Изомерия алканов.Для алканов характерен один из видов структурной изомерии – изомерия углеродной цепи (строения углеродного скелета). Приведем примеры таких изомеров:

Число изомеров быстро нарастает с увеличением числа атомов углерода в молекуле алкана. Обозначим нижним индексом число таких атомов. Тогда имеем: С₆ – 5 изомеров; С₇ – 9 изомеров; С₈ – 18 изомеров; С₂₀ – 366319 изомеров.

В углеводородах вообще, а в алканах, в частности, различают атомы углерода 4-х типов: атом С, соединяющийся, в свою очередь, только с одним углеродным атомом – превичный (п); связанный с двумя – вторичный (в); с тремя – третичный (т) и с четырьмя – четвертичный (ч) (рис. 9).

Рис. 9. Типы атомов углерода в молекулах органических соединений.

Номенклатура алканов.Рассмотрим этот вопрос в более общем плане, так как он касается всех классов химических соединений. В органической химии для наименования соединений существует несколько номенклатур: историческая или тривиальная; рациональная; женевская; льежская; номенклатура ИЮПАК (международный союз по чистой и прикладной химии).

Историческая номенклатура возникла в древние времена, когда органическим соединениям присваивали случайные названия. Большей частью эти названия указывают на происхождение веществ. Например, муравьиная, уксусная, щавелевая, янтарная, яблочная, винная кислоты, древесный спирт и т. д. Эта номенклатура не дает возможности называть структурные изомеры и никак не отражает строение соединения.

В основу рациональной номенклатуры положены названия простейших соединений (первых членов гомологического ряда). Другие соединения рассматриваются как производные простейших соединений, в которых атомы водорода замещены органическими остатками или радикалами. Так, все предельные углеводороды согласно рациональной номенклатуре рассматриваются как производные метана, насыщенные спирты – как производные простейшего метилового спирта, или карбинола, и т. д. Радикал СН₃ называется метилом, простейший спирт – карбинол, или метиловый спирт, имеет структурную формулу СН₃–ОН. Если в карбиноле заменить один водородный атом радикалом СН₃, то получится метилкарбинол СН₃–СН₂ОН (этиловый, или винный, спирт). Диметилкарбинол получится, если два водородных атома в карбиноле заместить метильным радикалом:

Приставка ди- означает два. При замене всех атомов водорода метильными радикалами получится триметилкарбинол:

Атомы водорода в карбиноле могут быть замещены более сложными радикалами.

Рациональная номенклатура позволяет называть сравнительно простые органические соединения. В случае более сложных соединений, например, начиная с углеводородов состава С₈Н₁₈, не все структурные изомеры могут быть названы с ее помощью. Поэтому, чтобы упорядочить номенклатуру органических соединений, на международном конгрессе химиков в 1889 г. в Париже была создана международная химическая комиссия, работа которой завершилась в 1892 г. Международным химическим конгрессом в Женеве, где была выработана номенклатура, получившая название женевской.

Воснову женевской номенклатуры положены названия предельные углеводородов. Гомологический ряд соединений, согласно этой номенклатуре обозначается функциональным окончанием. Предельные углеводороды получили окончание-ан (для них сохранены исторические названия), этиленовые углеводороды – окончание -ен, ацетиленовые – -ин , спирты – -ол, альдегиды – -аль, кетоны – -он, кислоты – -овая кислота. Например: СН₃СН₂СН₃ (пропан); СН₃СН=СН₂ (пропен); СН₃ССН (пропин); СН₃СН₂СН₂ОН (пропанол); (пропаналь); СН₃СОСН₃

(пропанон); СН₃СН₂СООН (пропановая кислота).

Названия изомерных соединений образуют следующим образом.

1. Выбирается главная цепь – самая длинная неразветвленная углеродная цепь, содержащая функциональную группу, характерную для данного гомологического ряда или кратную связь.

2. Углеводородные остатки, находящиеся в боковой цепи, рассматриваются как заместители водородных атомов в главной цепи. Заместителями могут считаться и функциональные группы, например, галогены, аминогруппа –NH₂, нитрогруппа –NO₂ и т. д.

3. Углеродные атомы цепи нумеруются, начиная с того конца, к которому ближе заместитель или функциональная группа.

4. Называется предельный углеводород, соответствующий главной цепи, и изменяется или прибавляется окончание, соответствующее данному гомологическому ряду.

5. Положение радикалов (начиная с простейшего) и функциональных групп определяется соответствующим атомом углерода главной цепи. Одинаковые радикалы суммируются. Например:

Дальнейшее развитие органической химии показало, что женевская номенклатура нуждается в усовершенствовании. Например, многие циклические соединения и элементоорганические соединения нельзя было назвать по женевской номенклатуре.

В 1930 г. на десятой конференции Международного союза чистой и прикладной химии (International Union of Pure and Applied Chemistry, сокращенно IUPAC, ИЮПАК) в Льеже была принята новая номенклатура органических соединений. В льежской номенклатуре использованы те же методы построения названий, что и в женевской. Различие заключается лишь в способе их применения. Например, льежская номенклатура допускает для каждого соединения не одно, а несколько названий, среди которых рекомендуется выбирать самое простое и удобное. За основу может быть принята не самая длинная углеродная цепь, а более короткая, но более разветвленная или содержащая функциональную группу.

Льежская номенклатура привела к множественности названий. Кроме того, некоторые крупнейшие справочники и периодические издания не считались с ее правилами. Это вносило большую путаницу в названия органических соединений. Поэтому в 1957 г. на конференции в Париже была принята новая номенклатура углеводородов, всех видов циклических и элементоорганических соединений, известная под названием правил ИЮПАК 1957 г. Номенклатура ИЮПАК устранила множественность в названиях органических соединений. Однако и эта номенклатура окончательно еще не доработана.

В настоящее время в органической химии применяют все указанные выше виды номенклатур. В нашей стране придерживаются преимущественно правил женевской номенклатуры и там, где это нужно, пользуются правилами ИЮПАК, в основе которых лежат правила женевской номенклатуры.

Рассмотрим положения систематической (1957 г., ИЮПАК) номенклатуры применительно к алканам. В этом случае названия разветвленных алканов составляют по следующей схеме (алгоритму):

1. В графической (это точнее, чем понятие «структурная») формуле выбирают самую длинную цепь.

2. Цепь (точнее атомы углерода) нумеруют с конца, к которому ближе ответвление, которое принимают за радикал (заместитель).

3. Называют соединение в следующем порядке:

3.1. Перечисляют в цепи номера атомов углерода, при которых имеются ответвляющиеся радикалы. Если при одном и том же атоме имеется два радикала, то эту цифру называют дважды.

3.2. Называют радикалы в алфавитном порядке – метил, пропил, этил и т. д. Если одинаковых радикалов несколько, то добавляют умножающую приставку (ди-, три-, тетра-, пента- и т. д.)

3.3. Называют главную углеродную цепь.

Приведем несколько примеров.

Методы получения алкановых углеводородов

Главный источник сравнительно тяжелых предельных углеводородов – нефть, легких – природный газ. Химические (синтетические) методы получения алканов преимущественно следующие.

1. Гидрирование (взаимодействие с водородом) непредельных углеводородов, например, пропилена

Н₃ССН=СН₂ + Н₂ Н₃ССН₂СН₃

Внимательный читатель, конечно, понял, что реакция гидрирования представляет собой присоединение водорода к субстрату.

2. Восстановление галогенпроизводных на примере 1-хлорпропана.

Н₃ССН₂СН₂Cl + H₂ Н₃ССН₂СН₃ + HCl

3. Гидролиз металлорганических соединений

Н₃ССН₂СН₂MgI + HOH  Н₃ССН₂СН₃ + MgOHI

Zn(CH₃)₂ + 2HOH  2CH₄ + Zn(OH)₂

4. Взаимодействие щелочных металлов с галогенпроизводными

2H₃CCH₂Cl + 2Na  H₃CCH₂СН₂СН₃ + 2NaCl

5. Сплавление солей карбоновых кислот со щелочами. В этом случае образуются алканы, содержащие в молекуле на один атом углерода меньше, чем в исходной соли.

CH₃COONa + NaOH  CH₄ + Na₂CO₃

CH₃CH₂COONa + NaOH  C₂H₆ + Na₂CO₃

6. Электролиз солей карбоновых кислот. В частном процессе электролиза ацетата натрия суммарная реакция имеет вид

2CH₃COONa + 2НOH C₂H₆ + 2CO₂ + Н₂ + 2NaOH

Окисление ацетат-иона происходит на аноде, восстановление воды – на катоде. При этом реализуются частные электродные реакции.

Приведем несколько частных реакций получения определенных алканов.

7. Реакция Фишера – Тропша

СО + 3Н₂ СН₄ + Н₂О_(г)

СО + 4Н₂ СН₄ + 2Н₂О_(г)

8. Гидролиз карбида алюминия

Al₄C₃ + 12HOH  4Al(OH)₃ + 3CH₄