Номенклатура и изомерия

Алканы являются насыщенными, или предельными, углеводоро­дами, поскольку все свободные валентности атомов углерода заняты (полностью «насыщены») атомами водорода. Простейшим предста­вителем алканов служит метан СН₄. Начиная с него, можно постро­ить ряд, в котором каждый последующий углеводород отличается от предыдущего на одну группу СН₂. Члены этого ряда называются гомологами, а сам ряд – гомологическим. Общая формула гомоло­гического ряда алканов С_nН_2n+2

По систематической номенклатуре ИЮПАК первым четырем членам гомологического ряда алканов присвоены их исторически сложившиеся названия – метан, этан, пропан, бу­тан. Названия остальных алканов с нормальной, т.е. неразветвленной углеродной цепью, составляются из греческого названия числи­тельного, соответствующего числу атомов углерода в цепи, с добавлением суффикса-ан.

Алканы с разветвленной цепью рассматриваются как производ­ные нормального алкана, в котором один или несколько атомов водорода замещены на углеводородные радикалы. Для этого выбира­ют главную углеродную цепь, которая содержит наибольшее число атомов углерода и составляет основу названия. Главную цепь нуме­руют с того конца, ближе к которому находится заместитель. Перед основой названия указывают номер атома углерода, при котором находится заместитель, и название этого заместителя, например:

В молекуле метана атом углерода связан с четырьмя атомами водорода (СН₄). Электронная формула углерода в основном состоянии 1s²2s²2р², а в возбужденном состо­янии 1s,²2s¹2р^з. Атом углерода в возбужден­ном состоянии имеет четыре неспаренных электрона и может связаться с четырьмя атомами водорода. Все четыре связи С–Н в метане одинаковы по длине и прочности, что можно объяснить с привлечением ги­потезы о гибридизации атомных орбиталей, имеющие форму неправильной восьмерки – sр³-гибридизация.

Строение других алка­нов подобно метану.

Основу молекул алканов составляет углеродный ске­лет, который может принимать самые разные геометрические фор­мы при сохранении длин связей и углов между связями. Например, углеродная цепь пентана С₅Н₁₂ может выглядеть следующим обра­зом:

Данные положения углеродной цепи называются конформациями. При обычных температурах разные конформации алканов сво­бодно переходят друг в друга путем вращения С–С связей, поэтому очень часто конформации называют поворотными изомерами. Так, в молекуле этана С₂Н₆ возможны два основных положения групп CH₃ друг относительно друга – «заторможенное» и «заслоненное».

Основной вид изомерии для алканов – изомерия углеродного скелета. Начиная с С₄Н₁₀, одной и той же молекулярной формуле отвечают несколько алканов, различающихся строением углеродного скелета (т.е., числом атомов углерода в главной цепи и/или поло­жением заместителей). Число возможных изомеров С_nН_2n+2 резко увеличивается с ростом п. Для бутана С₂₄Н₁₀ известны два изомера:

для пентана С₅Н₁₂ – три, для гексана С₆Н₁₄ – 5, для гептана С₇Н₁₆ – 9, для октана C₈H₁₈ – 18, для нонана С₉Н₂₀ – 35, для эйкозана С₂₀Н₄₂ – 366319. Для каждого п существует единственный изомер с неразветвленным углеродным скелетом, он называется нормальным.

Если у молекулы алкана отнять один атом водорода, то получа­ются углеводородные радикалы с одной свободной валентностью. Общая формула предельных углеводородных радикалов C_nH_2n+1. Названия углеводородных радикалов составляются от названия соответствующего углеводорода с добавлением суффикса-ил. Простейшие радикалы:

Начиная с С₃Н₇–, для радикалов возможна структурная изомерия, связанная со строением углеродного скелета или с положением сво­бодной валентности. Так, два радикала С₃Н₇– (пропил и изопропил) имеют одинаковый углеродный скелет, однако в пропиле свободная валентность находится у первичного атома углерода, а в изопропиле – у вторичного.

Атом углерода называют первичным, вторичным, третичным или четвертичным в зависимости от того, с каким числом других углеродных атомов он связан. Например, в молекуле изооктана пять первичных атомов углерода (обведены кружком), один вторичный (обведен пятиугольником), один третичный (в треугольнике) и один четвертичный (показан в квадрате):