Изомерия насыщенных углеводородов

Вернемся к выводу формул строения более сложных предельных углеводородов путем последовательного замещения атома водорода в молекуле более простого углеводорода на радикал метил. Из этана С₂Н₆ таким образом может быть выведен пропан – углеводород состава С₃Н₈, которому соответствует одновалентный радикал пропил состава С₃Н₇—. Напишем еще раз упрощенную структурную формулу пропана, обозначив в ней атомы углерода: С^aН₃—С^bН₂—С^aН₃. Из этой формулы видно, что в пропане не все углеродные атомы одинаковы по своему положению в молекуле. Каждый из двух атомов углерода, обозначенных буквой a, затратил только по одной валентной связи на соединение с другим углеродным атомом. Такие атомы углерода называют первичными углеродными атомами. Углеродный атом, обозначенный буквой b, затратил на соединение с другими углеродными атомами две валентные связи и поэтому называется вторичным углеродным атомом. Первичные углеродные атомы входят в состав метильных групп, вторичный – в состав группы ¾ СН₂¾, которую называют метиленовой группой. Первичные углеродные атомы в молекуле пропана равноценны между собой, так как они связаны с одним и тем же вторичным углеродным атомом. Следовательно, равноценны и все атомы водорода, связанные с обоими первичными углеродными атомами, но они отличаются по положению от атомов водорода, соединенных с вторичным углеродом.

Таким образом, очевидно, что при отнятии атома водорода от молекулы пропана могут образоваться два остатка состава С₃Н₇ ¾: один при отнятии водорода от каждого из первичных углеродных атомов; его называют первичным пропилом, или просто пропилом; второй – при отнятии водорода от вторичного углеродного атома; его называют вторичным пропилом, или изопропилом:

ï

СН₃—СН₂—СН₂ ¾ СН₃—СН—СН₃

пропил вторичный пропил (изопропил)

При замещении одного атома водорода в молекуле пропана на остаток метил или, что то же самое, при соединении пропильного остатка С₃Н₇ ¾ с метильным остатком СН₃ ¾ образуется следующий в ряду гомолог С₄Н₁₀ углеводород, получивший название бутан. Однако на основании выше изложенного следует сделать вывод, что бутанов может быть два. Один образуется при соединении метила с первичным пропильным остатком, его структурная формула и упрощенная формула имеет следующий вид:

Н Н Н Н

ï ï ï ï

Н—С—С—С—С—Н бутан (а) СН₃—СН₂—СН₂—СН₃

ï ï ï ï

Н Н Н Н

Второй углерод состава С₄Н₁₀ образуется при соединении метила с вторичным пропильным остатком, и его строение может быть выражено формулами:

Н Н Н СН₃—СН—СН₃

ï ï ï ï

Н—С—С—С—Н СН₃ изобутил (б)

½ ½ ½

Н С Н

½

Н Н Н

Перед нами два вещества, имеющие одинаковый состав, но в одном (а) четыре атома углерода образуют неразветвленную цепь, во втором (б) имеется цепь из трех углеродных атомов, а один углерод (метильная группа) образует боковое ответвление (боковую цепь). Оба соединения являются предельными углеводородами, атомы углерода в них четырехвалентны, и все их валентные связи насыщены. Однако эти вещества отличаются по физическим свойствам: оба они газы, но углерод с неразветвленной цепью кипит при -0, 5 ^оС, углеводород с разветвленной цепью – при -11, 7 ^оС. Выведенные углеводороды (а и б) – вещества, одинаковые по качественному и количественному составу, но различные по свойствам, так как они имеют различное химическое строение, т.е. отличаются последовательным порядком взаимной связи атомов и, следовательно, являются изомерами.

Изомеры с неразветвленной цепью углеродных атомов называются нормальнымисоединениями; в частности, предельные углеводороды, у которых углеродные атомы образуют единую цепь, называются нормальными углеводородами или сокращенно н-углеводородами. Изомеры с разветвленной цепью углеродных атомов называются соединениями изостроения или изосоединениями (в частности, изоуглеводородами). Поэтому один из углеводородов С₄Н₁₀ (а) представляет собой н-бутан (или просто бутан), а второй (б) – изобутан.

Как видно из изложенного, изомерные насыщенные углеводороды различаются лишь строением своих углеродных цепей. Поэтому изомерию насыщенных углеводородов обычно называют изомерией углеродного скелета или изомерией цепи. В других классах соединений встречаются иные, более сложны виды изомерии.

Разберем теперь, какие радикалы могут образоваться из двух изомерных бутанов. Для этого еще раз напишем их формулы и обозначим углеродные атомы:

_{а б б а а г а}

СН₃—СН₂—СН₂—СН₃ СН₃—СН—СН₃

бутан изобутан ï _а

СН₃

В молекуле бутана атомы (а) являются первичными углеродными атомами и равноценны по своему положению в молекуле. Атомы (б) представляют собой вторичные углеродные атомы и также равноценны между собой. Таким образом, из бутана путем отнятия одного атома водорода от каждого из первичных углеродных атомов может быть получен радикал – первичный бутил (или просто бутил); при отнятии водорода от каждого из вторичных углеродных атомов образуется радикал – вторичный бутил:

СН₃—СН₂—СН₂—СН₂ СН₃—СН—СН₂—СН₃

бутил ï ï вторичный бутил

В молекуле изобутана углеродные атомы (а) являются первичными, а атом (г) – третичным углеродным атомом, т.к. на соединение с другими углеродными атомами затрачено три его валентные связи.

Все первичные углеродные атомы равноценны между собой, поскольку они соединены с одним и тем же третичным углеродом. Поэтому при отнятии атома водорода от каждого из первичных углеродов изобутана образуется радикал первичный изобутил (или просто изобутил), а при отнятии водорода от третичного углеродного атома – третичный изобутил:

СН₃—СН—СН₂— (i) ½

½ СН₃—С—CH₃ (ii)

CH₃ ½

CH₃

(i)– первичный изобутил, (ii) – третичный изобутил.

Таким образом, возможны четыре бутильных остатка состава С₄Н₉—.