§ 5. Алкани: ізомерія та номенклатура

Як ви пам’ятаєте, існування ізомерів серед алканів передбачав ще О. М. Бутлеров. Зі всіх різновидів структурної ізомерії для алканів характерна тільки ізомерія карбонового ланцюга. Цей вид ізомерії пов’язаний лише з тим, що атоми Карбону можуть по-різному сполучатися один з одним: утворювати карбонові ланцюги розгалужені чи нерозгалужені (нормальної будови).

Перші три представники гомологічного ряду алканів — метан, етан, пропан — не мають ізомерів. Хоча іноді пропану приписують дві ізомерні структури:

Але обидві ці структурні формули однакові й відображають будову однієї молекули — молекули пропану (мал. 5.1).

Мал. 5.1. Модель молекули пропану

Як ви пам’ятаєте з курсу хімії 9 класу, хімічні зв’язки від атома Карбону в молекулах алканів спрямовані до вершин тетраедра під кутом 109,5°. Але на папері зв’язки в структурних формулах для зручності зазначають під кутом 180° або 90°. Наприклад, для бутану наведені нижче формули є абсолютно однаковими, оскільки в усіх них порядок сполучення атомів Карбону однаковий (мал. 5.2).

Мал. 5.2. Різні форми молекули бутану

Утім бутан є найпростішим алканом, у якого є ізомер. Так, зі складом C₄H₁₀ існують дві речовини з різними структурними формулами:

Це дві різні речовини з різними властивостями.

Чим більше атомів Карбону в ланцюзі, тим більше може існувати можливих комбінацій сполучення атомів, а отже, і більше ізомерів (табл. 6).

Таблиця 6. Число структурних ізомерів алканів

Молекулярна формула

Число ізомерів

Молекулярна формула

Число ізомерів

Саме явище ізомерії більшою мірою зумовлює існування набагато більшого числа органічних сполук порівняно з неорганічними.

Під час складання всіх можливих структурних формул ізомерів необхідно враховувати всі можливі комбінації сполучення атомів.

Пам’ятайте, що до одного атома Карбону в ланцюзі може приєднуватися максимум чотири інші атоми.

Наприклад, складемо формули всіх можливих структурних ізомерів алканів з молекулярною формулою C₆H₁₄.

Найпростіше скласти структурну формулу нерозгалуженого алкану:

На наступному етапі з ланцюга прибираємо один атом Карбону і з’єднуємо його з іншими атомами Карбону:

У такий спосіб можна скласти всі можливі комбінації сполучення атомів Карбону. Структурні формули можна записувати в інший спосіб. Наприклад, формули 4 і 5 можна записати так:

Часто під час складання формул ізомерів виникають труднощі через те, що важко візуально визначити, записали вже таку формулу чи ні.

Для того щоб порівняти дві, на зовнішній вигляд, різні структурні формули, необхідно назвати сполуки, структурні формули яких наведено, і порівняти. Як це зробити, дізнаємося в наступному підрозділі.

Систематична номенклатура

Дуже важливо, щоб кожна хімічна речовина мала своє власне «ім’я». Із цією метою хіміки розробили спеціальну систему правил — номенклатуру (від латин. nomenclatura — розпис імен, перелік). Ці правила називають систематичною номенклатурою, вони розроблені товариством IUPAC (українською «юпак») і ними користуються хіміки всього світу (мал. 5.3). Поряд із систематичними назвами сполук часто використовують і традиційні назви — такі, що склалися історично.

Мал. 5.3. Логотип IUPAC — міжнародної спілки фундаментальної та прикладної хімії

Згідно із систематичною номенклатурою назви всіх органічних сполук складають за однаковою загальною схемою:

1. Родоначальна структура. Це частина молекули, що містить головний карбоновий ланцюг. Головним ланцюгом зазвичай є:

Назва родоначальної структури утворюється від назви відповідного алкану та суфікса, що позначає ступінь насиченості.

2. Префікс. У більшості сполук з головним ланцюгом сполучені певні атоми чи групи атомів (атоми Гідрогену не враховуються). Ці атоми та групи атомів називають замісниками, оскільки, щоб приєднатися до головного ланцюга, вони замістили в ньому атом Гідрогену.

У префіксах перелічують назви замісників. Якщо замісник складається з одного атома, то його називають за назвою хімічного елемента (Хлор, Бром тощо). Назви замісників, утворених з алканів, утворюються від назв відповідних їм алканів заміною суфікса -ан- на суфікс -іл- (-ил-):

Разом із назвою замісника зазначають локант — цифру, що позначає номер атома Карбону головного ланцюга, з яким сполучений замісник. Локантами також зазначають положення кратного зв’язку та характеристичної групи:

3. Суфікс. Суфіксом зазвичай позначають наявність характеристичних груп. Ви вже знаєте, що в назвах спиртів до назв родоначальної структури додають суфікс -ол-, яким позначають наявність групи -OH. Докладніше із цим ви ознайомитеся під час вивчення інших класів органічних сполук.

Отже, за систематичною номенклатурою назви органічних сполук відповідають загальній схемі:

Замісники часто називають радикалами. Якщо розірвати ковалентний зв’язок між головним ланцюгом та замісником, то зі спільної електронної пари кожний атом забирає по одному електрону, який стає неспареним. А частинки з неспареними електронами називають радикалами. Але це застаріла практика називати замісники радикалами.

Складання назв алканів за систематичною номенклатурою

Алгоритм складання назв алканів:

• 1) виокремити головний ланцюг;
• 2) визначити замісники;
• 3) пронумерувати атоми Карбону головного ланцюга;
• 4) скласти назву за схемою: префікс, назва родоначальної структури.

1. Виокремити родоначальну структуру. В алканів — це найдовший карбоновий ланцюг. У другому з наведених прикладів головним є ланцюг із шістьох атомів Карбону:

3. Нумеруємо атоми Карбону головного ланцюга. Нумерацію слід починати з того боку, до якого ближче розгалуження або замісник:

Якщо замісники розташовані на однаковій відстані від кінців головного ланцюга, то необхідно звертати увагу на склад замісників: якщо вони однакові, то немає різниці, з якого боку розпочинати нумерацію. А якщо замісники різні, то нумерують з боку найстаршого замісника. Галогени є більш старшими замісниками за вуглеводневі замісники (у більшості випадків старшинство можна визначити за атомною масою).

4. Складаємо назву сполуки згідно зі схемою: префікс + родоначальна структура (суфіксу немає, оскільки в алканів відсутні характеристичні групи):

Якщо замісників кілька, то в назві сполуки їх наводять в алфавітному порядку. Якщо є кілька однакових замісників, то їхню назву наводять тільки один раз, а їх число вказують множинними префіксами. Обов’язково цифрами через кому вказують положення (локант) кожного з однакових замісників.

Зверніть увагу! Під час визначення алфавітного порядку замісників множинні префікси не враховують.

За таким алгоритмом можна скласти назву для будь-якого алкану або похідного від нього.

Для нерозгалужених алканів у назві додають слово «нормальний», що означає сполуку нормальної (нерозгалуженої) будови, або скорочено букву «н».

Складання формул органічних сполук за їхньою назвою

Складання формул за назвою — це зворотна задача. Для цього необхідно уважно проаналізувати назву сполуки та відповідно до неї складати формулу за таким порядком:

Наприклад, для сполуки 3-бромо-2,4-диметилгексан:

1. Записуємо головний ланцюг (родоначальну структуру) без атомів Гідрогену:

2. У відповідні місця ланцюга дописуємо формули замісників:

3. Дописуємо атоми Гідрогену відповідно до валентності Карбону:

Ключова ідея

Для визначення можливих структурних ізомерів алканів слід перебрати можливі комбінації сполучення атомів Карбону в ланцюг. Складання назв органічних сполук — це кодування хімічної будови молекул локантами та назвами фрагментів молекул (замісників та родоначальної структури).

Лінгвістична задача

• Слово «похідні» використовують для позначення сполук, подібних до родоначальної структури, що утворюється заміною певних атомів у молекулі на інші атоми чи групи атомів. Наприклад, хлоровмісні похідні алканів — це сполуки, що утворюються, якщо в молекулі певного алкану один чи кілька атомів Гідрогену замінити на атоми Хлору (хлорометан, дихлороетан тощо). Поясніть значення таких термінів: гідроксипохідні бензену, моногалогенопохідна пентану, тригалогенопохідні етанової кислоти, монобромопохідна бутану.

• У батьків народилися близнюки Петро та Михайло. Питання: «Скільки братів у родині?» Відповідь: два. Питання: «Скільки братів у Петра?» Відповідь: один. Хоча йдеться про ту саму родину, але відповіді різні. Так само існують особливості вживання слова «ізомер». З урахуванням наведеної аналогії визначте: а) скільки існує ізомерів з молекулярною формулою C₄H₁₀; б) скільки існує ізомерів у н-бутану?

Контрольні запитання

• 52. За якими ознаками класифікують вуглеводні? Уважно розгляньте схему класифікації вуглеводнів на с. 28. Які сполуки виділяють серед вуглеводнів? Які їхні характерні ознаки? Назвіть перших представників цих класів сполук.
• 53. Яка ізомерія характерна для алканів? Наведіть приклади ізомерів серед алканів.
• 54. Який порядок складання назв алканів за систематичною номенклатурою?
• 55. Як називають замісник, утворений: а) з метану; б) етану; в) пропану?

Завдання для засвоєння матеріалу

• 56. Скільки хімічних зв’язків C-C та C-H у молекулах: а) етану; б) 2-метилпропану; в) бутану?
• 57. Серед наведених вуглеводнів визначте, які з них є насиченими: C₇H₁₄, C₂H₂, C₈H₈, C₆H₆, C₁₀H₂₂.
• 58. Складіть структурні формули всіх алканів з п’ятьма та сіма атомами Карбону в молекулі. Назвіть їх.
• 59. Яка молекулярна формула алкану з 14 атомами Карбону?
• 60. Складіть молекулярну формулу алкану, молекули якого містять: а) 18 атомів Карбону; б) 36 атомів Гідрогену.
• 61. Укажіть, які з наведених структурних формул відповідають одним і тим самим сполукам:

• 63. Складіть назви всіх речовин, структурні формули яких наведено в цьому параграфі.
• 64. Складіть назви сполук за наведеними структурними формулами.

• 65. Складіть структурні формули: а) 3-метилпентану; б) 2,3-диметилгексану; в) 2,4-дихлоропентану; г) 1,2-дибромоетану; д) 2,2,3-триметилпентану; е) 3-етил-2,5-диметилгексану; є) 3,3-діетилпентану; ж) 2,2,3,3-тетраметилбутану.
• 66. За наведеними моделями молекул алканів складіть їхні скорочені структурні формули та назви.

2-метилпентан, 2-метилбутан, 2,2-диметилбутан, 3-метилпентан, бутан, 2-хлоропропан.

• 68. Серед наведених хлоропохідних етану визначте ті, що можуть існувати у вигляді кількох ізомерів:

Складіть структурні формули та назви всіх можливих ізомерів.

Комплексні завдання

• 69. Хлоропохідна насиченого вуглеводню має відносну молекулярну масу 237. У цій сполуці масова частка Хлору становить 89,9 %, Карбону — 10,1 %. Визначте її молекулярну формулу.

Завдання з розвитку критичного мислення

• 70. Запропонуйте алгоритм для складання формул усіх можливих ізомерів алканів. На які моменти слід звернути особливу увагу?
• 71. Студент помилково назвав сполуку 1,1,1-триметилетан. Якою має бути назва цієї сполуки?
• 72. Як ви вважаєте, чому ізомери мають різні хімічні та фізичні властивості?

• 73. Диметилмеркурій — органічна сполука, в якій два метильні залишки сполучаються з атомом Меркурію. Ця речовина становить значну екологічну загрозу для живих організмів, особливо мешканців водойм. Знайдіть інформацію, як ця сполука впливає на живі істоти. В яких місцевостях поширена ця сполука? Чи є загроза для вашої місцевості?

§ 3. Алкани. Структурна ізомерія й систематична номенклатура алканів

• Алкани — загальна назва насичених вуглеводнів ациклічної будови. Їх молекули складаються з атомів двох хімічних елементів — Карбону й Гідрогену, наприклад: С₃Н₈ (пропан), С₁₀Н₂₂ (декан), С₂₀Н₄₂ (ейкозан).

• Валентні можливості кожного атома Карбону в молекулах алканів максимально використані для сполучення з атомами Гідрогену.

• Алкани є сполуками з ковалентним зв’язком. Між атомами Карбону зв’язки одинарні неполярні, між атомами Карбону й Гідрогену — слабкополярні.

• Алкани — речовини без кольору, нерозчинні у воді. За звичайних умов газоподібний агрегатний стан мають алкани з кількісним складом Карбону в молекулі від одного до чотирьох атомів (С₁-С₄), рідкий — від п’яти до п’ятнадцяти (С₅-С₁₅), решта — тверді речовини (мал. 3). Газоподібні алкани без запаху, рідкі — із запахом бензину.

Мал. 3. Використання алканів

• Температура кипіння і плавлення алканів підвищується зі збільшенням їх молекулярної маси та довжини карбонового ланцюга. Що більш розгалуженим є карбоновий ланцюг алкану, то вища в нього температура кипіння та плавлення.

Попрацюйте групами

1. Переконайтеся, що молекулярні формули гомологів метану відповідають одній загальній формулі С_nН_2n+2, де n — кількість атомів Карбону в молекулі.

Виконуючи це завдання, спершу за загальною формулою C_nH_2n+2 складіть молекулярні формули алканів з кількістю атомів Карбону в молекулі 2, 5, 7, 10, назвіть їх.

Звірте їх з формулами цих речовин у таблиці 1 на с. 8.

2. Складіть молекулярні формули алканів, що містять: а) 16 томів Карбону; б) 32 атоми Гідрогену; в) на 4 атоми Карбону більше, ніж нонан; г) на шість атомів Гідрогену менше, ніж декан.

СТРУКТУРНА ІЗОМЕРІЯ АЛКАНІВ. Алканам, починаючи з бутану, властива структурна ізомерія, зумовлена різною послідовністю сполучення атомів Карбону в молекулі. Наприклад, у молекулі гексану С₆Н₁₄ шість атомів Карбону можуть мати п’ять різних розташувань. Отже, гексан може існувати у вигляді п’яти ізомерів:

Карбон-карбонові ланцюги, як у першій напівструктурній формулі, називають лінійними. Решта ланцюгів — розгалужені.

НОМЕНКЛАТУРА АЛКАНІВ. У попередньому пункті параграфа наведені напівструктурні формули п’яти різних речовин і кожна має свою назву. Немає потреби вивчати їх напам’ять, достатньо знати й застосовувати правила номенклатури.

Номенклатура — це мова хімії, що використовується для передачі складу й будови речовин їхніми назвами.

Номенклатура алканів, як і всіх інших класів органічних речовин, склалася не одразу. І сьогодні в літературі трапляються три види номенклатури: тривіальна, раціональна й систематична. Остання нині є найбільш уживаною, її ми й будемо дотримуватись.

У таблиці 1 (с. 8) вказано напівструктурні формули десяти алканів з нерозгалуженими карбон-карбоновими ланцюгами.

Вуглеводні з нерозгалуженими карбон-карбоновими ланцюгами називають нормальними і в їхній назві зазначають про це літерою н (через дефіс) перед назвою сполуки. Наприклад: н-гексан СН₃—СН₂—СН₂—СН₂—СН₂—СН₃.

Назви насичених вуглеводнів розгалуженої будови складають з дотриманням зазначених нижче правил.

ПРАВИЛА НОМЕНКЛАТУРИ АЛКАНІВ. Щоб назвати алкан, вам потрібно виконати дії у наведеній нижче послідовності.

Примітка: розглядаючи кожне правило, знаходьте дії на його підтвердження в таблиці 4 на с. 31.

Дія 1. У структурній формулі алкану розгалуженої будови оберіть головний карбоновий ланцюг. Це найдовший з можливих суцільних карбонових ланцюгів, що містить найбільшу кількість найпростіших замісників.

Замісник — хімічна частинка з неспареним електроном. Прикладами таких частинок є вуглеводневі замісники, характеристичні (функціональні) групи, атоми галогенів. Вони можуть заміщувати в головному ланцюзі один або кілька атомів Гідрогену.

Для одновалентних вуглеводневих замісників, утворених з відповідних насичених вуглеводнів, у назві використовують суфікс -ил (-іл), замість -ан (табл. 3, с. 30).

Якщо у формулі алкану можна виділити кілька ланцюгів з однаковою кількістю атомів Карбону, то за головний оберіть той, у якого більше замісників.

Дія 2. Атоми Карбону головного ланцюга слід пронумерувати арабськими цифрами (за правилами систематичної номенклатури їх називають локанти).

Локант — цифра, що вказує на положення замісника, подвійного і потрійного зв’язків у молекулі.

Дотримуйтесь такої послідовності дій:

а) нумерацію починайте з того кінця, де Карбон, біля якого розташований замісник, матиме менший локант;

б) якщо різні замісники перебувають на однаковій відстані від обох кінців ланцюга, то нумерацію здійсніть звідти, де розташований простіший замісник;

в) якщо однакові замісники, що визначають нумерацію ланцюга, рівновіддалені від обох кінців ланцюга, то нумерацію почніть з того кінця, де більше замісників.

Алкани та відповідні їм одновалентні замісники

Дія 3. Запишіть в алфавітному порядку назви замісників:

а) першими завжди пишіть локанти (номери) атомів Карбону головного ланцюга, біля якого (яких) є замісник (замісники). Пам’ятайте! Скільки однакових замісників має один атом Карбону, стільки разів записують його локант;

б) цифри, якими позначені локанти, відділяйте одну від одної комами, а після останньої (перед назвою замісника) ставте дефіс;

в) кількість однакових замісників зазначайте перед його назвою префіксами («ди» — два, «три» — три, «тетра» — чотири);

г) перелік замісників здійснюйте в алфавітному порядку, не враховуючи їх складності.

Дія 4. Складіть повну назву речовини (без відступу від зробленого запису щодо замісників, запишіть назву алкану, обраного за головний ланцюг).

За таблицею 4 опрацюйте алгоритм складання за розглянутими правилами назви конкретного алкану зі структурною формулою:

Алгоритм складання назви алкану

СКЛАДАННЯ СТРУКТУРНОЇ ФОРМУЛИ АЛКАНУ ЗА НАЗВОЮ. Знання номенклатури дають змогу не лише називати органічні речовини, а й за їхніми назвами складати структурні формули.

З алгоритмом складання структурної формули алканів ознайомтесь на прикладі алкану 3-етил-2,4-диметилгексану (табл. 5, с. 32).

Алгоритм складання структурної формули алкану за його назвою

Складаючи назви насичених вуглеводнів, зазначають місце й назви атомів чи груп атомів, що замістили Гідроген у сполуці, та назву насиченого вуглеводню, що утворює головний ланцюг.

Попрацюйте групами

1. Назвіть за систематичною номенклатурою наведені на с. 28 в пункті «Структурна ізомерія алканів» цього параграфа ізомери гексану.

2. Складіть структурні формули:

Стисло про основне

• Алкани — насичені вуглеводні, склад молекул яких відповідає загальній формулі С_nН_2n+2.

• Назви всіх алканів закінчуються суфіксом -ан, а утворених з них одновалентних замісників — -ил (-іл).

• Алканам властива структурна ізомерія. Вона зумовлена різною послідовністю сполучення атомів Карбону в карбоновому ланцюзі.

• Найпоширенішою сучасною номенклатурою алканів є систематична номенклатура.

Сторінка ерудита

Просторова будова алканів. Просторове розташування атомів у молекулі метану (перший представник алканів) відображено за допомогою об’ємної (масштабної) і кулестрижневої моделей на малюнку 4.

Мал. 4. Моделі молекули метану: а — об’ємна (масштабна); б — кулестрижнева

Кут між напрямками хімічних зв’язків атома Карбону з атомами Гідрогену в молекулі метану дорівнює 109°28′. Для молекул алканів, що містять більше двох атомів Карбону, характерною є зигзагоподібна форма карбонового ланцюга, у якому також зберігається валентний кут 109°28′ між атомами Карбону (мал. 5).

Мал. 5. Кулестрижнева модель молекули н-пентану

Валентний кут — кут між напрямками хімічних зв’язків атома в молекулах чи кристалах.

Знаємо, розуміємо

• 1. Назвіть загальну формулу алканів.
• 2. Сформулюйте основні правила систематичної номенклатури алканів.
• 3. Схарактеризуйте якісний склад алканів.
• 4. Який хімічний зв’язок атомів у молекулах алканів?

Застосовуємо

1. Укажіть загальну формулу гомологів метану.

2. Назвіть алкани за систематичною номенклатурою.

Чи належать ці речовини до ізомерів? Відповідь обґрунтуйте.

3. Складіть структурні формули речовин за назвами:

• а) 3,5-диетилгептан;
• б) 3-метил-5-пропілнонан;
• в) 2,2,5-триметилгептан;
• г) 2,3-диметилгептан.

4. Укажіть, які з назв алканів не відповідають систематичній номенклатурі:

5. Формули скількох речовин зображено? Назвіть ці речовини:

6. Укажіть, у яких випадках припустилися помилки в нумерації головного карбонового ланцюга:

Зробіть правильну нумерацію, назвіть сполуки за систематичною номенклатурою.

7. Виведіть молекулярну формулу вуглеводню, масова частка Карбону в молекулі якого дорівнює 80 %, а густина за повітрям становить 1,034.