ЧАСТЬ 2. УГЛЕВОДОРОДЫ

2.1. НАСЫЩЕННЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ

Т. КЛАРК (Universitat Erlangeti-Niirnberg)

М. М. МАК КЕРВИ (University College, Cork)

2.1.1. ВВЕДЕНИЕ

Углерод является уникальным элементом по числу образуемых им соединений. Своему замечательному единству и многообразию химия соединений углерода, которую исторически определяют как органическую химию, обязана удивительной устойчивости простой углерод-углеродной связи. Насыщенные углеводороды, состоящие только из углеродных и водородных атомов, связанных между собой простыми ковалентными связями, лежат в основе структуры многих органических соединений, и можно построить, по-видимому, бесчисленное множество углеродных цепей и колец разнообразнейшей длины и формы. Родовое название ациклических насыщенных, линейных или разветвленных, углеводородов — алканы, а циклических насыщенных углеводородов, в которых атомы углерода образуют одно или более колец, - циклоалканы.

Простейший алкан — метан — известен с давних пор как основной компонент «болотного» газа, который образуется при бактериальном разложении органических веществ в анаэробных условиях. Метан присутствует также в угольных пластах. Освобождаясь в процессе добычи угля, метан может скапливаться в количествах, достаточных для образования взрывчатой смеси с воздухом («рудничный газ»). Атомы водорода в метане расположены вокруг атома углерода в вершинах правильного тетраэдра. Последовательным замещением атомов водорода в метане на метальные группы можно образовать алканы. Таким образом, все алканы построены на основе скелета, в котором валентные углы близки к значениям углов в тетраэдре (109,5°), а расстояния между двумя связанными атомами углерода равны 154 пм (0,154 нм).

Гомологический ряд алканов имеет общую формулу каждый член этого ряда отличается от последующего на звено . В неразветвленных алканах каждый атом углерода в цепи связан не более чем с двумя другими атомами углерода; в разветвленных алканах один или более углеродных атомов в цепи связаны более чем с двумя другими атомами углерода:

Первые четыре неразветвленных алкана имеют несистематические названия:

Высшие члены ряда, начиная с пентана, имеют систематические названия, составленные из числового префикса (пент, гекс, гепт и т. п.), указывающего на число атомов углерода в цепи, и окончания "ан", характеризующего принадлежность углеводорода к насыщенному ряду. Названия некоторых ациклических алканов общей формулы приведены ниже:

Для обозначения неразветвленных алканов часто используют префикс "н" (нормальный). Однако в отсутствие какого-либо определяющего префикса алкан всегда рассматривают как нормальный, т. е. неразветвленный.

Названия, приведенные выше, являются общими как для разветвленных, так и для неразветвленных алканов. Возможность разветвления в алканах появляется, начиная с бутана, в случае которого можно представить себе две структуры, отвечающие формуле :

Бутан и изобутан представляют собой структурные изомеры; этот термин относится к соединениям с одинаковой молекулярной формулой, но с различной последовательностью связывания между атомами. Изобутан имеет структуру с разветвленной цепью, а бутан (или н-бутан) с неразветвленной (нормальной) цепью. Если число атомов углерода и водорода в алкане больше, чем в бутане, то возможно большее число структурных изомеров. Так, существуют три изомерных пентана; кроме н-пентана имеются (в скобках даны систематические названия):

Число теоретически возможных структурных изомеров резко возрастает по мере увеличения числа углеродных атомов в членах гомологического ряда:

Существуют 5, 9 и 18 изомеров с общими формулами и , соответственно, и изомеров . Были синтезированы все изомерные алканы, включая 75 деканов, но для соединений с числом углеродных атомов больше 10 известна лишь небольшая часть изомеров, общее число которых приведено выше.