Алгоритм составления формул изомерных углеводородов

1. По брутто-формуле углеводорода определите степень ненасыщенности его состава (брутто-формула отражает качественный и количественный состав молекулы).

Молекулы насыщенных углеводородов не содержат кратных связей или циклов. Они подчиняются общей формуле С_nH_2n+2, где n≥1. Уменьшение числа атомов Н на 2 соответствует появлению в молекуле 1 π-связи или 1 цикла. Таким образом, формуле С_nH_2n будут соответствовать углеводороды, содержащие 1 двойную связь (алкены) или 1 цикл (циклоалканы). Формуле С_nH_2n-2 соответствуют углеводороды 4 классов: алкадиены, содержащие 2 двойные связи и не имеющие цикла; алкины – ациклические углеводороды с 1 тройной связью; циклоалкены, имеющие 1 двойную связь и 1 цикл; бициклоалканы, содержащие 2 насыщенных цикла.

Запомните: каждая недостающая до насыщенного состава пара атомов водорода означает наличие в молекуле 1 π-связи или 1 цикла. Число пар атомов Н, недостающих до насыщенности состава, называют степенью ненасыщенности состава. Молекулярную формулу всех углеводородов с учётом степени ненасыщенности их состава можно записать в общем виде: C_nH_(2n+2)-2k, где k – степень ненасыщенности состава.

Чтобы определить степень ненасыщенности состава, необходимо:

· записать молекулярную формулу углеводорода.

· составить молекулярную формулу насыщенного углеводорода с тем же числом углеродных атомов.

· определить число пар атомов Н, недостающих до насыщенности состава, т.е. найти k.

· сделать вывод о наличии в молекуле π-связей или циклов с учётом того, что суммарное количество π-связей и циклов равно k.

К примеру, для углеводорода состава С₅Н₁₀ k = 1. Насыщенный углеводород, содержащий 5 атомов С, отвечает формуле С₅Н₁₂. Заданный углеводород содержит на 2 атома Н (1 пару) меньше, чем соответствующий насыщенный углеводород. Таким образом, число пар атомов Н, недостающих до насыщенности состава, равно 1 (k = 1). На основании значения k можно сделать вывод, что углеводород состава С₅Н₁₀ содержит 1 π-связь или 1 цикл.

2. Выпишите все возможные углеродные скелеты с учётом результатов первого этапа (сначала структуры без цикла, а затем с циклом). Составьте формулы возможных структурных изомеров.

2а Ациклические углеродные скелеты C_n

1) Выпишите неразветвлённый углеродный скелет, содержащий n атомов С.

(С₅) С – С – С – С – С

2) Составить скелеты структур, отличающихся положением кратных связей, если они есть.

(С₅) С = С – С – С – С С – С = С – С – С

3) Выписать неразветвлённый скелет, содержащий (n – 1) атомов С.

(С₄) С – С – С – С

4) Сокращённый атом С поставить в цепь так, чтобы получилась новая структура. Внимание! Не добавляйте атом С к концевым углеродным атомам. Это приводит к удлинению углеродной цепи.

(С₄ + С₁) С – С – С – С

С

5) В полученных скелетах разместите π-связи (если они есть), меняя их положения. При этом должны получиться различные структуры.

С = С – С – С С – С = С – С С – С – С = С

С С С

6) Снова уменьшите число атомов С на 1 (С_n-2). Найдите все возможные структуры, не допуская повторений и удлинения главной углеродной цепи (пункты 4, 5): (C_n-2 + C₁ + C₁) или (C_n-2 + C₂). Помните, что атомы С, на которые сокращается исходная углеродная цепь, нужно использовать и по отдельности, и объединяя их друг с другом.

В рассматриваемом примере уменьшение до трёх атомов С в главной цепи невозможно, так как любой вариант расположения двух атомов С ведёт к удлинению главной цепи, а, следовательно, к повторению структур.

7) Последовательно переходите к скелетам, содержащим (n – 3), (n – 4) и т.д. атомов С и подбирайте все возможные варианты. Например, для С_n-3 возможны сочетания: (С_n-3 + С₁ + С₁ + С₁), (С_n-3 + С₁ + С₂), (С_n-3 + С₃).

Запомните: если число атомов С в радикале больше или равно 3, то необходимо учитывать разные способы присоединения полученных радикалов к главной цепи.

8) Выпишите углеродные скелеты, отвечающие структурным ациклическим изомерам заданного состава. Допишите в каждом углеродном скелете атомы Н, помня, что в органических соединениях валентность атома углерода равна 4, а валентность атома водорода – 1. Дайте названия изомеров по систематической номенклатуре

Н₂С = СН – СН₂ – СН₂ – СН₃ Н₃С – НС = СН – СН₂ – СН₃

пентен-1 пентен-2

Н₂С = С – СН₂ – СН₃ Н₃С – С = СН – СН₃ Н₃С – СН – СН = СН₂

СН₃ СН₃ СН₃

2-метилбутен-1 2-метилбутен-2 3-метилбутен-1