Изомерия алканов
Изомерия алканов — это существование веществ с одинаковой молекулярной формулой, но разным строением углеродного скелета. В теме важно научиться системно строить такие структуры, не повторять их и правильно называть по правилам номенклатуры алканов.
Основные понятия
Алканы — насыщенные углеводороды, в молекулах которых между атомами углерода имеются только одинарные связи. Каждый атом углерода в нормальном состоянии образует четыре ковалентные связи, поэтому углеродный скелет алкана представляет собой разветвлённую или неразветвлённую цепь атомов углерода.
Структурные изомеры — вещества с одинаковой молекулярной формулой, но разным порядком соединения атомов. Для алканов обычно рассматривают изомерию углеродного скелета: число атомов углерода одинаково, а цепь имеет разное разветвление.
Из формулы (1) видно, что у всех изомеров одного алкана одинаковы число атомов углерода и водорода. Например, молекулярной формуле \(\mathrm{C_5H_{12}}\) соответствуют три разных вещества. Их физические свойства могут различаться, но химическая формула остаётся одной и той же.
Две записи являются разными изомерами только тогда, когда после поворота, переворота или другого мысленного изменения положения молекулы они всё равно имеют разный порядок соединения атомов. Разное направление нумерации цепи или повернутая структурная формула новым изомером не являются.
У первых төрт алканов разветвление невозможно: для \(\mathrm{CH_4}\), \(\mathrm{C_2H_6}\), \(\mathrm{C_3H_8}\) и \(\mathrm{C_4H_{10}}\) существует по одному углеродному скелету. Начиная с пентана появляются варианты разветвления.
| Молекулярная формула | Алкан | Число структурных изомеров |
|---|---|---|
| \(\mathrm{CH_4}\) | метан | 1 |
| \(\mathrm{C_2H_6}\) | этан | 1 |
| \(\mathrm{C_3H_8}\) | пропан | 1 |
| \(\mathrm{C_4H_{10}}\) | бутан | 2 |
| \(\mathrm{C_5H_{12}}\) | пентан | 3 |
| \(\mathrm{C_6H_{14}}\) | гексан | 5 |
| \(\mathrm{C_7H_{16}}\) | гептан | 9 |
| \(\mathrm{C_8H_{18}}\) | октан | 18 |
| \(\mathrm{C_9H_{20}}\) | нонан | 35 |
| \(\mathrm{C_{10}H_{22}}\) | декан | 75 |
Алгоритм построения изомеров
Надёжнее всего строить изомеры не случайным перебором, а от наиболее длинной цепи к более разветвлённым скелетам. Перед началом определите число атомов углерода \(n\) и запишите формулу алкана \(\mathrm{C_nH_{2n+2}}\).
- Постройте неразветвлённую цепь из всех \(n\) атомов углерода. Это нормальный алкан.
- Укоротите главную цепь на один атом и вынесите этот атом как заместитель — метильную группу \(\mathrm{CH_3}\). Размещайте заместитель только в различающихся положениях.
- Если возможно, укоротите главную цепь ещё на один атом и рассмотрите два или более заместителя. Проверяйте, чтобы заместители не были соединены с одним атомом сверх допустимой валентности.
- Для каждого скелета проверьте валентность углерода: число связей каждого атома углерода должно быть не больше четырёх.
- Выберите самую длинную цепь и пронумеруйте её с ближайшего к заместителю конца. Названия нужны для проверки, но не должны создавать новые изомеры.
Если заместитель можно поставить на второй или предпоследний атом главной цепи, это один и тот же вариант после разворота цепи. Поэтому положения 2 и \(n-1\), 3 и \(n-2\) не различают, если остальные заместители расположены симметрично.
При построении удобно считать не атомы водорода, а только связи между атомами углерода. Если углеродный скелет построен правильно, атомы водорода добавляются автоматически до общей формулы алкана.
В формуле (2) \(N_{\mathrm{C}}\) — число атомов углерода, а \(N_{\mathrm{C-C}}\) — число связей углерод–углерод. Для любого связного ациклического скелета из \(n\) атомов углерода связей между углеродами \(n-1\), поэтому получается \(4n-2(n-1)=2n+2\) атома водорода.
Сколько структурных изомеров имеет бутан \(\mathrm{C_4H_{10}}\)?
Разобранный пример: изомеры пентана
Определим число и названия структурных изомеров алкана \(\mathrm{C_5H_{12}}\). Всего в молекуле пять атомов углерода, поэтому необходимо перечислить все допустимые способы соединить их в один углеродный скелет без циклов.
У \(\mathrm{C_5H_{12}}\) үш структурных изомера: пентан, 2-метилбутан и 2,2-диметилпропан. Других вариантов нет: при главной цепи из пяти атомов получается первый скелет, при цепи из четырёх — только один новый, при цепи из трёх — только один новый.
Подсчёт без пропусков и повторов
Для небольших алканов число изомеров находят построением скелетов. Универсальной простой школьной формулы, которая сразу даёт число изомеров для любого \(n\), обычно не используют: количество вариантов быстро растёт и определяется задачами комбинаторного перечисления.
Проверка по названию помогает заметить повтор. Сначала находят главную цепь, затем номера и названия заместителей. Если две записи после выбора главной цепи дают одинаковое название, это не два вещества. Однако одинаковое название, полученное разными способами, может быть признаком ошибки в построении.
| Признак | Что проверить |
|---|---|
| Формула | У всех нұсқа одна и та же \(\mathrm{C_nH_{2n+2}}\) |
| Связность | Все атомы углерода принадлежат одной молекуле |
| Валентность | У каждого углерода не более төрт связей |
| Уникальность | Скелет не получается поворотом или разворотом другого |
| Название | Выбрана самая длинная цепь и правильная нумерация |
1. Считать разное расположение молекулы новым изомером. 2. Различать положения заместителя 2 и 4 в симметричной цепи. 3. Оставлять слишком длинную боковую ветвь вместо включения её в главную цепь. 4. Нарушать четырёхвалентность углерода. 5. Считать изомерами вещества с разным числом атомов углерода — это уже разные алканы, а не изомеры.
Изомерия углеродного скелета не связана с реакциями. Например, при крекинге алканов молекулы распадаются на более мелкие вещества, а при дегидрировании алканов меняется состав и возникает кратная связь. Это не способы «получить изомер» в определении изомерии.
Число структурных изомеров: для бутана — 2, пентана — 3, гексана — 5, гептана — 9, октана — 18. Для экзамена важно не только помнить таблицу, но и уметь объяснить, почему варианты не повторяются.
Связь с другими видами изомерии
У алкенов возможны не только разные углеродные скелеты, но и изомерия положения двойной связи; это рассматривается на странице изомерия алкенов. Цис-транс-изомерия относится к пространственному расположению заместителей и не является структурной изомерией скелета: см. цис-транс-изомерию.
Перед решением тапсырма полезно повторить строение и общую формулу на странице алканы, а названия и порядок выбора главной цепи — на странице номенклатура алканов. В тапсырмаларда, где нужно установить формулу продукта реакции, может пригодиться бет степень ненасыщенности, но для обычного подсчёта изомеров она не заменяет перебор скелетов.
Проверь себя
Главное
- Изомеры алканов имеют одинаковую формулу \(\mathrm{C_nH_{2n+2}}\), но различный порядок соединения атомов углерода.
- Скелеты строят от самой длинной неразветвлённой цепи к более коротким и разветвлённым.
- Поворот, разворот и другое направление нумерации не создают жаңа изомер.
- Каждый нұсқа проверяют по связности, четырёхвалентности углерода и молекулярной формуле.
- Для небольших алканов число изомеров находят полным аккуратным перебором; важнее всего не пропустить вариант и не посчитать его дважды.