Алканы, или парафины — алифатические предельные углеводороды, в молекулах которых атомы углерода связаны между собой простой (одинарной) (s-связью.
Оставшиеся валентности углеродного атома, не затраченные на связь с другими атомами углерода, полностью насыщены водородом. Поэтому предельные (насыщенные) углеводороды содержат в молекуле максимальное число водородных атомов.
1.1. Строение алканов
Простейшим представителем и родоначальником предельных углеводородов является метан СН4. Строение молекулы метана можно выразить структурной (I) или электронной (II) формулой:
| H|H—C—H|H(I) | H..H :C : H..H(II) |
В предельных углеводородах атомы углерода находятся в первом валентном состоянии (sp3-гибpидизaция). В этом случае, .как известно, все четыре гибридные орбитали в пространстве составляют геометрическую фигуру — тетраэдр (углы между осями связей С—Н равны 109° 28'). Пространственное расположение атомов в молекуле метана можно показать с помощью тетраэдрических и шаростержневых моделей. Для этого наиболее удобны объемные модели Бриглеба, которые более наглядно отражают относительные размеры атомов в молекуле. Эти модели изготовлены в соответствии с действительным соотношением радиусов атомов (в масштабе 0,05 нм = 1 см).
Если в молекуле метана один атом водорода заместить на метильную группу СН3, то можно вывести структурную формулу следующего за метаном углеводорода — этана C2H6:
| H H| |H—C—C—H| |H H | или H3C—CH3 |
Замещая в молекуле этана один атом водорода на метальную группу, выводим формулу третьего углеводорода — пропана С3Н8:
| H H H| | |H—C—C—С—H| | |H H H | или H3C—CH2—CH3 |
Повторяя это действие много раз, можно вывести формулы и других предельных углеводородов, отличающихся друг от друга числом углеродных атомов (табл. 1). В результате образуется ряд соединений, в котором каждый член отличается от предыдущего на одну группу СН2. Такой ряд называется гомологическим рядом (от греч. homos — последовательный), а его отдельные члены — гомологами. Они обладают близкими химическими свойствами и закономерным изменением физических свойств. Из табл. 1 видно, что у каждого члена гомологического ряда на п атомов углерода приходится 2n + 2 атомов водорода. Следовательно, состав любого члена этого ряда будет выражаться общей формулой СnН2n + 2. Используя эту формулу, можно легко написать молекулярную формулу любого предельного углеводорода — алкана, зная число углеродных атомов в его молекуле. Например, если п = 25, то углерод будет выражаться формулой C25H52.
Таблица 1. Гомологический ряд предельных углеводородов (алканов) нормального (неразветвленного) строения и их одновалентные радикалы
| Углеводород (алкан) | Число возможных изомеров у алкана | Радикал (алкил) | ||
| Формула | Название | Формула | Название | |
| СН4 | Метан | 1 | СН3- | Метил |
| С2Н6 | Этан | 1 | С2Н5- | Этил |
| С3Н8 | Пропан | 1 | С3Н7- | Пропил |
| С4Н10 | Бутан | 2 | С4Н9- | Бутил |
| С5Н12 | Пентан | 3 | С5Н11- | Пентил |
| С6Н14 | Гексан | 5 | С6Н13- | Гексил |
| C7H16 | Гептан | 9 | C7H15- | Гептил |
| C8H18 | Октан | 18 | C8H17- | Октил |
| С9Н20 | Нонан | 35 | С9Н19- | Нонил |
| С10Н22 | Декан | 75 | С10Н21- | Децил(декил) |
Гомологические ряды характерны для всех классов органических соединений. Они являются прекрасным подтверждением основного закона природы — перехода количественных изменений в качественные.
Если от алкана "отнять" один атом водорода, то образуется одновалентный углеводородный остаток — радикал (не смешивайте с реально существующим свободным радикалом). При потере двух или трех атомов водорода образуются соответственно двух- или трехвалентные радикалы (табл. 2).
Таблица 2. Наиболее часто встречающиеся углеводородные радикалы
| Название | Формула радикала | Название | Формула радикала |
| Метил | СН3— | Этил | CH3—CH2— |
| Метилен | СН2== | Этилиден | CH3—CH== |
| Метин | СНºº | Этилидин | CH3—Cºº |
| н-Пропил | CH3—CH2—CH2— | Изобутил (первичный изобутил) | (СН3)2СН—СН2— |
| Пропилиден | CH3—CH2—CH== | втор-Бутил | CH3|CH3—CH2—CH— |
| Изопропил | (СН3)2СН— | терет-Бутил | (СН3)3С— |
| н-Бутил | CH3—CH2—CH2—CH2— | н-Пентил | CH3—CH2—CH2—CH2—CH2— |
В приведенных названиях радикалов используют обозначения: н-нормальный, втор- — вторичный, трет- — третичный.
Как видно из табл. 2, свободная валентность в радикале может находиться при разных углеродных атомах. Если свободная валентность в радикале находится у первичного атома углерода, то такой радикал называется первичным. Соответственно этому могут быть вторичные (свободная валентность принадлежит вторичному атому углерода) и третичные (свободная валентность у третичного углеродного атома) радикалы:.
Н3С— - первичный одновалентный радикал (метил);
(СН3)2СН— - вторичный одновалентный радикал (изопропил);
(СН3)3С— - третичный одновалентный радикал (mpem-бутил).
1.2. Номенклатура и изомерия
Номенклатура. Для названия предельных углеводородов применяют в основном систематическую и рациональную номенклатуры.
Названия первых четырех членов гомологического ряда метана тривиальные: метан, этан, пропан, бутан. Начиная с пятого названия образованы от греческих числительных с добавлением суффикса –ан (этим подчеркивается сходство всех предельных углеводородов с родоначальником этого ряда — метаном).
Общее (родовое) название предельных углеводородов — алканы. Названия по систематической номенклатуре составляют следующим образом:
В формуле молекулы алкана выбирают главную цепь — самую длинную.
| H3C—CH—CH2—CH—CH2—CH3-------- | ----------- | CH3 ¦ CH2—CH2—CH3 --------------------- |
Затем эту цепь нумеруют с того конца, к которому ближе расположен заместитель (радикал). Если заместителей несколько, то поступают так, чтобы цифры, указывающие их положение, были наименьшими. Заместители перечисляют по алфавиту.
| 1 2 3 4H3C—CH—CH2—CH—CH2—CH3 | 5 | 6 7 CH3 CH2—CH2—CH3 |
3. Углеводород называют в таком порядке: вначале указывают (цифрой) место расположения заместителя, затем называют этот заместитель (радикал), а в конце добавляют название главной (самой длинной) цепи. Таким образом, углеводород может быть назван: 2-метил-4-этилгептан (но не 6-метил-4-этилгептан).
Если в главной цепи содержится несколько одинаковых заместителей, то их число обозначают греческим числительным, которое ставят перед названием этих заместителей. Приставки ди-, три-, тетра- и т.д. не влияют на алфавитное расположение заместителей в названии.
Для простейших углеводородов изостроения сохраняются их несистематические названия: изобутан, изопентан, неопентад.
По рациональной номенклатуре алканы рассматривают как производные простейшего углеводорода — метана, в молекуле которого один или несколько водородных атомов замещены на радикалы. Эти заместители (радикалы) называют по старшинству (от менее сложных к более сложным). Если эти заместители одинаковые, то указывают их количество. В основу названия включают слово "метан":
| CH3|H3C—C—CH3| CH3 | C2H5 | H3C—CH—CH—CH3| CH3 |
| тетраметилметан (2,2-диметилпропан) | метилэтилизопропилметан (2,3-диметилпентан) |
Свою номенклатуру имеют и радикалы (углеводородные радикалы). Одновалентные радикалы называют алкилами и обозначают буквой R или Alk. Их общая формула CnH2n + 1. Названия радикалов составляют из названий соответствующих углеводородов заменой суффикса -ан на суффикс -ил (метан — метил, этан — этил, пропан — пропил и т.д.). Двухвалентные радикалы называют, заменяя суффикс -ан на -илиден (исключение — радикал метилен ==СН2). Трехвалентные радикалы имеют суффикс -илидин (исключение — радикал метин ººСН).
Изомерия.
Для алканов характерен самый простой вид изомерии — структурная изомерия.
В молекулах метана, этана и пропана может быть только один порядок соединения атомов.
Если в молекуле алкана содержится более трех углеродных атомов, то порядок их соединения может быть различным — появляется возможность изомерии. Например, для углеводорода С4Н10 возможны две структуры:
| H H H H| | | |H—C—C—С—С—H| | | |H H H H | H H H| | |H—C—C—С—H| | |H | HH—C—H|H |
| н-бутан (н-C4H10) | изобутан (изо-С4Н10) |
Один из этих изомеров (н-бутан) содержит неразветвленную углеродную цепь, а другой — изобутан — разветвленную (изостроение). Таким образом, молекулы бутана и изобутана, имея одинаковый состав, различаются между собой химическим строением, т.е. они являются структурными изомерами. Изомеры обладают сходными химическими свойствами и различными — физическими.