Ациклические насыщенные (предельные) углеводороды (парафины, алканы)

Ациклические насыщенные (предельные) углеводороды (парафины, алканы)

Наиболее простыми органическими соединениями являются вещества, молекулы которых построены только из атомов углерода и водорода и которые поэтому были названы углеводородами.

Углеводороды широко распространены природе и находят очень большое и разнообразное практическое применение.

Значение углеводородов заключается еще и в том, что все остальные, более сложные по составу органические вещества являются производными этих простейших соединений и могут быть выведены из этих углеводородов заменой атомов водорода в их молекулах на другие атомы или атомные группы. В свою очередь все другие вещества путем химических реакций могут быть превращены в углеводороды. Таким образом, углеводороды служат остовом, основой всех прочих органических веществ.

Углеводороды, в молекулах которых углеродные атомы образуют открытые, незамкнутые цепи, называют ациклическими углеводородами, или углеводородами жирного ряда. Их подразделяют на два класса: насыщенные (предельные) углеводороды и ненасыщенные (непредельные) углеводороды.

К классу насыщенных углеводородов относят такие углеводороды, в молекулах которых углеродные атомы соединены друг с другом простыми (одинарными) связями, а все валентности углеродных атомов, не участвующие в их взаимном соединении, образуют связи с атомами водорода. Так как в этих углеводородах имеются только простые связи между углеродными атомами, последние соединены с наибольшим числом атомов водорода, таким образом насыщенные углеводороды наиболее богаты водородом по сравнению с углеводородами других классов. В них углеродные атомы до предела насыщены водородом; поэтому эти углеводороды и называют насыщенными. Эти названия распространяются, как мы увидим далее, на все органические соединения, являющиеся производными предельных углеводородов.

Насыщенные углеводороды в обычных условиях мало реакционноспособны и потому были так же названы парафинами (от латинских слов parum affinis – имеющий мало сродства).

Гомология, изомерия и номенклатура предельных углеводородов

Простейшим предельным углеводородом является метан – углеводород, состав которого выражается формулой CH₄. Поскольку, согласно теории строения, углерод четырехвалентен, то очевидно, что четыре атома водорода полностью насыщают четыре валентности углеродного атома и строение молекулы метана может быть представлено следующей структурной формулой:

Н



Н—С—Н или СН₄

Н

На рис. 7 (лекция 1) представлена модель молекулы метана. Атом углерода (черный шарик) расположен как бы в центре тетраэдра, а атомы водорода (белые шарики) – в его вершинах. При этом валентные углы (углы между направлениями связей) в метане равны между собой и составляют 109^о28^'. Нетрудно заметить, что структурная формула метана представляет не что иное, как проекцию его модели на плоскость чертежа.

H H

этан H—C C—H

 

H H

Для удобства обычно пользуются упрощенными структурными формулами, в которых черточки, изображающие некоторые связи, не пишут. В упрощенных формулах углеводородов водородные атомы группируют при атомах углерода. Строение этана достаточно ясно выражает следующая упрощенная структурная формула: СH₃—CH₃ или CH₃



CH₃

Если в молекуле этана один водородный атом заменить на остаток метил или, что то же самое, соединить метильный остаток с этильным, то образуется углеводород состава С₃Н₈ – так называемый пропан. Его строение может быть представлено следующими структурной и упрощенной структурной формулами:

Н Н Н

  

  

При отнятии от молекулы пропана С₃Н₈ одного атома водорода образуется одновалентный остаток пропил состава С₃Н₇—.

Сопоставляя структурную формулу пропана, в которой все атомы углерода расположены в плоскости чертежа, с моделью этого углеводорода, следует обратить внимание на то, что на самом деле его молекула имеет определенную форму и углеродные атомы образуют цепь, изогнутую в пространстве под определенным углом; этот угол близок к нормальному валентному углу углеродного атома (109^о28).

Явление гомологии. Гомологический ряд метана

Из выше изложенного видно, что замещая в молекулах углеводородов один атом водород метильной группой, мы каждый раз получаем более сложный углеводород, отличающийся по состав от предыдущего на один углеродный и два водородных атома, т.е. на группу СН₂. Если расположить выведенные таким образом углеводороды в порядке возрастания числа углеродных атомов или, что то же самое, в порядке возрастания их молекулярных весов, то они образуют следующий ряд: СН₄, С₂Н₆, С₃Н₈, С₄Н₁₀, С₅Н₁₂, С₆Н₁₄, С₇Н₁₆, С₈Н₁₈, С₉Н₂₀ и т.д. Простой подсчет подсказывает, что соотношение атомов водорода и углерода во всех образующих этот ряд соединениях одинаково и может быть выражено общей формулой С_nH_2n+2, где n – число атомов углерода. Все эти вещества подобно метану являются предельными, насыщенными углеводородами.

Члены гомологического ряда обладают сходным химическим строением, для них характерна некоторая общность физических и химических свойств и в то же время свойства их постепенно изменяются в ряду по мере изменения количественного состава.

Гомологические ряды могут быть образованы не только углеводородами, но и органическими соединениями других классов. Существование такого рода рядов органических веществ получило название явления гомологии.

Открытие гомологии сыграло большую роль в развитии органической химии. Оно позволило выделить из огромного количества органических соединений определенные ряды веществ, что значительно облегчило изучение их свойств. Исчерпывающее объяснение гомологии оказалось возможным только на основании теории химического строения, согласно которой гомология является следствием способности углеродных атомов образовывать цепи различной длины. Развитие представлений о гомологии позволило предсказать и открыть многие ранее неизвестные члены гомологических рядов. Гомологический ряд углеводородов, в котором простейшим является метан, называют гомологическим рядом метана, или гомологическим рядом предельных (насыщенных) углеводородов.