Построение структурных формул. Углеводороды

Пример 2.2.

Написать структурную формулу для соединения 2,4,5 триметил- 3-этилгексан. Написать брутто-формулу этого соединения.

1. Записывается главная (самая длинная углеродная цепь), т.е. записывается углеродный скелет алкана стоящего в конце предложенного названия. В данном примере это гексан и номеруются все углеродные атомы:

С – С – С – С – С – С

2. В соответствии с цифрами, указанными в формуле, расставляются все заместители.

С - С - С - С - С - С

СН 3 С 2 Н 5 СН 3 СН 3

3. Соблюдая условия четырехвалентности углеродных атомов, заполняют оставшиеся свободные валентности атомов углерода в углеродном скелете атомами водорода:

СН 3 – СН – СН - СН - СН - СН 3

СН 3 С 2 Н 5 СН 3 СН 3

4. Количество углеродных атомов в данном соединении 11. Брутто-формула этого соединения С 11 Н 24

Изомерия алканов. Вывод структурных формул изомеров .

Молекулы, имеющие одинаковый состав, но различающиеся различным строением называются изомерами. Изомеры отличаются друг от друга химическими и физическими свойствами.

В органической химии существует несколько видов изомерии. Предельным алифатическим углеводородам – алканам характер один, самый простой вид изомерии. Этот вид изомерии называется структурной или изомерия углеродного скелета.

В молекулах метана, этана и пропана может быть только один единственный порядок соединения атомов углерода:

Н Н Н Н Н Н

│ │ │ │ │ │

Н – С – Н Н - С - С - Н Н - С - С - С - Н

│ │ │ │ │ │

Н Н Н Н Н Н

Метан этан пропан

Если в молекуле углеводорода содержится больше трех атомов, то порядок соединения их между собой может быть различен. Например, бутан С 4 Н 8 , может содержать два изомера: линейный и разветвленный.

Пример 2.3. Составить и назвать все возможные изомеры пентана С 5 Н 12 .

При выводе структурных формул отдельных изомеров можно поступать следующим образом.

1. Согласно общему числу углеродных атомов в молекуле (5) вначале записываю прямую углеродную цепь – углеродный скелет:

2. Затем «отщепляя» по одному крайнему атому углерода, располагают их у оставшихся в цепи углеродов так, чтобы получить максимально возможное количество совершенно новых структур. При отщеплении одного углеродного атома от пентана может быть получен только еще один изомер:

3. Получить другой изомер, переставляя «вынутый» из цепи углерод нельзя, так как при перестановке его к третьему углеродному атому главной цепи по правилам составления названий нумерацию главной цепи нужно будет провести справа налево. При отщеплении двух углеродных атомов от пентана может быть получен еще один изомер:

4. Соблюдая условия четырехвалентности углеродных атомов, заполняют оставшиеся свободные валентности атомов углерода в углеродном скелете атомами водорода

(см. пример 2.2.)

Примечание: необходимо понимать, что «изогнув» произвольно молекулу, нельзя получить новый изомер. Образование изомеров наблюдается лишь в том случае, когда нарушается первоначальное строение соединения. Например, приведенные ниже соединения

С – С – С - С – С и С – С – С

не являются изомерами, это углеродный скелет одного и того же соединения пентана.

3. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРЕДЕЛЬНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ

(задачи №№ 51 – 75)

Литература:

Н.Л. Глинка. Общая химия. – Л.: Химия, 1988, гл.XV, п. 164, с. 452 – 455.

Пример 3.1. На примере пентана охарактеризуйте химические свойства алканов. Укажите условия протекания реакций и назовите продукты реакций.

Решение:

1. Основные реакции алканов – реакции замещения водорода, идущие по свободно-радикальному механизму.

1.1. Галогенирование h n

СН 3 – СН 2 – СН 2 – СН 2 – СН 3 + Cl 2 ¾¾® СН 3 – СН 2 – СН 2 – СН 2 – СН 2 Сl + HСl

пентан 1-хлорпентан

СН 3 – СН 2 – СН 2 – СН 2 – СН 3 + Cl 2 ¾¾® СН 3 – СН – СН 2 – СН 2 – СН 3 + HСl

2-хлорпентан

СН 3 – СН 2 – СН 2 – СН 2 – СН 3 + Cl 2 ¾¾® СН 3 – СН 2 – СН – СН 2 – СН 3 + HСl

3-хлорпентан

На первой стадии реакции в молекуле пентана замещение атома водорода будет происходить как у первичного, так и у вторичного атома углерода, в результате чего образуется смесь изомерных монохлорпроизводных.

Однако энергия связи атома водорода с первичным атомом углерода больше, чем со вторичным атомом углерода и больше, чем с третичным атомом углерода, поэтому легче идет замещение атома водорода, связанного с третичным атомом углерода. Данное явление называется селективностью. Оно выражено ярче у менее активных галогенов (брома, иода). При повышении температуры селективность ослабляется.

1.2. Нитрование (реакция М.М. Коновалова)

НNО 3 = ОНNО 2 Катализатор Н 2 SO 4 конц.

В результате реакции образуется смесь нитропроизводных.

t = 120-150 0 С

СН 3 – СН 2 – СН 2 – СН 2 – СН 3 + ОНNО 2 ¾¾® СН 3 – СН 2 – СН 2 – СН 2 – СН 2 NO 2 + H 2 O

пентан 1-нитропентан

t = 120-150 0 С

СН 3 – СН 2 – СН 2 – СН 2 – СН 3 + ОНNО 2 ¾¾® СН 3 – СН – СН 2 – СН 2 – СН 3 + H 2 O

NO 2 2-нитропентан

t = 120-150 0 С

СН 3 – СН 2 – СН 2 – СН 2 – СН 3 + ОНNО 2 ¾¾® СН 3 – СН 2 – СН – СН 2 – СН 3 + H 2 O

NO 2 3-нитропентан

1.3. Реакция сульфирования Концентрированная Н 2 SO 4 = ОНSO 3 Н

СН 3 – СН 2 – СН 2 – СН 2 – СН 3 + ОНSO 3 Н ® СН 3 – СН 2 – СН 2 – СН 2 – СН 2 SO 3 Н + H 2 O

пентан 1-сульфопентан

2. Реакция полного окисления – горение.

С 5 Н 12 + 8(О 2 + 3,76 N 2) ® 5СО 2 + 6Н 2 О + 8×3,76N 2

3. Термическое разложение

С 5 Н 12 ® 5С + 6Н 2

4. Крекинг – реакция расщепления с образованием алкана и алкена

СН 3 – СН 2 – СН 2 – СН 2 – СН 3 ¾¾® СН 3 – СН 3 + СН 2 = СН – СН 3

пентан этан пропен

5. Реакция изомеризации

СН 3 – СН 2 – СН 2 – СН 2 – СН 3 ¾¾® СН 3 ¾ С ¾ СН 3

CН 3 2,2-диметилпропан

Пример 3.2. Охарактеризуйте способы получения алканов. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно получить пропан.

Решение:

1. Крекинг алканов

СН 3 – СН 2 – СН 2 – СН 2 – СН 2 – СН 3 ® СН 3 – СН 2 – СН 3 + СН 2 = СН – СН 3

гексан пропан пропен

2. Реакция Вюрца

CH 3 – Cl + 2Na + Cl – СН 2 – СН 3 ® СН 3 – СН 2 – СН 3 + 2NaCl

хлорметан хлорэтан пропан

3. Восстановление галогенпроизводных алканов

3.1. Восстановление водородом

СН 3 – СН 2 – СН 2 – I + H – H ® СН 3 – СН 2 – СН 3 + HI

1-иодпропан водород пропан

3.2. Восстановление галогеноводородом

СН 3 – СН 2 – СН 2 – I + H – I ® СН 3 – СН 2 – СН 3 + I 2

1-иодпропан иодо- пропан иод

сплавление

СН 3 – СН 2 – СН 2 – С = О + NaOH ¾¾¾® СН 3 – СН 2 – СН 3 + Na 2 CO 3

натриевая соль \ гидроксид пропан карбонат

бутановой кислоты ОNa натрия натрия (сода)

5. Гидрирование непредельных углеводородов

5.1. Гидрирование алкенов

СН 2 = СН – СН 3 + Н 2 ® СН 3 – СН 2 – СН 3

пропен пропан

5.2. Гидрирование алкинов

СН º С – СН 3 + 2Н 2 ® СН 3 – СН 2 – СН 3

На основе этих идей А. М. Бутлеров разработал принципы построения графических формул химических веществ. Для этого требуется знать валентность каждого элемента, которую изображают на рисунке в виде соответствующего числа чёрточек. Пользуясь этим правилом, легко установить, возможно или невозможно существование вещества с определённой формулой. Так, существует соединение, называемое метаном и имеющее формулу СН 4 . Соединение с формулой СН 5 невозможно, так как для пятого водорода у углерода уже не найдётся свободной валентности.

Рассмотрим сначала принципы строения наиболее просто устроенных органических соединений. Их называют углеводородами, так как в их состав входят только атомы углерода и водорода (рис. 138). Самым простым из них является упомянутый метан, в котором есть всего один атом углерода. Прибавим к нему ещё один такой же атом и посмотрим, как будет выглядеть молекула вещества, называемого этаном. У каждого атома углерода одна валентность занята его собратом – другим углеродным атомом. Теперь надо заполнить водородом оставшиеся валентности. У каждого атома осталась по три свободных валентных связи, к которым и присоединим по одному атому водорода. Получилось вещество, имеющее формулу С 2 Н 6 . Прибавим к нему ещё один атом углерода.

Рис. 138. Полные и сокращённые структурные формулы органических соединений

Теперь мы видим, что у среднего атома осталось только две свободных валентности. К ним мы присоединим по атому водорода. А к крайним углеродным атомам добавим, как и прежде, по три атома водорода. Получим пропан – соединение с формулой С 3 Н 8 . Такую цепочку можно продолжать, получая всё новые и новые углеводороды.

Но углеродные атомы необязательно должны располагаться в молекуле в линейном порядке. Допустим, что мы хотим добавить к пропану ещё один углеродный атом. Оказывается, это можно сделать двумя способами: присоединить его либо к крайнему, либо к среднему атому углерода пропана. В первом случае мы получим бутан с формулой С 4 Н 10 . Во втором случае общая, так называемая эмпирическая, формула будет такой же, но изображение на рисунке, называемое структурной формулой , будет выглядеть иначе. И название вещества будет несколько иное: не бутан, а изобутан.

Вещества, имеющие одну и ту же эмпирическую, но разные структурные формулы, называют изомерами , а способность вещества существовать в виде различных изомеров – изомерией . Мы, например, употребляем в пищу различные вещества, имеющие одну и ту же формулу С 6 Н 12 О 6 , но структурные формулы они имеют различные и носят разные названия: глюкоза, фруктоза или галактоза.

Углеводороды, которые мы рассмотрели, называют предельными. В них все атомы углерода связаны между собой одинарной связью. Но так как атом углерода четырёхвалентен и имеет четыре валентных электрона, то теоретически он может образовывать двойные, тройные и даже четверные связи. Четверные связи между атомами углерода в природе не существуют, тройные встречаются редко, а вот двойные присутствуют во многих органических веществах, в том числе и в углеводородах. Соединения, в которых имеются двойные или тройные связи между атомами углерода, называют непредельными или ненасыщенными углеводородами. Возьмём снова молекулу углеводорода, содержащую два атома углерода, но соединим их с помощью двойной связи (см. рис. 138). Мы видим, что теперь у каждого атома углерода осталось по две свободных связи, к каждой из которых он может присоединить по одному атому водорода. Получаемое соединение имеет формулу С 2 Н 4 и называется этиленом. Этилен, в отличие от этана, имеет меньше атомов водорода при том же числе углеродных атомов. Поэтому углеводороды, имеющие двойную связь, и называют ненасыщенными в том смысле, что они не насыщены водородом.

AdobeReader позволяет просматривать и печатать документы в формате pdf (полноцветные электронные книги, журналы...). Програмный продукт свободно распространяется компанией Adobe. Имеет мультиязычный интерфейс.

интерфейс: мультиязычный
скачать: http://www.adobe.com/products/acrobat/readstep2_allversions.html

DjVuReader

DjVuReader программа для просмотра файлов в формате djvu (электронные книги).

условия использования: бесплатная FreeWare
интерфейс: русский
размер: 1,75 MB
скачать: djvureader.zip

ChemSketch v.12.01 (Русская версия)

Русская версия абсолютно бесплатной программы, предназначенной для рисования химических структур. Имеет удобный интерфейс, состоящий из двух окон: "Структура" и "Рисунок". Первое окно - для изображения структур, второе - для рисования химических реакций и различных схем. Программа содержит очень удобную таблицу радикалов, шаблоны колец, цепей и функциональных групп и другие инструменты. Во многих отношениях программа не уступает ChemDraw и ISIS/Draw, может сохранять файлы в обоих форматах - Документ ChemDraw (*.cdx) и Эскиз ISIS/Draw (*.skc). Кроме ChemSketch в пакет установки также входит 3D Viewer - программа, позволяющая создавать объемные модели молекул.

условия использования: бесплатная FreeWare
разработчик: http://www.acdlabs.com
интерфейс: русский
размер: 34,9 MB
скачать:

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Структурная формула - это химическая формула, отражающая то, как атомы связаны внутри молекулы.

Она имеет две разновидности: плоскостная (2D) и пространственная (3D) (рис. 1). Внутримолекулярные связи при изображении структурной формулы принято обозначать черточками (штрихами).

Рис. 1. Структурная формула этилового спирта: а) плоскостная; б) пространственная.

Плоскостные структурные формулы могут изображаться по-разному. Выделяют краткую графическую формулу, в которой связи атомов с водородом не указываются:

CH 3 - CH 2 - OH

скелетную графическую формулу, которую наиболее часто используют при изображении строения органических соединений, в ней не только не указываются связи углерода с водородом, но и не обозначаются связи, соединяющие атомы углерода друг с другом и другими атомами:

для органических соединений ароматического ряда используются специальные структурные формулы, изображающие бензольное кольцо в виде шестиугольника:

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

В веществах атомы связаны друг с другом в определённой последовательности, а между парами атомов (между химическими связями) имеются определённые углы. Всё это необходимо для характеристики веществ, так как от этого зависят их физические и химические свойства. Сведения о геометрии связей в веществах частично (иногда полностью) отражаются в структурных формулах.

В структурных формулах связь между атомами изображается чертой. Например:

Химическая формула воды H2O, а структурная H-O-H,

Химическая формула пероксида натрия Na2O2, а структурная Na-O-O–Na,

Химическая формула азотистой кислоты HNO2, а структурная H-O-N=O.

При изображении структурных формул чёрточками обычно показывают стехиометрическую валентность элементов. Структурные формулы, построенные по стехиометрическим валентностям, иногда называются графическими .Такие структурные формулы несут информацию о составе и порядке расположения атомов, но не содержат правильных сведений о химических связях между атомами.

Структурная формула - это графическое изображение химического строения молекулы вещества, в котором показывается порядок связи атомов, их геометрическое расположение. Кроме того, она наглядно показывает валентность атомов входящих в ее состав.

Для правильного написания структурной формулы того или иного химического вещества вы должны хорошо знать и представлять, что такое способность атомов образовывать определенное количество электронных пар с другими атомами. Ведь именно валентность поможет вам нарисовать химические связи. Например, дана молекулярная формула аммиака NH3. Вы должны написать структурную формулу. Учитывайте то, что водород всегда одновалентен, поэтому его атомы не могут быть связаны между собой, следовательно, они будут соединены с азотом.

Чтобы правильно написать структурные формулы органических соединений, повторите основные положения теории А.М. Бутлерова, согласно которой существуют изомеры – вещества с одинаковым элементарным составом, но с разными химическими свойствами. Например, изобутан и бутан. Молекулярная формула у них одинаковая: C4H10, а структурные – отличаются.

В линейной формуле каждый атом записывается отдельно, поэтому такое изображение занимает много места. Однако при составлении структурной формулы, вы можете указать общее число атомов водорода при каждом атоме углерода. А между соседними углеродами нарисуйте химические связи в виде линий.

Написание изомеров начните с углеводорода нормального строения, то есть с неразветвленной цепью углеродных атомов. Затем сократите на один атом углерода, который присоедините к другому, внутреннему углероду. Исчерпав все варианты написания изомеров с данной длиной цепи, сократите ее еще на один углеродный атом. И опять присоедините его к внутреннему углеродному атому цепи. Например, структурные формулы н-пентана, изопентана, тетраметилметана. Таким образом, углеводород с молекулярной формулой C5H12 имеет три изомера. Про явления изомерии и гомологии узнайти подробнее в следующих статьях!