ГОМОЛОГИЧЕСКИЕ РЯДЫ, последовательности химических соединений с однотипным строением и одинаковыми функциональными группами; каждый член таких последовательностей - гомолог - отличается от соседнего на постоянную структурную единицу, или гомологическую разность, обычно на метиленовую группу СН 2 , как, например, в гомологических рядах алканов (общая формула С n Н 2 n+2 , n = 1, 2, ...), алкенов (С n Н 2 n , n = 2, 3, ...), насыщенных одноосновных карбоновых кислот (С n Н 2 n + 1 СООН, n = 0, 1, 2, ...). Понятие о гомологических рядах, сформулированное Ш. Жераром в 1840-е годы, имеет большое значение в органической химии, так как служит основой классификации органических соединений.

Существование гомологических рядов обусловлено способностью атомов углерода соединяться между собой и одновременно с атомами других элементов ковалентными связями в прочные цепи и циклы. В значительно меньшей степени такой способностью обладают атомы некоторых других химических элементов, например, кремния, который образует гомологический ряд силанов SinH 2n+2 (n = 1 - 8) и кремния галогенидов.

Гомологи имеют одинаковые химические и закономерно изменяющиеся физические свойства. Так, температуры кипения соседних гомологов для гомологических рядов соединений с неразветвлённой цепью в середине ряда (С 5 -С 14) отличаются на 20-30 °С, а каждой добавленной группе СН 2 соответствует увеличение теплоты сгорания на 630-660 кДж/моль. У высших членов ряда различия в свойствах соседних гомологов сглаживаются. Иногда химические и физические свойства первых членов гомологического ряда существенно отличаются от свойств прочих членов гомологического ряда, например, взаимодействие формальдегида со щелочами протекает иначе, чем в случае других альдегидов, муравьиная кислота значительно сильнее, метанол существенно более токсичен, чем их гомологи.

Некоторые молекулы могут входить в несколько различных гомологических рядов, например, циклопропан входит в гомологический ряд, образуемый циклическими, или ядерными, гомологами (циклопропан, циклобутан, циклопентан, циклогексан и так далее), и в ряд цепных гомологов (циклопропан, метилциклопропан, этилциклопропан и др.). Высокомолекулярные соединения образуют полимергомологические ряды, каждый член которых - полимергомолог - отличается от других числом структурных звеньев (степенью полимеризации).

Наряду с гомологическими рядами в органической химии выделяют винилогические, генетические и изологические ряды. Винилогические ряды образуют соединения с одинаковыми функциональными группами и сопряжёнными двойными связями; каждый член винилогического ряда отличается от соседних на виниленовую группу СН=СН, например первыми членами винилогического ряда альдегидов являются ацетальдегид СН 3 СОН, кротоновый СН 3 СН=СНСОН и сорбиновый СН 3 СН=СНСН=СНСОН альдегиды. Генетические ряды образуют органические соединения с одинаковым числом атомов углерода в молекуле, но с разными функциональными группами, например в генетический ряд этана С 2 Н 6 входят этилхлорид С 2 Н 5 Сl, этанол С 2 Н 5 ОН, этиламин С 2 Н 5 NH 2 , ацетальдегид СН 3 СНО, уксусная кислота СН 3 СООН и др. Изологические ряды образуют органические соединения, отличающиеся друг от друга только степенью ненасыщенности, например этан С 2 Н 6 , этилен С 2 Н 4 , ацетилен С 2 Н 2 .

Лит.: Жданов Ю. А. Гомология в органической химии. М., 1950.

АЛКАНЫ

Предельными углеводородами (алканами ) называются соеди­нения, состоящие из атомов углерода и водорода, соединенных между собой только σ-связями, и не содержащие циклов. В алканах атомы углерода находятся в степени гибридизации sp 3 .

1. Понятие о гомологическом ряде

Простейшим соединением этого класса является метан - углеводород, содержащий один атом углерода и четыре атома водорода. Рассматривая формулу этана - предельного углеводо­рода с двумя атомами углерода, мы видим, что с формальных позиций он как бы образован из метана: разорвана одна из эк­вивалентных связей С-Н и вместо разрыва вставлена группа -СН 2 -. Точно так же из этана может быть образован предель­ный углеводород с тремя атомами углерода - пропан и т. д.:

Такой ряд сходных по строению соединений, обладающих близкими химическими свойствами, в котором отдельные члены ряда отличаются друг от друга лишь числом групп -СН 2 -, назы­вается гомологическим рядом . В данном случае речь идет о гомо­логическом ряде алканов.

У членов любого гомологического ряда (например, ряда спиртов, альде­гидов или кислот) подавляющее большинство реакций проте­кает одинаково (исключение составляют иногда только первые члены рядов). Следовательно, зная химические реакции лишь одного члена гомологического ряда, можно с большой сте­пенью вероятности утверждать, что такого же типа превраще­ния протекают и с остальными членами данного ряда.

Это еще раз подчеркивает, что свойства органического со­единения определяются в основном функциональной группой, что дает возможность систематизировать реакции по гомоло­гическим рядам, или, как часто говорят, по классам органиче­ских соединений. Функциональной группой обычно считают наиболее легко изменяющуюся в реакциях часть молекулы ор­ганического соединения, как правило, содержащую атомы и группы, отличные от С и Н, или кратные связи.

Для любого гомологического ряда может быть выведена общая формула, отражающая соотношение между атомами уг­лерода и водорода у членов этого ряда; такая формула называ­ется общей формулой гомологического ряда . Рассмотрев струк­турную формулу любого члена гомологического ряда предель­ных углеводородов с неразветвленной углеродной цепью, мы видим, что его молекула состоит из п групп -СН 2 - и еще двух атомов водорода у концевых групп. Таким образом, на п ато­мов углерода в ней приходится (2п + 2) атомов водорода, следовательно, и общая формула гомологического ряда имеет вид С n Н 2 n +2 .

В таблице 19 приведены члены гомологического ряда пре­дельных углеводородов и их физические константы.

2. Изомерия

Если два или больше индивидуальных веществ имеют оди­наковый количественный состав, т. е. одинаковую молекуляр­ную формулу, но отличаются друг от друга какими-то химиче­скими или физическими свойствами, то в общем случае они называются изомерами .

Одним из типов изомерии является струк­турная изомерия , когда изомеры отличаются друг от друга по­рядком связей между отдельными атомами в молекуле.

В метане, этане и пропане существует только один-единст­венный порядок связей между атомами. Но уже четыре атома углерода могут быть соединены двумя различными способами:

В обоих случаях углеводороды имеют одну и ту же молекуляр­ную формулу С 4 Н 10 . Однако в первом случае все четыре атома углерода образуют неразветвленную, или нормальную, цепь, а во втором - разветвленную на конце, или цепь изостроения. Это разные вещества: бутан и изобутан, которые имеют раз­личные физические константы (см. табл. 19).

Для углеводорода С 5 Н 12 существуют уже три изомера

С увеличением числа углеродных атомов в молекуле угле­водорода число

изомеров быстро растет: для С 6 оно равно 5; для С 7 - 9; для С 8 - 18; для С 20 - 366 319; для С 40 - 62 491 178 805 831 изомер. Иногда такого типа изомерию на­зывают изомерией углеродного скелета.

Рассмотрим разветвленный углеводород такого строения:

В этом углеводороде имеются атомы углерода четырех различ­ных типов. Атомы, обозначенные значком С а, соединены с од­ним углеродным атомом, они называются первичными, соот­ветственно называются первичными и три атома водорода у первичного углеродного атома. Атом углерода, обозначенный значком С б, соединен с двумя атомами углерода, он называется вторичным, а два атома водорода у него называются вторич­ными атомами водорода. Атом С в называется третичным, как и единственный атом водорода при нем; а атом углерода С г - четвертичным.

Отличающихся сходными свойствами и объединенных общей формулой, которая описывает закономерность структурного отличия каждого последующего члена группы от предыдущего. Например, гомологический ряд алканов, или других групп. имеет огромное значение для исследования, прогнозирования или практического применения. Для органических веществ, объединенных в группу, наблюдаются закономерные изменения химических и физических свойств, и все они коррелируют с изменением молекулярной массы.

Не менее важны правила, описывающие, как меняются свойства веществ при переходе от одной группы к другой. Чтобы понять, что же такое гомологический ряд, следует рассмотреть конкретные примеры. Для любой группы соединений характерными являются увеличивающиеся температуры плавления (кристаллизации), кипения (конденсации) и плотности с увеличением молекулярной массы и числа углеродных атомов в молекуле.

Называют насыщенными или парафиновыми; они представляют собой ациклические (отсутствуют циклы) соединения нормального или разветвленного строения, атомы в молекулах которых соединены одинарными связями. Общая формула имеет вид CnH2n+2 и описывает гомологический ряд алканов. Молекула каждого следующего члена увеличивается по сравнению с предыдущим на один атом C и два атома H. К относятся:

• метан;
• этан;
• пропан и так далее.

К относятся также циклопарафины. Это большая группа органических соединений, молекулы которых замыкаются кольцами. Гомологический ряд их имеет формулу CnH2n, начинается с химического вещества с тремя атомами углерода. Примеры циклопарафинов:

• циклопропан;
• циклобутан;
• циклопентан и так далее

Непредельные или ненасыщенные углеводороды также являются ациклическими. К ним относятся вещества нормального и изостроения. Гомологический ряд алкенов имеет общую формулу CnH2n. Эти соединения отличаются наличием одной двойной связи между двумя атомами углерода. Если предыдущий ряд начинался с углеводорода с одним углеродным атомом (метан), то этот начинается с вещества, в молекуле которого содержится два углеродных атома. Примеры алкенов:

• этен;
• пропен;
• бутен и так далее.

Углеводороды, в молекуле которых два атома углерода соединены тройной связью, являются еще более ненасыщенными, иначе их называют ацетиленовыми. Их объединяет гомологический ряд алкинов. Он описывается формулой CnH2n-2 и начинается с ацетилена, в формуле которого есть два атома C. Примеры алкинов:

• этин;
• пропин;
• бутин-1 и так далее.

Ненасыщенные ациклические углеводороды, в молекуле которых есть две двойных связи, называются диеновыми. Они имеют общую формулу CnH2n-2. Их гомологический ряд начинается с углеводорода с тремя углеродными атомами в молекуле. Двойные связи могут быть сопряжены (разделены одной одинарной связью), кумулированы (находятся у соседних атомов) или изолированы (разделены несколькими одинарными связями). Примеры диенов:

• 1,2-пропадиен;
• 1,3-бутадиен;
• изопрен и так далее

Особую группу образуют циклического строения, в молекуле которых имеется бензольное кольцо. Гомологический ряд простейших ароматических углеводородов начинается с соединения с шестью атомами углерода — бензола. ряда образуются при замещении одного или нескольких атомов водорода, присоединенных к бензольному кольцу, на радикалы. Таким образом, получается ряд веществ: бензол, толуол, ксилол. Если в молекуле есть два и более заместителя, то говорят о наличии изомеров для этих веществ. Другие гомологические ряды ароматических соединений образованы от нафталина, антрацена и прочих веществ.

Если в молекуле углеводородов имеется функциональная группа, то такие химические соединения также образуют гомологический ряд.

• Ряд спиртов отличается наличием в молекуле гидроксильной группы (—OH). Для одноатомных спиртов один водородный атом в ациклическом углеводороде замещен на гидроксильную группу; их формула: CnH2n+1OH. Существуют также ряды
• Ряд фенолов характеризуется наличием в молекуле также гидроксильной группы (—OH), но она замещает водород в бензольном кольце.
• Ряд альдегидов отличается наличием в молекуле химического соединения карбонильной группы (>C=O); общая формула альдегидов: R—CH=O.
• Ряд кетонов также отличает наличие карбонильной группы (>C=O), но если у альдегидов она соединена с одним радикалом, то у кетонов углеводородных радикала два. Формула кетонов: R1-CO-R2.
• Ряд карбоновых кислот отличает от других химических веществ карбоксильная группа, объединяющая в себе карбонильную и гидроксильные группы. Формула — RCOOH.

Для каждого ряда, будь то гомологический ряд альдегидов, карбоновых (органических) кислот, спиртов или других веществ, их свойства во многом будут определяться типом функциональной группы и закономерно изменяться в ряду с увеличением молекулярной массы вещества. Такая классификация обширного класса химических соединений помогает понять природу и изучить их свойства.

Общая формула гомологического ряда алканов СnН2n+2. Гомологические ряды могут быть построены для всех классов органических соединений. Состав молекул всех членов гомологического ряда может быть выражен одной общей формулой. Для рассмотренного гомологического ряда предельных углеводородов такой формулой будет СnН2n+2 , где n — число атомов углерода. ГОМОЛОГИЧЕСКИЕ РЯДЫ - органические соединения, родственные по химическому составу (напр. спирты).

CH3 - CH3, этилен CH2 = CH2, ацетилен CH ≡ CH. Генетические ряды - группы органических. CH2 (т. н. гомологическая разность) в молекуле. Гомологи, располо­женные в порядке возрастания их относительной молекулярной массы, образуют гомологический ряд. Группы СН2 называется гомологической разностью.

Гомологический ряд алканов легко составить, прибавляя каждый раз к предыдущей цепочке новый атом углерода и дополняя его оставшиеся валентности до 4-х атомами водорода. Все органические соединения в зависимости от природы углеродного скелета можно разделить на ациклические и циклические. Функциональные группы – это группы атомов, которые определяют химические свойства данного класса соединений.

Смотреть что такое «Гомологические ряды» в других словарях:

Радикал, получающийся при отрыве одного атома водорода от молекулы предельного углеводорода, называется алкилож, общая формула алкилов СnН2n+1. В обеих формулах атомы С кольца и не участвующие в реакции атомы Н опускаются (для краткости). На примере одной пары изомеров укажите, в чем сходство и различие этих соединений.

Так, температуры кипения соседних членов в середине Г. р. (для соединений с неразветвлённой цепью) различаются приблизительно на 20-25 °С (у высших членов Г. р. эта величина постепенно уменьшается). Известный пример АЛКАНЫ углеводородной группы. Таким образом, соединения-гомологи принадлежат к одному классу соединений, и свойства ближайших гомологов наиболее близки.

Урок 4. Ковалентные связи органических соединений

Соединения, сходные по химическим свойствам, состав которых отличается друг от друга на группу СН2, называются гомологами. Суффикс -ан является характерным для названия всех алканов. Имея одинаковый качественный состав и однотипные химические связи, гомологи обладают сходными химическими свойствами.

Длины связей и валентные углы в молекулах CCl4 и C2H6

Классификация органических соединений. Карбоциклические соединения подразделяются: 1) на алициклические (предельные и непредельные), похожие по свойствам на алифатические; 2) ароматические – содержат бензольные кольца.

Наличие этих групп позволяет разделить типы органических соединений на классы и облегчить их изучение. В полиалкенах с сопряженными (чередующимися) двойными связями происходит делокализация π-электронов. Соединения с двойными связями легко полимеризуются. Алкины (ацетиленовые углеводороды) содержат тройную связь. Общая формула алкина с одной тройной связью CnH2n–2.

5 атомов) и получают основу названия (5 – пентан). Таким образом, в нашем примере алкан должен быть назван 2,3-диметилпентан. В приведенной выше реакции продуктом будет 2-иодпропан СН3СН(I)СН3. По правилу Марковникова протекает и реакция гидратации, т. е. реакция присоединения воды в присутствии серной кислоты.

Полиметилбутадиеновый каучук – это полимер, существующий в природе (натуральный каучук), а полибутадиеновый каучук получен искусственно (С. В. Лебедев, 1932 г.) и называется синтетическим каучуком. В алкинах атомные орбитали углерода у тройной связи имеют sp-гибридизацию (линейное строение).

Алканы (парафины) – это соединения углерода с водородом, в молекулах которых атомы углерода соединены между собой одинарной связью (предельные углеводороды). ГОМОЛОГИЧЕСКИЕ РЯДЫ - ГОМОЛОГИЧЕСКИЕ РЯДЫ, группы органических соединений с одинаковой хим. функцией, но отличающихся друг от друга одной или несколькими метиленовыми (СН2) группировками. СН2-. Группа -СН2- называется гомологической разностью.

Алканы - класс углеводородов с общей формулой C n H 2n+2 . Родственные соединения, отличающиеся на одну метиленовую группу -CH 2 -, образуют гомологический ряд алканов. Самым простым веществом ряда является метан с одним атомом углерода (CH 4).

Гомологи

Родственные соединения - гомологи - схожи химическими, но различны физическими свойствам. В зависимости от количества атомов углерода выделяют газообразные, жидкие, твёрдые алканы. Первые четыре представителя - газы, гомологи с 5-15 атомами углерода - горючие жидкости. Высшими алканами называют воски и твёрдые вещества с 16-390 атомами углерода.

Рис. 1. Горение метана.

Названия алканов отличаются суффиксом -ан после греческого обозначения числительного:

• ун- или ген- - один;
• до- - два;
• три- - три;
• тетра- - четыре;
• пент- - пять;
• гекс- - шесть;
• гепт- - семь;
• окт- - восемь;
• нон- - девять;
• дек- - десять.

Названия первых четырёх гомологов закрепились исторически. Каждое десятое название «переходит» к следующим девяти веществам, сохраняя числительные приставки и классовый суффикс. В таблице гомологического ряда алканов описаны первые 20 гомологов.

Температуры плавления и кипения алканов повышаются с увеличением количества атомов углерода и, соответственно, молекулярной массы. При этом всем алканам свойственна плотность меньше единицы. Алканы плавают на поверхности воды и растворяются только в органических растворителях.

Изомеры

Алканы - нециклические насыщенные углеводороды. Молекулы представляют собой длинные или разветвлённые углеродные цепи. Гомологичные алканы могут образовывать изомеры. Чем больше атомов углерода, тем больше вариантов изомеров. Первые три алкана (метан, этан, пропан) изомеров не образуют. Бутан, пентан, гексан имеют только структурные изомеры. У бутана их два: н-бутан и изобутан. Пентан образует н-пентан, изопентан, неопентан. Гексан имеет пять изомеров: н-гексан, изогексан, 3-метилпентан, диизопропил, неогексан.

Гомологи от гептана и выше помимо структурных изомеров образуют стереоизомеры или пространственные изомеры, отличающиеся положением атомов в пространстве. Две молекулы идентичны по строению и структуре, но выглядят как предмет и его зеркальное отражение.

Рис. 2. Стереоизомеры.

Длинные названия изомеров составляются по международной номенклатуре ИЮПАК. Словесное обозначение состоит из трёх частей:

• цифр и приставки, обозначающих количество присоединённых групп;
• названия групп;
• названия главной (самой длинной) цепи.

Например, название изомера гептана 2,3-диметилпентан, указывает, что молекула состоит из пяти атомов углерода (пентана) и двух метильных групп, присоединённых ко второму и третьему атомам углерода.

Для отображения строения изомеров используются структурные формулы. Метильная группа -CH 3 записывается либо через черту вверх или вниз от атома углерода, либо в скобочках после группы -CH 2 в углеродной цепи. Например, H 3 C-CH 2 -CH(CH 2 CH 3)-CH 2 -CH 3 .

Рис. 3. Структурная формула.

Количество изомеров для каждого алкана можно рассчитать математически. Поэтому многие изомеры существуют только в теории. Предполагается, что гектан (C 100 H 202) может иметь 592 107 ∙ 10 34 изомеров, а это далеко не последний алкан в гомологическом ряду.

Что мы узнали?

Алканы образованы гомологическим рядом метана с общей формулой C n H 2n+2 . Каждый последующий гомолог отличается от предыдущего на одну группу CH 2 . С возрастанием атомов углерода в гомологическом ряду меняется физическое состояние веществ. Высшими алканами считаются соединения, содержащие более 15 атомов углерода. Это твёрдые вещества. Жидкости содержат 5-15 атомов углерода, газы - 1-4. Начиная с четвёртого гомолога, все алканы образуют структурные изомеры. Помимо этого алканы от гептана и выше могут образовывать стереоизомеры.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.2 . Всего получено оценок: 212.