ацетилен) + 3H 2
4. Изомеризация.
Под влиянием катализаторов при нагревании углеводороды нормального строения подвергаются изомеризации - перестройке углеродного скелета с образованием алканов разветвленного строения.
CH 3 –CH 2 –CH 2 –CH 2 –CH 3 (пентан) –t°,AlCl 3 → CH 3 –CH 2 –CH 2 –CH 3 I
CH 3 (2-метилбутан)
5. Дегидрирование алканов
При нагревании алканов в присутствии катализаторов происходит их каталитическое дегидрирование за счет разрыва связей С-Н и отщепления атомов водорода от соседних углеродных атомов. При этом алкан превращается в алкен с тем же числом углеродных атомов в молекуле:
C n H 2n+2 → C n H 2n + H 2
CH 3 -CH 3 → CH 2 =CH 2 + H 2 (этан → этен)
CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 → CH 2 = CH-CH 2 -CH 3 + H 2 (бутан → бутен-1 )
Наряду с бутеном-1 в этой реакции образуется также бутен-2.
6. Реакции окисления алканов
Алканы - соединения с низкими степенями окисления углерода, и в зависимости от условий реакции они могут окисляться с образованием различных соединений.
Получение алканов
Алканы выделяют из природных источников (природный и попутный газы, нефть, каменныйуголь). Используются также синтетические методы.
1. Крекинг нефти (промышленный способ)
При крекинге алканы получаются вместе с непредельными соединениями (алкенами). Этот способ важен тем, что при разрыве молекул высших алканов получается очень ценное сырье для органического синтеза: пропан, бутан, изобутан, изопентан идр.
2. Гидpиpование непpедельных углеводоpодов:
C n H 2n + H2 →C n H 2n+2 ← -H2 C n H 2n-2
алкены → алканы ← алкины
3. Газификация твердого топлива (при повышенной температуре и давлении, катализатор Ni):
С + 2Н 2 → СН 4
4. Из синтез-газа (СО + Н 2) получают смесь алканов:
nСО + (2n+1)Н 2 → C n H 2n+ 2 + nH 2 O
5. Синтез более сложных алканов из галогенопpоизводных с меньшим числом атомов углеpода:
2CH 3 Cl + 2Na → CH 3 -CH 3 + 2NaCl (реакция Вюрца)
6. Из солей карбоновых кислот:
а) сплавление со щелочью (реакция Дюма
CH 3 COONa + NaOH → CH 4 + Na 2 CO 3
ацетат натрия
б) электролиз по Кольбе
2RCOONa + 2H 2 O → R-R + 2CO 2 + H 2 + 2NaOH
на аноде → на катоде
7. Разложение карбидов металлов (метанидов) водой:
Al 4 C 3 + 12HOH → 4Al(OH) 3 + 3CH 4
Применение алканов.
Предельные углеводороды находят широкое применение в самых разнообразных сферах жизни и деятельности человека.
Газообразные алканы (метан и пpопан-бутановая смесь) используются в качестве ценного топлива.
Жидкие углеводоpоды составляют значительную долю в моторных и ракетных топливах и используются в качестве растворителей.
Вазелиновое масло (смесь жидких углеводоpодов с числом атомов углерода до 15) - пpозpачная жидкость без запаха и вкуса, используется в медицине, паpфюмеpии и косметике.
Вазелин (смесь жидких и твеpдых пpедельных углеводоpодов с числом углеpодных атомов до 25) пpименяется для пpиготовления мазей, используемых в медицине.
Паpафин (смесь твеpдых алканов С 19 - С 35) - белая твеpдая масса без запаха и вкуса (t пл = 50-70°C) - пpименяется для изготовления свечей, пpопитки спичек и упаковочной бумаги, для тепловых пpоцедуp в медицине и т.д.
Нормальные предельные углеводороды средней молекулярной массы используются как питательный субстрат в микробиологическом синтезе белка из нефти.
Большое значение имеют галогенопроизводные алканов, которые используются как растворители, хладоагенты и сырье для дальнейших синтезов.
В современной нефтехимической промышленности предельные улеводороды являются базой для получения разнообразных органических соединений, важным сырьем в процессах получения полупродуктов для производства пластмасс, каучуков, синтетических волокон, моющих средств и многих других веществ.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Алканы – предельные (алифатические) углеводороды, состав которых выражается формулой C n H 2 n +2 .
Алканы образуют гомологический ряд, каждое химическое соединение которого по составу отличается от последующего и предыдущего на одинаковое число атомов углерода и водорода – CH 2 , а вещества, входящие в гомологический ряд, называются гомологами. Гомологический ряд алканов представлен в таблице 1.
Таблица 1. Гомологический ряд алканов.
В молекулах алканов выделяют первичные (т.е. связанные одной связью), вторичные (т.е. связанные двумя связями), третичные (т.е. связанные тремя связями) и четвертичные (т.е. связанные четырьмя связями) атомы углерода.
C 1 H3 – C 2 H 2 – C 1 H 3 (1 – первичные, 2- вторичные атомы углерода)
CH 3 –C 3 H(CH 3) – CH 3 (3- третичный атом углерода)
CH 3 – C 4 (CH 3) 3 – CH 3 (4- четвертичный атом углерода)
Для алканов характерна структурная изомерия (изомерия углеродного скелета). Так, у пентана имеются следующие изомеры:
CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 3 (пентан)
CH 3 –CH(CH 3)-CH 2 -CH 3 (2-метилбутан)
CH 3 -C(CH 3) 2 -CH 3 (2,2 – диметилпропан)
Для алканов, начиная с гептана, характерна оптическая изомерия.
Атомы углерода в предельных углеводородах находятся в sp 3 –гибридизации. Углы между связями в молекулах алканов 109,5.
Химические свойства алканов
При обычных условиях алканы химически инертны — не реагируют ни с кислотами, ни со щелочами. Это объясняется высокой прочностью -связей С-С и С-Н. Неполярные связи С-С и С-Н способны расщепляться только гомолитически под действием активных свободных радикалов. Поэтому алканы вступают в реакции, протекающие по механизму радикального замещения. При радикальных реакция в первую очередь замещаются атомы водорода у третичных, затем у вторичных и первичных атомов углерода.
Реакции радикального замещения имеют цепной характер. Основные стадии: зарождение (инициирование) цепи (1) – происходит под действием УФ-излучения и приводит к образованию свободных радикалов, рост цепи (2) – происходит за счет отрыва атома водорода от молекулы алкана; обрыв цепи (3) – происходит при столкновении двух одинаковых или разных радикалов.
X:X → 2X . (1)
R:H + X . → HX + R . (2)
R . + X:X → R:X + X . (2)
R . + R . → R:R (3)
R . + X . → R:X (3)
X . + X . → X:X (3)
Галогенирование. При взаимодействии алканов с хлором и бромом при действии УФ-излучения или высокой температуры образуется смесь продуктов от моно- до полигалогензамещенных алканов:
CH 3 Cl +Cl 2 = CH 2 Cl 2 + HCl (дихлорметан)
CH 2 Cl 2 +Cl 2 = CHCl 3 + HCl (трихлорметан)
CHCl 3 +Cl 2 = CCl 4 + HCl (тетрахлорметан)
Нитрование (реакция Коновалова) . При действии разбавленной азотной кислоты на алканы при 140С и небольшом давлении протекает радикальная реакция:
CH 3 -CH 3 +HNO 3 = CH 3 -CH 2 -NO 2 (нитроэтан) + H 2 O
Сульфохлорирование и сульфоокисление. Прямое сульфирование алканов протекает с трудом и чаще всего сопровождается окислением, в результате чего образуются алкансульфонилхлориды:
R-H + SO 2 + Cl 2 → R-SO 3 Cl + HCl
Реакция сульфоокисления протекает аналогично, только в этом случае образуются алкансульфоновые кислоты:
R-H + SO 2 + ½ O 2 → R-SO 3 H
Крекинг – радикальный разрыв связей С-С. Протекает при нагревании и в присутствии катализаторов. При крекинге высших алканов образуются алкены, при крекинге метана и этана образуется ацетилен:
С 8 H 18 = C 4 H 10 (бутан)+ C 3 H 8 (пропан)
2CH 4 = C 2 H 2 (ацетилен) + 3H 2
Окисление . При мягком окислении метана кислородом воздуха могут быть получены метанол, муравьиный альдегид или муравьиная кислота. На воздухе алканы сгорают до углекислого газа и воды:
C n H 2 n +2 + (3n+1)/2 O 2 = nCO 2 + (n+1)H 2 O
Физические свойства алканов
При обычных условиях С 1 -С 4 – газы, С 5 -С 17 – жидкости, начиная с С 18 – твердые вещества. Алканы практически нерастворимы в воде, но, хорошо растворимы в неполярных растворителях, например, в бензоле. Так, метан СН 4 (болотный, рудничий газ) – газ без цвета и запаха, хорошо растворимый в этаноле, эфире, углеводородах, но плохо растворимый в воде. Метан используют в качестве высококалорийного топлива в составе природного газа, в качестве сырья для производства водорода, ацетилена, хлороформа и других органических веществ в промышленных масштабах.
Пропан С 3 Н 8 и бутан С 4 Н 10 – газы, применяемые в быту, в качестве балонных газов, за счет легкой сжижаемости. Пропан используется в качестве автомобильного топлива, поскольку является более экологически чистым, чем бензин. Бутан – сырье для получения 1,3 –бутадиена, использующегося в производстве синтетического каучука.
Получение алканов
Алканы получают из природных источников – природного газа (80-90% — метан, 2-3% — этан и другие предельные углеводороды), угля, торфа, древесины, нефти и горного воска.
Выделяют лабораторные и промышленные способы получения алканов. В промышленности алканы получают из битумного угля (1) или по реакции Фишера-Тропша (2):
nC + (n+1)H 2 = C n H 2 n +2 (1)
nCO + (2n+1)H 2 = C n H 2 n +2 + H 2 O (2)
К лабораторным способам получения алканов относят: гидрирование непредельных углеводородов при нагревании и в присутствии катализаторов (Ni, Pt, Pd) (1), взаимодействием воды с металлоорганическими соединениями (2), электролизом карбоновых кислот (3), по реакциям декарбоксилирования (4) и Вюрца (5) и другими способами.
R 1 -C≡C-R 2 (алкин) → R 1 -CH = CH-R 2 (алкен) → R 1 -CH 2 – CH 2 -R 2 (алкан) (1)
R-Cl + Mg → R-Mg-Cl + H 2 O → R-H (алкан) + Mg(OH)Cl (2)
CH 3 COONa↔ CH 3 COO — + Na +
2CH 3 COO — → 2CO 2 + C 2 H 6 (этан) (3)
CH 3 COONa + NaOH → CH 4 + Na 2 CO 3 (4)
R 1 -Cl +2Na +Cl-R 2 →2NaCl + R 1 -R 2 (5)
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Определите массу хлора, необходимого для хлорирования по первой стадии 11,2 л метана. |
| Решение |
Запишем уравнение реакции первой стадии хлорирования метана (т.е. в реакции галогенирования происходит замещения всего одного атома водорода, в результате чего образуется монохлорпроизводное):
CH 4 + Cl 2 = CH 3 Cl + HCl (хлорметан) Найдем количество вещества метана: v(CH 4) = V(CH 4)/V m v(CH 4) = 11,2/22,4 = 0,5 моль По уравнению реакции количество моль хлора и количество моль метана равны 1 моль, следовательно, практическое количество моль хлора и метана также будет одинаковым и будет равно: v(Cl 2) = v(CH 4) = 0,5 моль Зная количество вещества хлора можно найти его массу (что и поставлено в вопросе задачи). Масса хлора рассчитывается как произведение количества вещества хлора на его молярную массу (молекулярная масса 1 моль хлора; молекулярная масса рассчитывается с помощью таблицы химических элементов Д.И. Менделеева). Масса хлора будет равна: m(Cl 2) = v(Cl 2)×M(Cl 2) m(Cl 2) = 0,5×71 = 35,5 г |
| Ответ | Масса хлора равна 35,5 г |
.
Алканы - название предельных углеводородов по международной номенклатуре. Парафины - исторически сохранившееся название предельных углеводородов.
В молекулах этих соединений все валентные связи углерода и водорода полностью насыщены. Вот почему эти углеводороды не способны к реакциям присоединения. В этой связи данному классу углеводородов можно дать такое определение:
Углеводороды с общей формулой C n H 2n+2 , которые не присоединяют водород и другие элементы, называются предельными углеводородами или алканами (парафинами)
.
Простейшим представителем предельных углеводородов является метан.
Строение молекулы метана.
Молекулярная формула метана CH 4 .
Так как в гибридизации участвуют s
- электрон и три p
- электрона, то такой ее вид называется sp 3 - гибридизацией.
Валентный угол: 109
градусов.
Гомологи метана.
Существует много углеводородов, сходных с метаном, т.е. гомологов метана (греч. "гомолог" - сходный). В из молекулах имеются два, три, четыре и более атомов углерода. Каждый последующий углеводород отличается от предыдущего группой атомов CH 2 . Например, если мысленно к молекуле метана CH 4 добавить группу CH 2 (группу CH 2 называют гомологической разностью), то получается следующий углеводород ряда метана - этан C 2 H 6 и т.д.
Гомологический рад метана.
CH 4 - Метан
C 2 H 6 - Этан
C 3 H 8 - Пропан
C 4 H 10 - Бутан
C 5 H 12 - Пентан
C 6 H 14 - Гексан
C 7 H 16 - Гептан
C 9 H 20 - Нонан
Изомерия и номенклатура.
Для составления названий предельных углеводородов с разветвленной цепью принимают, что во всех молекулах атомы водорода замещены различными радикалами. Для определения названий данного углеводорода придерживаются определенного порядка:
- Выбирают в формуле наиболее длинную углеродную цепь и символы атомов углерода нумеруют, начиная с того конца цепи, к которому ближе разветвление.
- Называют радикалы (начиная с простейшего) и при помощи цифр указывают место у нумерованных атомов углерода. Если у одного и того же атома углерода находятся два одинаковых радикала, тогда номер повторяют дважды. Число одинаковых радикалов указывают при помощи чисел на греческом языке ("ди" - два, "три" - три, "тетра" - четыре и т.д.)
- Полное название данному углеводороду дают по числу атомов углерода в нумерованной цепи.
Нахождение в природе.
Простейший представитель предельных углеводородов - метан - образуется в природе в результате разложения остатков растительных и животных организмов без доступа воздуха. Этим объясняется появление пузырьков газа в заболоченных водоемах. Иногда метан выделяется из каменноугольных пластов и накапливается в шахтах. Метан составляет основную массу природного газа (80 -97% ). Он содержится и в газах, выделяющихся при добыче нефти. В состав природного газа и нефтяных газов входят также этан C 2 H 6 , пропан C 3 H 8 , бутан C 4 H 10 и некоторые другие. Газообразные, жидкие и твердые предельные углеводороды содержаться в нефти.
Физические свойства.
Метан - газ без цвета и запаха, почти в 2 раза легче воздуха, мало растворим в воде. Этан, пропан, бутан при нормальных условиях - газы, от пентана до пентадекана - жидкости, а следующие гомологи - твердые вещества.
С увеличением относительных молекулярных масс предельных углеводородов закономерно повышаются их температуры кипения и плавления.
В органической химии используют несколько систем номенклатуры соединений. В частности: тривиальные названия, рациональную номенклатуру и систематическую IUPAC номенклатуру.
Тривиальные названия часто отражают историю открытия соединения, источник его получения, свойства соединения и т.д., но не отражают строения вещества. Первые четыре алкана носят тривиальные названия. Это: метан (СН 4), этан (С 2 Н 6), пропан (С 3 Н 8), бутан (С 4 Н 10). Название «этан» происходит от латинского слова «эфир», т.к. радикал С 2 Н 5 входит в состав эфира. После бутана названия алканов образуют прибавляя окончание «ан» к греческому числительному, отражающему число атомов углерода в молекуле (табл. 1)
Таблица 1
Название алканов
При выводе формул углеводородов исходят из общепринятого положения о четырехвалентности углерода и из отличительной особенности атомов углерода к взаимному соединению.
Первые три члена гомологического ряда алканов существуют каждый лишь в одной форме, т.е. в ином порядке атомы углерода в их молекулах соединить нельзя:
Иначе обстоит дело с алканами с числом углеродных атомов четыре и более. Например для С 4 Н 10 можно написать две скелетные формулы (в этих формулах атомы водородов не обозначают):
Углеводород со скелетной формулой 1 имеет неразветвленную углеродную цепь, каждый атом углерода в нем связан не более, чем с двумя углеродами. Неразветвленность цепи отражается в названии приставкой «нормальный» (н-). Углеводород 2 имеет разветвленную углеродную цепь, один из атомов углерода связан с тремя углеродами. Соединения 1 и 2 различаются порядком связи атомов друг с другом: это структурные изомеры . Чтобы различать их, один назвали бутан (иногда н-бутаном, как сокращение тривиального названия «нормальный бутан»), второй – изобутаном.
В нормальных алканах все атомы углерода образуют единую протяженную цепь, хотя скелет такой молекулы может быть записан с изгибами:
Число возможных изомеров резко увеличивается с увеличением числа атомов углерода в молекуле. В связи с этим, префикс изо применяют в тривиальном названии только того изомера, который имеет одно углеродное разветвление у предпоследнего углеродного атома протяженной цепи. Например, скелетные формулы изогексана и изогептана:
Из приведенных структурных формул видно, что не все атомы углерода в них равноценны между собой. Каждый из них соединен с различным числом атомов углерода. Атом углерода, связанный с одним атомом углерода, называют первичным ; связанный с двумя – вторичным , с тремя – третичным , с четырьмя – четвертичным :
Подобным образом классифицируют и атомы водорода. Водородные атомы называют первичными, вторичными или третичными, так же как и атомы углерода, с которыми они связаны.
Рассмотрим две сокращенные структурные формулы:
Обе имеют четыре атома углерода в самой длинной цепи и называются как бутаны. Различие заключается в замене одного из Н-атомов у отмеченного звездочкой атома углерода на группу СН 3 . Замены такого рода называют замещением, а группа СН 3 играет здесь роль заместителя. Таким образом, второе из приведенных выше соединений является замещенным бутаном.
Группировки атомов, имеющие неспаренный электрон, называют по правилам IUPAC радикалами. Когда речь идет о заместителе, то неспаренный электрон обозначают черточкой, как в СН 3 -. Для обозначения свободных радикалов употребляют точку, например СН 3 . Для того, чтобы избежать путаницы, большинство химиков предпочитают в первом случае название группы, а во втором - свободные радикалы.
СН 3 -является группой, которую можно образовать отщеплением атома водорода от метана СН 4 . Еще одним примером может служить группа СН 3 СН 2 -, образуемая из нормального алкана этана. Целый ряд подобных групп можно образовать из нормальных алканов. В общем виде их называют алкильными группами, а индивидуальные названия дают, заменяя в названиях алканов суффикс (окончание) ан на ил. Например:
СН 3 - СН 3 СН 2 - или С 2 Н 5 - СН 3 СН 2 СН 2 - или С 3 Н 7 -
метил этил пропил
Группы, производимые от изоалканов, называют по тому же принципу, как и группы, производящиеся от нормальных алканов, суффикс ан заменяют на суффикс ил. Например:
Свободная валентность этих групп находится на противоположном конце от разветвления. Разветвление же, как и прежде, состоит из одного атома углерода и находится у предпоследнего атома самой длинной углеродной цепи.
Есть еще одна изо -группа, не имеющая соответствующего ей разветвленного алкана. Это изопропильная группа. Ее формула:
Соответствующий углеводород является пропаном.
Формулы алкильных групп всегда можно узнать по черточке, указывающей свободную валентность:
СН 3 СН 2 СН 3 СН 3 СН 2 СН 2 - или С 3 Н 7 -
пропан пропильная группа
Когда подобные группы связаны с атомом углерода цепи, их записывают в линейной структурной формуле в скобках вслед за этим атомом углерода:
СН 3 СН(СН 3)СН 2 СН(СН 3) 2 изображает
Двухвалентные радикалы, образованные удалением двух атомов водорода от одного и того же атома углерода, имеют в названии суффикс илиден (исключение – «метилен» для СН 2 =). Если два атома водорода удаляются от двух разных концевых атомов углерода, то такие радикалы называют: этилен, триметилен и т.д. (исключение: пропилен). Названия важнейших ациклических одно- и двухвалентных углеводородных радикалов представлены в табл. 2.
Таблица 2
Названия важнейших углеводородных радикалов
Для того, чтобы назвать насыщенный углеводород с разветвленной цепью углеродных атомов надо прежде всего выбрать главную цепь. Главной цепью считают самую длинную цепь углеродных атомов. Если таких две или более, то выбирают наиболее сложную, т.е. имеющую наибольшее число разветвлений.
Далее атомы углерода главной цепи нумеруют, начиная с того конца, к которому ближе примыкает любой из радикалов. Эти цифры называют локантами. Если разные алкилы находятся на равном расстоянии от концов цепи, то выбор начала нумерации определяет старший, т.е. радикал с меньшим числом атомов углерода. При равном числе атомов углерода старшим считается наиболее разветвленный радикал. Если на обоих концах цепи стоят одинаковые радикалы, то учитывается наличие следующих радикалов и нумерация начинается с того конца, где больше разветвлений.
Для удобства определения главной цепи и начала нумерации пользуются правилом наименьшей суммы номеров, т.е. выбирают главную цепь и начало нумерации так, чтобы сумма номеров, обозначающих положение заместителей, была наименьшей.
При составлении названия следует иметь в виду, что в правилах IUPAC предпочтение отдается перечислению заместителей в алфавитном порядке. Алфавитный порядок имеет тот существенный недостаток, что он оказывается разным на разных языках. Однако, алфавитный порядок при явном недостатке, заключающемся в отсутствии межъязыковой однозначности, все же удобен, т.к. для каждого языка устанавливает однозначную последовательность, не требуя разработки сложных правил старшинства. Удобства алфавитного расположения очевидны и особенно наглядны при построении названий полифункциональных соединений и поиске соединений в литературе по их названиям.
Что касается положения цифр (локантов) в названиях, то следует учесть, что правила IUPAC не определяют таких деталей записи названий.
В англо-американском варианте расположение локантов отрывает их от тех частей названия, к которым локанты относятся, и тем самым затрудняет понимание названий. Традиция отечественной номенклатуры - помещать локанты перед префиксами (приставками) и после суффиксов - разумна, т.к. позволяет максимально разгрузить словесную часть названия от цифр и в то же время увеличивает наглядность названия.
Если к главной цепи примыкают два или большее число одинаковых заместителей, то для указания на это используют соответствующие префиксы: ди при двух одинаковых заместителях, три при трех, тетра при четырех, пента при пяти и т. д. В качестве примера рассмотрим соединение, которое обычно (хотя и неправильно) называют «изооктаном». Углеродный скелет этого соединения:
Систематическое название этого вещества 2,2,4-триметилпентан. Префикс три указывает, что в нем имеются три метильных группы, цифры 2,2,4- определяют их положение, т. е. являются локантами. Для отделения цифр друг от друга используются запятые, а для отделения цифр от слов - дефисы. Последняя из называемых групп пишется слитно с названием главной цепи.
Еще одно соединение, которому надо дать название:
Это 2,4-диметил-5-этилгептан. Префиксы ди, три и т. д. не принимаются во внимание при определении алфавитного порядка.
Хотя «д» в русском алфавите следует раньше «м» и «т», но «ди» и «три» говорят о числе заместителей, сами же заместители (метил, этил) следует располагать в названии именно в указанном алфавитном порядке: сначала метил (диметил-, триметил- и т. д.), потом этил (диэтил-, триэтил-, тетраэтил- и т. д.).
Существует простой способ проверки полноты составленных названий. Для этого надо подсчитать сумму атомов углерода, обозначенных в названии, и проверить, совпадает ли она с числом С-атомов в формуле. Например, соединение
Это 2,4-диметил-5-этилгептан. Проверку производят следующим образом:
Фрагменты названия Число С-атомов
2,4-диметил 2 (по 1 для каждого метила)
В углеродном скелете действительно 11 атомов.
Разветвленные алкильные группы называют подобно разветвленным алканам. Важным отличием является то, что связанный с главной цепью углеродный атом всегда получает номер 1. Например:
Для ряда замещающих групп в правилах IUPAC сохранены тривиальные названия.
Изо -названия для разветвленных алкильных групп применяются только для первых членов ряда, включая изогексил; точно так же название изогексан является последним из допускаемых правилами изо-названий алканов.
Рациональная номенклатура, в отличии от тривиальных названий, базируется на строении молекул. Названия сложных структур строят из названия «блоков», т.е. радикалов, связанных с основным, наиболее важным узлом молекулы. По рациональной номенклатуре алканы рассматривают как производные метана, у которого атомы водорода замещены соответствующими радикалами. Выбор «метанового» углерода произвольный, поэтому одно соединение может иметь по рациональной номенклатуре несколько названий.
2.2. Номенклатура алкенов
Алкены или олефины – это углеводороды, содержащие одну двойную углерод-углеродную связь. Как и в случае алканов, существует несколько различных систем номенклатуры алкенов.
Для простейших алкенов используют тривиальные названия:
По рациональной номенклатуре алкены рассматривают как производные этилена. Например:
По систематической IUPAC номенклатуре названия алкенов образуются из названий соответствующих алканов заменой окончания ан на ен.
В названиях двух первых членов гомологического ряда алкенов нет никакой неопределенности. Названиям этен и пропен могут отвечать только формулы СН 2 =СН 2 и СН 3 СН=СН 2 . Бутен и все последующие члены ряда имеют по несколько изомеров, различающихся, в частности, положением двойной связи. Например, бутены могут иметь следующую структуру:
Проблема названий решается при помощи нумерации атомов углерода в цепи. Ее начинают с того конца, который ближе к двойной связи:
Локантом двойной связи служит меньший из номеров атомов, связанных двойной связью, как показано ниже:
В английском оригинале эти названия записаны иначе: 1-бутен; 2-бутен (или бут-1-ен; бут-2-ен). В русской номенклатуре, установилась традиция: располагать локанты перед приставками (префиксами), но после суффиксов. Такая запись во многих случаях позволяет полностью разгрузить от цифр словесную часть названия. Кроме того, локанты при этом всегда располагаются рядом с кратными связями, к которым они относятся, и это облегчает расшифровку названия.
Разветвленные (замещенные) алкены называют подобно разветвленным алканам. Нумеруют атомы углерода, называют главную цепь, к этому названию прибавляют название заместителя, вместе с соответствующим локантом. Например:
Если имеется несколько цепей одинаковой длины, то в качестве главной цепи выбирают ту из них, в которой содержится двойная связь. Приведенный ниже углеводород должен быть назван как производное пентена, но не пентана:
В некоторых случаях самая длинная протяженная цепь углеродных атомов может и не оказаться главной. Например:
Правильное название этого соединения производится от пентена, хотя в нем имеется цепь из шести атомов углерода.
У соединений с одной или несколькими двойными связями проявляется особый вид пространственной изомерии, называемый геометрической или цис-, транс-изомерией.
Пространственная изомерия алкенов обусловлена различным положением заместителей в пространстве относительно плоскости π-связи. Геометрическая изомерия невозможна, если заместители при любом атоме углерода двойной связи одинаковы (пропилен, бутен-1, изобутилен).
Для обозначения геометрических изомеров предложены буквенные обозначения: Z – для цис- и E для транс-изомеров:
Если у атомов углерода, связанных двойной связью, три или четыре заместителя различные, то обозначения Z или E выбирают по пространственному расположению двух самых старших групп. Если оба старших заместителя расположены по одну сторону плоскости, в которой находится двойная связь, то изомер относится к Z-ряду, в противном случае – к E-ряду:
Радикалы, производимые от алкенов, называют заменяя окончание ен на енил.
Во всех радикалах, кроме этенильного, надо проводить нумерацию. Атом углерода со свободной валентностью всегда получает номер 1.
В правилах IUPAC разрешены несистематические названия нескольких алкенильных радикалов: винил, аллил, изопропилиден.
В таблице представлены некоторые представители ряда алканов и их радикалы.
|
Формула |
Название |
Название радикала |
|||||||||||
|
CH3 метил |
|||||||||||||
|
C3H7 пропил |
|||||||||||||
|
C4H9 бутил |
|||||||||||||
|
изобутан |
изобутил |
||||||||||||
|
изопентан |
изопентил |
||||||||||||
|
неопентан |
неопентил |
||||||||||||
|
Из таблицы видно, что эти углеводороды отличаются друг от друга количеством групп - СН2 -.Такой ряд сходных по строению, обладающих близкими химическими свойствами и отличающихся друг от друга числом данных групп называется гомологическим рядом. А вещества, составляющие его называются гомологами. Гомологи - вещества сходные по строению и свойствам, но отличающиеся по составу на одну или несколько гомологических разностей (- СН2 -)
Углеродная цепь - зигзаг (если n ≥ 3) σ - связи (свободное вращение вокруг связей) длина (-С-С-) 0,154 нм энергия связи (-С-С-) 348 кДж/моль Все атомы углерода в молекулах алканов находятся в состоянии sр3-гибридизации
угол между связями С-C составляет 109°28", поэтому молекулы нормальных алканов с большим числом атомов углерода имеют зигзагообразное строение (зигзаг). Длина связи С-С в предельных углеводородах равна 0,154 нм (1нм=1*10-9м). а) электронная и структурная формулы; б) пространственное строение
4. Изомерия - характерна СТРУКТУРНАЯ изомерия цепи с С4 Один из этих изомеров (н -бутан) содержит неразветвленную углеродную цепь, а другой — изобутан — разветвленную (изостроение). Атомы углерода в разветвленной цепи различаются типом соединения с другими углеродными атомами. Так, атом углерода, связанный только с одном другим углеродным атомом, называется первичным , с двумя другими атомами углерода - вторичным , с тремя - третичным , с четырьмя - четвертичным . С увеличением числа атомов углерода в составе молекул увеличиваются возможности для разветвления цепи, т.е. количество изомеров растет с ростом числа углеродных атомов. Сравнительная характеристика гомологов и изомеров
1. Свою номенклатуру имеют радикалы (углеводородные радикалы)
| |||||||||||||
