§ 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:

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:

• 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.

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?

• 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?

§ 3. Ізомерія. Утвердження і розвиток теорії хімічної будови

ІЗОМЕРІЯ. Звернемося до структурних формул органічних сполук, які відображають їхню хімічну будову. Запишемо структурну формулу бутану, що має склад C₄H₁₀, пам’ятаючи про чотиривалентність Карбону. Можливі два варіанти сполучення атомів:

Виявляється, ці формули належать різним речовинам з різними властивостями, що засвідчують наведені константи.

Згідно із законом Бутлерова властивості речовин залежать від їхньої хімічної будови. Зміна цієї будови спричиняє зміну властивостей, тобто появу іншої речовини. Бутан та ізобутан мають однаковий якісний і кількісний склад молекул, але різну хімічну будову, тому це різні речовини з різними властивостями.

Для пентану складу C₅H₁₂ можливі три варіанти будови, тобто такому складу відповідають три різні речовини.

Сполуки, що мають однаковий склад молекул (однакові молекулярні формули), але різну будову, а тому й різні властивості, називають ізомерами (від грец. ізос — однаковий і мерос — частина).

Ми розглянули приклади т. зв. структурної ізомерії, зумовленої будовою карбонового скелета молекули. Існують також інші види ізомерії.

Явище ізомерії спостерігається і серед неорганічних сполук. Наприклад, натрій ціанат і натрій фульмінат мають однаковий хімічний склад NaOCN. Проте перша сполука плавиться за температури 560 °С, а друга — вибухає від нагрівання. Причина відмінностей полягає в тому, що ці речовини є ізомерами, атоми в них сполучені в різному порядку, а саме:

Ізомерія стала пробним каменем теорії хімічної будови та її тріумфом. О. М. Бутлеров передбачив на основі теорії, що для сполуки складу C₄H₁₀ можливі два ізомери, і синтезував невідомий на той час ізобутан, що, як і очікувалося, відрізнявся за властивостями від бутану.

ЗНАЧЕННЯ ТЕОРІЇ ХІМІЧНОЇ БУДОВИ. На основі теорії хімічної будови органічних речовин було узагальнено накопичений наукою фактичний матеріал органічної хімії, пояснено причину ізомерії, передбачено й добуто невідомі раніше сполуки.

Теорія хімічної будови стала інструментом вивчення органічних речовин. На основі закону Бутлерова, тобто з урахуванням складу, хімічної будови, взаємного впливу атомів у молекулі, виявилося можливим передбачати хімічну поведінку речовини. І навпаки — за хімічними властивостями зробити висновок про будову речовини. Це було справді революційним для тогочасної науки.

Отже, теорія хімічної будови поглибила уявлення про природу органічних речовин і сприяла розвитку органічної хімії.

Закономірність взаємозв’язку будови речовин та їх властивостей поширюється не лише на фізичні та хімічні властивості, а й на біологічні функції цих речовин. Цю закономірність покладено в основу створення речовин з необхідним комплексом технічних, біологічних та інших характеристик, наприклад барвників, полімерів, лікарських засобів тощо.

РОЗВИТОК ТЕОРІЇ ХІМІЧНОЇ БУДОВИ. Важливою особливістю справді наукової теорії є те, що ця форма знань може розвиватися разом з наукою. Щодо теорії хімічної будови органічних сполук, то її справедливість доведено подальшим розвитком науки.

У 70-х роках XIX ст. в органічній хімії виявили деякі випадки ізомерії, що їх не можна було пояснити лише різною хімічною будовою речовин. Пояснити явище — означає встановити його причину. Часом це можна зробити, користуючись наявними теоретичними знаннями, але іноді цих знань виявляється недостатньо, постає потреба їх розвитку, доповнення, а то й заміни новими. Виявлення нових випадків ізомерії спонукало вчених висунути гіпотезу просторової будови молекул органічних сполук. Подальші дослідження підтвердили справедливість цієї гіпотези: з’ясувалося, що молекули неплоскі, що атоми певним чином орієнтовані в тривимірному просторі й що властивості речовин залежать від цієї орієнтації. Так виникли вчення про просторову будову молекул і нова галузь хімічної науки — стереохімія (від грец. стереос — просторовий).

На початку XX ст. на ґрунті найновіших на той час досягнень фізики було розкрито електронну природу хімічних зв’язків. Хімічна будова, структурні формули речовин наповнилися електронним змістом, було з’ясовано електронну сутність взаємного впливу атомів у молекулах.

Розвиток науки розширив поняття «будова органічних речовин». Якщо раніше розглядали лише хімічну будову, то нині будову речовин розглядають у єдності хімічної, просторової та електронної будови. У зв’язку з цим основне положення теорії будови органічних сполук було уточнено:

фізичні й хімічні властивості органічних речовин визначаються складом, хімічною, просторовою та електронною будовою їхніх молекул.

Класична теорія хімічної будови — лише етап у розвитку теоретичних поглядів. Вона увійшла до складу сучасної теорії будови органічних сполук. Щоб схарактеризувати речовину згідно із цією теорією, треба вказати якісний і кількісний склад, порядок сполучення атомів у молекулі, просторову форму і розміри молекул, взаємодію електронів у молекулі.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ

• 1. Дайте означення ізомерів.
• 2. У чому полягає причина ізомерії?
• 3. У яких напрямах розвивалася теорія хімічної будови?
• 4. Які аспекти будови вивчає сучасна теорія будови органічних сполук?
• 5. Сформулюйте основне положення теорії будови органічних сполук у сучасному трактуванні.
• 6. Схарактеризуйте значення теорії хімічної будови органічних сполук.

Додаткові завдання

• 1. Чи можна стверджувати, що органічна хімія належить до молодих наук порівняно з: астрономією; ботанікою; інформатикою; генетикою?
• 2. Які нові наукові ідеї запропонував О. М. Бутлеров?
• 3. Як теорія хімічної будови вплинула на розвиток органічної хімії?
• 4. Назвіть спільні та відмінні ознаки ізомерів.
• 5. Який зміст вкладає сучасна наука в поняття «будова речовини»?
• 6. Чи «працює» закон Бутлерова для неорганічних сполук? Наведіть приклади.

• Термін «органічна хімія» запропонував шведський учений Я. Берцеліус.
• На початкуXIX ст. в органічній хімії панувала віталістична теорія.
• Сечовина — перша синтезована органічна сполука.
• Перші синтези органічних речовин сприяли розвитку синтетичної органічної хімії.
• О. М. Бутлеров запровадив у науку поняття про хімічну будову і взаємний вплив атомів у молекулі, виявив залежність властивостей органічних речовин від складу і хімічної будови їхніх молекул.
• Хімічну будову речовин можна наочно відтворити за допомогою структурних формул.
• Згідно із теорією будови кожна речовина має властиву тільки їй хімічну будову.
• Сучасна теорія будови органічних речовин розглядає хімічну, просторову та електронну будову в єдності.

Укажіть речовини, які є ізомерами: а) СН3СН2СН2СН3; б) СН3СН(СН3)СН2СН3; в) СН3СН2СН2СН2СН3; г) СН3СН2СН2СН2ОН.

Повне розв’язання. Цинк масою 130 грам прореагував з концентрованою сульфатною кислотою. Знайдіть маси/об’єми речовин, що утворились. Вимірювання пр … оходили за нормальних умов. У відповіді вкажіть суму усіх коєфіцієнтів у рівнянні реакції.​

Складіть рівняння реакцій, за допомогою яких можна здійснити такі перетворення: а) Кальцій карбід →етин →етаналь →етанова кислота → етилетаноат б) С … 2Н6 → С2Н5Сl →C2H5OH →CH3CHO →CH3COOH →(CH3COO)2Mg

2Какие из нижеприведенных реакций эндотермические и экзотермические? CH4 (g) + 2 O2 (g) CO2 (g) + 2 H2O (g) + 882 кДж(экзо) NH4Cl (s) NH4Cl (aq) ΔH° = … + 14.7 кДж/моль(эндо) Реакция горения Образования ионов

Выписать отдельные формулы оксидов,кислот,оснований, солей MnO2,KOH, KCI, H2SO NaNO3, AI(OH)3 ,СО2 ,H2CO3 Назвать их соединение и расставить степе … ни окисления