§ 5. Алкани: ізомерія та номенклатура

З усіх різновидів структурної ізомерії для алканів характерна лише 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, записуючи в різний спосіб формулу пропану, помилково визначають наявність у нього ізомерів:

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

Мал. 5.1. Модель молекули пропану

Мал. 5.2. Різні форми молекули бутану зумовлені можливістю обертання атомів Карбону навколо одинарного зв’язку. Як ви вважаєте, чи можуть існувати інші форми молекул бутану?

Як ви пам’ятаєте з курсу хімії 9 класу, хімічні зв’язки від атома Карбону в молекулі метану спрямовані до вершин тетраедра під кутом 109,5°. Але зв’язки в структурних формулах для зручності зазначають під кутом 180° або 90°. Наприклад, усі наведені структурні формули бутану є абсолютно однаковими. Поясніть, чому (мал. 5.2).

Утім, бутан є найпростішим алканом, у якого є ізомер. Так, існують дві речовини різної будови складу С₄Н₁₀:

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 кожний атом Карбону в ланцюзі утворює по чотири хімічні зв’язки.

Наприклад, складемо формули всіх можливих структурних ізомерів алканів складу С₆Н₁₄.

Найпростіше скласти структурну формулу нерозгалуженого алкану:

На наступному етапі скоротимо карбоновий ланцюг на один атом Карбону і з’єднаємо його з іншими атомами Карбону:

Потім змінюємо розміщення атомів Карбону в ланцюзі й отримаємо ще дві комбінації розміщення атомів Карбону в ланцюзі:

У такий спосіб можна скласти структурні формули всіх можливих ізомерів. Структурні формули можна записувати в інший спосіб. Наприклад, формули (4) i (5) можна записати так:

Іноді візуально визначити однакові структурні формули речовин складно.

Для того щоб порівняти дві, на перший погляд, різні структурні формули сполук, необхідно їх назвати й порівняти їхні назви. 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 «іюпак») 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 атомами Карбону головного ланцюга сполучені певні атоми чи групи атомів (атоми Гідрогену не враховуються). Ці атоми та групи атомів називають замісниками.

У префіксах зазначають назви замісників. Якщо замісник складається з одного атома, то його називають за назвою хімічного елемента (хлоро-, бромо- 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 — число, що позначає номер атома Карбону головного ланцюга, із яким сполучений замісник. Локантами також зазначають розміщення 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 -ОН. Докладніше із цим ви ознайомитеся під час вивчення інших класів органічних сполук.

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

префікс

родоначальна структура

суфікс

назви замісників за алфавітом із зазначенням локантів

назва головного ланцюга або циклічної cтруктури + зазначення ступеня суфіксами -ан-, -ен- (-єн-), -ин- (-ін-, -їн-)

позначення старшої характеристичної групи (-ол-, -амін- тощо)

Дізнайтеся більше

Замісники часто помилково називають радикалами. Але радикали — це частинки з неспареними електронами. На сьогодні практика називати замісники радикалами є застарілою, тому IUPAC не рекомендує використовувати термін «радикал» для позначення замісників.

Складання назв алканів та їхніх похідних за систематичною номенклатурою

Алгоритм складання назв алканів та їхніх похідних:

• 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. У молекулах алканів та їхніх похідних — це найдовший карбоновий ланцюг. У другому з наведених прикладів головним є ланцюг із шістьох атомів Карбону:

2. Визначаємо замісники:

3. Нумеруємо атоми Карбону головного ланцюга. Нумерацію починають із того кінця ланцюга, до якого ближче замісник:

Якщо замісники містяться на однаковій відстані від кінців головного ланцюга, то необхідно звертати увагу на склад замісників: якщо вони однакові, то немає різниці, з якого кінця ланцюга розпочинати нумерацію. А якщо замісники різні, то нумерують із кінця, до якого ближче замісник, назва якого за алфавітом стоїть раніше.

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

Якщо замісників кілька, то їхні назви записують за алфавітом. Якщо є кілька однакових замісників, то їхню назву наводять лише один раз, а їх число вказують множинними префіксами. Обов’язково числами через кому вказують розміщення (локант) кожного з однакових замісників.

Зверніть увагу! Під час визначення порядку називання замісників за алфавітом множинні префікси не враховують.

За таким алгоритмом можна скласти назву для будь-якого алкану або похідної 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 обернена задача. Для цього необхідно уважно проаналізувати назву сполуки та відповідно до неї складати формулу за таким алгоритмом:

Наприклад, навести структурну формулу 3-бромо-2,4-диметилгексану:

1. Записуємо головний ланцюг (родоначальну структуру):

2. Нумеруемо атоми Карбону в ланцюзі та у відповідні місця ланцюга дописуємо формули замісників:

3. Дописуємо символи атомів Гідрогену відповідно до валентності Карбону:

Ключова ідея

Для визначення кількості 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, що утворюються заміщенням 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 замістити атомами 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 складу С₄Н₁₀; б) скільки існує ізомерів н-бутану?

Контрольні запитання

• 52. За якими ознаками класифікують вуглеводні? Уважно розгляньте схему класифікації вуглеводнів на с. 28. Які групи сполук вирізняють серед вуглеводнів? Які їхні характерні ознаки? Назвіть перших представників цих гомологічних рядів.
• 53. Який тип ізомерії характерний для алканів? Наведіть приклади ізомерів серед алканів.
• 54. Опишіть алгоритм складання назв алканів за систематичною номенклатурою.
• 55. Укажіть назву замісника, утвореного: а) з метану; б) етану.

Завдання для засвоєння матеріалу

56. Скільки хімічних зв’язків С-С та С-Н у молекулах: а) етану; б) 2-метил-пропану; в) бутану?

57. З-поміж вуглеводнів, формули яких наведено, визначте ненасичені.

58. Складіть структурні формули всіх алканів з п’ятьма та сімома атомами Карбону в молекулі. Назвіть їх.

59. Запишіть молекулярну формулу алкану, у молекулі якого 14 атомів Карбону.

60. Запишіть молекулярну формулу алкану, молекули якого містять: а) 18 атомів Карбону; б) 36 атомів Гідрогену.

61. Укажіть, якими з наведених структурних формул описано склад тих самих сполук.

62. З-поміж наведених укажіть структурні формули: а) ізомерів; б) гомологів.

63. Запишіть назви всіх речовин, структурні формули яких наведено в тексті параграфа.

64. Запишіть назви сполук за їх 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 рисунками моделей молекул алканів складіть їхні скорочені структурні формули та назвіть ці алкани.

67. Із наведених назв сполук випишіть окремо: а) назви ізомерів гексану; б) назви гомологів гексану.

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

68. Із-поміж наведених молекулярних формул сполук укажіть ті, якими описано склад кількох ізомерів.

Складіть структурні формули цих ізомерів та назвіть їх.

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 для розвитку критичного мислення

• 70. Запропонуйте алгоритм 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. Як ви вважаєте, які замісники можуть утворитися пропаном? Складіть їхні структурні формули. Чи однаково їх називають?

§ 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:

2. Визначаємо замісники:

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:

• 62. Серед наведених структурних формул знайдіть формули ізомерів та гомологів.

• 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.

• 67. Із наведених сполук випишіть окремо: а) ізомери гексану; б) гомологи гексану.

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?

Міні-проект

• 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?