Рис. 9.1. Будова молекули етану: а — кулестрижнева модель; б — геометрія молекули; в — о-зв'язки
Навколо вуглець-вуглецевих зв'язків відбувається вільне обертання, у результаті якого молекула може приймати різні просторові форми — конформації (рис. 9.2).
І'"/
Рис. 9.2. Конформації алканів:
а — зиґзаґоподібна; б — нерегулярна; в — клішнеподібна
АЛІФатиЧнІ ВУГЛеВОДнІ. аЛКани
На підставі даних рентгеноструктурного аналізу встановлено, що алкани нормальної (нерозгалуженої) будови в кристалічному стані мають зиґзаґоподібну конформацію. Така будова для молекули найбільш вигідна, оскільки в цьому разі всі атоми Карбону відносно один одного перебувають у загальмованій антибута-новій конформації. При розгалуженій будові вуглецевого ланцюга конформація може змінюватися.
НОМЕНКЛАТУРА
Перші чотири представники гомологічного ряду алканів мають тривіальні назви — метан, етан, пропан, бутан. Назва наступних вуглеводнів з нормальним вуглецевим ланцюгом утворюється від назви грецького числівника, яка вказує кількість атомів Карбону в молекулі, з додаванням суфікса -ан: пентан, гексан тощо (див. табл. 9.1).
У назвах алканів з розгалуженим ланцюгом, в яких дві метильні групи знаходяться на одному кінці вуглецевого ланцюга, що не має інших відгалужень, використовується префікс ізо-, якщо ж на кінці вуглецевого ланцюга є три метильні групи, у назву алкана вводиться префікс нео-:
СН
сн3—сн2—сн2—сн сн3—сн2—с—сн3
СН3
ізогексан неогексан
Назви алканів з розгалуженим вуглецевим ланцюгом складають за замісниковою номенклатурою ШРАС:
1. За основу приймають назву вуглеводню, якому відповідає найдовший не-розгалужений вуглецевий ланцюг (головний вуглецевий ланцюг). якщо у вуглеводні є кілька ланцюгів однакової довжини, то головним з них вважається той, що має найбільшу кількість розгалужень:
2. Нумерують атоми Карбону головного ланцюга з того кінця, до якого ближче розташований замісник. якщо в молекулі алкану замісники розміщені на рівній відстані від обох кінців, то нумерацію починають з того кінця, до якого ближче знаходиться замісник з назвою, що стоїть за алфавітним порядком раніше:
54321 1234567
сн3—сн2—сн2—сн—сн3 сн3—сн2—сн—сн2—сн—сн2—сн3
СН3 СН2 СН3 СН3
2-метилпентан З-етил-5-метилгептан
Глава 9 128 Г
якщо ж на однаковій відстані від обох кінців головного ланцюга розташовані ідентичні замісники, але з одного боку кількість розгалужень більша, ніж з іншого, нумерацію починають з того кінця, де більша кількість замісників:
СН3
сн3—с—сн2—сн2—сн—сн3 сн3—сн—сн2—сн—сн—сн3
СН3 СН3 СН3 СН3 СН3
2,2,5-триметилгекоан 2,3,5-триметилгекоан
3. Складають назву сполуки в цілому, дотримуючись певних правил:
а) спочатку перелічують за алфавітним порядком назви замісників, указуючи цифровий локант, який відповідає положенню кожного замісника в головному вуглецевому ланцюзі. якщо вуглеводень містить кілька однакових замісників, то їх кількість позначають множними префіксами ди- (ді-), три-, тетра- і так далі, а положення кожного з них у головному ланцюзі — зазвичай цифрами;
б) потім називають вуглеводень, якому відповідає головний вуглецевий ланцюг у сполуці, що розглядається.
Замісниками при головному вуглецевому ланцюзі в алканах є одновалентні залишки алканів, так звані алкільні групи, або алкільнірадикали; їх позначають Аlk або R. Назви алкільних груп утворюють з назв відповідних алканів, замінюючи суфікс -ан на -ил (-іл).
Найчастіше зустрічаються алкільні радикали:
_ _ _ _ СНзХ
СН3 СН3 СН2 СН3 СН2 СН2 уСН—
сн/
метил етил пропіл ізоопропіл
СН3
снзЧ І
сн3—сн2—сн2—сн2— рсн—сн2— сн3—сн2—сн— сн3—с—
СН3
СН3 СН3
бутил ізобутил втор-бутил трет-бутил
У наведених назвах префікси втор- (вторинний) і трет- (третинний) характеризують атом Карбону з вільною валентністю.
Для назви складних розгалужених радикалів використовують нумерацію вуглецевого ланцюга радикала, причому починають нумерацію завжди з атома Карбону, який має вільну валентність:
5 4 3 2 1
сн3—сн—сн—сн2—сн2— СН3 СН3
3,4-диметилпентил
Назви залишків молекул алканів, які мають дві вільні валентності, утворюють від назв відповідних алканів шляхом заміни суфікса -ан на -илен (-ілен) (якщо вільні валентності знаходяться при різних атомах Карбону) або -иліден (-іліден) (якщо вільні валентності знаходяться біля одного і того ж атома Карбону):
аЛІФатиЧнІ ВУГЛеВОДнІ. аЛКани
—сн2—
метилен
-сн2—сн2-
сн3—сн= сн3—сн2—сн=
пропіліден
СН3— С— СН3
—СН—сн2— сн,
СН2 СН2 СН2
ізопропіліден
пропілен
триметилен
Зважаючи на розглянуті правила складання назв алканів за замісниковою номенклатурою ШРАС, нижченаведені вуглеводні слід називати таким чином:
СН3
5І 6
СН3
І
?
СН3
СН3—сн2—С— СН3
2,2-диметилбутан
сн
1 2 31 4 5| 6 7 8
сн3—сн—сн—сн2—с—сн2—сн2—сн3
С-ГІ2
5-етил-3-ізопропіл-2,5-диметилоктан
ІЗОМЕРІЯ
Для алканів характерна структурна та оптична ізомерії. Структурна ізомерія алканів зумовлена різною послідовністю зв'язування атомів Карбону в молекулі (ізомерія ланцюга). Вона характерна для бутану і наступних гомологів ряду алканів:
СН3 СН2 СН2 СН3
бутан
3 СН3 СН2 СН
С-ігЦ С-ГІ2 ^-'^9
ю
С4Н
-сГІі 2
СН3— СН чсн3
ізобутан; 2-метилпропан
СН3
СН3— С— СН3 СН3
ізопентан; 2 -метилб утан
неопентан; 2,2-диметилпропан
Зі збільшенням кількості атомів Карбону в молекулі алкана кількість структурних ізомерів значно зростає. Так, гексан С6Н14 має п'ять ізомерів, гептан С7Н16 — дев'ять, октан С8Н18 — 18, декан С10Н22 — 75, ейкозан С20Н42 — 366319.
Для алканів, починаючи з вуглеводню складу С7Н16, можлива оптична ізомерія. Так, 3-метилгексан СН3СН2С*Н(СН3)СН2СН2СН3 має асиметричний атом Карбону і існує у вигляді двох енантіомерів (дзеркальних ізомерів):
СН,
Сн,
сн3—сн2
■'«/ тт
С-ГІ2
у *
о С-ГІ2 С-ГІ2
чсн2—сн3
R-3 -метилгексан
S- 3 -метилгексан
Глава 9
9.4. СПОСОБИ ДОБУВАННЯ
ПРИРОДНІ ДЖЕРЕЛА
Головними природними джерелами алканів є нафта і природний газ. Нафта — це складна суміш органічних сполук, основними компонентами якої є нерозгалу-жені і розгалужені алкани. Природний газ складається з газоподібних алканів — переважно метану (до 95%), етану, пропану і бутану.
Для одержання суміші алканів та інших вуглеводнів нафту піддають фракційній перегонці. У результаті перегонки виділяють кілька фракцій (петролейний ефір, бензин, гас, дизельне пальне, мазут), кожна з яких становить суміш вуглеводнів, що киплять у певному інтервалі температур (табл. 9.2).
Таблиця 9.2 Фракції, які одержують перегонкою нафти
Фракція
Температура кипіння, °С
Суміш алканів
Петролейний ефір
20+60
Бензин
60+180
Гас
180+230
С11, С12
Дизельне пальне
230+300
С13— С17
Мазут
вище 300
С18 і вище
З мазуту перегонкою під вакуумом або з водяною парою добувають солярове масло (вуглеводні складу С18—С25), мастила (вуглеводні складу С28—С38), вазелін і парафін. Подальшою перегонкою фракцій нафти можна одержати індивідуальні алкани.
Природний газ розділяють на складові компоненти шляхом зрідження з подальшою фракційною перегонкою.