Названия алканов по ИЮПАК: правила и упражнения

Название органического вещества по правилам ИЮПАК — это его формула, записанная словами. По названию «2,2,4-триметилпентан» химик в любой стране без рисунка восстановит строение молекулы: пять атомов углерода в цепи, две метильные группы у второго атома и одна у четвёртого. Именно этот углеводород, «изооктан», служит эталоном октанового числа бензина. Правила, по которым составляются такие названия, складывались больше ста лет, и проще всего освоить их на алканах — молекулах без функциональных групп, где всё определяется только строением углеродного скелета.

Ниже правила разобраны по шагам на десятках примеров, а в конце есть упражнения для самопроверки. Все названия на рисунках проверены программой, которая восстанавливает структуру молекулы по названию. О том, как читать и рисовать сами формулы, — в статье «Скелетные формулы: как читать и рисовать», о свойствах алканов — в статье «Алканы и циклоалканы».

• Откуда взялись названия
• Названия неразветвлённых алканов
• Алкильные группы
• Название за пять шагов
• Шаг 1: главная цепь
• Шаг 2: нумерация
• Шаг 3: умножающие приставки
• Шаг 4: алфавитный порядок
• Шаг 5: как записать название
• Сложные заместители
• Галогеналканы и нитроалканы
• Циклоалканы
• От названия к формуле
• Как проверить название
• Изомеры и их названия
• Изооктан и октановое число
• Тривиальные и рациональные названия
• Названия по-английски
• Что изменилось в 2013 году
• Практикум
• Типичные ошибки
• Частые вопросы
• Что нужно знать к ЕГЭ
• Для олимпиад
• Задания с разбором
• Литература

1. Откуда взялись названия

В первой половине XIX века каждое новое органическое вещество получало имя по происхождению или по свойствам: древесный спирт, болотный газ, масляная кислота. Такие названия удобны для немногих веществ, но не говорят ничего о строении. Первые «строительные блоки» будущей номенклатуры появились в 1834–1835 годах: Жан-Батист Дюма и Эжен Пелиго, изучая древесный спирт, ввели название «метилен» — от греческих слов méthy (вино, хмельной напиток) и hýlē (древесина), а остаток этого спирта стали называть метилом [1]. Отсюда — метан, метиловый спирт и все производные с корнем «мет-».

Окончание -ан для насыщенных углеводородов предложил в 1866 году немецкий химик Август Вильгельм фон Гофман. Он придумал целый ряд по гласным: метан, метен, метин, метон, метун — для углеводородов с всё меньшим числом атомов водорода [2]. Прижились три первых окончания: -ан для алканов, -ен для алкенов и -ин для алкинов. Корни «эт-», «проп-», «бут-» исторические: этан связан с эфиром (aithḗr), пропан — с пропионовой кислотой (греч. «первый жир»), бутан — с масляной кислотой (лат. butyrum — коровье масло). С пятого атома углерода корни образованы от греческих числительных: пента, гекса, гепта, окта.

Первые международные правила приняли в 1892 году на конгрессе в Женеве, где 34 химика из девяти стран под председательством Шарля Фриделя договорились называть углеводороды по самой длинной цепи атомов углерода, а ответвления — приставками [3]. «Женевская номенклатура» заложила все основные принципы, которыми мы пользуемся до сих пор. Затем были Льежские правила Международного союза химии (1930), первые правила Международного союза теоретической и прикладной химии — ИЮПАК (1957), «Синяя книга» 1979 года [4], руководство 1993 года [5] и, наконец, большие рекомендации 2013 года, в которых для каждого вещества выбрано одно предпочтительное название ИЮПАК (по-английски Preferred IUPAC Name, сокращённо PIN) [6].

Школьные учебники и задания ЕГЭ опираются в основном на правила 1979 и 1993 годов, поэтому в этой статье они изложены как основные, а отличия рекомендаций 2013 года разобраны в отдельном разделе. Для алканов эти отличия невелики: почти все названия, которые вы составите по школьным правилам, совпадают с предпочтительными.

2. Названия неразветвлённых алканов

Без этой таблицы не обойтись: названия неразветвлённых алканов — основа названий всех остальных органических веществ. Первые десять нужно знать наизусть, следующие десять полезно узнавать. У каждого алкана общая формула C_nH_2n+2, а соседние члены ряда различаются на группу CH₂ — это гомологический ряд.

Логика названий проста: число атомов углерода «зашифровано» греческим (иногда латинским) числительным, к которому прибавлено окончание -ан. Для одиннадцати атомов используется латинская приставка «ун-» (ундекан), для двенадцати — греческая «до-» (додекан). Дальше счёт идёт по единицам и десяткам: триаконтан — C₃₀H₆₂, тетраконтан — C₄₀H₈₂, гектан — C₁₀₀H₂₀₂. Двадцатый член ряда в рекомендациях ИЮПАК с 1979 года пишется icosane, без начальной «e», а в русской литературе по традиции чаще встречается «эйкозан» [4].

Таблица заодно напоминает о физических свойствах: метан, этан, пропан и бутан при обычных условиях — газы, алканы от C₅ до C₁₆ — жидкости, с C₁₇–C₁₈ — твёрдые вещества. Температура кипения с каждой группой CH₂ растёт сначала на 50–60 °C, затем всё медленнее: чем длиннее молекула, тем больше площадь контакта и сильнее межмолекулярное притяжение. Гексадекан называют ещё цетаном: он служит эталоном цетанового числа дизельного топлива, как изооктан — эталоном октанового числа бензина.

3. Алкильные группы

Если от молекулы алкана мысленно отнять один атом водорода, получится алкильная группа (углеводородный радикал) с общей формулой C_nH_2n+1–. Её название образуют, заменяя окончание -ан на -ил: метан → метил CH₃–, этан → этил C₂H₅–, пропан → пропил CH₃CH₂CH₂–. Алкильные группы — главные «ответвления» в названиях алканов, поэтому их нужно узнавать в любой записи.

Начиная с пропана, атом водорода можно отнять от разных атомов углерода, и получаются разные группы. Если отнять его от концевого атома пропана, получится пропил, если от среднего — изопропил (CH₃)₂CH–. У бутана таких групп четыре: бутил CH₃CH₂CH₂CH₂– и втор-бутил CH₃CH₂CH(CH₃)– получаются из неразветвлённого бутана, изобутил (CH₃)₂CHCH₂– и трет-бутил (CH₃)₃C– — из разветвлённого 2-метилпропана [7].

этил

пропил

изопропил
(пропан-2-ил)

бутил

втор-бутил
(бутан-2-ил)

изобутил
(2-метилпропил)

трет-бутил
(2-метилпропан-2-ил)

Приставки в этих названиях показывают, к какому атому углерода «пристёгнута» группа. Чтобы их понять, нужно различать атомы углерода по числу соседних атомов углерода. Первичный атом связан с одним атомом углерода (концевые группы CH₃), вторичный — с двумя (звенья CH₂ в цепи), третичный — с тремя (точка ветвления CH), четвертичный — с четырьмя (атом C без водорода). «Втор-» означает, что группа присоединена через вторичный атом, «трет-» — через третичный. Приставка «изо-» обозначает группу с фрагментом (CH₃)₂CH– на дальнем конце, а «нео-» — с фрагментом (CH₃)₃C–: например, неопентил (CH₃)₃CCH₂–.

2,2,4-триметилпентан (изооктан)

Классификация атомов углерода пригодится не только в номенклатуре. От неё зависит реакционная способность: при радикальном хлорировании и бромировании легче всего замещаются атомы водорода у третичного атома углерода, труднее всего — у первичного. В рекомендациях ИЮПАК 2013 года тривиальные названия групп (кроме трет-бутила) не используются в предпочтительных названиях; вместо них — систематические: пропан-2-ил вместо изопропила, бутан-2-ил вместо втор-бутила, 2-метилпропил вместо изобутила [6]. В школе и в большинстве учебников по-прежнему пишут изопропил и трет-бутил, и это не ошибка: ИЮПАК сохраняет эти названия для «общей номенклатуры».

4. Название за пять шагов

Название разветвлённого алкана строится по одному и тому же алгоритму. Его удобно запомнить как пять шагов: найти главную цепь, пронумеровать её, назвать заместители, расставить их по алфавиту и дописать название цепи. Каждый шаг подробно разобран ниже; в сложных случаях полезно выполнять их письменно, отмечая номера прямо на рисунке.

Рассмотрим, как работает алгоритм, на простом примере — веществе (CH₃)₂CHCH₂CH₃. Самая длинная цепь содержит четыре атома углерода: это бутан. От второго атома цепи (если считать слева) отходит метильная группа. Нумерация слева даёт ей номер 2, справа — номер 3; выбираем меньший. Получаем 2-метилбутан. Обратите внимание: номер ставится перед приставкой и отделяется от неё дефисом, а приставка пишется слитно с названием цепи.

Если у вещества несколько способов выбрать цепь или нумерацию, алгоритм даёт строгие правила выбора, и название всегда получается единственным. Это главное достоинство систематической номенклатуры: одно вещество — одно название, одно название — одно вещество [6].

5. Шаг 1: главная цепь

Главная цепь — самая длинная непрерывная цепь атомов углерода в молекуле. Её название (по числу атомов) становится основой названия вещества, а всё, что к ней присоединено, — заместителями. Главное здесь — помнить, что цепь не обязана быть нарисована прямой линией. На скелетной или сокращённой формуле самая длинная цепь часто «изгибается» и проходит через группу, которая выглядит как ответвление.

3-метилгексан

2-метил-3-этилгексан

На первом рисунке зигзаг из пяти атомов с «ответвлением» из двух атомов внизу выглядит как 2-этилпентан. Но если пойти от конца этильной группы через точку ветвления и дальше вправо, получится цепь из шести атомов — значит, это гексан с метильной группой у третьего атома, 3-метилгексан. Название «2-этилпентан» неверно: этильная группа у второго атома цепи всегда удлиняет цепь. По той же причине не бывает «1-метил-» и «2-этил-» в названиях алканов, а «3-пропил-» в названии означает, что цепь, скорее всего, выбрана неверно.

Чтобы не ошибиться, найдите все концевые атомы углерода (группы CH₃) и мысленно соедините каждую пару концов. Самый длинный путь между двумя концами и есть главная цепь. Для небольших молекул это несколько вариантов, и их легко перебрать. Опытные химики начинают с точек ветвления: от каждого атома CH или C смотрят, какая из отходящих от него ветвей самая длинная.

Если две или несколько цепей имеют одинаковую длину, выбирают ту, у которой больше заместителей. Во второй молекуле есть две цепи по шесть атомов: одна проходит через этильную группу (тогда заместитель один — изопропил), другая — через одну из метильных групп изопропильного фрагмента (тогда заместителей два — метил и этил). Главной выбирают вторую: название 2-метил-3-этилгексан. Так названия получаются с более простыми заместителями [6].

Если и число заместителей одинаково, применяют следующие правила: выбирают цепь, у которой заместители получают наименьшие номера, а затем — цепь с менее разветвлёнными заместителями. В задачах школьного уровня до этих правил дело почти не доходит, а для олимпиад они разобраны в разделе «Для олимпиад».

6. Шаг 2: нумерация

Главную цепь нумеруют с одного конца до другого так, чтобы заместители получили наименьшие номера (их называют локантами). Если заместитель один, всё просто: номер должен быть меньше половины длины цепи или равен ей. Метильная группа у второго атома пентана — это 2-метилпентан, а не «4-метилпентан». У третьего атома пентана метил получает номер 3 при любой нумерации: 3-метилпентан.

Если заместителей несколько, сравнивают наборы номеров, записанные по возрастанию, по правилу первого различия: оба набора просматривают слева направо, и выигрывает тот, у которого в первом же несовпадающем месте стоит меньшее число [6]. Например, для 2,3-диметилпентана нумерация с одного конца даёт набор {2, 3}, с другого — {3, 4}; первые числа различаются, 2 меньше 3, поэтому правильное название — 2,3-диметилпентан.

2,7,8-триметилдекан

Правило первого различия часто путают с «наименьшей суммой номеров», и в простых случаях эти подходы совпадают. Но на рисунке они расходятся. Нумерация слева даёт набор {2, 7, 8} с суммой 17, справа — {3, 4, 9} с суммой 16. По сумме выиграла бы правая нумерация, но правило ИЮПАК требует сравнивать номера по порядку: уже первые числа различаются, и 2 меньше 3. Правильное название — 2,7,8-триметилдекан. Сумма номеров в правилах ИЮПАК не используется вообще.

Одинаковые заместители у одного атома учитываются в наборе каждый отдельно. Например, у 2,2,4-триметилпентана набор номеров {2, 2, 4}, а при обратной нумерации — {2, 4, 4}. Первые числа одинаковы (2 и 2), во втором месте 2 меньше 4 — выбираем {2, 2, 4}. Ошибочное название «2,4,4-триметилпентан» встречается часто, но описывает то же вещество при неправильной нумерации.

Бывает, что наборы номеров с обоих концов полностью совпадают. Тогда номер решает алфавит: меньший номер получает заместитель, который стоит в названии первым, то есть раньше по алфавиту. Этот случай разобран ниже, в шаге 4, вместе с правилами алфавитного порядка.

7. Шаг 3: умножающие приставки

Если в молекуле несколько одинаковых заместителей, их не повторяют, а объединяют умножающей приставкой: ди- (два), три- (три), тетра- (четыре), пента- (пять), гекса- (шесть), гепта-, окта-, нона-, дека-. Номера всех таких заместителей перечисляют через запятую, и их должно быть столько, сколько показывает приставка: 2,2-диметилбутан (два номера, две группы), 2,2,4-триметилпентан (три номера), 2,2,3,3-тетраметилбутан (четыре номера).

Отсюда два правила проверки. Во-первых, число номеров перед приставкой всегда равно числу, которое она обозначает: запись «2,3-метилпентан» или «2-диметилпентан» ошибочна. Во-вторых, если два одинаковых заместителя сидят у одного атома, номер повторяется: 3,3-диметилпентан, а не «3-диметилпентан». Повтор номера — не опечатка, а информация о строении: читатель сразу видит, что у третьего атома два заместителя и нет водорода.

Для сложных заместителей, в названии которых уже есть числительные (например, 1,2-диметилпропил), используют другой ряд приставок: бис- (два), трис- (три), тетракис- (четыре). Сам сложный заместитель при этом заключают в скобки: 4,5-бис(1,2-диметилпропил)нонан. Так приставка не смешивается с числительными внутри названия группы [6].

8. Шаг 4: алфавитный порядок

Если заместители разные, их перечисляют в названии по алфавиту — независимо от того, какие у них номера. В русских названиях используется русский алфавит: так принято в отечественных учебниках и в заданиях ФИПИ [8, 9]. Поэтому метил (буква «м») пишут раньше этила («э»), а бром («б») — раньше метила и хлора («х»): 2-метил-3-этилпентан, 3-бром-2-метилпентан.

При алфавитной сортировке есть два важных правила. Умножающие приставки ди-, три-, тетра- не учитываются: «диметил» стоит на букве «м», «триэтил» — на «э». Так же не учитываются курсивные приставки втор- и трет-: трет-бутил сортируют по букве «б». А вот приставки изо- и нео- учитываются, потому что входят в название группы как его часть: изопропил стоит на букве «и», раньше метила, неопентил — на «н». Цикло- тоже учитывается: циклопропил — на «ц» [6].

Название сложного заместителя (о них — ниже) сортируют по первой букве его полного названия, включая числительные внутри скобок: «(1,2-диметилпропил)» стоит на букве «д», а не «м». Это единственный случай, когда «ди» влияет на порядок, и о нём часто забывают.

Алфавит решает и вопрос нумерации, когда наборы номеров с обоих концов одинаковы. В 3-метил-4-этилгексане метильная и этильная группы стоят у третьего и четвёртого атомов цепи с любой стороны. Наборы номеров {3, 4} совпадают, поэтому меньший номер получает метил — первый по алфавиту. То же в 1-бром-3-хлорпропане: номер 1 у брома, который в алфавите раньше хлора.

3-метил-4-этилгексан

1-бром-3-хлорпропан

2,2-диметил-1,3-дихлорбутан

Третий пример на рисунке показывает, что алфавит определяет только порядок записи, но не меняет правила нумерации. Здесь главное — набор номеров: при нумерации от группы CH₂Cl он равен {1, 2, 2, 3}, с другого конца — {2, 3, 3, 4}. Первый набор меньше, и его выбирают, хотя номер 1 достаётся хлору, а не метилу. Затем приставки записывают по алфавиту: «диметил» (по букве «м») раньше «дихлор» (по букве «х»). Получается 2,2-диметил-1,3-дихлорбутан.

9. Шаг 5: как записать название

Систематическое название записывают по строгим правилам орфографии, и от них зависит, однозначно ли его поймут:

• номера отделяют друг от друга запятыми без пробелов: 2,2,4-;
• номер от слова отделяют дефисом: 2-метил, 3-этил;
• все части названия пишут слитно, без пробелов: 2-метил-3-этилпентан, а не «2-метил 3-этил пентан»;
• название сложного заместителя заключают в круглые скобки: 4-(1-метилэтил)гептан; если внутри уже есть скобки, используют квадратные, затем фигурные;
• если название начинает предложение, с прописной буквы пишут первую букву слова, а не номер: «3-Метилгексан хирален».

Есть и тонкость с гласными. Когда умножающая приставка оканчивается на «а», а следующая часть начинается с гласной, буквы сохраняются: тетраэтил, а не «тетрэтил». Название цепи присоединяется к последней приставке без дефиса: метилциклогексан, хлорэтан, трет-бутилциклогексан. Если же приставка оканчивается номером в скобках или стоит перед номером, дефисы ставят по общим правилам: 2-метил-4-(пропан-2-ил)октан.

Наконец, никаких сокращений в систематических названиях не бывает: «2-Me-пентан» или «изо-Pr» допустимы в черновике, но не в ответе. Исключение — латинские курсивные приставки втор- и трет- (в английском sec- и tert-), которые пишут сокращённо по традиции.

10. Сложные заместители

Иногда от главной цепи отходит разветвлённая группа, для которой нет короткого тривиального названия. Её называют сложным заместителем и строят название так же, как название целой молекулы, но с двумя отличиями. Во-первых, нумерацию заместителя начинают с атома, которым он присоединён к главной цепи: этот атом получает номер 1. Во-вторых, вместо окончания -ан ставят -ил. Полное название группы заключают в скобки [6].

4-изопропилгептан

5-(1,2-диметилпропил)-4-метилнонан

Разберём второй пример. Главная цепь — девять атомов углерода (нонан). У четвёртого атома — метил, у пятого — группа –CH(CH₃)–CH(CH₃)–CH₃. Внутри этой группы атом, присоединённый к цепи, — первый, следующий — второй, третий — концевой. Самая длинная цепь группы содержит три атома (пропил), и у её первого и второго атомов стоят метильные группы: это 1,2-диметилпропил. Записываем по алфавиту, учитывая первую букву полного названия группы («д» раньше «м»): 5-(1,2-диметилпропил)-4-метилнонан. По правилам 2013 года предпочтительное название группы — 3-метилбутан-2-ил, и тогда название вещества — 4-метил-5-(3-метилбутан-2-ил)нонан [6].

Первый пример проще: от четвёртого атома гептана отходит группа (CH₃)₂CH–. Её можно назвать тремя способами: изопропил (тривиальное название), 1-метилэтил (систематическое по старым правилам) или пропан-2-ил (предпочтительное по правилам 2013 года). Все три названия — 4-изопропилгептан, 4-(1-метилэтил)гептан, 4-(пропан-2-ил)гептан — описывают одно вещество.

Сложные заместители появляются в названиях сравнительно больших молекул, и у школьников они вызывают больше всего вопросов. Полезно помнить, что выбор главной цепи всегда делают первым: если «сложный заместитель» можно включить в цепь так, что она станет длиннее, его нужно включить. Сложный заместитель остаётся только тогда, когда ветвление внутри группы не даёт удлинить главную цепь.

11. Галогеналканы и нитроалканы

Атомы галогенов в составе алканов называют приставками фтор-, хлор-, бром-, йод-, а нитрогруппу NO₂ — приставкой нитро-. В заместительной номенклатуре они полностью равноправны с алкильными группами: главную цепь выбирают так же (самую длинную), нумеруют её так же (наименьший набор номеров для всех заместителей вместе), а приставки ставят по общему алфавиту [6]. Никакого «старшинства» галогена перед алкильной группой нет — это распространённое заблуждение.

2-бром-2-метилпропан

1,2-дибром-3-хлорпропан

2-бром-1,1,1-трифтор-2-хлорэтан (галотан)

Например, у вещества (CH₃)₃CBr главная цепь — три атома углерода (пропан), у второго атома — метильная группа и атом брома: 2-бром-2-метилпропан. В 1,2-дибром-3-хлорпропане три галогена: два атома брома и один хлора; наборы номеров {1, 2, 3} совпадают с обеих сторон, и меньшие номера получает бром, стоящий в алфавите раньше хлора. Это вещество когда-то широко применяли против почвенных нематод, а в 1977 году его использование в США приостановили, когда выяснилось, что оно вызывает бесплодие у рабочих завода, где его производили.

Третий пример — галотан CF₃CHBrCl, вещество для ингаляционного наркоза, вошедшее в медицину в 1956 году. На нём хорошо видно, как называть молекулы с большим числом заместителей. Цепь — этан. Нумерация от группы CF₃ даёт набор {1, 1, 1, 2, 2}, с другого конца — {1, 1, 2, 2, 2}: на третьем месте 1 меньше 2, выбираем первый. Теперь алфавит: бром (б), трифтор (по букве «ф», приставка три- не учитывается), хлор (х). Название — 2-бром-1,1,1-трифтор-2-хлорэтан. Многие справочники приводят его в порядке «бром — хлор — фтор», перенесённом из английского названия 2-bromo-2-chloro-1,1,1-trifluoroethane, где chloro (c) стоит раньше fluoro (f). Хороший пример того, что порядок букв нужно проверять, а не переносить из другого языка.

Когда номера с обеих сторон одинаковы, а заместители — галоген и алкильная группа, русский и английский алфавиты могут дать разную нумерацию. Вещество CH₃–CHCl–CH₂–CH(CH₃)–CH₃ по-русски называется 2-метил-4-хлорпентан (метил — на «м», раньше хлора), а по-английски — 2-chloro-4-methylpentane (chloro — на «c», раньше methyl). Обе записи описывают одно и то же вещество, просто в разных языках номер 2 достаётся разным заместителям.

Наряду с систематическими существуют и радикально-функциональные названия галогеналканов: хлористый метил (метилхлорид), бромистый этил, йодистый метил, трет-бутилбромид. Они строятся как названия солей — по названию алкильной группы и галогенида. Для простых веществ эти названия по-прежнему очень распространены в лабораторной практике. Сохранились и тривиальные названия: хлороформ CHCl₃ (трихлорметан), йодоформ CHI₃, четырёххлористый углерод CCl₄ (тетрахлорметан). Фреоны — хлорфторпроизводные метана и этана — имеют ещё и технические обозначения: фреон-12 — это дихлордифторметан CCl₂F₂, вещество, разрушающее озоновый слой и запрещённое Монреальским протоколом.

12. Циклоалканы

Названия циклических алканов образуют, прибавляя приставку цикло- к названию алкана с тем же числом атомов углерода: циклопропан, циклобутан, циклопентан, циклогексан. Общая формула циклоалканов — C_nH_2n, как у алкенов, поэтому циклоалканы и алкены с одинаковым числом атомов углерода — межклассовые изомеры.

Нумеровать цикл с одним заместителем не нужно: в кольце все атомы равноценны, и заместитель всегда «первый». Поэтому пишут метилциклогексан, а не «1-метилциклогексан». Если заместителей несколько, атомы кольца нумеруют так, чтобы один из заместителей получил номер 1, а набор всех номеров был наименьшим. Направление обхода (по часовой стрелке или против) выбирают по тому же правилу первого различия. Если наборы с разных сторон одинаковы, номер 1 получает заместитель, первый по алфавиту [6].

метилциклогексан

1,1-диметилциклопентан

1-метил-3-этилциклогексан

гексилциклопентан

На рисунке у 1,1-диметилциклопентана обе метильные группы у одного атома кольца — набор {1, 1}. У 1-метил-3-этилциклогексана нумерацию начинают с атома, несущего метил (первый по алфавиту), и идут в ту сторону, где этильная группа ближе: получается набор {1, 3}, а не {1, 5}. По-английски это вещество называется 1-ethyl-3-methylcyclohexane: номер 1 получает этил (ethyl), потому что в латинском алфавите «e» раньше «m».

Когда к кольцу присоединена углеродная цепь, возникает вопрос, что считать основой названия — цикл или цепь. По прежним правилам основой служил фрагмент с большим числом атомов углерода: вещество из кольца циклопентана и шестиатомной цепи называли 1-циклопентилгексаном. По правилам 2013 года цикл всегда старше цепи, и предпочтительное название — гексилциклопентан [6]. В школьных задачах обычно встречаются случаи, где оба подхода дают одно название (метилциклогексан, этилциклопентан), так что противоречия не возникает.

У циклоалканов с двумя заместителями у разных атомов кольца есть цис-транс-изомерия: кольцо не может вращаться вокруг своих связей, и заместители оказываются либо по одну сторону его плоскости (цис-изомер), либо по разные (транс-изомер). Приставку цис- или транс- пишут курсивом перед названием и отделяют дефисом.

цис-1,2-диметилциклопентан

транс-1,2-диметилциклопентан

В скелетной формуле положение заместителей показывают клиньями: сплошной клин — связь, направленная к наблюдателю, штриховой — от наблюдателя. Цис- и транс-1,2-диметилциклопентан — разные вещества с разными температурами кипения (99,5 и 91,9 °C). Транс-изомер к тому же хирален: он существует в виде двух зеркальных форм, а цис-изомер совпадает со своим зеркальным отражением. Об этом подробнее — в разделе для олимпиад.

13. От названия к формуле

Обратная задача — нарисовать формулу по названию — решается проще, потому что название уже содержит всю информацию. Удобно действовать так:

1. по последней части названия определите главную цепь (например, «гептан» — семь атомов) и нарисуйте её зигзагом или прямой линией атомов C;
2. пронумеруйте атомы цепи с любого конца;
3. расставьте заместители по их номерам: «2,3-диметил» — по метильной группе у второго и третьего атомов, «4-этил» — этильная группа у четвёртого;
4. допишите атомы водорода так, чтобы у каждого атома углерода было четыре связи (в скелетной формуле этот шаг не нужен);
5. проверьте результат: правильно ли выбрана главная цепь на получившемся рисунке и совпадает ли его название с исходным.

Последний шаг важен: название в задаче может быть составлено неправильно, и тогда нарисованная формула получит другое название. Например, по названию «2-этилпентан» рисуют пятиатомную цепь с этильной группой у второго атома — и тут же видят, что самая длинная цепь содержит шесть атомов. Правильное название того же вещества — 3-метилгексан. Таким же образом «2,4,4-триметилпентан» превращается в 2,2,4-триметилпентан, а «1-метилбутан» — в пентан.

Возьмём для примера 2,2-диметил-3-этилгептан. Рисуем цепь из семи атомов и нумеруем её. У второго атома ставим две метильные группы — этот атом становится четвертичным. У третьего атома — этильную группу. Проверяем: самая длинная цепь по-прежнему семь атомов (через этильную группу получилось бы 2 + 5 = 7 — столько же, но заместителей тогда было бы меньше), набор номеров {2, 2, 3} меньше, чем {5, 6, 6} при обратной нумерации. Название верное. Молекулярная формула: 7 + 2 + 2 = 11 атомов углерода, C₁₁H₂₄.

При построении формулы по названию с тривиальными группами полезно сначала «развернуть» их: изопропил — это –CH(CH₃)₂, трет-бутил — –C(CH₃)₃, изобутил — –CH₂CH(CH₃)₂, втор-бутил — –CH(CH₃)CH₂CH₃. Чаще всего ошибаются с изобутилом и втор-бутилом, потому что их названия не похожи на строение: изобутил присоединён через CH₂, а втор-бутил — через CH.

14. Как проверить название

Готовое название стоит проверить по короткому списку вопросов: самая ли длинная цепь выбрана, наименьший ли набор номеров, правильно ли стоят умножающие приставки, по алфавиту ли записаны заместители. Большинство ошибок в названиях алканов связаны с первыми двумя вопросами. Вот четыре классических неверных названия и то, во что они превращаются после проверки.

не «2-этилбутан»,
а 3-метилпентан

не «4-метилпентан»,
а 2-метилпентан

не «2,3,3-триметилбутан»,
а 2,2,3-триметилбутан

не «3-пропилгексан»,
а 4-этилгептан

«2-Этилбутан»: этильная группа у второго атома удлиняет цепь до пяти атомов, правильно — 3-метилпентан. «4-Метилпентан»: нумерация начата не с того конца, правильно — 2-метилпентан. «2,3,3-Триметилбутан»: набор {2, 3, 3} больше, чем {2, 2, 3} при обратной нумерации, правильно — 2,2,3-триметилбутан. «3-Пропилгексан»: самая длинная цепь проходит через пропильную группу и содержит семь атомов, правильно — 4-этилгептан.

Ещё один способ проверки — посчитать атомы. Число атомов углерода в названии (в цепи и во всех заместителях) должно совпадать с числом атомов в формуле. 2,2,3-триметилбутан: 4 + 3 = 7 атомов, C₇H₁₆ — изомер гептана. Если в задаче сказано, что вещество — изомер октана, а в вашем названии семь атомов углерода, значит, что-то пропущено.

Наконец, сегодня названия проверяют и программы. Свободная программа OPSIN, разработанная в Кембриджском университете, по систематическому английскому названию восстанавливает структуру молекулы [10]; ChemDraw и другие редакторы формул решают и обратную задачу. Все названия в этой статье проверены таким способом: структура, восстановленная по английскому названию, совпала со структурой на рисунке. Но программа лишь подтверждает, что название описывает данное вещество, — понимать правила всё равно нужно самому, особенно на экзамене.

15. Изомеры и их названия

Алканы с четырьмя и более атомами углерода образуют структурные изомеры — вещества с одинаковой молекулярной формулой, но разным строением углеродного скелета. У бутана C₄H₁₀ два изомера (бутан и 2-метилпропан), у пентана C₅H₁₂ — три (пентан, 2-метилбутан, 2,2-диметилпропан), у гексана C₆H₁₄ — пять, у гептана — девять. Систематическая номенклатура даёт каждому из них своё название, и составление названий всех изомеров данной формулы — одно из самых полезных упражнений.

гептан

2-метилгексан

3-метилгексан

2,2-диметилпентан

2,3-диметилпентан

2,4-диметилпентан

3,3-диметилпентан

3-этилпентан

2,2,3-триметилбутан

Чтобы найти все изомеры и не пропустить ни одного, действуют систематически: начинают с самой длинной цепи и постепенно укорачивают её, перебирая положения ответвлений. Для C₇H₁₆: цепь из семи атомов — гептан; из шести — с метилом у второго или третьего атома (2- и 3-метилгексан; у четвёртого — то же, что у третьего); из пяти — две метильные группы (2,2-, 2,3-, 2,4-, 3,3-диметилпентан) или одна этильная у третьего атома (3-этилпентан); из четырёх — три метильные группы (2,2,3-триметилбутан). Девять названий — девять изомеров. Каждое название — проверка: если два ваших рисунка получили одно и то же название, это одно вещество, нарисованное по-разному.

С ростом числа атомов число изомеров растёт очень быстро.

Задача подсчёта изомеров алканов имеет интересную историю. Первым её поставил английский математик Артур Кэли: в 1875 году он связал изомеры алканов с математическими «деревьями» — графами без циклов — и подсчитал число изомеров для небольших молекул, хотя часть его чисел для больших молекул позже пришлось исправить [11]. В 1931 году американские химики Генри Хенце и Чарльз Блэр вывели рекуррентные формулы и точно рассчитали число изомеров для молекул с десятками атомов углерода [12]. А в 1937 году венгерский математик Дьёрдь Пойа создал общую теорию перечисления, которая стала одним из основных инструментов комбинаторики [13]. Химическая задача о названиях дала толчок целой области математики.

Таблица показывает и практическую сторону: уже у C₂₀H₄₂ больше трёхсот тысяч изомеров, и придумать каждому тривиальное название невозможно. Систематическая номенклатура решает эту проблему: по правилам ИЮПАК название получает любой из этих изомеров, причём единственное.

16. Изооктан и октановое число

Самое известное название алкана в быту — «октановое число». В 1926 году американский химик Грэм Эдгар, работавший в компании Ethyl Corporation, предложил оценивать стойкость бензина к детонации (взрывному сгоранию в цилиндре) сравнением с эталонной смесью двух углеводородов [14]. Гептан детонирует очень легко, и его октановое число принято за 0. 2,2,4-Триметилпентан, разветвлённый изомер октана, сгорает спокойно, и его октановое число принято за 100. Бензин АИ-95 детонирует так же, как смесь 95 % изооктана и 5 % гептана.

гептан: октановое число 0

2,2,4-триметилпентан: октановое число 100

Именно изооктан дал шкале название «октановое число», хотя к октану C₈H₁₈ с неразветвлённой цепью оно отношения не имеет: у самого октана октановое число отрицательное, около −20. Разветвлённые алканы вообще детонируют меньше неразветвлённых, поэтому в нефтепереработке так важна изомеризация — превращение неразветвлённых алканов в разветвлённые. Название «изооктан» тривиальное и неточное: изооктанами можно назвать любые разветвлённые изомеры C₈H₁₈. Систематическое название, 2,2,4-триметилпентан, однозначно.

Для дизельного топлива есть похожая шкала — цетановое число. Здесь, наоборот, ценится лёгкость воспламенения, и эталоном 100 служит неразветвлённый гексадекан (цетан), а разветвлённые и ароматические углеводороды имеют низкие цетановые числа. Одни и те же правила строения по-разному работают в разных двигателях, и химическое название сразу показывает, какое топливо из вещества получится.

17. Тривиальные и рациональные названия

До систематической номенклатуры и рядом с ней существовали другие способы называть алканы. Тривиальные названия сохранились у самых простых изомеров: изобутан (2-метилпропан), изопентан (2-метилбутан), неопентан (2,2-диметилпропан), изооктан (2,2,4-триметилпентан). Приставка «изо-» в них обозначает фрагмент (CH₃)₂CH– на конце цепи, «нео-» — фрагмент (CH₃)₃C–. В учебниках и технической литературе эти названия встречаются постоянно, а изобутан и пропан-бутановые смеси знакомы всем по газовым баллонам и зажигалкам.

Рациональная номенклатура, популярная в XIX и первой половине XX века, рассматривала все алканы как производные метана: в метане атомы водорода заменяют на алкильные группы. Тогда 2-метилпропан — это триметилметан, 2,2-диметилпропан — тетраметилметан, 3-этилпентан — триэтилметан. Такие названия наглядны для небольших симметричных молекул, но для больших быстро становятся неудобными, а для некоторых веществ неоднозначными. Их можно встретить в старых учебниках и задачниках.

Первые названия алканов вообще не были связаны со строением. Метан называли болотным или рудничным газом — по месту, где он выделяется. Смесь твёрдых алканов немецкий химик Карл фон Райхенбах в 1830 году назвал парафином, от латинского parum affinis — «малое сродство»: эти вещества почти не вступали в реакции с кислотами и щелочами. Слово «парафины» до сих пор используется как синоним алканов. Керосин, лигроин, вазелин — тоже исторические названия смесей углеводородов, а не отдельных веществ.

В научных базах данных, например в реестре Chemical Abstracts Service (CAS), используют свою систему названий, близкую к ИЮПАК, но не совпадающую с ней в деталях. Поэтому одно вещество в базе CAS, в рекомендациях ИЮПАК и в учебнике может называться немного по-разному. Однозначная связь между ними — номер CAS и машиночитаемые записи структуры (SMILES, InChI).

18. Названия по-английски

Английские названия алканов строятся по тем же правилам, и их полезно знать хотя бы для чтения статей и работы с базами данных. Окончание -ан соответствует английскому -ane (pentane, hexane), -ил — -yl (methyl, ethyl), а приставки галогенов пишутся с окончанием -o: fluoro, chloro, bromo, iodo, nitro. Умножающие приставки те же: di-, tri-, tetra-. Курсивные приставки — sec- и tert- (или t-).

Главное отличие — алфавит. В английском названии заместители сортируют по латинскому алфавиту, и порядок часто меняется: 2-метил-3-этилпентан — 3-ethyl-2-methylpentane, 3-бром-2-метилпентан — 3-bromo-2-methylpentane (здесь порядок совпал), 2-метил-4-хлорпентан — 2-chloro-4-methylpentane (а здесь изменилась и нумерация). При переводе названия с одного языка на другой нужно не только переставить слова, но и заново проверить правило алфавита при равных номерах.

Ещё одно отличие касается пробелов и букв. В английском, как и в русском, название пишется одним словом, но приставка перед гласной иногда теряет букву: tetraethyl сохраняет «a», а в названиях с суффиксами (например, у спиртов) отбрасывается конечная «e» названия цепи: pentan-2-ol. В русском языке такие правила проще, поэтому при переводе обычно достаточно заменить окончания.

Полезный навык — читать англоязычные задачи и учебники: многие олимпиадные задачи и лучшие учебники (например, «Органическая химия» Клейдена, Гривза и Уоррена [15]) доступны только по-английски, а в международных олимпиадах ответы пишут на английском или на языке перевода с английскими названиями в скобках.

19. Что изменилось в 2013 году

В 2013 году ИЮПАК опубликовал новые рекомендации по номенклатуре органических соединений — книгу объёмом около полутора тысяч страниц [6]. Её главная идея — для каждого вещества выбрать одно предпочтительное название (PIN), которое используют в законодательстве, патентах и базах данных. Другие правильные названия при этом остаются допустимыми в «общей номенклатуре» — в учебниках, статьях, повседневной работе. Для алканов изменения такие.

• Названия групп. В предпочтительных названиях не используются изопропил, изобутил, втор-бутил, изопентил, неопентил, трет-пентил; вместо них — пропан-2-ил, 2-метилпропил, бутан-2-ил, 3-метилбутил, 2,2-диметилпропил, 2-метилбутан-2-ил. Трет-бутил сохранён и в предпочтительных названиях, но без дальнейших замещений [6].
• Способ называть разветвлённые группы. Предпочтительным стал способ, при котором группа называется по самой длинной цепи от точки присоединения с указанием номера «свободной» связи: пентан-2-ил вместо 1-метилбутила, пропан-2-ил вместо 1-метилэтила.
• Цикл и цепь. Цикл всегда старше цепи: гексилциклопентан вместо 1-циклопентилгексана.
• Длина цепи и кратные связи. Для ненасыщенных соединений длина цепи теперь важнее числа кратных связей: соединение CH₂=C(C₂H₅)CH₂CH₂CH₃ называется 3-метилиденгексан, а не 2-этилпент-1-ен. Для алканов это правило ничего не меняет, но в задачах на алкены его полезно знать.

Обратите внимание: изменения касаются в основном больших и необычных молекул. Для типичных алканов школьного курса — 2-метилбутана, 2,2-диметилпропана, 3-этилпентана, 2,2,4-триметилпентана — названия по старым и новым правилам совпадают. Если вы пишете школьный ответ, используйте названия, принятые в учебнике и заданиях ФИПИ; если готовитесь к международной олимпиаде — знайте и предпочтительные названия.

Главная цель номенклатуры — не идеальная система, а взаимопонимание химиков во всём мире. Поэтому рядом с предпочтительными названиями остаются традиционные: ими пользуются миллионы людей, и привычку нельзя изменить за одно поколение.

20. Практикум

Правила номенклатуры запоминаются только на практике. Ниже пять упражнений, которые идут от простого к сложному: сначала найти главную цепь, затем назвать вещество целиком, нарисовать формулу по названию, назвать циклоалканы и найти ошибки в чужих названиях. Попробуйте выполнить каждое упражнение письменно и только потом открывайте ответ.

Упражнение 1. Найдите главную цепь

Найдите в каждой молекуле самую длинную цепь атомов углерода, пронумеруйте её и назовите вещество.

А

Б

В

Г

Ответ

А: 2-метил-3-этилпентан

Б: 3-метил-3-этилпентан

В: 3,4-диметилгептан

Г: 3,4-диэтилгексан

А — у молекулы несколько цепей из пяти атомов. Выбираем ту, у которой два заместителя (метил и этил): 2-метил-3-этилпентан. Б — центральный атом четвертичный, все цепи через него содержат пять атомов; у главной два заместителя у третьего атома: 3-метил-3-этилпентан. В — нарисованный зигзаг из шести атомов обманчив: через этильную группу проходит цепь из семи атомов, поэтому вещество — 3,4-диметилгептан, а не «2-этил-3-метилгексан». Г — все самые длинные цепи содержат шесть атомов, у каждой два этильных заместителя: 3,4-диэтилгексан.

Упражнение 2. Назовите вещества

А

Б

В

Г

Д

Е

Ответ

А: 3,3,4-триметилгексан

Б: 3-изопропил-2-метилгексан

В: 2,2,4,4-тетраметилпентан

Г: 3-бром-2-метилпентан

Д: 2,2-диметил-1,3-дихлорбутан

Е: 2,4-диметил-5-этилоктан

А — 3,3,4-триметилгексан. Главная цепь — шесть атомов; набор {3, 3, 4} меньше, чем {3, 4, 4} при обратной нумерации.

Б — 3-изопропил-2-метилгексан, или 2-метил-3-(пропан-2-ил)гексан. Самая длинная цепь — шесть атомов, через одну из метильных групп изопропильного фрагмента. Заметьте: порядок приставок зависит от выбранного названия группы — «изопропил» стоит на «и» (раньше метила), а «пропан-2-ил» — на «п» (позже).

В — 2,2,4,4-тетраметилпентан. Обе нумерации дают одинаковый набор: молекула симметрична.

Г — 3-бром-2-метилпентан. Цепь из пяти атомов; нумерация от изопропильного конца даёт {2, 3}, с другого — {3, 4}.

Д — 2,2-диметил-1,3-дихлорбутан. Цепь из четырёх атомов, набор {1, 2, 2, 3} меньше, чем {2, 3, 3, 4}. По алфавиту «диметил» (м) раньше «дихлор» (х). По-английски — 1,3-dichloro-2,2-dimethylbutane.

Е — 2,4-диметил-5-этилоктан. Главная цепь — восемь атомов: от изопропильного конца через точку ветвления к пропильной группе (этильная ветвь короче). Набор {2, 4, 5} меньше, чем {4, 5, 7}.

Упражнение 3. Нарисуйте формулы по названиям

а) 2,2-диметил-3-этилгептан; б) 4-изопропил-2-метилоктан; в) 1,1,2-триметилциклопропан; г) 2-бром-3-метилбутан; д) 5-трет-бутил-3-метилнонан; е) 1-изопропил-4-метилциклогексан.

Ответ

а) 2,2-диметил-3-этилгептан

б) 4-изопропил-2-метилоктан

г) 2-бром-3-метилбутан

д) 5-трет-бутил-3-метилнонан

в) 1,1,2-триметилциклопропан

е) 1-изопропил-4-метилциклогексан

Проверьте свой рисунок по числу атомов углерода: а) C₁₁H₂₄; б) C₁₂H₂₆; в) C₆H₁₂; г) C₅H₁₁Br; д) C₁₄H₃₀; е) C₁₀H₂₀. Если ваш рисунок отличается от ответа поворотом или отражением, но получает то же название, — он правильный. Вещество е) называют также п-ментаном: это углеродный скелет ментола и многих других терпенов.

Упражнение 4. Назовите циклоалканы

А

Б

В

Г

Ответ

А: 1,4-диметилциклогексан

Б: 1-метил-2-этилциклопентан

В: изопропилциклогексан

Г: 1-бром-3-хлорциклопентан

А — 1,4-диметилциклогексан (существует в виде цис- и транс-изомеров). Б — 1-метил-2-этилциклопентан: наборы {1, 2} с обеих сторон одинаковы, и номер 1 получает метил, первый по алфавиту (по-английски — 1-ethyl-2-methylcyclopentane). В — изопропилциклогексан, или (пропан-2-ил)циклогексан; номер не нужен — заместитель один. Г — 1-бром-3-хлорциклопентан: номер 1 — брому, первому по алфавиту.

Упражнение 5. Найдите ошибки

Каждое из этих названий составлено неправильно. Нарисуйте формулу по названию и назовите вещество верно: а) 2-метил-3-метилбутан; б) 5-метилгексан; в) 2,2-диэтилпропан; г) 2,4,4-триметилпентан; д) 2-изопропилбутан; е) 3,3-диметил-2-этилпентан; ж) 4-этил-3-метилгексан (для русского названия).

Ответ

а) 2,3-диметилбутан

б) 2-метилгексан

в) 3,3-диметилпентан

г) 2,2,4-триметилпентан

д) 2,3-диметилпентан

е) 3,3,4-триметилгексан

ж) 3-метил-4-этилгексан

а) Одинаковые заместители объединяют приставкой: 2,3-диметилбутан. б) Нумерация не с того конца: 2-метилгексан. в) Этильные группы удлиняют цепь: CH₃CH₂–C(CH₃)₂–CH₂CH₃ — это 3,3-диметилпентан. г) Набор {2, 2, 4} меньше {2, 4, 4}: 2,2,4-триметилпентан. д) Цепь проходит через изопропильную группу: CH₃–CH(CH₃)–CH(CH₃)–CH₂–CH₃ — 2,3-диметилпентан. е) Этильная группа у второго атома удлиняет цепь до шести атомов: 3,3,4-триметилгексан. ж) Порядок латинский, а не русский: по-русски 3-метил-4-этилгексан, и номер 3 получает метил.

21. Типичные ошибки

Большинство ошибок в названиях алканов повторяются из года в год. Чаще всего выбирают не самую длинную цепь, потому что смотрят на рисунок, а не на связи: прямой отрезок формулы кажется главным, хотя самая длинная цепь изгибается. Вторая по частоте ошибка — нумерация «на глаз», без сравнения наборов номеров с обеих сторон. Третья — неверный алфавитный порядок: приставки записывают по возрастанию номеров («2-метил-3-этил» случайно правильно, а «2-этил-3-метил» по-русски неправильно), учитывают ди- и три- или забывают, что изопропил стоит на «и».

• Заместитель у конца цепи. Метил у первого атома или этил у второго — сигнал, что цепь выбрана неверно. В правильном названии алкана таких заместителей не бывает.
• «Сумма номеров». Наборы сравнивают по первому различию; сумма номеров ничего не решает.
• Лишний или пропущенный номер. Номеров перед приставкой ди- — два, перед три- — три: 2,2-диметил, а не «2-диметил».
• Пробелы и лишние дефисы. Название пишется одним словом: 2-метилбутан, а не «2-метил бутан» и не «2-метил-бутан».
• Номер у единственного заместителя в цикле. Метилциклогексан, а не «1-метилциклогексан».
• Путаница изобутила и втор-бутила. Изобутил –CH₂CH(CH₃)₂ присоединён через CH₂, втор-бутил –CH(CH₃)CH₂CH₃ — через CH.
• Перенос английского порядка. 4-ethyl-2-methylhexane по-русски — 2-метил-4-этилгексан, а не «4-этил-2-метилгексан».

Частые вопросы

Почему изопропил сортируют по «и», а трет-бутил по «б»? Приставка «изо-» — часть названия группы (изопропил — одно слово), а «трет-» — курсивное сокращение, указывающее на тип атома присоединения. По правилам ИЮПАК курсивные приставки втор- и трет- при сортировке не учитываются, а изо-, нео- и цикло- учитываются.

Нужно ли писать номер, если заместитель один и вариантов нет? В метилпропане метильная группа может стоять только у второго атома, и название «метилпропан» однозначно. Но в школьных и экзаменационных ответах номер лучше писать всегда: «2-метилпропан» не оставляет вопросов и соответствует образцам ФИПИ. В названии с одним заместителем в цикле номер, наоборот, не пишут.

Что делать, если цепи одинаковой длины и с одинаковым числом заместителей? Сравнить наборы номеров заместителей для каждой цепи и выбрать цепь с меньшим набором. Если и они совпадают, выбирают цепь с менее разветвлёнными заместителями. В школьных задачах такие случаи встречаются редко.

Почему «2-этилпентан» неправильно, хотя так нарисовано в учебнике? Рисунок не определяет название: название определяется строением. Если от второго атома цепи отходит этильная группа, то через неё проходит цепь на один атом длиннее, и вещество называется 3-метилгексаном. Рисунок, на котором цепь выглядит прямой, просто неудачен для названия.

Изооктан и октан — одно и то же? Нет. Октан — неразветвлённый алкан C₈H₁₈, изооктан — тривиальное название 2,2,4-триметилпентана. Это изомеры с одинаковой формулой, но очень разными свойствами: октановое число октана около −20, изооктана — ровно 100.

Галоген «старше» алкильной группы при нумерации? Нет. В алканах галогены и алкильные группы равноправны: важен набор номеров всех заместителей вместе. Старшинство появляется только у функциональных групп, которые выражаются суффиксом (спирты, кислоты, альдегиды), — у них номер всегда меньше.

Как быстро найти самую длинную цепь в большой молекуле? Отметьте все концевые группы CH₃ и для каждой точки ветвления посчитайте длину самой длинной ветви. Главная цепь соединяет две самые длинные ветви через самый короткий путь между ними. Для молекул до 10–12 атомов углерода это занимает меньше минуты.

Можно ли назвать алкан по-разному и оба названия будут правильными? Да, если использованы разные допустимые названия групп: 4-изопропилгептан и 4-(пропан-2-ил)гептан, 5-трет-бутил-3-метилнонан и 5-(1,1-диметилэтил)-3-метилнонан. Но выбор главной цепи и нумерация в правильном названии всегда однозначны.

Почему в одних задачниках «2-метил-4-хлорпентан», а в других «4-хлор-2-метилпентан»? Первое название построено по русскому алфавиту, второе — с латинским порядком, перенесённым из английского. В школьных ответах используйте русский алфавит, но знайте, что оба названия описывают одно вещество.

Что нужно знать к ЕГЭ

Номенклатура алканов проверяется в заданиях 10 (классификация и номенклатура органических веществ) и 11 (гомологи и изомеры) базового уровня, а в заданиях 32 и 33 нужно правильно записывать формулы и названия веществ [9]. Кроме того, без номенклатуры невозможно понять условие почти любой задачи по органической химии.

• названия первых десяти алканов (метан — декан) и общая формула C_nH_2n+2;
• названия алкильных групп: метил, этил, пропил, изопропил, бутил, втор-бутил, изобутил, трет-бутил;
• правила: самая длинная цепь, наименьшие номера, умножающие приставки ди-, три-, тетра-, алфавитный порядок приставок;
• гомологи различаются на одну или несколько групп CH₂ и принадлежат одному классу; изомеры имеют одну молекулярную формулу и разное строение;
• циклоалканы C_nH_2n — межклассовые изомеры алкенов; у дизамещённых циклоалканов бывает цис-транс-изомерия;
• тривиальные названия: изобутан, изопентан, неопентан, изооктан, хлороформ, четырёххлористый углерод.

Для олимпиад

Полная иерархия выбора главной цепи. Для ациклических углеводородов главную цепь выбирают по критериям, которые применяют по очереди, пока не останется одна цепь: (1) наибольшая длина; (2) наибольшее число заместителей; (3) наименьший набор номеров заместителей; (4) наименьшие номера заместителей, стоящих первыми по алфавиту. В правилах 1979 года после третьего критерия шли ещё два: цепь с наибольшим числом атомов углерода в боковых цепях меньшего размера и цепь с наименее разветвлёнными боковыми цепями [4, 6]. Задачи «найдите главную цепь в огромной молекуле» решаются строгим применением этой иерархии.

Мостиковые и спироциклы. Полициклические алканы называют по системе фон Байера. Бициклическую молекулу описывают двумя узловыми атомами (общими для колец) и тремя «мостиками» между ними; в квадратных скобках указывают число атомов в каждом мостике по убыванию, а по общему числу атомов выбирают название алкана: бицикло[2.2.1]гептан (норборнан), бицикло[4.4.0]декан (декалин), бицикло[2.2.2]октан. Нумерацию начинают с узлового атома и идут по самому длинному мостику, затем по следующему, последним нумеруют самый короткий. Для три- и тетрациклических молекул добавляют вторичные мостики с верхними индексами: адамантан — трицикло[3.3.1.1^3,7]декан [16].

бицикло[2.2.1]гептан (норборнан)

бицикло[4.4.0]декан (декалин)

спиро[4.5]декан

трицикло[3.3.1.1^3,7]декан (адамантан)

кубан

Если два кольца имеют только один общий атом, это спиросоединение: спиро[4.5]декан состоит из пяти- и шестичленного колец (числа в скобках — атомы колец без общего, от меньшего к большему). Нумерацию начинают в меньшем кольце с атома, соседнего со спироатомом. Кубан C₈H₈ — пентацикло[4.2.0.0^2,5.0^3,8.0^4,7]октан — впервые синтезировали Филип Итон и Томас Коул в 1964 году [17]; удобный синтез адамантана предложил Пауль фон Рагэ Шлейер в 1957 году [18]. Тривиальные названия «кубан», «адамантан», «норборнан» удобнее систематических, и ИЮПАК их сохраняет.

Стереодескрипторы. Если у атома углерода четыре разных заместителя, он является стереоцентром, и полное название включает его конфигурацию — (R) или (S) по правилам Кана — Ингольда — Прелога. Самые маленькие хиральные алканы — 3-метилгексан и 2,3-диметилпентан (C₇H₁₆). У 3-метилгексана заместители у C3 — пропил, этил, метил и водород; их старшинство определяется сравнением атомов по слоям, и для пропила и этила оно решается только на втором атоме цепи. Дескриптор пишут в скобках перед названием: (R)-3-метилгексан.

(R)-3-метилгексан

(S)-3-метилгексан

У циклоалканов цис- и транс-изомеры описывают дескрипторами для каждого стереоцентра: цис-1,2-диметилциклопентан — (1R,2S), он совпадает со своим зеркальным отражением (мезо-форма); транс-изомер — пара энантиомеров (1R,2R) и (1S,2S). Подсчёт стереоизомеров — частая олимпиадная задача: у C₇H₁₆ девять структурных изомеров и, с учётом энантиомеров, одиннадцать стереоизомеров.

Подсчёт изомеров. Число структурных изомеров алканов C_nH_2n+2 равно числу деревьев с n вершинами, у которых степень каждой вершины не больше четырёх. Для небольших n его удобно считать по «центру» дерева: каждый изомер имеет центральный атом или центральную связь самой длинной цепи, и ветви, отходящие от центра, перебирают по длине. Этот метод восходит к Кэли и Хенце — Блэру, а общая теория перечисления — к Пойа [11, 12, 13].

Названия с умножающими приставками бис- и трис-. Если одинаковых сложных заместителей несколько, используют бис-, трис-, тетракис-: 4,5-бис(1,2-диметилпропил)нонан. При алфавитной сортировке бис- не учитывается, а первая буква сложного заместителя внутри скобок — учитывается.

Задания с разбором

Задание 1

Назовите по систематической номенклатуре вещество (CH₃)₂CHCH₂CH(CH₃)₂.

Разбор

2,4-диметилпентан

Самая длинная цепь — пять атомов: CH₃–CH(CH₃)–CH₂–CH(CH₃)–CH₃. Метильные группы у второго и четвёртого атомов при любой нумерации. Название — 2,4-диметилпентан, C₇H₁₆.

Задание 2

Назовите вещество (CH₃)₃C–CH₂–CH(C₂H₅)–CH₃.

Разбор

2,2,4-триметилгексан

Цепь удлиняется через этильную группу: (CH₃)₃C–CH₂–CH(CH₃)–CH₂–CH₃ — шесть атомов. Нумерация от трет-бутильного конца даёт {2, 2, 4}, с другого — {3, 5, 5}. Название — 2,2,4-триметилгексан, C₉H₂₀.

Задание 3

Сколько первичных, вторичных, третичных и четвертичных атомов углерода в молекуле 2,2,3,4-тетраметилпентана?

Разбор

2,2,3,4-тетраметилпентан

Формула: CH₃–C(CH₃)₂–CH(CH₃)–CH(CH₃)–CH₃. Первичные — все группы CH₃: C1, две метильные группы у C2, метил у C3, метил у C4 и C5 — шесть. Вторичных (CH₂) нет. Третичные — C3 и C4 (два). Четвертичный — C2 (один). Всего 6 + 0 + 2 + 1 = 9 атомов, C₉H₂₀.

Задание 4

Нарисуйте и назовите все изомеры C₆H₁₄. У какого из них нет вторичных атомов углерода?

Разбор

гексан

2-метилпентан

3-метилпентан

2,2-диметилбутан

2,3-диметилбутан

Гексан, 2-метилпентан, 3-метилпентан, 2,2-диметилбутан, 2,3-диметилбутан. Вторичных атомов (CH₂) нет у 2,3-диметилбутана (CH₃)₂CH–CH(CH₃)₂: в нём четыре первичных и два третичных атома.

Задание 5

Назовите вещества А–Г. Какие из них являются изомерами? Какие хиральны?

А

Б

В

Г

Разбор

А: 2,4-диметилпентан

Б: 3,3-диметилпентан

В: 2,3-диметилпентан

Г: 3-метилгексан

А — 2,4-диметилпентан, Б — 3,3-диметилпентан, В — 2,3-диметилпентан, Г — 3-метилгексан. Все четыре имеют формулу C₇H₁₆ и являются изомерами. Хиральны В (у C3 четыре разные группы: H, метил, этил, изопропил) и Г (у C3: H, метил, этил, пропил).

Задание 6

Почему название «2-метил-2-этилбутан» неверно? Дайте правильное.

Разбор

3,3-диметилпентан

Формула по названию: CH₃–C(CH₃)(C₂H₅)–CH₂–CH₃. Этильная группа у второго атома удлиняет цепь: CH₃CH₂–C(CH₃)₂–CH₂CH₃ — пять атомов. Правильное название — 3,3-диметилпентан.

Задание 7

Назовите вещество CH₃–CHCl–CH₂–CH(CH₃)–CH₃ по-русски и по-английски. Почему нумерация различается?

Разбор

2-метил-4-хлорпентан

Цепь — пентан, заместители у второго и четвёртого атомов при любой нумерации. При равных наборах номер 2 получает заместитель, первый по алфавиту. По-русски это метил (м раньше х): 2-метил-4-хлорпентан. По-английски — chloro (c раньше m): 2-chloro-4-methylpentane.

Задание 8

Нарисуйте формулу 1-бром-2,2-диметилпропана. Как называется алкильная группа, связанная с бромом, тривиально и по правилам 2013 года?

Разбор

1-бром-2,2-диметилпропан

(CH₃)₃C–CH₂Br. Группа (CH₃)₃C–CH₂– — неопентил; по правилам 2013 года предпочтительное название — 2,2-диметилпропил. Радикально-функциональное название вещества — неопентилбромид.

Задание 9

Назовите вещество: циклогексан, у соседних атомов которого стоят метильная и пропильная группы. Существуют ли у него пространственные изомеры?

Разбор

цис-1-метил-2-пропилциклогексан

транс-1-метил-2-пропилциклогексан

1-Метил-2-пропилциклогексан: наборы {1, 2} с обеих сторон, номер 1 — метилу (м раньше п). Заместители у разных атомов кольца, поэтому есть цис- и транс-изомеры; каждый из них хирален (два стереоцентра, мезоформы нет, потому что заместители разные), всего четыре стереоизомера.

Задание 10

Сколько различных монохлорпроизводных образуется при хлорировании 2-метилбутана? Назовите их.

Разбор

2-метил-1-хлорбутан

2-метил-2-хлорбутан

2-метил-3-хлорбутан

3-метил-1-хлорбутан

Четыре, по числу типов атомов водорода. ClCH₂–CH(CH₃)–CH₂–CH₃ — 2-метил-1-хлорбутан; CH₃–CCl(CH₃)–CH₂–CH₃ — 2-метил-2-хлорбутан; CH₃–CH(CH₃)–CHCl–CH₃ — 2-метил-3-хлорбутан (наборы {2, 3} с обеих сторон, номер 2 — метилу); CH₃–CH(CH₃)–CH₂–CH₂Cl — 3-метил-1-хлорбутан. Две метильные группы у C2 эквивалентны и дают одно вещество.

Задание 11

Определите молекулярную формулу 2,2,4-триметил-3-этилпентана и вычислите его молярную массу.

Разбор

2,2,4-триметил-3-этилпентан

Цепь — 5 атомов, три метильные группы — 3, этильная — 2: всего 10 атомов углерода. Алкан C₁₀H₂₂, M = 10 · 12 + 22 · 1 = 142 г/моль.

Задание 12

При сгорании 0,1 моль алкана образовалось 13,44 л углекислого газа (н. у.). При хлорировании на свету этот алкан даёт только два монохлорпроизводных. Установите его строение и назовите.

Разбор

2,3-диметилбутан

2,3-диметил-1-хлорбутан

2,3-диметил-2-хлорбутан

n(CO₂) = 13,44 / 22,4 = 0,6 моль, то есть в молекуле 6 атомов углерода: C₆H₁₄. Из пяти изомеров только 2,3-диметилбутан (CH₃)₂CH–CH(CH₃)₂ имеет два типа атомов водорода (12 у метильных групп и 2 у третичных атомов): он даёт 1-хлор-2,3-диметилбутан и 2-хлор-2,3-диметилбутан. Ответ: 2,3-диметилбутан.

Задание 13

Какой алкан с наименьшим числом атомов углерода содержит четвертичный атом углерода? Назовите его систематически и тривиально.

Разбор

2,2-диметилпропан, t кип. 9,5 °C

2-метилбутан, 28 °C

пентан, 36 °C

Четвертичный атом связан с четырьмя атомами углерода, значит, в молекуле не меньше пяти атомов: C(CH₃)₄ — 2,2-диметилпропан, неопентан. Его молекулы почти сферические, поэтому он кипит при 9,5 °C — ниже, чем пентан (36 °C) и 2-метилбутан (28 °C).

Задание 14

Одно вещество назвали двумя способами: 4-изопропил-2-метилоктан и 2-метил-4-(пропан-2-ил)октан. Правильны ли оба названия? Почему порядок приставок разный?

Разбор

4-изопропил-2-метилоктан

Оба правильны: изопропил и пропан-2-ил — названия одной группы, первое тривиальное (допустимо в общей номенклатуре), второе предпочтительное по правилам 2013 года. Порядок приставок определяется первой буквой названия группы: «изопропил» — на «и», раньше метила; «пропан-2-ил» — на «п», позже метила.

Задание 15 (олимпиадное)

Назовите по системе фон Байера: а) углеводород из двух циклобутановых колец с общей связью C–C; б) углеводород из двух циклопентановых колец с одним общим атомом; в) бициклический углеводород C₈H₁₄, у которого три мостика между узловыми атомами содержат по два атома углерода.

Разбор

а) бицикло[2.2.0]гексан

б) спиро[4.4]нонан

в) бицикло[2.2.2]октан

а) Узловые атомы — два атома общей связи; мостики: два по два атома и один нулевой (сама связь). Всего 6 атомов: бицикло[2.2.0]гексан. б) Спиросоединение с двумя кольцами по четыре атома без спироатома: спиро[4.4]нонан (9 атомов). в) Мостики 2, 2, 2 плюс два узловых атома — 8 атомов: бицикло[2.2.2]октан.

Задание 16 (олимпиадное)

Сколько всего стереоизомеров (с учётом энантиомеров) у алканов C₇H₁₆? Какие из 18 структурных изомеров C₈H₁₈ хиральны и сколько стереоизомеров у октанов всего? Почему 4-метилгептан и 2-метил-3-этилпентан ахиральны, хотя у них есть третичный атом углерода?

Разбор

3-метилгептан

2,3-диметилгексан

2,4-диметилгексан

2,2,3-триметилпентан

3,4-диметилгексан

У C₇H₁₆ хиральны 3-метилгексан и 2,3-диметилпентан, по одному стереоцентру у каждого: 9 + 2 = 11 стереоизомеров. Среди изомеров C₈H₁₈ хиральны пять: 3-метилгептан, 2,3-диметилгексан, 2,4-диметилгексан, 2,2,3-триметилпентан (по одному стереоцентру) и 3,4-диметилгексан (два одинаково замещённых стереоцентра: пара энантиомеров и мезоформа, всего три стереоизомера). Итого 18 + 4 · 1 + 2 = 24 стереоизомера. Третичный атом сам по себе не делает молекулу хиральной: нужны четыре разные группы. У C4 4-метилгептана две одинаковые пропильные группы, у C3 2-метил-3-этилпентана — две этильные (одна из них — часть главной цепи).

Литература

1. Dumas J., Péligot E. Mémoire sur l’esprit de bois et sur les divers composés éthérés qui en proviennent // Annales de chimie et de physique. 1835. T. 58. P. 5–74.
2. Hofmann A. W. On the action of trichloride of phosphorus on the salts of the aromatic monamines // Proceedings of the Royal Society of London. 1866. Vol. 15. P. 54–62.
3. Evieux E. A. The Geneva Congress on organic chemical nomenclature, 1892 // Journal of Chemical Education. 1954. Vol. 31. P. 326–331.
4. Rigaudy J., Klesney S. P. (eds.) Nomenclature of Organic Chemistry: Sections A, B, C, D, E, F and H. 1979 Edition. Oxford: Pergamon Press, 1979.
5. Panico R., Powell W. H., Richer J.-C. A Guide to IUPAC Nomenclature of Organic Compounds: Recommendations 1993. Oxford: Blackwell Science, 1993.
6. Favre H. A., Powell W. H. Nomenclature of Organic Chemistry: IUPAC Recommendations and Preferred Names 2013. Cambridge: Royal Society of Chemistry, 2014.
7. Klein D. R. Organic Chemistry. 4th ed. Hoboken: Wiley, 2021.
8. Реутов О. А., Курц А. Л., Бутин К. П. Органическая химия: в 4 ч. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2004. Ч. 1.
9. ФИПИ. Кодификатор проверяемых требований к результатам освоения основной образовательной программы и элементов содержания для проведения ЕГЭ по химии, 2027 г. М.: ФИПИ, 2026.
10. Lowe D. M., Corbett P. T., Murray-Rust P., Glen R. C. Chemical name to structure: OPSIN, an open source solution // Journal of Chemical Information and Modeling. 2011. Vol. 51. P. 739–753.
11. Cayley A. On the analytical forms called trees, with application to the theory of chemical combinations // Report of the British Association for the Advancement of Science. 1875. P. 257–305.
12. Henze H. R., Blair C. M. The number of isomeric hydrocarbons of the methane series // Journal of the American Chemical Society. 1931. Vol. 53. P. 3077–3085.
13. Pólya G. Kombinatorische Anzahlbestimmungen für Gruppen, Graphen und chemische Verbindungen // Acta Mathematica. 1937. Bd. 68. S. 145–254.
14. Edgar G. Measurement of knock characteristics of gasoline in terms of a standard fuel // Industrial and Engineering Chemistry. 1927. Vol. 19. P. 145–146.
15. Clayden J., Greeves N., Warren S. Organic Chemistry. 2nd ed. Oxford: Oxford University Press, 2012.
16. Moss G. P. Extension and revision of the von Baeyer system for naming polycyclic compounds (IUPAC Recommendations 1999) // Pure and Applied Chemistry. 1999. Vol. 71. P. 513–529.
17. Eaton P. E., Cole T. W. Cubane // Journal of the American Chemical Society. 1964. Vol. 86. P. 3157–3158.
18. Schleyer P. von R. A simple preparation of adamantane // Journal of the American Chemical Society. 1957. Vol. 79. P. 3292.