СТРОЕНИЕ АЛКАНОВ

Ациклические алканы имеют общую формулу Это означает, что в молекуле любого алкана число атомов водорода на два превосходит удвоенное число атомов углерода.

Атомы углерода в алканах находятся в -гибридном состоянии и имеют тетраздрическую геометрию с валентными углами около 109,5°. Фрагменты молекул могут свободно вращаться относительно друг друга вокруг углерод-углеродных связей, поэтому форма молекулы непрерывно изменяется.

В пропане валентный угол несколько больше обычного и составляет около 112°, поскольку две метальные группы больше по

размерам, чем атомы водорода, и располагаются дальше друг от друга:

При дальнейшем обсуждении строения алканов мы иногда будем изображать молекулы с помощью проекций Ньюмена. Проекция Ньюмена — это изображение того, как выглядит молекула, если смотреть на нее вдоль углерод-углеродной связи.

Если посмотреть на молекулу бутана со стороны, показанной стрелкой, картина будет приблизительно такой:

Такое изображение называется перспективной проекцией или "лесопильными козлами". Если же наблюдатель посмотрит точно вдоль связи между атомами , то он увидит такую картину:

Это и есть проекция Ньюмена. Точка в центре круга символизирует ближайший к наблюдателю атом углерода, а круг — углеродный атом, находящийся за первым, обозначенным точкой. Дальняя часть молекулы может вращаться относительно ближней вокруг связи Ниже показаны формы молекулы бутана, образующиеся в результате последовательных поворотов на 60°:

Такие формы молекулы, получающиеся при вращении вокруг простых связей, называют конфоршциями. Конформации называются заслоненными, так как в проекциях Ньюмена группы заслоняют друг друга. Конформации называются заторможенными из-за их большей устойчивости.

При комнатной температуре вращение в молекулах бутана происходит легко и реализуются все возможные конформапдш. Однако наиболее устойчивой является конформация А, в которой метильные группы максимально удалены друг от друга и которая называется анти-конформацией у так как в ней наибольшие по размеру группы расположены напротив друг друга. Вообще молекула принимает ту форму, в которой отталкивание минимально, т. е. ту, в которой наибольшие по размеру группы максимально удалены друг от друга. Поэтому все заторможенные конформации предпочтительнее (т. е. имеют более низкую энергию и более стабильны), чем заслоненные. Поэтому же для алканов анти-конформация А стабильнее, чем гош-конформация С или Вследствие этого для алканов предпочтительной является зигзагообразная форма:

Циклоалканы имеют общую формулу Они имеют в составе молекулы на два атома водорода меньше, чем ациклические алканы с тем же числом углеродных атомов. Чтобы замкнуть цикл, эти два атома водорода должны быть удалены из молекулы алкана. Ниже показаны конформации некоторых циклоалканов:

Циклопропан и циклобутан представляют собой соединения с весьма высоким запасом энергии. Это объясняется значительным отклонением валентных углов от тетраэдрических. В циклопропане эти углы составляют 60°, а в циклобутане — около 90°. В результате возникает так называемое угловое напряжение. Кроме того, в циклопропане и циклобутане имеется еще один дестабилизирующий фактор - эти молекулы вынужденно находятся в заслоненных конформациях, вследствие чего появляется торсионное напряжение. Эти два вида напряжения делают циклопропан и циклобутан менее стабильными, чем их ациклические аналоги. В циклопентане угловое напряжение отсутствует.

Для человека, знакомящегося со строением молекул, будет очень полезно собрать модели этих молекул. Это поможет представить себе реальную форму молекул и разобраться с теорией углового напряжения. Если Ваши модели изготовлены из металла или негнущейся пластмассы, Вы не соберете модели молекул циклопропана и циклобутана, не сломав их.

Циклогексан может существовать в двух формах: конформации кресла и конформации ванны. Кресловидная конформация более стабильна и является наиболее предпочтительной, поскольку в ней отсутствует заслонение. В форме кресла имеется два типа положения атомов и групп, соединенных атомами углерода кольца. Атомы водорода, обведенные кружком в структурной формуле, называются аксиальными, а остальные — экваториальными, Заместитель, находящийся в экваториальном положении, испытывает меньшее отталкивание. Поэтому замещенные циклогексаны существуют в конформации с экваториальным расположением заместителя. Примером может служить предпочтительная конформация изопропилциклогексана.

Ациклические алканы представляют собой подвижные молекулярные структуры, в которых происходит вращение вокруг простых углерод-углеродных связей. Наиболее стабильными состояниями (конформациями) являются те, в которых отталкивание частей молекулы минимально. Циклические алканы существуют в конформациях с минимальным угловым и торсионным напряжением.