Ациклические (алифатические) соединения (стр. 1 )

АЦИКЛИЧЕСКИЕ (АЛИФАТИЧЕСКИЕ) СОЕДИНЕНИЯ

Углеводороды, в молекулах которых углеродные атомы соединены друг с другом в открытые цепи (прямые или разветвленные), называют ациклическими или алифатическими.

АЛКАНЫ. ПРЕДЕЛЬНЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ. ПАРАФИНЫ

Алканы – алифатические предельные углеводороды с общей формулой СnH2n+2, в молекулах которых атомы углерода связаны между собой одинарной (у-) связью, и для которых не характерны реакции присоединения.

Строение алканов

В молекулах алканов все атомы углерода находятся в состоянии sp3-гибридизации.

С +6  )2  )4  1s2 2s2 2p2

6 С …  2p2    6 С*…  2p3

  2s2  2s1

Рис.1. Электронная и графические формулы атома углерода

(в стационарном и возбужденном состояниях)

При sp3-гибридизации происходит выравнивание одной s - и трех р-атомных орбиталей, в результате которого образуются четыре гибридные sp3-орбитали одинаковые по форме и энергии. Четыре гибридные орбитали атома углерода направлены в углы равносторонней треугольной пирамиды – тетраэдра под углом 109°28′ относительно друг друга.

Рис.2. sp3-гибридизация атома углерода

sp3- гибридные орбитали атома углерода перекрываются с s-орбиталями атомов водорода, образуя у-связи.

Рис.3. Пространственное строение молекулы метана

С-С-связи являются неполярными и плохо поляризуемыми. Вокруг связей С-С существует свободное вращение, и молекулы алканов могут принимать самую разнообразную форму. В развернутом состоянии такие молекулы имеют зигзагообразную форму с углами при атомах углерода, близких к тетраэдрическому (109°28′).

Рис.4. Пространственное строение молекулы пропана

Длина С-С-связи в молекулах алканов составляет 0,154 нм (1,54·10–10 м). Электронная плотность немного смещена в сторону более электроотрицательного атома углерода, т. е. связь является слабополярной.

Отсутствие в молекулах алканов полярных связей приводит к тому, что они плохо растворяются в воде и не вступают во взаимодействие с заряженными частицами (ионами). Поэтому для алканов не характерны реакции присоединения, а наиболее характерными реакциями для них являются реакции свободно-радикального замещения.

Гомологический ряд

Гомологи – вещества, сходные по строению и свойствам, и отличающиеся на одну или более групп –СН2, которая называется гомологической разностью.

Гомологический ряд метана

Углеводород (алкан)	Число возможных изомеров
Формула	Название
СН4	метан	1
С2Н6	этан	1
С3Н8	пропан	1
С4Н10	бутан	2
С5Н12	пентан	3
С6Н14	гексан	5
С7Н16	гептан	9
С8Н18	октан	18
С9Н20	нонан	35
С10Н22	декан	75

Если от алкана мысленно отнять один атом водорода, то образуется одновалентный углеводородный остаток – радикал (R).

Радикал – частица с одним неспаренным электроном, а следовательно, обладающий свободной связью, т. е. валентностью

При потере двух или трех атомов водорода образуется соответственно двух - и трехвалентные радикалы.

Названия радикалов строят от названий соответствующих алканов путем замены суффикса –ан на суффикс –ил (метил, этил, пропил и т. д.).

Двухвалентные радикалы называют, заменяя суффикс –ан на –илиден (исключение радикал метилен СН2 –).

  Р

Трехвалентные радикалы имеют суффикс –илидин (исключение составляет радикал метин – СН – ).

  Р

Формула радикала	Название	Формула радикала	Название
СН3 –	метил	СН3 – СН2 –	этил
СН2 – Р	метилен	СН3 – СН –   Р	этилиден
Р CH – Р	метин	Р СН3 – С –   Р	этилидин
СН3 – СН2 – СН2 –	н-пропил	СН3 – СН2 – СН2 – СН2 –	н-бутил
СН3 – СН2 – СН –   Р	пропилиден	СН3 – СН – СН2 –   Р   СН3	изобутил
Р СН3 – СН2 – С –   Р	пропилидин	СН3 – СН2 – СН –   Р   СН3	втор-бутил
СН3 – СН –   Р   СН3	изопропил	СН3   Р СН3 – С –   Р   СН3	трет-бутил
СН3 – (СН2)3 – СН2 –	н-пентил	СН3 – (СН2)7 – СН2 –	н-нонил
СН3 – (СН2)4 – СН2 –	н-гексил	СН3 – (СН2)8 – СН2 –	н-децил
СН3 – (СН2)5 – СН2 –	н-гептил	СН3 – (СН2)9 – СН2 –	н-ундецил
СН3 – (СН2)6 – СН2 –	н-октил	СН3 – (СН2)10 – СН2 –	н-додецил

Приставка изо - используется для названия соединений или радикалов, в которых две метильные группы находятся на одном конце цепи углеродных атомов, не имеющих других ответвлений.

Приставки втор - (вторичный) и трет - (третичный) указывают у какого углеродного атома находится свободная валентность.

Номенклатура и изомерия

Алканы называют по систематической номенклатуре (международной ИЮПАК) и рациональной.

Систематическая номенклатура

Формирование главной цепи начинается с определения главной цепи – самой длинной цепи углеродных атомов в молекуле или  самой сложной, которая является основной. Нумерация атомов главной цепи начинается с того конца, к которому ближе стоит ответвление.

Если заместители находятся на равном удалении от конца цепи, то нумерация начинается с того конца при котором их больше.

Если разные заместители находятся на равном удалении от концов цепи, то нумерация начинается с того конца, к которому ближе расположен старший. Старшинство заместителей определяется по букве алфавита, с которой начинается название заместителя, т. е. заместители называют в алфавитном порядке (СН3 –  метил, СН3 – СН2 – СН2 –  пропил, затем СН3 – СН2 –  этил).

При формировании названия сначала указывают цифрами номера углеродных атомов, при которых находятся заместители. Если при одном и том же углеродном атоме, находятся два заместителя, то соответствующий номер в названии повторяется дважды через запятую (2,2-). После номера через дефис указывают количество одинаковых заместителей при помощи греческих числительных
(2 – ди, 3 – три, 4 – тетра, 5 – пента, 6 – гекса, 7 – гепта, 8 – окта, 9 – нона,
10 – дека), далее без пробелов и дефисов называют главную цепь, учитывая число углеродных атомов, входящих в ее состав.

Рассмотрим несколько примеров:

СН3   Р  5  6  7  8  9 СН3 – СН – СН – СН2 – СН2 – СН2 – СН3   Р4  3  2  1   CH – СН2 – СН2 – СН3   Р   СН3 4 – метил – 5 – изопропилнонан	СН3 1  2|  3  4  СН3 – СН– СH2 – CH – СН2 – СН3   5Р  6   СН2 – СН2   7Р   СН3  2 – метил – 4 – этилгептан
7  6  5  4  3  2  1 СН3 – СH2 – CH – СH2 – CH – CH2 – СН3   Р  Р   С2Н5  СН3 2 – метил – 5 – этилгептан	СН3 1  2Р  3  4  5 СН3 – С – CH2 – CH – СН3   Р  Р   СН3  СН3 2,2,4 – триметилпентан

Рациональная номенклатура

По рациональной номенклатуре алканы рассматривают как производные метана, в молекулах которых один или несколько водородных атомов замещены на радикалы. В названии алканов, радикалы перечисляют в алфавитном порядке и добавляют слово «метан». Например,

СН3 – СН – CH2 – CH2 – СН3   Р    СН3   диметилпропилметан

СН3 – CH2 –СН – CH2 – СН3   Р    СН3   метилдиэтилиетан

Следует отметить, что атомы углерода в алканах могут различаться между собой по характеру соединения с другими углеродными атомами. Так, атом углерода, связанный только с одним углеродным атомом, называют первичным, с двумя – вторичным, с тремя – третичным, четырьмя – четвертичным: