Изомерия алкенов
Изомерия алкенов возникает потому, что вещества могут иметь одинаковую молекулярную формулу, но различное строение углеродного скелета, положение двойной связи или взаимное расположение заместителей в пространстве. Для решения заданий важно уметь построить все возможные изомеры, проверить их уникальность и правильно назвать каждое вещество.
Что такое изомерия алкенов
Алкены — углеводороды с одной двойной связью \(\mathrm{C=C}\); для ациклических алкенов с одной двойной связью общая формула имеет вид \(\mathrm{C_nH_{2n}}\). Двойная связь состоит из одной \(\sigma\)-связи и одной \(\pi\)-связи. Углеродные атомы при ней находятся в состоянии \(sp^2\)-гибридизации, поэтому фрагмент \(\mathrm{C=C}\) плоский.
Изомерия — существование веществ с одинаковым качественным и количественным составом, но разным порядком соединения атомов или разным расположением групп атомов в пространстве. Изомеры имеют одну молекулярную формулу, но отличаются строением и свойствами.
У алкенов встречаются два основных типа изомерии: структурная и пространственная. Структурные изомеры отличаются порядком соединения атомов. Пространственные изомеры имеют одинаковую последовательность связей, но различное расположение групп относительно плоскости двойной связи.
- Изомерия углеродного скелета: например, бут-1-ен и 2-метилпропен.
- Изомерия положения двойной связи: например, бут-1-ен и бут-2-ен.
- Цис-транс-изомерия: например, цис-бут-2-ен и транс-бут-2-ен.
- Межклассовая изомерия с циклоалканами: алкен \(\mathrm{C_nH_{2n}}\) и циклоалкан могут иметь одну формулу.
При подсчёте структурных изомеров одну и ту же молекулу нельзя записывать несколько раз в другом направлении. Выбирайте самую длинную цепь, содержащую двойную связь, а затем проверяйте положение связи и заместителей.
Структурная изомерия: алгоритм построения
Сначала определяют молекулярную формулу. Для ациклического алкена с одной двойной связью число атомов водорода равно удвоенному числу атомов углерода: \(\mathrm{C_nH_{2n}}\). Затем строят все допустимые углеродные скелеты и размещают двойную связь в различных положениях.
- Запишите формулу углеводорода и число атомов углерода.
- Постройте неразветвлённую цепь и разместите двойную связь во всех неэквивалентных положениях.
- Постройте разветвлённые скелеты, если число атомов углерода это позволяет.
- Добавьте атомы водорода с учётом валентности углерода, равной четырём.
- Уберите повторения, возникающие при развороте цепи.
- Назовите вещества по правилам номенклатуры алкенов.
| Вид изомерии | Что изменяется | Пример |
|---|---|---|
| Скелетная | Порядок соединения атомов углерода | бут-1-ен и 2-метилпропен |
| Положения двойной связи | Место связи \(\mathrm{C=C}\) в цепи | бут-1-ен и бут-2-ен |
| Пространственная | Расположение групп около двойной связи | цис-бут-2-ен и транс-бут-2-ен |
| Межклассовая | Класс органического вещества при той же формуле | пропен и циклопропан |
У двойной связи номер выбирают как можно меньший. Например, запись \(\mathrm{CH_3-CH=CH-CH_3}\) — это бут-2-ен, а не бут-3-ен: нумерация с другого конца даёт меньший номер двойной связи.
Сколько различных структурных изомеров имеет алкен состава \(\mathrm{C_4H_8}\), если учитывать только ациклические алкены и не учитывать цис-транс-изомерию?
Пространственная изомерия алкенов
Свободное вращение вокруг двойной связи невозможно: для этого пришлось бы разорвать \(\pi\)-связь. Поэтому группы, присоединённые к атомам углерода при \(\mathrm{C=C}\), могут быть зафиксированы по разные стороны двойной связи.
Цис-транс-изомерия возможна, если каждый из двух атомов углерода при двойной связи соединён с двумя различными заместителями. Если у одного атома находятся два одинаковых заместителя, таких изомеров нет.
В цис-изомере одинаковые заместители расположены по одну сторону двойной связи, а в транс-изомере — по разные стороны. Например, в бут-2-ене у каждого атома двойной связи есть атом водорода и метильная группа, поэтому существуют цис-бут-2-ен и транс-бут-2-ен. У бут-1-ена один атом двойной связи соединён с двумя атомами водорода, поэтому цис-транс-изомерии нет.
Нельзя считать цис-транс-изомерами любые две записи двойной связи. Сначала проверьте условие: у каждого атома углерода при \(\mathrm{C=C}\) должны быть два разных заместителя.
Разобранный пример: изомеры пентена
Задание: составьте структурные формулы всех ациклических алкенов состава \(\mathrm{C_5H_{10}}\) и укажите, какие из них имеют цис-транс-изомеры.
Показать решение Решение
Итак, структурных изомеров пять. Цис-транс-изомерия возможна только у пент-2-ена: у обоих атомов двойной связи имеются два разных заместителя. У остальных изомеров хотя бы один атом двойной связи соединён с двумя одинаковыми группами или с двумя атомами водорода.
Структурные изомеры: пент-1-ен, пент-2-ен, 2-метилбут-1-ен, 3-метилбут-1-ен, 2-метилбут-2-ен. Пент-2-ен существует в цис- и транс-формах.
Как не ошибиться в названии и подсчёте
Главная цепь в названии алкена должна содержать двойную связь. Даже если более длинная цепь не включает её, выбирать такую цепь нельзя. Нумерацию начинают с конца, ближайшего к двойной связи; затем указывают номера заместителей и их названия.
- Проверена молекулярная формула и число атомов углерода.
- Каждая структурная формула имеет допустимую валентность углерода.
- Одинаковые записи, полученные разворотом цепи, удалены.
- Двойная связь входит в главную цепь и получает минимальный номер.
- Цис-транс-изомерия проверена по заместителям у обоих атомов двойной связи.
Не смешивайте структурные и пространственные изомеры при подсчёте. Не называйте бут-2-ен бут-3-еном. Не забывайте о межклассовой изомерии: при вопросе обо всех изомерах формулы \(\mathrm{C_nH_{2n}}\) нужно рассмотреть и циклоалканы.
Двойная связь определяет химические свойства алкенов: реакции гидрирования алкенов, галогенирования алкенов и гидратации алкенов идут по месту разрыва \(\pi\)-связи. Образование алкенов из алканов рассматривают в дегидрировании алканов, а строение самих соединений — в странице Алкены.
Быстрая проверка
Главное
- Изомерия алкенов бывает структурной и пространственной; структурная включает изомерию скелета и положения двойной связи.
- Для ациклического алкена с одной двойной связью используется формула \(\mathrm{C_nH_{2n}}\).
- Цис-транс-изомерия возможна только тогда, когда у каждого атома двойной связи два разных заместителя.
- В названии главная цепь обязательно содержит \(\mathrm{C=C}\), а нумерация даёт двойной связи минимальный номер.
- При подсчёте удаляйте повторные записи и отдельно учитывайте пространственные изомеры.