3.2: Конституциональные изомеры алканов

Органические соединения с одной и той же молекулярной формулой могут иметь разные структурные формулы, называемые конституционными изомерами, и это явление известно как конституционная изомерия. Алканы с четырьмя или более атомами углерода, имеющие несколько структур с одной и той же молекулярной формулой, таким образом, демонстрируют конституционную изомерию.

Перед линейным изомером алкана стоит термин «н»; следовательно, линейный изомер пентана известен как н-пентан. В зависимости от типа разветвления некоторым разветвленным изомерам присваиваются приставки «изо» и «нео». Например, пентан имеет изомеры с двумя ветвями: изопентан и неопентан. Изопентан имеет прямую цепь из четырех атомов углерода с одним метильным заместителем, тогда как неопентан имеет прямую цепь из трех атомов углерода с двумя метильными группами в качестве заместителей.

Возможность разветвления увеличивается с увеличением числа атомов углерода в цепи поперек гомолога, что приводит к экспоненциальному росту числа конституционных изомеров. Например, шестиуглеродный алкан-гексан имеет пять изомеров, тогда как число изомеров увеличивается до 75 для 10-углеродного алкана декана.

Несмотря на одинаковую молекулярную формулу, изомеры демонстрируют значительные различия в своих физических свойствах, таких как температуры плавления и кипения.

Алканы содержат два типа одинарных связей: углерод-углерод и углерод-водород.

Простые алканы, такие как метан, этан и пропан, имеют только один способ расположения своих атомов, подразумевая, что они имеют единую структурную формулу.

Тем не менее, алканы с четырьмя или более атомами углерода могут иметь несколько атомов, расположенных по-разному для получения одной и той же молекулярной формулы; они могут демонстрировать конституциональную изомерию или структурную изомерию.

Например, четырехуглеродный алкан, бутан, имеет два структурных изомера. Форма с прямой цепью имеет четыре атома углерода, которые расположены линейно.

Для сравнения, разветвленная форма имеет трехуглеродную цепь, в которой четвертый углерод прикреплен в виде боковой цепи или ответвления ко второму углероду в цепи.

Каждый изомер бутана имеет десять атомов водорода, связанных с четырьмя атомами углерода. Таким образом, бутан имеет два структурных изомера с одинаковой молекулярной формулой.

Кроме того, изомеры различаются по своим физическим свойствам: разветвленный бутан имеет температуру кипения −11,6 °C, тогда как прямоцепочечный бутан кипит при −0,5 °C.

По сравнению с бутаном, который имеет только один разветвленный изомер, высшие алканы могут ветвиться при любом подходящем углероде. Таким образом, высшие алканы могут иметь много различных разветвленных изомеров, но только один изомер с прямой цепью.

Например, пентан, C₅H₁₂, имеет один изомер с прямой цепью и два разветвленных изомера. Изомер с прямой цепью, также известный как n-пентан, содержит все пять атомов углерода в неразветвленной цепи.

Один из разветвленных изомеров имеет четырехуглеродную цепь, причем пятый углерод ответвляется от углерода на втором месте. Этот изомер называется изопентаном из-за группы −CH(_CH3)₂ в конце цепи.

Другой разветвленный изомер имеет трехуглеродную цепь, в которой четвертый и пятый атомы углерода ответвляются от центрального углерода. Этот изомер называется неопентаном из-за концевой группы −C(_CH3)₃.