Предельные, или насыщенные, углеводороды ряда метана (алканы, или парафины)

Алканы, или парафины — алифатические предельные углеводороды, в молекулах которых атомы углерода связаны между собой простой (одинарной) (s-связью.

Оставшиеся валентности углеродного атома, не затраченные на связь с другими атомами углерода, полностью насыщены водородом. Поэтому предельные (насыщенные) углеводороды содержат в молекуле максимальное число водородных атомов.

1.1. Строение алканов

Простейшим представителем и родоначальником предельных углеводородов является метан СН4 . Строение молекулы метана можно выразить структурной (I) или электронной (II) формулой:

H | H—C—H | H (I) H .. H : C : H .. H (II)

В предельных углеводородах атомы углерода находятся в первом валентном состоянии (sp3 -гибpидизaция). В этом случае, .как известно, все четыре гибридные орбитали в пространстве составляют геометрическую фигуру — тетраэдр (углы между осями связей С—Н равны 109° 28'). Пространственное расположение атомов в молекуле метана можно показать с помощью тетраэдрических и шаростержневых моделей. Для этого наиболее удобны объемные модели Бриглеба, которые более наглядно отражают относительные размеры атомов в молекуле. Эти модели изготовлены в соответствии с действительным соотношением радиусов атомов (в масштабе 0,05 нм = 1 см).

Если в молекуле метана один атом водорода заместить на метильную группу СН3 , то можно вывести структурную формулу следующего за метаном углеводорода — этана C2 H6 :

H H | | H—C—C—H | | H H или H3 C—CH3

Замещая в молекуле этана один атом водорода на метальную группу, выводим формулу третьего углеводорода — пропана С3 Н8 :

H H H | | | H—C—C—С—H | | | H H H или H3 C—CH2 —CH3

Повторяя это действие много раз, можно вывести формулы и других предельных углеводородов, отличающихся друг от друга числом углеродных атомов (табл. 1). В результате образуется ряд соединений, в котором каждый член отличается от предыдущего на одну группу СН2 . Такой ряд называется гомологическим рядом (от греч. homos — последовательный), а его отдельные члены — гомологами. Они обладают близкими химическими свойствами и закономерным изменением физических свойств. Из табл. 1 видно, что у каждого члена гомологического ряда на п атомов углерода приходится 2n + 2 атомов водорода. Следовательно, состав любого члена этого ряда будет выражаться общей формулой Сn Н2n + 2. Используя эту формулу, можно легко написать молекулярную формулу любого предельного углеводорода — алкана, зная число углеродных атомов в его молекуле. Например, если п = 25, то углерод будет выражаться формулой C25 H52 .

Таблица 1. Гомологический ряд предельных углеводородов (алканов) нормального (неразветвленного) строения и их одновалентные радикалы

Углеводород (алкан) Число возможных изомеров у алкана Радикал (алкил)
Формула Название Формула Название
СН4 Метан 1 СН3 - Метил
С2 Н6 Этан 1 С2 Н5 - Этил
С3 Н8 Пропан 1 С3 Н7 - Пропил
С4 Н10 Бутан 2 С4 Н9 - Бутил
С5 Н12 Пентан 3 С5 Н11 - Пентил
С6 Н14 Гексан 5 С6 Н13 - Гексил
C7 H16 Гептан 9 C7 H15 - Гептил
C8 H18 Октан 18 C8 H17 - Октил
С9 Н20 Нонан 35 С9 Н19 - Нонил
С10 Н22 Декан 75 С10 Н21 - Децил (декил)

Гомологические ряды характерны для всех классов органических соединений. Они являются прекрасным подтверждением основного закона природы — перехода количественных изменений в качественные.

Если от алкана "отнять" один атом водорода, то образуется одновалентный углеводородный остаток — радикал (не смешивайте с реально существующим свободным радикалом). При потере двух или трех атомов водорода образуются соответственно двух- или трехвалентные радикалы (табл. 2).

Таблица 2. Наиболее часто встречающиеся углеводородные радикалы

Название Формула радикала Название Формула радикала
Метил СН3 Этил CH3 —CH2
Метилен СН2 == Этилиден CH3 —CH==
Метин СНºº Этилидин CH3 —Cºº
н -Пропил CH3 —CH2 —CH2 Изобутил (первичный изобутил) (СН3 )2 СН—СН2
Пропилиден CH3 —CH2 —CH== втор -Бутил CH3 | CH3 —CH2 —CH—
Изопропил (СН3 )2 СН— терет -Бутил (СН3 )3 С—
н -Бутил CH3 —CH2 —CH2 —CH2 н -Пентил CH3 —CH2 —CH2 —CH2 —CH2

В приведенных названиях радикалов используют обозначения: н -нормальный, втор- — вторичный, трет- — третичный.

Как видно из табл. 2, свободная валентность в радикале может находиться при разных углеродных атомах. Если свободная валентность в радикале находится у первичного атома углерода, то такой радикал называется первичным. Соответственно этому могут быть вторичные (свободная валентность принадлежит вторичному атому углерода) и третичные (свободная валентность у третичного углеродного атома) радикалы:.

Н3 С— - первичный одновалентный радикал (метил);

(СН3 )2 СН— - вторичный одновалентный радикал (изопропил);

(СН3 )3 С— - третичный одновалентный радикал (mpem-бутил).

1.2. Номенклатура и изомерия

Номенклатура. Для названия предельных углеводородов применяют в основном систематическую и рациональную номенклатуры.

Названия первых четырех членов гомологического ряда метана тривиальные: метан, этан, пропан, бутан. Начиная с пятого названия образованы от греческих числительных с добавлением суффикса –ан (этим подчеркивается сходство всех предельных углеводородов с родоначальником этого ряда — метаном).

Общее (родовое) название предельных углеводородов — алканы. Названия по систематической номенклатуре составляют следующим образом:

В формуле молекулы алкана выбирают главную цепь — самую длинную.

H3 C—CH—CH2 —CH—CH2 —CH3 -------- | ----------- | CH3 ¦ CH2 —CH2 —CH3 ---------------------

Затем эту цепь нумеруют с того конца, к которому ближе расположен заместитель (радикал). Если заместителей несколько, то поступают так, чтобы цифры, указывающие их положение, были наименьшими. Заместители перечисляют по алфавиту.

1 2 3 4 H3 C—CH—CH2 —CH—CH2 —CH3 | 5 | 6 7 CH3 CH2 —CH2 —CH3

3. Углеводород называют в таком порядке: вначале указывают (цифрой) место расположения заместителя, затем называют этот заместитель (радикал), а в конце добавляют название главной (самой длинной) цепи. Таким образом, углеводород может быть назван: 2-метил-4-этилгептан (но не 6-метил-4-этилгептан).

Если в главной цепи содержится несколько одинаковых заместителей, то их число обозначают греческим числительным, которое ставят перед названием этих заместителей. Приставки ди-, три-, тетра- и т.д. не влияют на алфавитное расположение заместителей в названии.

Для простейших углеводородов изостроения сохраняются их несистематические названия: изобутан, изопентан, неопентад.

По рациональной номенклатуре алканы рассматривают как производные простейшего углеводорода — метана, в молекуле которого один или несколько водородных атомов замещены на радикалы. Эти заместители (радикалы) называют по старшинству (от менее сложных к более сложным). Если эти заместители одинаковые, то указывают их количество. В основу названия включают слово "метан":

CH3 | H3 C—C—CH3 | CH3 C2 H5 | H3 C—CH—CH—CH3 | CH3
тетраметилметан (2,2-диметилпропан) метилэтилизопропилметан (2,3-диметилпентан)

Свою номенклатуру имеют и радикалы (углеводородные радикалы). Одновалентные радикалы называют алкилами и обозначают буквой R или Alk. Их общая формула Cn H2n + 1. Названия радикалов составляют из названий соответствующих углеводородов заменой суффикса -ан на суффикс -ил (метан — метил, этан — этил, пропан — пропил и т.д.). Двухвалентные радикалы называют, заменяя суффикс -ан на -илиден (исключение — радикал метилен ==СН2 ). Трехвалентные радикалы имеют суффикс -илидин (исключение — радикал метин ººСН).

Изомерия.

Для алканов характерен самый простой вид изомерии — структурная изомерия.

В молекулах метана, этана и пропана может быть только один порядок соединения атомов.

Если в молекуле алкана содержится более трех углеродных атомов, то порядок их соединения может быть различным — появляется возможность изомерии. Например, для углеводорода С4 Н10 возможны две структуры:

H H H H | | | | H—C—C—С—С—H | | | | H H H H H H H | | | H—C—C—С—H | | | H | H H—C—H | H
н -бутан (н -C4H10) изобутан (изо -С4Н10)

Один из этих изомеров (н -бутан) содержит неразветвленную углеродную цепь, а другой — изобутан — разветвленную (изостроение). Таким образом, молекулы бутана и изобутана, имея одинаковый состав, различаются между собой химическим строением, т.е. они являются структурными изомерами. Изомеры обладают сходными химическими свойствами и различными — физическими.


Copyright © MirZnanii.com 2015-2018. All rigths reserved.