Гомология и изомерия

Сходство формул ещё не означает одинакового отношения между веществами. Этан и пропан — гомологи, бутан и 2-метилпропан — изомеры, а пропан, записанный слева направо или справа налево, остаётся одним веществом. Эти три ситуации нужно различать до изучения отдельных классов органических соединений.

Что такое гомологический ряд

Гомологический ряд объединяет соединения со сходным характерным строением и химическими свойствами, состав которых закономерно изменяется. В рассматриваемых школьных рядах соседние члены отличаются на группу CH₂.

Например, метан CH₄, этан C₂H₆, пропан C₃H₈ и бутан C₄H₁₀ относятся к алканам. Их состав выражает общая формула:

C_nH_2n+2, n ≥ 1.

Разность молярных масс соседних алканов приблизительно равна 14 г/моль, поскольку добавляется один C и два H. Гомологами могут быть и несоседние представители ряда: метан и пропан различаются на две группы CH₂.

Общая формула не заменяет указания класса. Так, C_nH_2n подходит и для простых алкенов с одной двойной связью, и для насыщенных одноциклических углеводородов. Они не образуют один гомологический ряд только потому, что имеют одинаковое соотношение индексов.

Сходство свойств не означает тождества

Гомологи обычно имеют сходные типы реакций благодаря общему характерному фрагменту строения. Однако их температуры кипения, растворимость и скорости отдельных превращений могут различаться. В ряду алканов увеличение размера молекулы обычно повышает температуру кипения, но ветвление тоже влияет на неё.

Слово «обычно» здесь существенно: нельзя выводить точную температуру плавления из одного номера члена ряда. На упаковку молекул в кристалле влияют форма и симметрия. Гомология даёт закономерность и направление сравнения, а не численное значение любого свойства.

У веществ с функциональными группами важно учитывать их тип и число. Этанол и пропан-1-ол относятся к одному ряду насыщенных одноатомных спиртов. Этанол и диметиловый эфир к этому же отношению не относятся: одинаковая молекулярная формула не устраняет различия классов.

Структурная изомерия

Структурные изомеры имеют одинаковую молекулярную формулу, но разный порядок соединения атомов. Они являются разными веществами.

Не каждая молекулярная формула допускает несколько структур. Например, для обычного нейтрального метана CH₄ нет изомерии углеродного скелета: имеется только один углерод. Поэтому наличие формулы ещё не означает существования обязательной пары изомеров.

Пространственная изомерия

При пространственной изомерии порядок соединения атомов одинаков, но их расположение в пространстве различается. Важный школьный пример — цис- и транс-формы бут-2-ена. Для такой геометрической изомерии у каждого из двух атомов C двойной связи должны быть два разных заместителя.

В бут-2-ене при каждом таком C находятся H и CH₃. Две метильные группы могут быть по одну сторону от линии C=C в плоском изображении или по разные стороны. В бут-1-ене при концевом C имеются два одинаковых H; такой пары геометрических изомеров у него нет.

Обычное вращение вокруг одинарной связи меняет конформацию молекулы, а не её углеродный скелет. Поэтому разные изгибы нарисованной цепи нельзя автоматически добавлять к числу структурных изомеров. Более общие правила пространственных обозначений изучают после уверенного чтения структурных формул.

Как сравнивать две записи

1. Определите молекулярные формулы. Если они различны, перед вами не изомеры.
2. При одинаковом составе сравните соседей каждого атома и порядки связей.
3. Если соединённость совпадает, проверьте, отличается ли пространственное расположение, которое нельзя свести к простому повороту всей молекулы.
4. Для гомологии отдельно установите общий ряд и закономерное отличие состава.

Таким образом, совпадение молярной массы тоже недостаточно. Разные вещества могут случайно иметь одинаковую или близкую массу без отношения изомерии, если элементный состав различается.

Три разобранных примера

1. Сколько структурных изомеров у C₅H₁₂?

Для алкана из пяти атомов C возможны три различных скелета:

CH₃–CH₂–CH₂–CH₂–CH₃ — пентан.

CH₃–CH(CH₃)–CH₂–CH₃ — 2-метилбутан.

CH₃–C(CH₃)₂–CH₃ — 2,2-диметилпропан.

В каждой формуле пять C и двенадцать H. Отражение этих записей справа налево новых скелетов не добавляет.

2. Как найти член гомологического ряда по массе?

Молярная масса алкана равна 86 г/моль. С округлёнными атомными массами получаем:

M = 12n + (2n + 2) = 14n + 2.

14n + 2 = 86; n = 6; формула C₆H₁₄.

Определён состав, но не единственное строение: у этой формулы есть несколько структурных изомеров.

3. Почему пропен не даёт цис-транс-пару?

В CH₂=CH–CH₃ первый C двойной связи связан с двумя одинаковыми атомами H. Их обмен не создаёт другого расположения различающихся заместителей. Следовательно, условия геометрической изомерии не выполнены, хотя двойная связь присутствует.

Частые ошибки

• Называть гомологами любые две формулы, различающиеся на CH₂, не проверяя класс.
• Считать изомерами вещества разного состава.
• Прибавлять перевёрнутые рисунки к числу структурных изомеров.
• Предполагать цис-транс-изомерию у каждого алкена без проверки заместителей.

Пять заданий

1. Какое отношение связывает пропан C₃H₈ и пентан C₅H₁₂?
2. Какое отношение связывает бутан и 2-метилпропан?
3. Сколько разностей CH₂ между этаном C₂H₆ и гексаном C₆H₁₄?
4. Можно ли по одной формуле C₄H₈ доказать наличие двойной связи?
5. Являются ли CH₃CH₂OH и HOCH₂CH₃ разными структурными изомерами?

Ответы с объяснениями

1. Это гомологи ряда алканов, различающиеся на две группы CH₂. Они не являются изомерами, поскольку молекулярные формулы различны.
2. Структурные изомеры C₄H₁₀ с разными углеродными скелетами.
3. Четыре: разность составов C₄H₈, а разность молярных масс приблизительно равна 56 г/моль.
4. Нет. Формула совместима также с насыщенным одноциклическим углеводородом. Нужны сведения о строении или характерных превращениях.
5. Нет. Это этанол, записанный в разных направлениях: кислород связан с H и с группой CH₂CH₃ в обоих случаях.

Связанные темы и источники

Используйте правила чтения формул и номенклатуры, затем сравните ряды алканов и алкенов.

Для проверки определений: IUPAC: гомология; IUPAC: структурная изомерия.