§ 35. ІНШІ МОНОСАХАРИДИ. ОПТИЧНА ІЗОМЕРІЯ

Інші моносахариди. До гексоз належить і фруктоза. Вона має таку саму молекулярну формулу, що й глюкоза, а саме С₆Н₁₂О₆. Отже, глюкоза й фруктоза — структурні ізомери. У водному розчині фруктоза існує у трьох формах: α-, β- й відкритій. На відміну від глюкози фруктоза утворює не шести-, а п’ятичленний цикл, а у відкритій формі це не альдегідо-, а кетоноспирт:

Крім того, на відміну від глюкози фруктоза не дає реакції «срібного дзеркала».

Поясніть цей факт, спираючись на знання реакцій окиснення альдегідів і кетонів.

Фруктоза — найсолодша з вуглеводів, вона втричі солодша за глюкозу, дуже поширена в рослинному світі, міститься в яблуках, томатах, у меду (до 50 %). Бджолиний мед складається переважно з глюкози й фруктози.

По п’ять атомів Карбону входять до складу молекул рибози С₅Н₁₀О₅ і дезоксирибози С₅Н₁₀О4, тобто вони є пентозами. У молекулі дезоксирибози, на відміну від рибози, до другого атома Карбону замість гідроксильної групи приєднаний Гідроген (дезокси — без Оксигену). У водних розчинах цих сполук містяться незначні кількості відкритої форми, а також α- і β-форми:

Рибоза є невід’ємним складником кожного клітинного ядра та цитоплазми і входить до складу рибонуклеїнових кислот, важливих регуляторів синтезу білків у живих організмах. Дезоксирибоза міститься в дезоксирибонуклеїнових кислотах, що є універсальною скарбницею і джерелом спадкової інформації живого організму.

Оптична ізомерія. Молекулі глюкози властива не лише структурна ізомерія. Існують ще шістнадцять альдегідоспиртів складу С₆Н₁₂О₆, але різної просторової будови — так звані оптичні ізомери (мал. 121, с. 194).

Мал. 121. Оптичні ізомери

Ці сполуки мають однакові температури плавлення й кипіння, розчинність та інші фізичні й хімічні властивості, але різняться деякими оптичними характеристиками, які ми тут не розглядаємо. Звідси й назва — оптичні ізомери.

Причина збільшення числа ізомерів полягає в існуванні так званих асиметричних атомів Карбону та відповідно асиметричних молекул. Такі молекули є ніби дзеркальним відображенням одна одної. Це можливо в усіх випадках, коли атом Карбону зв’язаний із чотирма різними замісниками.

Зберемо дві однакові моделі молекули метану. Замінимо на них три однакові кульки, що зображають атоми Гідрогену, на різнобарвні кульки, що зображають атоми Флуору, Брому, Хлору. На одній із моделей поміняємо місцями будь-які дві кульки (Br і F). Просторову будову таких молекул на папері зображають за допомогою перспективних формул:

Тепер спробуємо на моделях чи на папері сумістити ці формули одна з одною. Це виявиться неможливим, оскільки формули є дзеркальним відображенням одна одної, як ліва і права руки (мал. 122, с. 194). Саме такі молекули, в яких є атоми Карбону, сполучені з чотирма різними замісниками, можуть мати більше число ізомерів і саме оптичні ізомери (їх називають антиподами).

Мал. 122. Ліва й права руки — дзеркальне відображення одна одної

Зобразимо формулу глюкози в альдегідній формі та її антипод:

У молекулі глюкози є чотири асиметричні атоми Карбону (2, 3, 4, 5), біля яких замісники можуть розміщуватися в різний спосіб. У кожному окремому випадку маємо справу з оптичним ізомером глюкози. А разом їх: 2 n = 2 4 = 16, тобто 8 пар антиподів.

Явище оптичної ізомерії дуже поширене у природі й має особливе значення для функціонування білків, нуклеїнових кислот, ферментів. Від просторової будови залежать також властивості природних і синтетичних полімерів.

Оптична ізомерія, як і геометрична (цис-, транс-ізомерія), належить до просторової (стерео) ізомерії. Просторові ізомери є предметом вивчення стереохімії — науки про зв’язки просторової будови молекул з їхніми фізичними та хімічними властивостями.

Завдання для самоконтролю

1. Наведіть приклади гексоз і пентоз.

2. Чим різняться за хімічною будовою глюкоза й фруктоза?

3. Чому фруктоза не дає реакції «срібного дзеркала»?

4. Поясніть назву вуглеводу дезоксирибоза.

5. Назвіть причину існування оптичних ізомерів.

6. Виберіть правильні твердження щодо асиметричного атома Карбону.

А перебуває в іншому стані гібридизації

Б зв’язаний із чотирма різними замісниками

В є причиною існування оптичної ізомерії

Г є причиною існування цис-, транс-ізомерії

7. Які види ізомерії вам відомі? Наведіть приклади.

8. Складіть формули оптичних ізомерів (антиподів) гексоз із такими структурними формулами:

Спробуйте скласти формули інших можливих ізомерів глюкози.

ІЗОМЕРІЯ

Структурна Ізомерія — явище існування сполук, які мають однакові молекулярні формули, але відрізняються порядком сполучення атомів у молекулі. Структурна ізомерія поділяється на ізомерія ланцюга, положення та ізомерія функціональних груп.

Ізомерія ланцюга зумовлена різною послідовністю зв’язування атомів, які утворюють вуглецевий кістяк молекули. Напр., бутан та ізобутан:

Для органічних сполук циклічної будови І. ланцюга може бути спричинена розміром циклу. Напр., циклогексан і метилциклопентан:

Ізомерія положення зумовлена різним положенням функціональних груп, замісників чи кратних зв’язків у молекулі.

Ізомерія функціональних груп зумовлена присутністю в ізомерах однакового складу різних за природою функціональних груп: етанол — диметиловий етер:

Просторова ізомерія— явище, яке полягає в існуванні сполук з однаковими молекулярними формулами, однаковою послідовністю сполучення атомів у молекулі, але з різним розташуванням атомів у просторі. Просторові ізомери називають також стереоізомерами (грец. stereos — просторовий). Просторова І. поділяєтся на конфігураційну і конформаційну.

Конфігураційна ізомерія включає оптичну та геометричну.

У 1815 р. Ж. Біо відкрив існування оптичної активності для органічних сполук. Було встановлено, що деякі органічні сполуки мають здатність обертати площину поляризації поляризованого світла. Речовини з такою здатністю називають оптично активними. Оптичну активність вимірюють за допомогою приладів, які називають поляриметрами. Під час проходження поляризованого променя крізь оптично активну речовину площина поляризації обертається на певний кут [α] ліворуч чи праворуч. Якщо речовина відхиляє площину поляризації праворуч (при спостереженні назустріч променю), її називають правообертальною (+), якщо ліворуч — лівообертальною (–).

Явище оптичної активності поширене серед органічних речовин, особливо природних (гідрокси- й амінокислот, білків, вуглеводів, алкалоїдів). Оптична активність більшості органічних сполук зумовлена їх будовою. Однією з причин виникнення оптичної активності органічних молекул є наявність у структурі sp 3 -гібридизованого атома карбону, зв’язаного з чотирма різними замісниками. Такий атом карбону називається хіральним або асиметричним (хіральний центр). У структурних формулах асиметричний атом вуглецю позначають зірочкою — С*:

Асиметричними можуть бути й інші атоми, напр. атом нітрогену, сульфуру, фосфору. Оптичну активність виявляють також сполуки, які не містять асиметричного атома — це похідні алену, адамантану, фероцену, ізомерія яких викликана відсутністю обертання навколо простого зв’язку, так звана атропізомерія. Оптична активність характерна також для спіральних конформацій білків, нуклеїнових кислот, гексагеліценів.

Сполуки, які містять один асиметричний атом карбону, існують у вигляді двох ізомерів, котрі співвідносяться як предмет до свого дзеркального відображення. Такі ізомери називають енантіомерами:

Моделі енантіомерних молекул бромйодхлорметану

Для відображення просторової будови оптичних ізомерів на площині можуть бути використані стереохімічні формули — енантіомери бутанолу-2:

Частіше оптичні ізомери зображують на площині за допомогою проекційних формул Фішера:

Енантіомери схожі між собою, але не тотожні, вони мають однаковий склад і послідовність зв’язування атомів у молекулі, але відрізняються один від одного відносним розташуванням атомів у просторі, тобто конфігурацією. Здатність молекул не суміщуватися зі своїм дзеркальним відображенням називають хіральністю (грец. cheir — рука), а такі молекули називають хіральними. Молекули, сумісні зі своїм дзеркальним відображенням, називають ахіральними. Хіральність молекул є обов’язковою умовою для виявлення речовиною оптичної активності. Оскільки молекула — тривимірне утворення, її будову можна розглядати з погляду симетрії геометричних фігур. Основними елементами симетрії є площина, центр і вісь симетрії. Якщо у молекулі відсутня площина симетрії, то така молекула хіральна. Енантіомери мають однакові фізичні і хімічні властивості, обертають площину поляризації поляризованого променя на один і той же за величиною, але протилежний за напрямком кут; вони з різною швидкістю реагують з іншими хіральними сполуками і відрізняються за фізіологічною дією.

Для порівняльної оцінки оптичної активності різних сполук використовують значення питомого обертання [α]. Питоме обертання є константою оптично активної речовини, яке характеризує оптичну активність розчину з концентрацією оптично активної речовини 1 г/мл при товщині шару 1 дм.

Для речовин у розчині [α]= α·100/l·c, де α — виміряний кут обертання, град.; l — товщина шару, дм; с — концентрація оптично активної речовини, г/100 мл розчину.

Якщо молекула має декілька асиметричних атомів карбону, то кількість можливих ізомерів збільшується. Кількість оптичних ізомерів визначають за формулою: N=2 n , де N — кількість ізомерів; n — кількість асиметричних атомів карбону. Для бромяблучної кислоти, що містить два асиметричних атоми, існує чотири стереоізомери (I–IV).

Стереоізомери I та II, а також III та IV є енантіомерами; стереоізомери I та III, I та IV, а також II та III, II та IV не є дзеркальними відображеннями один одного, вони відрізняються за конфігурацією при одному з асиметричних атомів карбону. Такі стереоізомери називають діастереомерами. На відміну від енантіомерів, діастереомери мають різні фізичні і хімічні властивості. Для сполук, які містять два хіральних атоми вуглецю, пов’язаних з однаковими замісниками, загальна кількість стереоізомерів зменшується до трьох.

Напр., винна кислота має існувати у вигляді чотирьох стереоізомерів (2 2 =4), а їх відомо лише три:

Стереомери I та II є енантіомерами. Стереоізомер III (мезо-форма) є оптично неактивним. Молекула мезовинної кислоти ахіральна. Кожен енантіомер винної кислоти щодо мезо-форми є діастереомером.

Номенклатура оптичних ізомерів. При формуванні назв оптично активних сполук поряд з назвою сполуки вказують також конфігурацію і знак обертання. Для позначення конфігурації оптичних ізомерів існують D,L- і R,S-стереохімічні системи.

D,L-система позначення конфігурації. Встановити абсолютну конфігурацію молекул вперше вдалося лише в 1951 р. методом рентгеноструктурного аналізу. До цього часу конфігурацію оптичних ізомерів встановлювали методом порівняння зі спеціально підібраною стандартною речовиною. Така конфігурація одержала назву відносної. У 1906 р. російським ученим М.А. Розановим як стандарт для встановлення відносної конфігурації був запропонований гліцериновий альдегід:

У формулі Фішера правообертальний ізомер містить гідроксильну групу у хірального атома карбону праворуч, а лівообертальний — ліворуч. Конфігурація правообертального ізомера позначається буквою D, а лівообертального — L. D,L-систему в основному застосовують у разі багатоатомних спиртів, гідрокси-, амінокислот і вуглеводів.

Для сполук з декількома асиметричними атомами карбону віднесення до D- чи L-ряду визначають за конфігурацією при верхньому асиметричному атомі карбону (амінокислоти, винні кислоти та ін.), у вуглеводах — за конфігурацією при нижньому.

R,S-система позначення конфігурації була запропонована Р. Каном, К. Інгольдом і В. Прелогом (абсолютна конфігурація). R,S-система побудована на визначенні старшинства замісників у хірального центру.

Згідно з R,S-системою старшинство замісників визначається атомними номерами елементів. Чим більшим є атомний номер, тим старше замісник:

Після встановлення старшинства молекулу орієнтують так, щоб замісник з найменшим порядковим номером знаходився якнайдалі від спостерігача. Якщо старшинство трьох інших замісників зменшується за годинниковою стрілкою, то молекула має конфігурацію R (лат. rectus — правий), а якщо старшинство замісників зменшується проти годинникової стрілки, конфігурацію позначають буквою S (лат. sinister — лівий):

Старшинство замісників для більш складних молекул встановлюється шляхом підрахунку атомних номерів елемента, спочатку безпосередньо зв’язаних з хіральним центром, а потім, якщо це необхідно, — елементів наступних елементних шарів. Суміш еквімолекулярної кількості енантіомерів називають рацемічною сумішшю (рацематом). Рацемати відрізняються від індивідуальних енантіомерів фізичними властивостями — вони можуть мати різну температуру плавлення, розчинність, відрізнятися за спектральними характеристиками.

Для розподілу рацематів на енантіомери використовують три методи:

1. Механічний. У результаті кристалізації деяких оптично активних сполук можуть утворюватися дві форми кристалів, схожих одна на одну як предмет та його дзеркальне відображення. Їх можна відокремити під мікроскопом препаративною голкою (механічно);
2. Біохімічний метод базується на тому, що певні види мікроорганізмів віддають перевагу одній з енантіомерних форм та з’їдають її, а інша залишається і може бути легко виділена;
3. Хімічний, в основі якого лежить переведення енантіомерів за допомогою оптично активних реагентів у діастереомери, що відрізняються за фізичними властивостями.

Геометрична ізомерія характерна для сполук, які містять подвійний зв’язок, та сполук аліциклічного ряду. Геометричні ізомери — це сполуки, що мають однакову молекулярну формулу, однакову послідовність зв’язування атомів, але відрізняються одна від одної різним розташуванням атомів або атомних груп у просторі відносно площини подвійного зв’язку або циклу. Причиною виникнення такої ізомерії є неможливість вільного обертання навколо подвійного зв’язку або σ-зв’язків, які утворюють цикл. Напр., бутен-2 СН₃–СН=СН–СН₃:

Для позначення конфігурації геометричних ізомерів, крім цис- та транс-, використовують E,Z-систему. E,Z-система є більш загальною, вона використовується для геометричних ізомерів з будь-яким набором замісників. В основі цієї системи лежить старшинство замісників, які визначають біля кожного атома карбону окремо. Якщо старші замісники з кожної пари розташовані по один бік від подвійного зв’язку, конфігурація позначається буквою Z (нім. zusammen — разом), якщо по різні боки — буквою E (нім. entgegen — навпроти):

Геометричні ізомери мають різні фізичні і хімічні властивості, спектральні характеристики. Така різниця дозволяє досить легко установити їх конфігурацію за допомогою фізичних і хімічних методів.

Конформаційна І. Конформаційна (поворотна) І. зумовлена обертанням атомів або атомних груп навколо одного чи декількох простих σ-зв’язків, у результаті чого молекули можуть мати різні просторові форми, які називають конформаціями. Напр., молекула етану внаслідок обертання навколо С–С зв’язку може мати безліч конформацій, кожна з яких характеризується певним значенням потенційної енергії. Дві крайні конформації називають заслоненою і загальмованою.

Заслонена конформація має максимальну енергію, а загальмована — мінімальну. Енергетична нерівноцінність конформацій пояснюється існуванням у молекулі торсійної напруги (напруги Пітцера), зумовленої взаємодією (відштовхуванням) електронних хмар протилежних зв’язків. Різниця енергій заслоненої і загальмованої конформації називається енергетичним бар’єром обертання. Для етану енергетичний бар’єр невеликий, становить близько 12 кДж/моль і легко переборюється молекулою за звичайних температур за рахунок енергії теплового руху.

При обертанні навколо С 2 –С 3 зв’язку в н-бутані можливі 4 крайні конформації, з яких 2 загальмовані та 2 заслонені:

Загальмована конформація, у якій метильні групи максимально віддалені одна від одної, називається антиконформацією. Інша загальмована конформація називається гош-конформацією. Загальмована гош-конформація має дещо більшу потенційну енергію (за рахунок метил-метильної взаємодії), ніж антиконформація. Конформації з найменшим запасом енергії називають конформерами чи конформаційними (поворотними) ізомерами. На відміну від конфігураційних ізомерів, конформери перетворюються один в одного без розриву хімічних зв’язків і не піддаються розподілу. Їх виявляють тільки фізико-хімічними методами.

Біологічна дія природних сполук (білків, вуглеводів, ліпідів, гормонів), яка відіграє важливу роль у життєдіяльності організму, тісно пов’язана з просторовою будовою, адже саме вона забезпечує стереоспецифічність біохімічних процесів.

Практично всі амінокислоти, що складають структуру білка, крім гліцину і β-аланіну, мають однакову конфігурацію і належать до L-ряду. Елементарною ланкою вуглеводів є молекули моносахаридів. У природі знайдені моносахариди переважно з D-конфігурацією.

До складу жирів можуть входити як насичені, так і ненасичені жирні кислоти, які містять один чи кілька подвійних зв’язків у вуглецевому ланцюгу, що приводить до існування геометричних ізомерів. Експериментально встановлено, що зазвичай більш стійкими є Е- (транс-) ізомери. Природні ж ненасичені жирні кислоти — структури з Z- чи цис-конфігурацією. Вважають, що Z-конфігурація надає вуглеводневому ланцюгу компактної структури, що важливо при побудові біологічних мембран, до складу яких входять ліпіди.

Каталізаторами біохімічних процесів у живому організмі є такі оптично активні сполуки, як ферменти і гормони, що мають білкову природу. Біологічну активність ЛП пов’язують із суворою відповідністю структури препарату і певних рецепторів, що дозволяє їм взаємодіяти один з одним в організмі. Стереоспецифічність дії препаратів розглядають з урахуванням обох видів стереоізомерії: конфігураційної і конформаційної. Найчастіше відмічають взаємодію ЛП з одним із стереоізомерів біологічної молекули. У цьому разі говорять про стереоспецифічність дії БАР.

Відомо, що перший синтетичний антибіотик левоміцетин, який широко застосовують у медичній практиці, — один з чотирьох існуючих оптичних ізомерів п-нітрофеніл-2-дихлорацетиламінопропандіолу-1,3; лівообертальний ізомер адреналіну (гормон надниркової залози) у 12 разів активніший порівняно зі своїм правообертальним ізомером, а з енантіомерів природного алкалоїду ефедрину як ЛП застосовують D-(–)-ефедрин, а правообертальний ізомер (псевдоефедрин) як ЛП не застосовують. У деяких випадках знаходять застосування обидва стереоізомери. Напр., у медичній практиці використовують як природну правообертальну, так і синтетичну лівообертальну камфору.

Асиметрично побудовані молекули відрізняються не тільки ступенем своєї фізіологічної дії, але й токсичністю. Напр., молекула алкалоїду нікотину має хіральний атом карбону й існує у вигляді двох ізомерів. Виявилося, що правообертальний ізомер у 3 рази менш токсичний порівняно з лівообертальним; у листі тютюну синтезується більш отруйний лівообертальний енантіомер.

Стереоспецифічність дії ЛП виявляється не тільки під час взаємодії з рецепторами. Перш ніж відбудеться ця взаємодія, ЛР проходить складний шлях у живому організмі, на якому зустрічається з цілою низкою біологічних молекул, проникає крізь біологічні мембрани, а те, що стереоізомер реагує тільки з певними рецепторами, вказує на специфічність дії ЛП.

Днепровский А.С., Темникова Т.И. Теоретические основы органической химии. — Л., 1979; Кери Ф., Сандберг Р. Углубленный курс органической химии. В 2 кн. — М., 1975; Ногради М. Стереохимия: основные понятия и приложения. — М., 1984; Потапов В.М. Стереохимия. — М., 1976; Черных В.П., Зименковский Б.С., Гриценко И.С. Органическая химия / Под общ. ред. В.П. Черных. — 2-е изд. — Х., 2007.

§ 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?