Номенклатура алканов

В органической химии используют несколько систем номенклатуры соединений. В частности: тривиальные названия, рациональную номенклатуру и систематическую IUPAC номенклатуру.

Тривиальные названия часто отражают историю открытия соединения, источник его получения, свойства соединения и т.д., но не отражают строения вещества. Первые четыре алкана носят тривиальные названия. Это: метан (СН₄), этан (С₂Н₆), пропан (С₃Н₈), бутан (С₄Н₁₀). Название «этан» происходит от латинского слова «эфир», т.к. радикал С₂Н₅ входит в состав эфира. После бутана названия алканов образуют прибавляя окончание «ан» к греческому числительному, отражающему число атомов углерода в молекуле (табл. 1)

Таблица 1

Название алканов

При выводе формул углеводородов исходят из общепринятого положения о четырехвалентности углерода и из отличительной особенности атомов углерода к взаимному соединению.

Первые три члена гомологического ряда алканов существуют каждый лишь в одной форме, т.е. в ином порядке атомы углерода в их молекулах соединить нельзя:

Иначе обстоит дело с алканами с числом углеродных атомов четыре и более. Например для С₄Н₁₀ можно написать две скелетные формулы (в этих формулах атомы водородов не обозначают):

Углеводород со скелетной формулой 1 имеет неразветвленную углеродную цепь, каждый атом углерода в нем связан не более, чем с двумя углеродами. Неразветвленность цепи отражается в названии приставкой «нормальный» (н-). Углеводород 2 имеет разветвленную углеродную цепь, один из атомов углерода связан с тремя углеродами. Соединения 1 и 2 различаются порядком связи атомов друг с другом: это структурные изомеры. Чтобы различать их, один назвали бутан (иногда н-бутаном, как сокращение тривиального названия «нормальный бутан»), второй – изобутаном.

В нормальных алканах все атомы углерода образуют единую протяженную цепь, хотя скелет такой молекулы может быть записан с изгибами:

Число возможных изомеров резко увеличивается с увеличением числа атомов углерода в молекуле. В связи с этим, префикс изо применяют в тривиальном названии только того изомера, который имеет одно углеродное разветвление у предпоследнего углеродного атома протяженной цепи. Например, скелетные формулы изогексана и изогептана:

Из приведенных структурных формул видно, что не все атомы углерода в них равноценны между собой. Каждый из них соединен с различным числом атомов углерода. Атом углерода, связанный с одним атомом углерода, называют первичным; связанный с двумя – вторичным, с тремя – третичным, с четырьмя – четвертичным:

Подобным образом классифицируют и атомы водорода. Водородные атомы называют первичными, вторичными или третичными, так же как и атомы углерода, с которыми они связаны.

Рассмотрим две сокращенные структурные формулы:

Обе имеют четыре атома углерода в самой длинной цепи и на­зываются как бутаны. Различие заключается в замене одного из Н-атомов у отмеченного звездочкой атома углерода на группу СН₃. Замены такого рода называют замещением, а группа СН₃ играет здесь роль заместителя. Таким образом, второе из приведенных выше соединений является замещенным бутаном.

Группировки атомов, имеющие неспаренный электрон, назы­вают по правилам IUPAC радикалами. Когда речь идет о замести­теле, то неспаренный электрон обозначают черточкой, как в СН₃—. Для обозначения свободных радикалов употребляют точку, например • СН₃. Для того, чтобы избежать путаницы, большинство химиков пред­почитают в первом случае название группы, а во втором — сво­бодные радикалы.

СН₃—является группой, которую можно образовать отщеплением атома водорода от метана СН₄. Еще одним примером может служить группа СН₃СН₂—, образуемая из нормального алкана этана. Целый ряд подобных групп можно образовать из нормальных алканов. В общем виде их называют алкильными группами, а ин­дивидуальные названия дают, заменяя в названиях алканов суф­фикс (окончание) ан на ил. Например:

СН₃— СН₃СН₂— или С₂Н₅— СН₃СН₂СН₂— или С₃Н₇—

метил этил пропил

Группы, производимые от изоалканов, называют по тому же принципу, как и группы, производящиеся от нормальных алканов, суффикс ан заменяют на суффикс ил. Например:

Свободная валентность этих групп находится на противоположном конце от разветвления. Разветвле­ние же, как и прежде, состоит из одного атома углерода и находится у предпоследнего атома самой длинной углеродной цепи.

Есть еще одна изо -группа, не имеющая соответствующего ей разветвленного алкана. Это изопропильная группа. Ее формула:

Соответствующий углеводород является пропаном.

Формулы алкильных групп всегда можно узнать по черточке, указывающей свободную валентность:

СН₃СН₂СН₃ СН₃СН₂СН₂— или С₃Н₇—

пропан пропильная группа

Когда подобные группы связаны с атомом углерода цепи, их записывают в линейной структурной формуле в скобках вслед за этим атомом углерода:

СН₃СН(СН₃)СН₂СН(СН₃)₂ изображает

Двухвалентные радикалы, образованные удалением двух атомов водорода от одного и того же атома углерода, имеют в названии суффикс илиден (исключение – «метилен» для СН₂=). Если два атома водорода удаляются от двух разных концевых атомов углерода, то такие радикалы называют: этилен, триметилен и т.д. (исключение: пропилен). Названия важнейших ациклических одно- и двухвалентных углеводородных радикалов представлены в табл. 2.

Таблица 2

Названия важнейших углеводородных радикалов

Радикал	Название
Одновалентные
радикал	название
Двухвалентные

Для того, чтобы назвать насыщенный углеводород с разветвленной цепью углеродных атомов надо прежде всего выбрать главную цепь. Главной цепью считают самую длинную цепь углеродных атомов. Если таких две или более, то выбирают наиболее сложную, т.е. имеющую наибольшее число разветвлений.

Далее атомы углерода главной цепи нумеруют, начиная с того конца, к которому ближе примыкает любой из радикалов. Эти цифры называют локантами. Если разные алкилы находятся на равном расстоянии от концов цепи, то выбор начала нумерации определяет старший, т.е. радикал с меньшим числом атомов углерода. При равном числе атомов углерода старшим считается наиболее разветвленный радикал. Если на обоих концах цепи стоят одинаковые радикалы, то учитывается наличие следующих радикалов и нумерация начинается с того конца, где больше разветвлений.

Для удобства определения главной цепи и начала нумерации пользуются правилом наименьшей суммы номеров, т.е. выбирают главную цепь и начало нумерации так, чтобы сумма номеров, обозначающих положение заместителей, была наименьшей.

При составлении названия следует иметь в виду, что в правилах IUPAC предпочтение отдается перечислению заместителей в алфавитном порядке. Алфавитный порядок имеет тот существенный недостаток, что он оказывается разным на разных языках. Однако, алфавитный порядок при явном недостатке, заключающемся в отсутствии межъязыковой однозначности, все же удобен, т.к. для каждого языка устанавливает однозначную последовательность, не требуя разработки сложных правил старшинства. Удобства алфавитного расположения очевидны и особенно наглядны при построении названий полифункциональных соединений и поиске соединений в литературе по их названиям.

Что касается положения цифр (локантов) в названиях, то следует учесть, что правила IUPAC не определяют таких деталей записи названий.

В англо-амери­канском варианте расположение локантов отрывает их от тех ча­стей названия, к которым локанты относятся, и тем самым затруд­няет понимание названий. Традиция отечественной номенкла­туры — помещать локанты перед префиксами (приставками) и после суффиксов — разумна, т.к. позволяет максимально разгру­зить словесную часть названия от цифр и в то же время увеличивает наглядность названия.

Если к главной цепи примыкают два или большее число одинаковых заместителей, то для указания на это используют соответствующие префиксы: ди при двух оди­наковых заместителях, три при трех, тетра при четырех, пента при пяти и т. д. В качестве примера рассмотрим соединение, ко­торое обычно (хотя и неправильно) называют «изооктаном». Углеродный скелет этого соединения:

Систематическое название этого вещества 2, 2, 4-триметилпентан. Префикс три указывает, что в нем имеются три метильных группы, цифры 2, 2, 4- определяют их положение, т. е. являются локантами. Для отделения цифр друг от друга используются запятые, а для отделения цифр от слов — дефисы. Последняя из называемых групп пишется слитно с названием главной цепи.

Еще одно соединение, которому надо дать название:

Это 2, 4-диметил-5-этилгептан. Префиксы ди, три и т. д. не принимаются во внимание при определении алфавитного порядка.

Хотя «д» в русском алфавите следует раньше «м» и «т», но «ди» и «три» говорят о числе заместителей, сами же заместители (ме­тил, этил) следует располагать в названии именно в указанном алфавитном порядке: сначала метил (диметил-, триметил- и т. д.), потом этил (диэтил-, триэтил-, тетраэтил- и т. д.).

Существует простой способ проверки полноты составленных названий. Для этого надо подсчитать сумму атомов углерода, обозначенных в наз­вании, и проверить, совпадает ли она с числом С-атомов в формуле. Например, соединение

Это 2, 4-диметил-5-этилгептан. Проверку производят следующим образом:

Фрагменты названия Число С-атомов

2, 4-диметил 2 (по 1 для каждого метила)

5-этил 2

гептан 7

Итого: 11

В углеродном скелете действительно 11 атомов.

Разветвленные алкильные группы называют подобно развет­вленным алканам. Важным отличием является то, что связанный с главной цепью углеродный атом всегда получает номер 1. На­пример:

Для ряда замещающих групп в правилах IUPAC сохранены тривиальные названия.

Изо -названия для разветвленных алкильных групп приме­няются только для первых членов ряда, включая изогексил; точно так же название изогексан является последним из допускае­мых правилами изо-названий алканов.

Рациональная номенклатура, в отличии от тривиальных названий, базируется на строении молекул. Названия сложных структур строят из названия «блоков», т.е. радикалов, связанных с основным, наиболее важным узлом молекулы. По рациональной номенклатуре алканы рассматривают как производные метана, у которого атомы водорода замещены соответствующими радикалами. Выбор «метанового» углерода произвольный, поэтому одно соединение может иметь по рациональной номенклатуре несколько названий.

2.2. Номенклатура алкенов

Алкены или олефины – это углеводороды, содержащие одну двойную углерод-углеродную связь. Как и в случае алканов, существует несколько различных систем номенклатуры алкенов.

Для простейших алкенов используют тривиальные названия:

По рациональной номенклатуре алкены рассматривают как производные этилена. Например:

По систематической IUPAC номенклатуре названия алкенов образуются из названий соответствующих алканов заменой окончания ан на ен.

В названиях двух первых членов гомологического ряда алкенов нет никакой неопределенности. Названиям этен и пропен могут отвечать только формулы СН₂=СН₂ и СН₃СН=СН₂. Бутен и все последующие члены ряда имеют по несколько изомеров, различающихся, в частности, положением двойной связи. Например, бутены могут иметь следующую структуру:

Проблема названий решается при помощи нумерации атомов углерода в цепи. Ее начинают с того конца, который ближе к двойной связи:

Локантом двойной связи служит меньший из номеров атомов, связанных двойной связью, как показано ниже:

В английском оригинале эти названия записаны иначе: 1-бутен; 2-бутен (или бут-1-ен; бут-2-ен). В русской номенклатуре, установилась традиция: располагать локанты перед приставками (префиксами), но после суффиксов. Такая запись во многих случаях позволяет полностью разгрузить от цифр словесную часть названия. Кроме того, локанты при этом всегда располагаются рядом с кратными связями, к которым они относятся, и это облегчает расшифровку названия.

Разветвленные (замещенные) алкены называют подобно раз­ветвленным алканам. Нумеруют атомы углерода, называют глав­ную цепь, к этому названию прибавляют название заместителя, вместе с соответствующим локантом. Например:

Если имеется несколько цепей одинаковой длины, то в ка­честве главной цепи выбирают ту из них, в которой содержится двойная связь. При­веденный ниже углеводород должен быть назван как производное пентена, но не пентана:

В некоторых случаях самая длинная протяженная цепь углеродных атомов может и не оказаться главной. Например:

Правильное название этого соединения производится от пентена, хотя в нем имеется цепь из шести атомов углерода.

У соединений с одной или несколькими двойными связями проявляется особый вид пространственной изомерии, называемый геометрической или цис-, транс-изомерией.

Пространственная изомерия алкенов обусловлена различным положением заместителей в пространстве относительно плоскости π -связи. Геометрическая изомерия невозможна, если заместители при любом атоме углерода двойной связи одинаковы (пропилен, бутен-1, изобутилен).

Для обозначения геометрических изомеров предложены буквенные обозначения: Z – для цис- и E для транс-изомеров:

Если у атомов углерода, связанных двойной связью, три или четыре заместителя различные, то обозначения Z или E выбирают по пространственному расположению двух самых старших групп. Если оба старших заместителя расположены по одну сторону плоскости, в которой находится двойная связь, то изомер относится к Z-ряду, в противном случае – к E-ряду:

Радикалы, производимые от алкенов, называют заменяя окончание ен на енил.

Во всех радикалах, кроме этенильного, надо проводить нумера­цию. Атом углерода со свободной валентностью всегда получает номер 1.

В правилах IUPAC разрешены несистематические названия нескольких алкенильных радикалов: винил, аллил, изопропилиден.