Конформации. 
Строение, номенклатура, природа химических связей в молекулах углеводородов

В молекуле исходного углеводорода нет фрагмента R-CH₂-CH₂R'. Поэтому для ответа на этот вопрос выберем один из четырех его изомеров, имеющих такие фрагменты (формулы I, IX, X и XIII в ответе на вопрос 4). Рассмотрим возможные конформациибутилнафталина (изомер IX) при относительном вращении частей молекулы вокруг осисвязи C₂-C₃:

Конформации — неустойчивые динамические формы одной и той же молекулы, которые возникают в результате внутреннего вращения атомных группировок относительно друг друга и самопроизвольно взаимопревращаются.

Конформации различаются между собой стабильностью. Более стабильные конформации, которые фиксируются физико-химическими методами, называются конформерами.

Конформер — это молекула в конформации, в которую ее атомы самопроизвольно возвращаются после небольших сдвигов.

Длябутилнафталина можно записать шесть экстремальных конформаций, возникающих при вращении вокруг связи C (2) — C (3):

Три из них являются заслоненными и три заторможенными.

Наиболее низкой энергией обладает самая стабильная конформация (Г), в которой метильная группа и 1-нафтилметильный заместитель в проекции Ньюмена расположены под углом в 180°. Такая конформация называется анти-конформацией. В двух других энергетически эквивалентных заторможенных конформациях (Д и Е) две группы находятся под углом 60° друг относительно друга. Они называются гош или скошенными конформациями.

Преобладающими являются анти — и гош-конформации.

Рис. 3. Зависимость потенциальной энергии от торсионного угла поворота вокруг связи C (2) — C (3) вбутилнафталине.

Конформации 1,4-диалкилциклогексана По условию задачи запишем структурную формулу 1,4-диалкилциклогексана, имеющего формулу-брутто C₁₄H₂₈:

Хотя различные доказательства раздельного существования конформационных изомеров и получены, тем не менее, как правило, они не поддаются выделению в индивидуальном состоянии. Поэтому потребность в префиксах для различения индивидуальных конформеров невелика и лишь немногие способы узаконены для указания того, каким образом те или иные группы присоединены к шестичленным кольцам. Группа, присоединенная к кольцу связью, образующей с плоскостью, в которой лежит большая часть атомов кольца, незначительный угол, получает индекс (е) — экваториальная, этот индекс помещают за локантом группы. Группа же, присоединенная к кольцу связью, образующей большой угол с плоскостью кольца, получает индекс (а) — аксиальная. Если в мононенасыщенном шестичленном кольце группа присоединена к атомам углерода, соседствующим с двойной связью, то для нее применяют термины «псевдоэкваториальная» (е') или «псевдоаксиальная» (а').

К другим конформационным терминам, одобренным правилами IUPAC, но не включаемым непосредственно в названия соединений, относятся термины «кресло», «ванна» и «полукресло», которые описывают форму шестичленного кольца, а также обозначения двугранного угла в системе связей А-С-С-В, характеризуемые терминами «заслоненная конформация», «заторможенная конформация» и др.

Конформационные изомеры заданного углеводорода:

В обоих типах конформаций циклогексана все валентные углы равны 10 928', поэтому угловые напряжения в них отсутствуют. Однако конформации типа «кресло» устойчивы, а «ванны» — неустойчивы из-за больших торсионных напряжений в последних. Максимальные торсионные напряжения в конформациях типа «ванна» обусловлены тем, что частные конформации структурных элементов C-CH₂-CH₂-C в них являются заслоненными, как это показано на рис. 4 в формуле б. В конформациях типа «кресло» (проекционная формула а) все частные конформации элементов C-CH₂-CH₂-C заторможенные.

Несвязные взаимодействия в конформации «ванна» значительно больше, чем в конформации «кресло». Особенно велики они при a, a-расположении объемистых бутильных групп (конформация IV). В конформациях типа «кресло» несвязные взаимодействия также проявляются; основной вклад при этом вносят взаимодействия групп, находящихся у первого атома, с аксиальными атомами водорода у атомов 3 и 5 (в формуле а на рис. 4 эти взаимодействия обозначены пунктирными линиями).

А б Рис. 4. Проекционные формулы Ньюмена конформаций 1,4-бутилциклогексана: а — «кресло», б — «ванна»

Поэтому в «креслах» несвязные взаимодействия также максимальны при a, a-расположении бутильных групп и минимальны при их e, e-расположении.

По увеличению потенциальной энергии конформации 1,4-дибутилциклогексана можно расположить в ряд:

III < II < I << VI < V < IV.

1. Систематическая номенклатура органических соединений (номенклатура IUPAC).

Первая попытка создания такой номенклатуры была предпринята в Женеве в 1889 г., а, начиная с 1930 г., Международный союз по общей и прикладной химии (IUPAC) совершенствовал и развивал систематическую номенклатуру органических соединений.

Названия первых четырех членов гомологического ряда алканов тривиальные: метан, этан, пропан, бутан. Начиная с пятого, названия образованы от греческих числительных с добавлением суффикса — ан.

Углеводороды разветвленного строения с точки зрения номенклатуры IUPAC представляют собой линейную углеродную цепь, в которой один или несколько атомов водорода замещены углеводородными фрагментами:

Названия по систематической номенклатуре составляют следующим образом:

· В формуле молекулы углеводорода выбирают главную углеродную цепь. Если углеводород — алкан, то главной цепью является самая длинная, если он содержит в своем составе кратные связи или функциональные группы, то главной цепью будет являться самая длинная из тех, что включает их в себя. Все остальные атомы и группы атомов считаются заместителями атомов водорода в главной цепи.

• · Затем эту цепь нумеруют с того конца, к которому ближе расположен заместитель (радикал) — атом или группа атомов, в нее не входящих. Если заместителей несколько, то нумерацию проводят так, чтобы сумма цифр, указывающих их положение в цепи, была наименьшей. При наличии в углеводороде кратных связей или функциональных групп, они определяют начало нумерации главной цепи. Названия заместителей перечисляют по алфавиту.
• · Углеводород называют в таком порядке: указывают цифрой положение заместителя, потом называют этот заместитель, Т.о. перечисляя все заместители в главной цепи, в конце названия добавляют корень, соответствующий числу атомов углерода в главной цепи и суффикс гомологического ряда.

Если в главной цепи содержится несколько одинаковых заместителей, то их объединяют приставкой, соответствующей греческому числительному, которую ставят перед названием этих заместителей. Приставки ди-, три-, тетра — и т. д. не влияют на алфавитное расположение заместителей в названии.

Названия простых циклоалканов по номенклатуре IUPAC образуются путем добавления приставки цикло — к названиям соответствующих алканов. Заместители нумеруются в соответствии с их положением в цикле таким образом, чтобы сумма номеров была минимальной:

метилциклопропан.	циклобутан.	1-метил-3-этилциклопентан.

Если в молекуле есть несколько сконденсированных циклических фрагментов, то систематические названия соединений этого типа образуют следующим образом.

Для обозначения типа соединения название начинают с приставки, соответствующей числу сконденсированных циклов (например, бицикло-). Затем в квадратных скобках указывают размер каждого из циклов (цифрами, означающими число атомов углерода в каждой из цепей, которые соединяют атомы углерода, являющиеся общими для всех циклов). В качестве С₁ выбирается точка соединения циклов. После этого добавлют корень, соответствующий названию алкана с тем же числом атомов углерода, что и в циклическом соединении.

бицикло — [4,4,0] - декан бицикло-8-хлорбицикло-спиро [2,4] гептан.

(декалин) [3,1,1] - гептан — [3,2,1] - октан Нумерация атомов углерода производится вдоль наиболее длинной цепи между точками соединения циклов от С₁ до второй точки соединения, затем продолжается вдоль менее длинной цепи и, наконец, вдоль наиболее короткой линии.

Если два цикла имеют один общий углеродный атом, такие соединения составляют класс спироалканов. Название спироалкана образуют из названия соответствующего алкана, цифрами в квадратных скобках указывают, сколько углеродных атомов находится по каждую сторону от общего (узлового) углеродного атома. Нумерацию атомов углерода в спироалканах начинают всегда с меньшего цикла, а узловой атом нумеруют последним.

2. Рациональная номенклатура углеводородов.

По рациональной номенклатуре алканы рассматривают как производные простейшего углеводорода — метана, в молекуле которого один или несколько атомов водорода замещены на алкильные заместители. Эти заместители называют в порядке старшинства (от менее сложных к более сложным). Если заместители одинаковые, их объединяют приставками, аналогично тому же принципу номенклатуры IUPAC. В основе названия лежит слово «метан». В рациональной номенклатуре никогда не используют цифры.

	тетраметилметан. (2,2-диметилпропан).		метилэтилизопропилметан. (2,3-диметилпентан).

По рациональной номенклатуре все алкены называют как производные первого члена гомологического ряда — этилена (принцип аналогичен рациональной номенклатуре алканов), а sp²-гибридные атомы углерода обозначают как — и -. Буквой обозначают наиболее замещенный атом углерода.

В молекуле этилена на простые заместители (радикалы) могут быть замещены четыре атома водорода:

-диметил—изопропил—этилэтилен триметилэтилен.

(2,3,4-триметилгексен-3) (2-метилбутен-2).

Алкины по рациональной номенклатуре называют как производные ацетилена:

диметилацетиленметилэтилацетилен Таблица 1. Брутто-формулы различных гомологических рядов углеводородов.

^а) Примечание: величина i равна сумме: число колец в молекуле углеводорода + число формальныхсвязей.

Таблица 2. Одновалентные углеводородные заместители.

№.	Эмпири-ческая формула.	Структурная формула.	Название.	Примечание.
	CH3		Метил.
	C2H.		Этинил.
	C2H3		Винил.
	C2H5		Этил.
	C3H3		1-пропинил.
	C3H3		2-пропинил.
	C3H5		Аллил.
	C3H5		Изопропенил.
	C3H5		1-пропенил.
	C3H5		Циклопропил.
	C3H7		н-пропил.
	C3H7		Изопропил.
	C4H7		1-бутенил.
	C4H7		2-бутенил.
	C4H7		Циклобутил.
	C4H9		Бутил.
	C4H9		Вторичный бутил (втор. бутил).
	C4H9		Изобутил.
	C4H9		Третичный бутил (трет. бутил).
	С5H5		Циклопентадиенил.	Показан2,4-изомер
	C5H7		Циклопентенил.	Показан2-изомер
	C5H9		Циклопентил.
	C5H11		Пентил.
	C5H11		Изопентил.
	C5H11		Трет. пентил.
	C6H5		Фенил.
	C6H7		Циклогексадиенил.	Показан2,5-изомер
	C6H9		Циклогексенил.	Показан3-изомер
	C6H11		Циклогексил.
	C6H13		Гексил.
	C6H13		Изогексил.
	C7H7		Бензил.
	C7H7		Толил.	Показан4 — или п-изомер
	C8H7		Стирил.
	C8H9		Фенэтил.
	C8H9		— метилбензил.
	C9H11		3-фенилпропил.
	C10H7		Нафтил.	Показан1 — илиизомер

Таблица 3. Двухи трехвалентные углеводородные заместители.

№.	Эмпири-ческая формула.	Структурная формула.	Название.	Примечание.
	CH.		Метилидин.
	CH2		Метилен.
	C2		Этинилен.
	C2H2		Винилен.
	C2H2		Винилиден.
	C2H3		Этилидин.
	C2H4		Этилен.
	C2H4		Этилиден.
	C3H4		Аллилиден.
	C3H4		Пропенилен.
	C3H5		Пропилидин.
	C3H6		Пропилен.
	C3H6		Пропилиден.
	C3H6		Изопропилиден.
	C3H6		Триметилен.
	C4H6		2-Бутенилен.
	C4H7		Бутилидин.
	C4H7		Изобутилидин.
	C4H8		Бутилиден.
	C4H8		Втор. бутилиден.
	C4H8		Изобутилиден.
	C4H8		Тетраметилен.
	C5H8		Циклопентилен.	Показан1,3-изомер
	C5H8		Циклопентилиден.
	C5H9		Изопентилидин.
	C5H9		Пентилидин.
	C5H10		Пентаметилен.
	C5H10		Пентилиден.
	C5H10		Изопентилиден.
	C6H4		Фенилен.	Показан1,4 — или п-изомер
	C6H10		Циклогексилен.	Показан1,4-изомер
	C6H12		Гексилиден.
	C6H12		Изогексилиден.
	C6H12		Гексаметилен.
	C7H5		Бензилидин.
	C7H6		Бензилиден.
	C10H6		Нафтилен.	Показан1,5-изомер

Таблица 4. Энергии диссоциации и длины связей углерод-углерод в молекулах углеводородов.

№.	Тип связи.	Тип соединения.	Энергия, кДж /моль.	Длина, нм.
		Алканы и циклоалканы.		0,154.
		Циклоалканы с малыми циклами (С3, С4).		0,153.
		Гомологи этилена, циклоалкены.		0,153.
		Гомологи ацетилена, циклоалкины.		0,147.
		Этилен, изолировнные алкены.		0,133.
6…