Izomeria łańcuchowa alkanów

Podczas badań nad węglowodorami odkryto dziwną ich zdolność do wrzenia w kilku temperaturach. Okazywało się, że gdy uzyskano próbkę czystego butanu, to gaz ten wrzał w temperaturze −12°C oraz −1°C. Zastanawiano się, dlaczego jeden związek ma dwie temperatury wrzenia. Z czasem okazało się, że nie wystarczy stwierdzenie, iż jakiś alkan ma cztery atomy węgla w cząsteczce. Ważne jest jeszcze połączenie atomów.

Patrząc na cząsteczki metanu, etanu i propanu dostrzegamy, że inne połączenie atomów nie wchodzi w grę. Węgiel ma być czterowiązalny, a wodór jedno. Jednak cząsteczka butanu ma już dwie możliwości połączenia atomów w łańcuchu węglowym. Te dwie sytuacje można obserwować na Ryc. 1.

Ryc. 1. n-butan i 2-metylopropan

Ze względu na wygodę i czytelność zapisu będziemy używać wzorów liniowych. Jeśli nie pamiętasz, co to jest cofnij się do rozdziału Wzory w tomie Chemia nieorganiczna.

Ryc. 2. Wzory liniowe n-butanu i 2-metylopropanu

Kolejne alkany mają coraz więcej izomerów łańcuchowych.

Ryc. 3. Izomery łańcuchowe pentanu

Ilość izomerów łańcuchowych to ilość wszystkich różnych, możliwych do narysowania wzorów strukturalnych danego węglowodoru (określony wzór sumaryczny). Wartości te zmieniają się dość nieregularnie i nie ma prostego wzoru na ilość izomerów łańcuchowych w zależności od ilości atomów węgla w cząsteczce. Są jednak algorytmy, które to umożliwiają. Algorytm taki wykorzystuje program MolGen, przy pomocy którego stworzono poniższą tabelę dla alkanów:

Nazwa	Ilość izomerów
metan	1
etan	1
propan	1
butan	2
pentan	3
heksan	5
heptan	9
oktan	18
nonan	35
dekan	75

Nazwa	Ilość izomerów
undekan	159
dodekan	366
tridekan	802
tetradekan	1.858
pentadekan	4.347
heksadekan	10.359
heptadekan	24.894
oktadekan	60.523
nonadekan	148.284
ejkozan	366.319

Ilość izomerów łańcuchowych dla alkanów CH₄ - C₂₀H₄₂

Izomery łańcuchowe pierwszych dziesięciu alkanów są wypisane na końcu tego rozdziału. Teraz zastanówmy się jaki wpływ na właściwości alkanów wywiera istnienie izomerów.

Wiemy, że izomery łańcuchowe różnią się dość znacząco lotnością. Omówmy to na przykładzie temperatury wrzenia. Jak wspominaliśmy butan wrze w −12°C i −1°C. Wszystko się zgadza - butan występuje przecież w postaci n-butanu i 2-metylopropanu. Tylko która temperatura odpowiada danemu alkanowi? Musimy się w tym celu zastanowić nad czynnikami wpływającymi na temperaturę wrzenia.

O lotności związku chemicznego stanowią głównie dwa aspekty. Pierwszy z nich to masa cząsteczek, drugi to oddziaływania pomiędzy tymi cząsteczkami. W przypadku izomerów nie ma możliwości występowania różnicy w masie, jednak pozostaje aspekt drugi.

Jakie oddziaływania międzycząsteczkowe występują u alkanów? Na pewno nie są to wiązania jonowe, czy wodorowe. Jedyne możliwe oddziaływania to słabe przyciąganie powstające na skutek odkształcania się chmur elektronowych. Jest to oddziaływanie typu dipol indukowany - dipol indukowany. Nosi ono nazwę oddziaływania van der Waalsa.

Oddziaływania van der Waalsa są tym większe im mniejsze są odległości pomiędzy cząsteczkami. Należy teraz odpowiedzieć tylko na jedno pytanie: które cząsteczki - n-butanu, czy 2-metylopropanu znajdują się bliżej siebie? Zilustruję to na nieco większym przykładzie n-pentadekanu i 2,12-dimetylotridekanu.

Ryc. 4. n-Pentadekan i 2,12-dimetylotridekan

Chyba nie trzeba tłumaczyć które cząsteczki bardziej do siebie przylegają. Taka sama sytuacja występuje u wszystkich alkanów. Im większy stopień rozgałęzienia łańcucha, tym mniejsze oddziaływania występują pomiędzy cząsteczkami. Tak więc wraz ze wzrostem rozgałęzienia wzrasta lotność, a n-alkany będą najmniej lotnymi alkanami.

Związek bardziej lotny to ten o niższe temperaturze topnienia lub wrzenia, czyli bardziej lotny 2-metylopropan ma temperaturę wrzenia −12°C, a mniej lotny n-butan −1°C.

Rzędowość atomu węgla

Rzędowość jest pojęciem, którym często posługuje się przy opisie reakcji i wielu innych zagadnień z dziedziny związków węgla.

Rzędowość atomu węgla jest co do wartości równa ilości atomów węgla bezpośrednio związanych z danym atomem węgla w hybrydyzacji sp³. Rzędowość grupy funkcyjnej / atomu wodoru jest równa rzędowości atomu węgla, przy którym się ta grupa znajduje.

Tak więc atom węgla może być pierwszo-, drugo-, trzecio- lub czwartorzędowy, co oznaczamy I°, II°, III°, IV°. Wyznaczone dla 3-etylo-2,3-dimetylopentanu rzędowości prezentuje Ryc. 5.

Izomery łańcuchowe pierwszych dziesięciu alkanów

Poniżej znajdują się wszystkie izomery łańcuchowe pierwszych dziesięciu przedstawicieli szeregu homologicznego alkanów. Podane zostały wzory SIMILES, które są zarazem odnośnikami do serwisu DayLight oraz nazwy. Nazewnictwo alkanów o rozgałęzionych łańcuchach omówimy w następnym rozdziale. W nawiasie znajduje się informacja o czynności optycznej danego izomeru (→ izomeria optyczna).

1. metan
   • C metan
2. etan
   • CC etan
3. propan
   • CCC propan
4. butan
   • CCCC n-butan
   • CC(C)C 2-metylopropan
5. pentan
   • CCCCC n-pentan
   • CC(C)CC 2-metylobutan
   • CC(C)(C)C 2,2-dimetylopropan
6. heksan
   • CCCCCC n-heksan
   • CC(C)CCC 2-metylopentan
   • CCC(C)CC 3-metylopentan
   • CC(C)(C)CC 2,2-dimetylobutan
   • CC(C)C(C)C 2,3-dimetylobutan
7. heptan
   • CCCCCCC n-heptan
   • CC(C)CCCC 2-metyloheksan
   • CCC(C)CCC 3-metyloheksan (R/S)
   • CC(C)(C)CCC 2,2-dimetylopentan
   • CCC(C)(C)CC 3,3-dimetylopentan
   • CC(C)C(C)CC 2,3-dimetylopentan (R/S)
   • CC(C)CC(C)C 2,4-dimetylopentan
   • CCC(CC)CC 3-etylopentan
   • CC(C)(C)C(C)C 2,2,3-trimetylobutan
8. oktan
   • CCCCCCCC n-oktan
   • CC(C)CCCCC 2-metyloheptan
   • CCC(C)CCCC 3-metyloheptan (R/S)
   • CCCC(C)CCC 4-metyloheptan
   • CC(C)(C)CCCC 2,2-dimetyloheksan
   • CC(C)C(C)CCC 2,3-dimetyloheksan (R/S)
   • CC(C)CC(C)CC 2,4-dimetyloheksan (R/S)
   • CC(C)CCC(C)C 2,5-dimetyloheksan
   • CCC(C)(C)CCC 3,3-dimetyloheksan
   • CCC(C)C(C)CC 3,4-dimetyloheksan (RR/SS/mezo)
   • CCC(CC)CCC 3-ethyloheksan
   • CC(C)(C)C(C)CC 2,2,3-trimetylopentan (R/S)
   • CC(C)(C)CC(C)C 2,2,4-trimetylopentan
   • CC(C)C(C)(C)CC 2,3,3-trimetylopentan
   • CC(C)C(C)C(C)C 2,3,4-trimetylopentan
   • CC(C)C(CC)CC 3-etylo-2-metylopentan
   • CCC(CC)(C)CC 3-etylo-3-metylopentan
   • CC(C)(C)C(C)(C)C 2,2,3,3-tetrametylobutan
9. nonan
   • CCCCCCCCC n-nonan
   • CC(C)CCCCCC 2-metylooktan
   • CCC(C)CCCCC 3-metylooktan (R/S)
   • CCCC(C)CCCC 4-metylooktan (R/S)
   • CC(C)(C)CCCCC 2,2-dimetyloheptan
   • CC(C)C(C)CCCC 2,3-dimetyloheptan (R/S)
   • CC(C)CC(C)CCC 2,4-dimetyloheptan (R/S)
   • CC(C)CCC(C)CC 2,5-dimetyloheptan (R/S)
   • CC(C)CCCC(C)C 2,6-dimetyloheptan
   • CCC(C)(C)CCCC 3,3-dimetyloheptan
   • CCC(C)C(C)CCC 3,4-dimetyloheptan (RR/SS/mezo)
   • CCC(C)CC(C)CC 3,5-dimetyloheptan
   • CCCC(C)(C)CCC 4,4-dimetyloheptan
   • CCC(CC)CCCC 3-etyloheptan
   • CCCC(CC)CCC 4-etyloheptan
   • CC(C)(C)C(C)CCC 2,2,3-trimetyloheksan (R/S)
   • CC(C)(C)CC(C)CC 2,2,4-trimetyloheksan (R/S)
   • CC(C)(C)CCC(C)C 2,2,5-trimetyloheksan
   • CC(C)C(C)(C)CCC 2,3,3-trimetyloheksan
   • CC(C)C(C)C(C)CC 2,3,4-trimetyloheksan (RR/SS/RS/SR)
   • CC(C)C(C)CC(C)C 2,3,5-trimetyloheksan (R/S)
   • CC(C)CC(C)(C)CC 2,4,4-trimetyloheksan
   • CCC(C)(C)C(C)CC 3,3,4-trimetyloheksan
   • CC(C)C(CC)CCC 3-etylo-2-metyloheksan (R/S)
   • CCC(CC)(C)CCC 3-etylo-3-metyloheksan
   • CCC(CC)C(C)CC 3-etylo-4-metyloheksan (R/S)
   • CC(C)CC(CC)CC 4-etylo-2-metyloheksan
   • CC(C)(C)C(C)(C)CC 2,2,3,3-tetrametylopentan
   • CC(C)(C)CC(C)(C)C 2,2,4,4-tetrametylopentan
   • CC(C)(C)C(C)C(C)C 2,2,3,4-tetrametylopentan (R/S)
   • CC(C)C(C)(C)C(C)C 2,3,3,4-tetrametylopentan
   • CC(C)C(CC)(C)CC 3-etylo-2,3-dimetylopentan
   • CC(C)(C)C(CC)CC 3-etylo-2,2-dimetylopentan
   • CC(C)C(CC)C(C)C 3-etylo-2,4-dimetylopentan
   • CCC(CC)(CC)CC 3,3-dietylopentan
10. dekan
    • CCCCCCCCCC n-dekan
    • CC(C)CCCCCCC 2-metylononan
    • CCC(C)CCCCCC 3-metylononan (R/S)
    • CCCC(C)CCCCC 4-metylononan (R/S)
    • CCCCC(C)CCCC 5-metylononan
    • CC(C)(C)CCCCCC 2,2-dimetylooktan
    • CC(C)C(C)CCCCC 2,3-dimetylooktan (R/S)
    • CC(C)CC(C)CCCC 2,4-dimetylooktan (R/S)
    • CC(C)CCC(C)CCC 2,5-dimetylooktan (R/S)
    • CC(C)CCCC(C)CC 2,6-dimetylooktan (R/S)
    • CC(C)CCCCC(C)C 2,7-dimetylooktan
    • CCC(C)(C)CCCCC 3,3-dimetylooktan
    • CCC(C)C(C)CCCC 3,4-dimetylooktan (RR/SS/RS/SR)
    • CCC(C)CC(C)CCC 3,5-dimetylooktan (RR/SS/RS/SR)
    • CCC(C)CCC(C)CC 3,6-dimetylooktan (RR/SS/mezo)
    • CCCC(C)(C)CCCC 4,4-dimetylooktan
    • CCCC(C)C(C)CCC 4,5-dimetylooktan (RR/SS/mezo)
    • CCC(CC)CCCCC 3-etylooktan
    • CCCC(CC)CCCC 4-etylooktan (R/S)
    • CC(C)(C)C(C)CCCC 2,2,3-trimetyloheptan (R/S)
    • CC(C)(C)CC(C)CCC 2,2,4-trimetyloheptan (R/S)
    • CC(C)(C)CCC(C)CC 2,2,5-trimetyloheptan (R/S)
    • CC(C)(C)CCCC(C)C 2,2,6-trimetyloheptan
    • CC(C)C(C)(C)CCCC 2,3,3-trimetyloheptan
    • CC(C)C(C)C(C)CCC 2,3,4-trimetyloheptan (RR/SS/RS/SR)
    • CC(C)C(C)CC(C)CC 2,3,5-trimetyloheptan (RR/SS/RS/SR)
    • CC(C)C(C)CCC(C)C 2,3,6-trimetyloheptan (R/S)
    • CC(C)CC(C)(C)CCC 2,4,4-trimetyloheptan
    • CC(C)CC(C)C(C)CC 2,4,5-trimetyloheptan (RR/SS/RS/SR)
    • CC(C)CC(C)CC(C)C 2,4,6-trimetyloheptan
    • CC(C)CCC(C)(C)CC 2,5,5-trimetyloheptan
    • CCC(C)(C)C(C)CCC 3,3,4-trimetyloheptan (R/S)
    • CCC(C)(C)CC(C)CC 3,3,5-trimetyloheptan (R/S)
    • CCC(C)C(C)(C)CCC 3,4,4-trimetyloheptan (R/S)
    • CCC(C)C(C)C(C)CC 3,4,5-trimetyloheptan (RR/SS/mezo)
    • CC(C)C(CC)CCCC 3-etylo-2-metyloheptan
    • CCC(CC)(C)CCCC 3-etylo-3-metyloheptan
    • CCC(CC)C(C)CCC 3-etylo-4-metyloheptan (R/S)
    • CCC(CC)CC(C)CC 3-etylo-5-metyloheptan (R/S)
    • CC(C)CC(CC)CCC 4-etylo-2-metyloheptan (R/S)
    • CCC(C)C(CC)CCC 4-etylo-3-metyloheptan (RR/SS/RS/SR)
    • CCCC(C)(CC)CCC 4-etylo-4-metyloheptan
    • CC(C)CCC(CC)CC 5-etylo-2-metyloheptan
    • CCCC(CCC)CCC 4-propyloheptan
    • CCCC(C(C)C)C 4-izopropyloheptan
    • CC(C)(C)C(C)(C)CCC 2,2,3,3-tetrametyloheksan
    • CC(C)(C)C(C)C(C)CC 2,2,3,4-tetrametyloheksan (RR/SS/RS/SR)
    • CC(C)(C)C(C)CC(C)C 2,2,3,5-tetrametyloheksan (R/S)
    • CC(C)(C)CC(C)(C)CC 2,2,4,4-tetrametyloheksan
    • CC(C)(C)CC(C)C(C)C 2,2,4,5-tetrametyloheksan (R/S)
    • CC(C)(C)CCC(C)(C)C 2,2,5,5-tetrametyloheksan
    • CC(C)C(C)(C)C(C)CC 2,3,3,4-tetrametyloheksan (R/S)
    • CC(C)C(C)(C)CC(C)C 2,3,3,5-tetrametyloheksan
    • CC(C)C(C)C(C)(C)CC 2,3,4,4-tetrametyloheksan (R/S)
    • CC(C)C(C)C(C)C(C)C 2,3,4,5-tetrametyloheksan (RR/SS/mezo)
    • CCC(C)(C)C(C)(C)CC 3,3,4,4-tetrametyloheksan
    • CC(C)(C)C(CC)CCC 3-etylo-2,2-dimetyloheksan (R/S)
    • CC(C)C(C)(CC)CCC 3-etylo-2,3-dimetyloheksan (R/S)
    • CC(C)C(CC)C(C)CC 3-etylo-2,4-dimetyloheksan (RR/SS/RS/SR)
    • CC(C)C(CC)CC(C)C 3-etylo-2,5-dimetyloheksan (R/S)
    • CCC(C)(CC)C(C)CC 3-etylo-3,4-dimetyloheksan (R/S)
    • CC(C)(C)CC(CC)CC 4-etylo-2,2-dimetyloheksan
    • CC(C)C(C)C(CC)CC 4-etylo-2,3-dimetyloheksan (R/S)
    • CCC(C)(C)C(CC)CC 4-etylo-3,3-dimetyloheksan
    • CC(C)CC(C)(CC)CC 4-etylo-2,4-dimetyloheksan
    • CCC(CC)(CC)CCC 3,3-dietyloheksan
    • CCC(CC)C(CC)CC 3,4-dietyloheksan
    • CC(C)C(C(C)C)CCC 3-izopropylo-2-metyloheksan
    • CC(C)(C)C(C)(C)C(C)C 2,2,3,3,4-pentametylopentan
    • CC(C)(C)C(C)C(C)(C)C 2,2,3,4,4-pentametylopentan
    • CC(C)(C)C(CC)C(C)C 3-etylo-2,2,4-trimetylopentan (R/S)
    • CC(C)C(C)(CC)C(C)C 3-etylo-2,3,4-trimetylopentan
    • CC(C)(C)C(CC)(C)CC 3-etylo-2,2,3-trimetylopentan
    • CC(C)C(CC)(CC)CC 3,3-dietylo-2-metylopentan
    • CC(C)C(C(C)C)C(C)C 3-izopropylo-2,4-dimetylopentan