Гомологи и изомеры

Из возможности образования углеродных цепей с любым числом атомов углерода вытекает важное следствие. Взяв какое угодно органическое соединение, в котором есть углеводородная цепочка.

с числом атомов углерода п, можно утверждать, что теоретически существуют другие соединения с теми же концевыми группами, но иным числом атомов углерода в цепочке. Все семейство таких соединений называется гомологическим рядом, а сами соединения — гомологами.

Гомологический ряд — это совокупность соединений с одними и теми же структурными признаками, отличающихся только числом групп СН₂ (метилен) в углеродной цепи. Соседние члены гомологического ряда отличаются на одну группу СН₂.

Пример 22.2. Какие вещества входят в гомологический ряд с концевыми группами Н?

Решение. Напишем общую формулу веществ этого ряда:

Этот ряд называется гомологический ряд предельных углеводородов. Здесь концевые группы таковы, что их можно включить в обобщенную формулу C_wH_2n+2. В данном ряду минимальное значение п = 1. Ему соответствует простейший углеводород СН₄ — метан. Следующий гомолог с п = 2 — этан С₂Н₆. К формуле метана добавились атом углерода и два атома водорода. Третий член ряда — пропан С₃Н₈ или Н-СН₂-СН₂-СН₂-Н. Далее идет бутан С₄Н₁₀, который можно получить, добавляя группу СН₂ не только с удлинением цени ;

но и сбоку в виде радикала СН₃:

Оказалось, что у четвертого гомолога могут быть две разные структуры. При необходимости эти два углеводорода можно отнести к разным гомологическим рядам — нормальных и разветвленных предельных углеводородов. Тогда разветвленный бутан (шо-бутан) станет первым гомологом в соответствующем ряду.

Гомологические ряды характеризуются формулой первого члена ряда и общей формулой. Из разобранного примера следует, что первый член гомологического ряда не обязательно содержит только один атом углерода.

Пример 22.3. Напишите общую формулу и формулу первого члена гомологического ряда, содержащего двухосновную янтарную кислоту.

Решение. Вещества искомого гомологического ряда могут содержать как меньшее, так и большее число групп СН₂, но концевые группы должны остаться те же самые, а иначе это уже не будут двухосновные кислоты. Следовательно, общая формула ряда будет HOOC-(CH₂)_w-COOH, где п имеет минимальное значение ноль. Первый член ряда — щавелевая кислота Н₂С₂0₄ с двумя атомами углерода. Брутто-формулу ряда можно записать как С"Н_{2 м 2}0₄. При такой записи минимальное значение п = 2.

Вещества в гомологических рядах близки по физическим и химическим свойствам, а наблюдаемые изменения происходят постепенно, но мере увеличения числа метиленовых групп.

В органической химии почти каждому конкретному составу молекулы соответствует несколько, а при большом числе атомов — много различных структур, отличающихся друг от друга последовательностью соединения атомов и расположением их в пространстве молекулы. Такие разновидности молекул и состоящих из них веществ называются изомерами.

Изомеры — это вещества, молекулы которых имеют одинаковый состав, но разное строение.

Явление изомерии встречается и среди неорганических соединений (см. т. 1, с. 339), но несравнимо реже, чем среди органических.

Распространенность явления изомерии характеризуют следующие примеры. Только пять простейших углеводородов — метан, этан, пропан, этилен

и ацетилен — не имеют изомеров. Среди соединений, состоящих из углерода, водорода и кислорода, нс имеют изомеров только одноуглеродные соединения СН₃ОН (метанол), СП₂0 (формальдегид) и НСООН (муравьиная кислота).

Известно несколько разновидностей изомерии.

Изомерия углеродного скелета. Вещества с простейшими углеродными структурами С₂ и С₃ (без циклов) не имеют таких изомеров, но при наличии четырех атомов углерода возможны два варианта (не считая циклических структур) их соединения между собой:

С усложнением углеродной структуры число изомеров возрастает лавинообразно. Структуры С₅ и С₆ имеют соответственно три и пять изомеров, а структура С₁₃ — уже более 1000 изомеров.

Изомерия положения. Функциональные группы и кратные связи между атомами углерода могут находиться в разном положении на углеродном скелете молекулы. В простейшей структуре С₃ какая-либо группа X может занимать крайнее или среднее положение. Получаются два изомера:

С увеличением числа атомов углерода быстро возрастает и число изомеров этого типа.

Пример 22.4. Сколько изомеров всех видов у молекул С₄Н_шО, содержащих кислород в виде группы ОН?

Решение. Эти молекулы можно рассматривать как бутан, в котором один атом водорода заменен на гидроксогруппу ОН. В примере 22.2 уже выяснилось, что молекула бутана имеет две структуры. В неразветвленном изомере гидроксогруппа может заменить водород у одного из крайних или у одного из средних атомов углерода. Правая и левая половины молекулы бутана идентичны, и поэтому получаются два изомера:

шо-Бутан имеет три одинаковые группы СН₃ и группу СН. Таким образом, группу ОН можно разместить двумя способами, и получается два изомера:

Итак, молекула, соответствующая условию, имеет четыре изомера. Кроме того, при данном составе имеются три изомера молекул с двумя углеводородными радикалами у атома кислорода (это простые эфиры):

Положение кратной связи может изменяться только начиная со структуры С₄:

Оба рассмотренных вида изомерии приводят к существованию изомерных веществ, относящихся к одному и тому же классу органических соединений. Такие изомеры, как правило, не очень сильно отличаются по свойствам.

Изомерия функциональных групп. Различие в свойствах изомеров оказывается особенно сильным, когда они содержат разные функциональные группы. Если взять хорошо известную молекулу уксусной кислоты, то можно спросить: могут ли два имеющихся атома кислорода быть связанными с разными атомами углерода в молекуле такого состава? Ответ будет положительным, так как в органических соединениях, как правило, возможны все структуры, в которых соблюдаются валентности атомов. В данном случае существуют такие изомеры:

Возникает изомер с двумя разными функциональными группами, который уже не проявляет кислотных свойств, но совмещает свойства альдегида и спирта.

Другие виды изомерии будут рассмотрены вместе с веществами тех классов, где они проявляются.