ЕЛЕКТРОННА ТА ПРОСТОРОВА БУДОВА АЛКАНІВ

За теорією ковалентного зв'язку та електронної будови атомів Карбону і Гідрогену електронні формули молекул метану та етану можна зобразити так:

Н

Н -►Н-С-Н-Н

н

І

-*• н—с—с—н

І І

Н н

Збуджений атом Карбону бере участь в утворенні 4-х ковалент­них зв'язків. Усі зв'язки в молекулі метану рівноцінні: мають од­накову довжину, енергію і симетрично напрямлені в просторі. Рів­ноцінність хімічних зв'язків можна пояснити, звернувшись до гібридизації атомних орбіталей (розд. 3.2.1).

Молекула метану має тетраедричну конфігурацію; електронні хмари атома Карбону знаходяться в 5р³-гібридизованому стані. Валентні кути між зв'зками дорівнюють 109°28' (тетраедричний кут) (рис. 8.1).

а б Н

Рис. 8.1. Схема будови молекул насичених вуглеводнів: а — утворення ст-зв'язків у молекулах метану і етану; б — геометрія молекули етану

З Органічна хімія

Вуглеводні.Глава 8

Відстань між атомами Карбону в алканах дорівнює 0,154 нм. Навколо зв'язків С—С в молекулах алканів відбувається обертан­ня, в результаті якого молекула може набувати різних просторо­вих форм — конформацій.

На підставі даних рентгеноструктур-ного аналізу встановлено, що алкани нор­мальної (нерозгалуженої) будови в крис­талічному стані мають зигзагоподібну конформацію.

Рис. 8.2. Зигзагоподібна ^Така будова є для молекули найвигід-

конформація алканів нішою, оскільки в цьому випадку всі ато­ми Карбону відносно один одного пере­бувають у стані з найменшою енергією.

Тому, починаючи з пропану і в наступних вуглеводнях гомо­логічного ряду метану, атоми Карбону розміщені не вздовж пря­мої лінії, а зигзагоподібно. При цьому зберігаються тетраедрич­ний кут і відстань між ядрами атомів Карбону.

НОМЕНКЛАТУРА

Перші чотири члени гомологічного ряду алканів мають тривіаль­ні назви. Назви наступних вуглеводнів з нерозгалуженим ланцюгом утворюються від назв грецьких або латинських числівників, що вказують на кількість атомів Карбону в молекулі, з додаванням су­фікса -ан (табл. 8.1). Для позначення нерозгалуженого карбоново­го ланцюга до назви алканів додається префікс н-.

Н₃С—СН₂—СН₂—СН₂—СН₃ або ./^"Х^Х.

и-пентан

У назвах алканів з розгалуженим ланцюгом, де дві метильні групи знаходяться на одному кінці карбонового ланцюга, який не має інших відгалужень, застосовується префікс ізо-. Якщо ж на кінці ланцюга є три метильні групи, до назви алкану вводиться префікс нео-:

н₃с

сн—сн₂—сн₂—сн₃ н₃с

ізогексан

Алкани ____________________________________ ________

------------------------------------------------------------------------------------------------- 67

СН₃

І Н₃С С СН₂ СН₃

СН₃

неогексан

Назви алканів з розгалуженим ланцюгом утворюють за номен­клатурою ШРАС таким чином.

1. За основу назви беруть назву вуглеводню, якому відповідає
найдовший нерозгалужений ланцюг (головний ланцюг); якщо
у вуглеводні є декілька ланцюгів однакової довжини, то головним
з них вважається той, що має найбільшу кількість розгалужень:

сн₃ , ........ сн₃

І н₃с—сн—сш~сн₂—сн₃ І н₃с—сн—сн—сн₂—сн₃1
н₃с^сн-<:Нз] н₃с—сн—сн₃

головний ланцюг ланцюг не є головним

2. Нумерують атоми Карбону головного ланцюга, починаючи
з того кінця, до якого ближче розташований замісник; якщо
в молекулі алкану замісники розміщені на однаковій відстані від
обох кінців, починають нумерацію з того кінця, до якого ближче
знаходиться замісник з назвою, що стоїть в алфавітному порядку
раніше:

12 3 4 5

н,с—сн—сн,—сн,—сн,

СН₃

2-метилпентан

12 3 4 5 6 7

Н₃С СН₂ СН—СН₂—СН СН₂—СН₃
Н₃С СН₂ СН₃

З-етил-5-метилгептан

Якщо ж на однаковій відстані від обох кінців головного лан­цюга розміщені однакові замісники, але з одного боку розгалу­жень більше, ніж з іншого, то нумерацію починають з того кінця, де більша кількість замісників:

Вуглеводні. Глава 8

СН3 1 І2 З Н3С—С—СН2 сн3

5 6 -СН—СН3 СН,

-СН,

2,2,5-триметилгексан

 

-сн-

2 1 -СН—СН,

н,с-

-сн- I СН,

-сн₂-

СН, СН,

2,3,5-триметилгексан

3. Повну назву сполуки складають так:

Спочатку перелічують в алфавітному порядку назви замісни­ків, указуючи цифру (локант), що відповідає положенню кожного замісника в головному карбоновому ланцюзі. Якщо вуглеводень містить декілька однакових замісників, то їх кількість позначають множними префіксами ди- (ді-), три-, тетра- тощо, а положення кожного з них у головному ланцюзі — зазвичай цифрами. Потім називають вуглеводень, якому відповідає головний карбоновий ланцюг у сполуці, що розглядається.

Замісниками при головному карбоновому ланцюзі в алканах є одновалентні залишки алканів, так звані алкільні групи, або шкіль­ні радикали, їх позначають Аік або К (табл. 2.4.). Назви алкільних груп утворюють від назв відповідних алканів, замінюючи суфікс -ан на -іл (-ил). Нижче наведено алкільні радикали, їх скорочені назви та просторову будову, які найчастіше зустрічаються в хіміч­ній літературі:

Н3С СН2 СН2

Н₃С— Н₃С—СН₂—

 

етил (Еі)

к-пропіл (Рг)

н,с

Н,С

\ СН—СН,

\

сн—

Н3С—СН2—СН2-

метил (Ме)

/ н,с

У

Н3С

и-бутил (Ви)

/зо-пропіл (/-Рг) «0-бутил (/-Ви)

-сн₂—

 

 

Н₃С—СН₂

Сн-

/

Н₃С

втор-бутп (лес-Ви) трет-бутп (/-Ви)

У наведених назвах префікси втор- (вторинний) і треш- (тре­тинний) указують на атом Карбону з вільною валентністю.

Для утворення назв складних розгалужених радикалів вдають­ся до нумерації карбонового ланцюга радикалу, причому почина­ють нумерацію завжди з атома Карбону, який має вільну валент­ність:

5 4 3 2 1

Н,С СН^- СН СН,—СН,—

II

СНз СНз

3,4-диметилпентил

Назви залишків молекул алканів, які мають дві вільні валент­ності, утворюють від назв відповідних алканів шляхом заміни су­фікса -ан на -ілен {-илен), якщо вільні валентності знаходяться біля різних атомів Карбону:

СН₂— —СН₂ СН₂ СН₂ СН₂ СН₂

метилен етилен триметилен

Зважаючи на розглянуті правила складання назв алканів за за-місниковою номенклатурою ШРАС, нижченаведені вуглеводні слід називати так:

Н₃С СН₃
СН₃ СН СН₃

4 3 І2 1 1 2 ІЗ 4 5| 6 7 8

Н₃С—СН₂—С—СН₃ Н₃С—СН—СН—СН₂—С—СН₂—СН₂—СН₃

СНз СНз СН₂ СНз

2,2-диметилбутан 5-етил-3-ізопропіл-2,5-диметилоктан

За раціональною номенклатурою алкани розглядають як похідні першого представника цього гомологічного ряду — метану (див. розд. 2.2).

Вуглеводні. Глава 8

Алкани

8.3. ІЗОМЕРІЯ

Алканам властива структурна і конформаційна ізомерія.

Структурна ізомеріяалканів зумовлена різною послідовністю зв'язування атомів Карбону в молекулі (ізомерія ланцюга). Вона можлива, починаючи з бутану, який має два структурні ізомери: я-бутан та ізобутан. Пентан С₅Н₁₂ має три ізомери:

-сн,—сн,—сн,

я-лентан

Н₃С

\ сн

СН-СН₂-СН₃ (СН₃)₂СНС₂Н₅ \ґ* ³ (_СНз)₄С

⁷ ч р н,с V

ізопентан, 2-метилбутан неопентан, 2,2-диметилпропан

Зі збільшенням кількості атомів Карбону в молекулі алкану кіль­кість структурних ізомерів швидко зростає. Так, гексан С₆Н₁₂ має 5 ізомерів, гептан С₇Н₁₆ — 9, октан С₈Н_]8 — 18, декан С₁₀Н₂₂ — 75, ейкозан С₂₀Н₄₂ — 366319.

Конформаційна (поворотна)ізомерія алканів зумовлена обер­танням окремих фрагментів молекули навколо одинарних С—С зв'язків, при цьому довжини зв'язків, валентні кути не змінюють­ся. Унаслідок обертання молекула може набувати різних просто­рових форм, або конформацій. Наприклад, молекула етану вна­слідок обертання навколо зв'язку С—С може набувати нескінченної множини конформацій, кожна з яких характеризується певним значенням потенційної енергії. Дві крайні конформації називають заслоненою і загальмованою.

Для зображення конформацій на площині користуються фор­мулою Ньюмена і перспективними формулами:

Н

Н Н

н

У заслоненій конформації етану атоми Гідрогену метальних груп, якщо дивитися вздовж зв'язку С—С, розташовані один за одним. У загальмованій — атоми Гідрогену однієї метальної групи максимально віддалені від атомів Гідрогену другої. Між заслоне­ною і загальмованою конформаціями молекула в процесі обертан­ня набуває множини скошених конформацій. Максимальну потен­ційну енергію має заслонена конформація.

Енергетична нерівноцінність різних конформацій пояснюєть­ся існуванням у молекулі так званого торсійного напруження (на­пруження Пітцера), яке зумовлене взаємодією (відштовхуванням) електронних хмар супротивних зв'язків С—Н. У заслоненій кон­формації супротивні зв'язки максимально наближені, тому взає­модія між ними найбільша. З віддаленням супротивних зв'язків торсійне напруження зменшується і стає мінімальним у загальмо­ваній конформації. Різниця енергій заслоненої і загальмованої конформацій називається енергетичним бар'єром обертання. Для етану він низький (=12 кДж/моль) і легко переборюється молеку­лою при звичайних температурах за рахунок енергії теплового руху. Однак у кожен момент часу більша частина молекул представлена найбільш енергетично вигідною конформацією. Унаслідок такого низького енергетичного бар'єра виділити ці ізомери неможливо.

Конформації з найменшим запасом енергії називаються конформерами, або конформаційними (поворотними) ізо­мерами.

СПОСОБИ ДОБУВАННЯ

8.4.1. ПРИРОДНІ ДЖЕРЕЛА

Основні природні джерела алканів — нафта і природний газ. Нафта — це складна суміш органічних сполук, основними компо­нентами якої є нерозгалужені та розгалужені алкани. Природний газ складається з газоподібних алканів — переважно метану (до 95 %), етану, пропану і бутану.

Для одержання з нафти суміші алканів та інших вуглеводнів її піддають фракційній перегонці. Шляхом перегонки одержують де­кілька фракцій: петролейний етер, бензин, гас (керосин), дизель­не паливо, мазут. Кожна зних — це суміш вуглеводнів, які кип­лять у певному інтервалі температур (табл. 8.2).

Вуглеводні. Глава 8

Алкани

Таблиця 8.2 Фракції, якіодержують перегонкою нафти

З мазуту перегонкою під вакуумом або з водяною парою одер­жують солярове масло (вуглеводні С_!8 — С₂₅), мастила (вуглеводні С₂₈ — С₃₈), вазелінта парафін.Подальшою перегонкою фракцій нафти можна здобути індивідуальні алкани.

Природний газ розділяють на складові компоненти шляхом зрідження з подальшою фракційною перегонкою.

Поиск по сайту: