Алканы. Гомологический ряд, номенклатура, строение, изомерия. Понятие о конформационных превращениях алканов. Проекционные формулы Ньюмена.

Алканы, или парафины, - алифатические предельные УВ, в молекулах которых атомы углерода связаны между собой простой (одинарной) сигма – связью. Простейшим представителем и родоначальником предельных УВ является метан CH_4. По названию этого соединения все предельные УВ называют также метановыми УВ. Строение молекулы можно представить структурной формулой:

H

H-C-H

H

Каждый предельный УВ можно произвести от соответствующего предыдущего члена гомологического ряда путём замещения одного атома водорода метилом; тем самым состав молекулы усложняется на группу CH₂ (метилен).Соединения с неразветвлённой углеродной цепью, как, например, бутан, пентан, называют соединениями нормального строения; если же цепь имеет разветвления, то говорят об изостроении. Примерами соединений, обладающих изостроением, могут служить изобутан, изопентан.

Все предельные УВ, или Алканы, объединяют в ряд, руководствуясь при этом ростом числа углеродных атомов в этих УВ:

CH₄ – метан C₆H₁₄ - гексан

C₂H₆ – этан C₇H₁₆ - гептан

C₃H₈ - пропан C₈H₁₈ - октан

C₄H₁₀ – бутан C₉H₂₀ - нонан

C₅H₁₂ – пентан C₁₀H₂₂ – декан и т.д.

Подобный ряд соединений, представители которого обладают близкими химическими свойствами и характеризуются закономерным изменением физических свойств, а по строению отличаются друг от друга на одну или несколько CH₂ – групп, называют гомологическим рядом, а отдельные члены этого ряда – гомологами.

Гомологический ряд – это систематический ряд веществ, отличающихся друг от друга своими индивидуальными свойствами, но совокупность которых может быть выражена одной общей формулой. Для гомологического ряда предельных УВ общая формула имеет вид C_nH_2n+2.

Номенклатура. Для названия предельных УВ используют в основном систематическую и рациональную номенклатуры. Названия первых четырёх членов гомологического ряда метана тривиальные: метан, этан, пропан и бутан. Названия следующих гомологов, начиная с пятого, образуются сочетанием греческого числительного и суффикса –ан. Согласно систематической номенклатуре органических соединений названия УВ составляют следующим образом:

1) В молекуле УВ выбирают главную цепь – самую длинную.

2) Затем эту цепь нумеруют с того конца, к которому ближе радикал – заместитель.

3) УВ называют в таком порядке: вначале указывают место расположения заместителя, затем называют этот заместитель (радикал), а в конце добавляют название главной (самой длинной) цепи.

Если в главной цепи содержится несколько одинаковых заместителей, то их число обозначают греческим числительным (ди-, три-, тетра-), которое ставят перед названием этих радикалов, а их положение указывают цифрой.

Изомерия.

Изомерия – явление пространственное и структурное. Оно определяется особенностями структуры молекулы и изменением порядка(или последовательности) связи атомов.

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

H H H H H H

H-C-H метан H-C-C-H - этан H-C-C-C-H - пропан

H H H H H H

Если же в молекуле УВ содержится более трёх атомов углерода, то порядок соединения их между собой может быть различным. Например, для УВ с суммарной (молекулярной) формулой C₄H₁₀ (бутан) можно представить две различающиеся между собой структуры:

H H H H

H-C-C-C-C-H - н –бутан (н-C₄H₁₀)

H H H H

В зависимости от положения в углеродной цепи атом углерода может быть первичным (если углерод затрачивает одну валентность на непосредственную связь с другим углеродным атомом), вторичным (если он соединён с двумя другими углеродными атомами), третичным (в случае его связи с тремя атомами углерода) и четвертичным (если он связан с четырьмя углеродными атомами).

В молекулах УВ нормального строения бывают только первичные и вторичные атомы углерода. В молекулах соединений изостроения есть третичные или четвертичные атомы углерода. В молекуле изобутана третичный атом углерода затрачивает три единицы валентности на связь с тремя другими атомами углерода и одну единицу валентности – на связь с одним атомом водорода.

Алканы с длиной цепи С₅ и больше при высоких температурах и особенно при содействии катализаторов склонны к замыканию циклов. В результате возникают циклоалканы – насыщенные циклические УВ C_nH_2n, примером которых может быть цикло пентан:

Н₂С-СН₂

Н₂С СН₂

СН₂

По характеру реакций замещения атома водорода и по физическим свойствам циклоалканы принципиально не отличаются от алканов. Следовательно сам по себе цикл из атомов углерода не меняет свойств углеродных цепей и С-Н-связей. Алканы способны видоизменить свою углеродную цепь, а циклоалканы свой цикл за счёт введения п-связи. В результате превращения алканов возникают химически ненасыщенные УВ – линейные (или алкены) и циклические – циклоалкены.