Откройте любую статью по органической химии, инструкцию к лекарству или задание олимпиады — и вы увидите ломаные линии, шестиугольники и редкие буквы O, N, Cl. Это скелетные формулы: способ записать строение молекулы, при котором не рисуют ни атомы углерода, ни связанные с ними атомы водорода. Для новичка такая запись выглядит как шифр, но на деле это самый быстрый и удобный язык органической химии. Формулу ибупрофена в развёрнутом виде пришлось бы рисовать из 33 символов атомов и почти четырёх десятков чёрточек, а в скелетной записи она умещается в небольшой зигзаг с шестиугольником, и с одного взгляда видно, что это карбоновая кислота с бензольным кольцом.
Ниже — какие бывают формулы органических веществ и зачем химику каждая из них, по каким правилам рисуют скелетную формулу, как в уме «достроить» атомы водорода и найти молекулярную формулу, как переводить сокращённые формулы в скелетные и обратно, как изображать функциональные группы, заряды, циклы, пространственное строение и изомеры, как читать формулы лекарств и природных веществ и каких ошибок избегать. Каждое правило разобрано на примерах; гетероатомы на всех рисунках окрашены по общепринятой схеме цветов элементов. В конце — разделы для ЕГЭ и олимпиад и 16 заданий с разбором. О формулах, где показаны все электроны, — в статье «Формулы Льюиса: правила построения».
- Какие бывают формулы
- Как появились структурные формулы
- Правила скелетной формулы
- Сколько атомов водорода у каждой вершины
- Как найти молекулярную формулу
- Сокращённые структурные формулы
- Из сокращённой формулы — в скелетную
- Из скелетной формулы — в сокращённую
- Скелетная формула и название
- Функциональные группы
- Заряды и неподелённые пары
- Циклы, ароматические кольца, гетероциклы
- Сопряжённые и кумулированные связи
- Резонансные структуры
- Сокращённые обозначения групп
- Как рисовать аккуратно
- Пространственное строение
- Проекции: Ньюмен, кресло, Фишер, Хеуорс
- Одна молекула — разные рисунки
- Изомеры в скелетных формулах
- Читаем формулы лекарств и природных веществ
- Скелетные формулы в уравнениях реакций
- Полимеры
- Биомолекулы
- Практикум: читаем формулу шаг за шагом
- Скелетные формулы и компьютер
- Типичные ошибки
- Частые вопросы
- Что нужно знать к ЕГЭ
- Для олимпиад
- Задания с разбором
- Литература
1. Какие бывают формулы
Одно и то же вещество можно записать несколькими способами, и каждый способ показывает разное количество информации. Молекулярная формула сообщает только состав: C₄H₁₀O означает, что в молекуле четыре атома углерода, десять атомов водорода и один атом кислорода. Но этой формуле отвечают семь разных веществ — четыре спирта и три простых эфира, — и молекулярная формула не позволяет их различить. Поэтому в органической химии почти всегда нужны структурные формулы, показывающие, в каком порядке атомы соединены между собой.
развёрнутая структурная (формула Льюиса)
скелетная
(R)-бутан-2-ол: штриховой клин — связь от насРазвёрнутая структурная формула показывает все атомы и все связи; если к ней добавить неподелённые пары электронов, получается формула Льюиса. Она предельно наглядна, но громоздка: уже для бутан-2-ола приходится рисовать пятнадцать символов. Сокращённая структурная формула записывает молекулу в строку группами: CH₃CH(OH)CH₂CH₃. Она компактна и удобна для небольших молекул, но плохо передаёт циклы и разветвлённые скелеты. Скелетная формула изображает углеродный скелет ломаной линией и опускает атомы углерода и связанные с ними атомы водорода. Наконец, пространственные изображения — клинья и штрихи, проекции Ньюмена и Фишера, кресло циклогексана — показывают, как атомы расположены в пространстве.
Химики свободно переходят от одной записи к другой, выбирая удобную для задачи. Уравнение реакции горения удобно писать молекулярными формулами, механизм реакции — формулами Льюиса с неподелёнными парами, строение лекарства — скелетной формулой, а стереохимию сахаров — проекциями. Умение «переводить» между записями — один из базовых навыков органика, и ниже мы научимся делать это уверенно [1].
2. Как появились структурные формулы
В первой половине XIX века химики знали состав многих органических веществ, но не понимали, почему вещества одного состава бывают разными. Решающий шаг сделали в 1858–1861 годах [2]. Шотландец Арчибальд Купер в 1858 году впервые соединил символы атомов чёрточками, обозначавшими связи [3], а Август Кекуле в том же году сформулировал идею четырёхвалентного углерода, способного соединяться в цепи. В 1861 году русский химик Александр Михайлович Бутлеров выступил на съезде естествоиспытателей в Шпейере с докладом «О химическом строении веществ»: свойства вещества определяются не только составом, но и порядком соединения атомов — химическим строением, и это строение можно установить по химическим превращениям [4]. Это была теория, ради которой и нужны структурные формулы.
- 1858А. Купер впервые соединяет символы атомов чёрточками-связями
- 1861А. М. Бутлеров: свойства вещества определяются порядком связей атомов — теория химического строения
- 1864А. Крам Браун рисует формулы с кружками-атомами и линиями — почти как сегодня
- 1865А. Кекуле предлагает кольцевую формулу бензола
- 1874Я. Вант-Гофф и Ж. Ле Бель: связи углерода направлены к вершинам тетраэдра
- 1891Э. Фишер вводит проекции для изображения сахаров
- 1985Программа ChemDraw: формулы рисуют на компьютере
- 1988Д. Вайнингер описывает язык SMILES — формула строкой символов
- 2008ИЮПАК публикует рекомендации по изображению структурных формул
- структурные формулы
- пространство
- компьютер и стандарты
Внешний вид современных формул сложился быстро. В 1864 году эдинбургский химик Александр Крам Браун начал рисовать молекулы кружками с символами атомов, соединёнными линиями, — почти так же, как сегодня [5]. В 1865 году Кекуле предложил кольцевую формулу бензола, и шестиугольник стал символом органической химии. В 1874 году Якоб Вант-Гофф и Жозеф Ле Бель показали, что четыре связи углерода направлены к вершинам тетраэдра, и формулы пришлось научить изображать пространство. Зигзаг вместо прямой цепи и отказ от символов углерода распространились в XX веке, а окончательно стали стандартом с появлением компьютерных программ для рисования формул, прежде всего ChemDraw (1985). В 2008 году Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) опубликовал подробные рекомендации, как изображать структурные формулы, — на них мы будем опираться [6].
3. Правила скелетной формулы
Скелетная формула строится по нескольким простым правилам. Их стоит запомнить точно, потому что все остальные навыки опираются на них.
Правило 1. Атом углерода находится в каждой вершине (изломе) линии и на каждом её свободном конце. Символ C не пишут. Если линия из четырёх отрезков образует зигзаг, в ней пять атомов углерода: два на концах и три в изломах. Атом углерода также находится в каждой вершине многоугольника.
Правило 2. Атомы водорода, связанные с углеродом, не рисуют. Углерод всегда образует четыре связи. Сколько связей нарисовано у вершины, столько «занято»; остальные связи — с атомами водорода. Вершина с одной нарисованной связью — это CH₃, с двумя — CH₂, с тремя — CH, с четырьмя — атом углерода без водорода.
Правило 3. Все атомы, кроме углерода и связанного с ним водорода, пишут символами. Кислород, азот, сера, галогены, фосфор пишут всегда, вместе с атомами водорода, присоединёнными к ним: OH, NH₂, NH, SH. Атом водорода при гетероатоме опускать нельзя: O без H означает совсем другую частицу.
Правило 4. Кратные связи рисуют двумя или тремя параллельными линиями. Двойная связь «занимает» две валентности атома углерода, тройная — три. Атомы при тройной связи и их ближайшие соседи лежат на одной прямой: угол 180°.
Правило 5. Формальный заряд пишут всегда, неподелённые пары — по необходимости. Заряд меняет число связей атома, а значит, и число невидимых атомов водорода, поэтому без него формула неоднозначна. Неподелённые пары рисуют, когда они важны, например в механизмах реакций.
алкан: зигзаг
алкен
алкин: линейный фрагмент
арен
циклоалканПочему цепь рисуют зигзагом? Атом углерода с четырьмя одинарными связями имеет тетраэдрическую форму с углами около 109°, и реальная углеродная цепь в самой выгодной конформации действительно имеет форму зигзага. На плоском рисунке зигзаг с углами около 120° лучше всего передаёт эту форму и позволяет однозначно различать вершины. Прямая линия из нескольких отрезков, наоборот, делала бы атомы неразличимыми. Исключение — тройная связь: атомы sp-гибридизованного углерода действительно лежат на прямой, и на рисунке фрагмент C–C≡C–C изображают прямым отрезком.
4. Сколько атомов водорода у каждой вершины
Самый важный навык при чтении скелетной формулы — мысленно достраивать атомы водорода. Правило простое: число атомов водорода у атома углерода равно четырём минус число нарисованных у него связей. При этом двойная связь считается за две, тройная — за три. Считают именно связи, а не соседей: у атома углерода, связанного двойной связью с кислородом и одинарной — с другим атомом углерода, соседей два, а связей три, поэтому водород у него один.
развёрнутая формула
3-метилпентан, C₆H₁₄
развёрнутая формула
пент-1-ен, C₅H₁₀
развёрнутая формула
2,2-диметилпропан-1-ол, C₅H₁₂OРазберём 3-метилпентан. Концевые вершины зигзага имеют по одной связи — это группы CH₃. Вершины в изломах цепи имеют по две связи — CH₂. Вершина, от которой отходит метильная группа, имеет три связи — CH. Метильная группа — опять CH₃. Сложив, получаем: три группы CH₃ (9 атомов H), две группы CH₂ (4 атома H) и одна группа CH (1 атом H) — всего 14 атомов водорода и 6 атомов углерода, C₆H₁₄. У пент-1-ена концевой атом при двойной связи — =CH₂ (две связи с углеродом, считая двойную, плюс два водорода), следующий — =CH– (три связи плюс один водород). У 2,2-диметилпропан-1-ола центральный атом связан с четырьмя атомами углерода и водородов не имеет.
Этот подсчёт нужно довести до автоматизма. Полезный приём: обходите формулу по порядку и ставьте над каждой вершиной мысленную подпись CH₃, CH₂, CH или C. Особое внимание — вершинам рядом с гетероатомами и кратными связями: именно там чаще всего ошибаются. Например, у альдегидной группы вершина, к которой двумя линиями присоединён кислород и одной линией — углеродная цепь, имеет три связи и один атом водорода: это группа CHO, хотя никакого H на рисунке нет.
5. Как найти молекулярную формулу
Чтобы по скелетной формуле найти молекулярную, удобно действовать в три шага. Сначала посчитать атомы углерода: все вершины и все концы линий, включая вершины циклов и концы, к которым присоединены гетероатомы. Затем посчитать атомы водорода: при каждом атоме углерода по правилу «четыре минус число связей» плюс все атомы водорода, явно написанные у гетероатомов. Наконец, переписать все гетероатомы. Например, у ибупрофена 13 атомов углерода (шесть в кольце, четыре в изобутильной группе, три во фрагменте с карбоксильной группой), 18 атомов водорода (17 у углерода и один в группе OH) и два атома кислорода: C₁₃H₁₈O₂.
Проверить себя помогает степень ненасыщенности — суммарное число циклов и π-связей в молекуле. Для вещества CaHb (кислород и сера на неё не влияют) она равна (2a + 2 − b) / 2; атом азота добавляет к числителю единицу, атом галогена вычитает единицу. Для ибупрофена (2·13 + 2 − 18) / 2 = 5: бензольное кольцо даёт четыре (цикл и три двойные связи), группа C=O — ещё одну. Совпало — значит, водороды посчитаны верно. Если степень ненасыщенности получилась дробной или не совпадает с числом колец и кратных связей на рисунке, где-то ошибка.
Можно считать и иначе: насыщенный ациклический углеводород с n атомами углерода имеет 2n + 2 атомов водорода, а каждый цикл и каждая π-связь отнимают по два атома водорода. Для ментола C₁₀: 2·10 + 2 = 22, один цикл отнимает два, и кислород группы OH не меняет числа атомов водорода — получается C₁₀H₂₀O. Этот приём особенно удобен для больших молекул, где подсчёт по вершинам утомителен.
6. Сокращённые структурные формулы
Сокращённая (полуструктурная) формула записывает молекулу строкой, где каждая группа атомов — атом углерода с его водородами или функциональная группа — пишется по порядку цепи: CH₃CH₂CH₂OH, CH₃COOH, CH₃CH=CHCH₃. Связи между группами главной цепи часто не рисуют, но двойные и тройные связи обычно показывают знаками «=» и «≡». Это самая распространённая форма записи в школьных учебниках и на ЕГЭ [7].
Скобки обозначают ответвление. Группа в скобках присоединена к атому, который стоит непосредственно перед скобкой. В записи CH₃CH(CH₃)CH₂CH₃ метильная группа в скобках присоединена ко второму атому углерода — это 2-метилбутан. Цифра после скобки показывает, сколько таких групп: (CH₃)₂CH– — изопропильная группа, две метильные группы при одном атоме углерода; (CH₃)₃C– — трет-бутильная группа. Иногда скобками обозначают и повторяющиеся звенья цепи: CH₃(CH₂)₄CH₃ — гексан, в котором между концевыми метильными группами четыре группы CH₂.
Функциональные группы в сокращённых формулах записывают устойчивыми сочетаниями, которые нужно узнавать с первого взгляда.
| Запись | Что означает | Пример |
|---|---|---|
| –OH | гидроксильная группа спирта или фенола | CH₃CH₂OH — этанол |
| –O– | атом кислорода простого эфира | CH₃OCH₃ — диметиловый эфир |
| –CHO | альдегидная группа: C=O и H у того же углерода | CH₃CHO — уксусный альдегид |
| –CO– | карбонильная группа кетона | CH₃COCH₃ — ацетон |
| –COOH | карбоксильная группа: C(=O)OH | CH₃COOH — уксусная кислота |
| –COO– | сложноэфирная группа: C(=O)O | CH₃COOCH₂CH₃ — этилацетат |
| –NH₂ | аминогруппа | CH₃NH₂ — метиламин |
| –CONH₂ | амидная группа: C(=O)NH₂ | CH₃CONH₂ — ацетамид |
| –CN | нитрильная группа: C≡N | CH₃CN — ацетонитрил |
| –NO₂ | нитрогруппа | CH₃NO₂ — нитрометан |
| –C₆H₅ | фенильная группа (бензольное кольцо) | C₆H₅CH₃ — толуол |
Будьте внимательны к порядку символов. CH₃COCH₃ — ацетон (кетон, атом кислорода связан двойной связью с центральным углеродом), а CH₃OCH₃ — диметиловый эфир (кислород между двумя метильными группами). HCOOCH₃ — метиловый эфир муравьиной кислоты, а CH₃OCHO — тот же самый метилформиат, записанный в обратном порядке. Одна и та же молекула может иметь несколько правильных сокращённых записей, а внешне похожие записи — означать разные вещества.
7. Из сокращённой формулы — в скелетную
Перевод сокращённой формулы в скелетную — самое частое упражнение. Его удобно выполнять по алгоритму из пяти шагов.
Пример 1: (CH₃)₂CHCH₂OH. Шаг 1: атомы, кроме водорода, — C, C (из (CH₃)₂), C (из CH), C (из CH₂), O. Шаг 2: группа (CH₃)₂ означает две метильные группы, присоединённые к следующему атому — к CH; тот связан с CH₂, а CH₂ — с OH. Шаг 3: у CH три связи (с двумя метилами и с CH₂) плюс водород — четыре, всё верно. Шаг 4: рисуем главную цепь C–C–C–O зигзагом, от второй вершины — ответвление. Шаг 5: убираем символы C и H при углероде, оставляем OH. Получили 2-метилпропан-1-ол, C₄H₁₀O.
развёрнутая формула
2-метилпропан-1-олПример 2: CH₃CH₂COOCH₃. Здесь главное — правильно прочитать группу COO. Атом углерода этой группы связан двойной связью с первым кислородом и одинарной — со вторым, а второй кислород связан с метильной группой. Цепь: CH₃–CH₂–C(=O)–O–CH₃. В скелетной формуле атом углерода группы COO — вершина, к которой двумя линиями присоединён O, а одной линией — второй O, от которого отходит концевой отрезок (метил). Это метилпропаноат, C₄H₈O₂. Частая ошибка — нарисовать цепь C–C–C–O–O–C с двумя атомами кислорода подряд: так получился бы пероксид, совсем другое вещество.
развёрнутая формула: группа COO — сложноэфирная
метилпропаноатПример 3: CH₃CH=CHCH₂CH(CH₃)₂. Главная цепь — шесть атомов углерода, двойная связь между вторым и третьим, на пятом атоме — две метильные группы, из которых одна продолжает цепь, а другая становится ответвлением. Рисуем зигзаг из шести вершин, второй отрезок делаем двойным, от пятой вершины — короткое ответвление. Это 5-метилгекс-2-ен, C₇H₁₄.
5-метилгекс-2-енПример 4: CH₃CH(NH₂)COOH. Группа (NH₂) присоединена ко второму атому углерода, COOH — карбоксильная группа на конце цепи. В скелетной формуле от второй вершины отходит связь к NH₂, а последняя вершина несёт двойную связь с O и одинарную с OH. Это аминокислота аланин, C₃H₇NO₂.
аланинПример 5: (CH₃)₃CCH₂CHO. Три метильные группы при одном атоме углерода — трет-бутильная группа; дальше CH₂ и альдегидная группа CHO. В скелетной формуле центральная вершина трет-бутильной группы имеет четыре связи (три метила и CH₂), а последняя вершина — альдегидный углерод с двойной связью к кислороду. Атом водорода альдегидной группы не рисуют: он связан с углеродом. Это 3,3-диметилбутаналь, C₆H₁₂O.
3,3-диметилбутаналь8. Из скелетной формулы — в сокращённую
Обратный перевод выполняется так. Найдите главную цепь — обычно самую длинную, включающую функциональную группу. Пройдите по ней от одного конца к другому, записывая для каждой вершины группу CH₃, CH₂, CH или C с правильным числом атомов водорода. Ответвления записывайте в скобках сразу после атома, к которому они присоединены. Функциональные группы записывайте принятыми сочетаниями: COOH, CHO, COO, CN.
Например, скелетная формула ибупрофена в сокращённом виде: (CH₃)₂CHCH₂C₆H₄CH(CH₃)COOH. Здесь C₆H₄ — бензольное кольцо с двумя заместителями (у кольца остаются четыре атома водорода). Для ментола, у которого есть цикл, сокращённая формула получается громоздкой и плохо читается, — именно поэтому циклические молекулы почти всегда изображают скелетными формулами. Хорошая проверка: сосчитайте атомы в полученной сокращённой формуле и сравните с молекулярной формулой, найденной по скелету.
9. Скелетная формула и название
Систематическое название по правилам ИЮПАК и скелетная формула — две записи одного и того же: название описывает словами то, что формула показывает рисунком. Поэтому переводить одно в другое удобнее всего именно через скелетную формулу. Чтобы назвать вещество, на рисунке находят главную цепь: она должна содержать старшую функциональную группу, а среди возможных вариантов — наибольшее число атомов углерода (а при равенстве — больше заместителей). Затем цепь нумеруют с того конца, к которому ближе старшая группа; если её нет — с того, где раньше встречается кратная связь или ответвление.
4-этил-2-метилгексан
2,3-диметилпентан-2-олВозьмём углеводород слева. Самая длинная цепь содержит шесть атомов углерода — она проходит через этильную группу, хотя на рисунке выглядит как «ответвление». При нумерации слева первое ответвление (метил) получает номер 2, а этильная группа — номер 4; при нумерации с другого конца ответвления получили бы номера 3 и 5, что хуже. Название: 4-этил-2-метилгексан (заместители перечисляют в алфавитном порядке их названий). У спирта справа старшая группа — OH, поэтому нумерация идёт так, чтобы атом с OH получил наименьший номер, 2; при нём же метильная группа, ещё одна метильная группа — при атоме 3: 2,3-диметилпентан-2-ол.
Обратный путь — от названия к формуле — ещё проще. По корню названия рисуют главную цепь или цикл нужной длины зигзагом и нумеруют вершины. По суффиксу (-ол, -аль, -он, -овая кислота) ставят старшую функциональную группу на атом с указанным номером, по приставкам — заместители, по инфиксам -ен- и -ин- — кратные связи. В конце проверяют: правильно ли выбрана главная цепь на получившемся рисунке и совпадает ли его название с исходным.
3-этил-2,4-диметилпентан-2-ол
(E)-4-метилпент-2-еновая кислота
1-бром-3-метилциклогексан
4-хлорбензальдегидНапример, 3-этил-2,4-диметилпентан-2-ол: цепь из пяти атомов, OH и метил при втором атоме, этил при третьем, метил при четвёртом. (E)-4-метилпент-2-еновая кислота: цепь из пяти атомов с карбоксильной группой (атом 1), двойной связью между атомами 2 и 3 в транс-конфигурации и метилом при атоме 4. 1-бром-3-метилциклогексан: шестиугольник, атом брома и метильная группа через одну вершину. 4-хлорбензальдегид: бензольное кольцо с альдегидной группой и атомом хлора в противоположных (пара-) положениях.
10. Функциональные группы
Главное преимущество скелетной формулы — функциональные группы в ней сразу бросаются в глаза: всё, что нарисовано символами, и есть «химия» молекулы, а голые линии — углеводородный скелет. Чтобы читать формулы быстро, нужно узнавать изображения основных групп так же уверенно, как буквы.
спирт
простой эфир
альдегид
кетон
карбоновая кислота
сложный эфир
амин
амид
нитрил
нитросоединение
галогенпроизводное
фенол
тиолОбратите внимание на тонкости. Спирт и фенол оба содержат группу OH, но в спирте она присоединена к атому углерода с одинарными связями, а в феноле — к бензольному кольцу. Простой эфир — атом O в цепи между двумя вершинами. Альдегид и кетон различаются положением карбонильной группы: у альдегида атом углерода C=O находится на конце цепи и несёт невидимый атом водорода, у кетона — внутри цепи и связан с двумя атомами углерода. Кислота, сложный эфир и амид — производные одной и той же группы C=O: у кислоты к ней присоединён OH, у сложного эфира — O с углеродной группой, у амида — атом азота. В нитриле атом углерода связан с азотом тройной связью, и фрагмент C–C≡N рисуют прямой линией.
| Класс | Группа | Что видно на скелетной формуле |
|---|---|---|
| Алкены / алкины | C=C / C≡C | двойная или тройная линия; около тройной — прямая |
| Арены | бензольное кольцо | шестиугольник с тремя двойными связями |
| Галогенпроизводные | C–Hal | символ F, Cl, Br или I на конце линии |
| Спирты, фенолы | –OH | OH на конце линии (у фенола — при кольце) |
| Простые эфиры | C–O–C | O в изломе цепи |
| Альдегиды | –CHO | =O на концевой вершине |
| Кетоны | C–CO–C | =O на вершине внутри цепи или цикла |
| Карбоновые кислоты | –COOH | вершина с =O и OH |
| Сложные эфиры | –COO– | вершина с =O и O, от которого идёт цепь |
| Амины | –NH₂, –NH–, –N< | N с нужным числом атомов H |
| Амиды | –CO–N< | вершина с =O и N |
| Нитрилы | –C≡N | прямой фрагмент с тройной связью к N |
| Нитросоединения | –NO₂ | N⁺ с =O и O⁻ |
Гетероатомы на рисунках этой статьи окрашены по общепринятой схеме, используемой в химических программах и моделях: кислород — красный, азот — синий, сера — жёлтый, фтор и хлор — зелёные, бром — тёмно-красный, иод — фиолетовый, фосфор — оранжевый. Атомы углерода и водорода остаются чёрными. Цвет не несёт новой информации, но помогает быстро найти функциональные группы в большой молекуле.
11. Заряды и неподелённые пары
Формальный заряд в скелетной формуле обязателен, потому что от него зависит число невидимых атомов водорода. Нейтральный атом углерода образует четыре связи. Атом углерода с зарядом — карбокатион C⁺ или карбанион C⁻ — образует только три связи (у карбаниона есть ещё неподелённая пара). Поэтому вершина со знаком «+» и тремя нарисованными связями не имеет ни одного атома водорода, а вершина «+» с двумя связями — один атом водорода. Нейтральный атом азота образует три связи и имеет неподелённую пару, а атом азота с положительным зарядом — четыре связи (как в катионе аммония); атом кислорода с отрицательным зарядом — одну связь (алкоголят-ион), с положительным — три связи (оксониевый катион).
карбокатион: у C⁺ три связи, H нет
карбанион: у C⁻ три связи и пара
катион метиламмония
этилат-ион
ацетат-ион
нитрометанНеподелённые пары электронов в скелетных формулах обычно не рисуют: их число у каждого атома известно (у кислорода в спирте — две, у азота амина — одна). Их показывают, когда они участвуют в рассуждении — в механизмах реакций, при обсуждении основности, резонанса или ароматичности. Ионная связь в солях не изображается чертой: ацетат натрия записывают как CH₃COO⁻ Na⁺, а в скелетной формуле рядом с атомом кислорода ставят знак «−», а натрий пишут отдельно со знаком «+». Нитрогруппа в строгой записи — N⁺ с одной двойной связью к кислороду и одной одинарной к O⁻; изображение с двумя двойными связями N(=O)₂ неверно, потому что азот не может образовать пять связей.
12. Циклы, ароматические кольца, гетероциклы
Циклы изображают правильными многоугольниками: треугольник — циклопропан, квадрат — циклобутан, пятиугольник — циклопентан, шестиугольник — циклогексан. В каждой вершине — атом углерода; у циклоалкана без заместителей при каждом атоме по два атома водорода. Заместители рисуют снаружи цикла, по биссектрисе угла: так видно, к какой вершине они присоединены.
циклопропан
циклобутан
циклопентан
циклогексан
бензол
нафталинБензольное кольцо изображают шестиугольником с тремя чередующимися двойными связями (формула Кекуле). Иногда рисуют шестиугольник с кружком внутри, подчёркивая, что шесть π-электронов распределены по кольцу равномерно; но в механизмах реакций формула Кекуле удобнее, потому что позволяет «считать» электроны. Важно понимать, что две формулы Кекуле с разным положением двойных связей — не два вещества, а два резонансных изображения одной молекулы. У каждого атома углерода бензола один атом водорода (связи: две в кольце, одна из них двойная, — итого три, плюс водород).
Конденсированные циклы имеют общие стороны: у нафталина два бензольных кольца с одним общим ребром. Атомы углерода на общем ребре связаны с тремя атомами углерода и водорода не имеют, поэтому в нафталине C₁₀H₈ всего восемь атомов водорода. В спиросоединениях два цикла имеют один общий атом, в мостиковых (как норборнан) — два общих атома, соединённых мостиком.
пиридин
пиррол
фуран
тиофен![спиро[3.4]октан](/assets/img/blog/skeletnye-formuly/st-ht-spiro.svg?v=27abf4fc)
спиро[3.4]октан
норборнанВ гетероциклах один или несколько атомов кольца — не углерод. Их пишут символами: пиридин — шестиугольник с атомом N, фуран и тиофен — пятиугольники с O и S. У пиррола атом азота кольца связан с водородом, и этот водород пишут (NH), а у пиридина атом азота кольца водорода не имеет: у него две связи в кольце, одна из них двойная, и неподелённая пара.
13. Сопряжённые и кумулированные связи
Две двойные связи, разделённые одной одинарной (C=C–C=C), называют сопряжёнными. В скелетной формуле они рисуются как обычный зигзаг с двумя двойными линиями через одну. Сопряжение влияет на свойства: бута-1,3-диен присоединяет бром не только к одной двойной связи, но и к концам всей системы, а сопряжённые кетоны и альдегиды, как бут-3-ен-2-он, вступают в реакции присоединения по двойной связи C=C. Узнавать сопряжённые системы на рисунке полезно: они почти всегда означают особую реакционную способность и окраску веществ — длинные цепи сопряжённых связей у каротиноидов делают морковь оранжевой.
бута-1,3-диен (сопряжённые связи)
пропадиен: прямой фрагмент
акрилонитрил
бут-3-ен-2-онДве двойные связи у одного атома углерода (C=C=C) называют кумулированными, а такие вещества — алленами. Центральный атом аллена образует две π-связи и находится в sp-гибридизации, поэтому три атома C=C=C лежат на одной прямой — так их и рисуют, как фрагмент с тройной связью. Нитрильная группа тоже линейна: в акрилонитриле фрагмент C–C≡N изображают прямым отрезком. Нарисовать аллен зигзагом — грубая ошибка, потому что такой рисунок говорит о геометрии молекулы неправду.
14. Резонансные структуры
Некоторые частицы нельзя правильно описать одной формулой. В ацетат-ионе обе связи углерода с кислородом одинаковы — средние между одинарной и двойной, — а отрицательный заряд поровну распределён между двумя атомами кислорода. Одна скелетная формула показывает одну связь двойной, а другую одинарной с зарядом, и это неточно. Поэтому рисуют две (или больше) резонансные структуры — формулы, в которых атомы стоят на тех же местах, а различается только положение кратных связей, неподелённых пар и зарядов. Их заключают в общие квадратные скобки и соединяют двусторонней стрелкой ↔.
↔
ацетат-ион
↔
бензол: две формулы КекулеВажно не путать резонанс с равновесием. Двусторонняя стрелка ↔ не означает, что частица «переключается» между двумя формами: реальная частица одна, а резонансные структуры — лишь способ описать её плоскими рисунками. Для равновесия используют две полустрелки ⇄. Самый известный пример резонанса — бензол: две формулы Кекуле различаются только расположением трёх двойных связей, а настоящий бензол имеет шесть одинаковых связей C–C длиной 0,139 нм, промежуточной между одинарной (0,154 нм) и двойной (0,134 нм). Подробнее о резонансе — в статье «Формулы Льюиса».
15. Сокращённые обозначения групп
В больших молекулах и в схемах реакций часто встречающиеся группы обозначают буквенными сокращениями. Их нужно знать: на олимпиадах они встречаются постоянно, и одна неузнанная буква может сделать задачу непонятной.
| Обозначение | Группа | Формула |
|---|---|---|
| Me | метил | –CH₃ |
| Et | этил | –CH₂CH₃ |
| Pr, n-Pr | пропил | –CH₂CH₂CH₃ |
| i-Pr | изопропил | –CH(CH₃)₂ |
| Bu, n-Bu | бутил | –CH₂CH₂CH₂CH₃ |
| t-Bu | трет-бутил | –C(CH₃)₃ |
| Ph | фенил | –C₆H₅ |
| Bn | бензил | –CH₂C₆H₅ |
| Ac | ацетил | –COCH₃ |
| R, R′ | любой углеводородный остаток | — |
| Ar | любой арил (ароматический остаток) | — |
| X, Hal | атом галогена | F, Cl, Br, I |
Будьте внимательны: Ph (фенил) и Bn (бензил) различаются группой CH₂; AcOH — уксусная кислота, а не «ацетил-гидроксид»; EtOH — этанол, MeOH — метанол, t-BuOH — 2-метилпропан-2-ол. Буква R в скелетной формуле означает «какая угодно углеводородная группа» и используется, когда важна только функциональная группа: R–COOH — любая карбоновая кислота.
16. Как рисовать аккуратно
Рекомендации ИЮПАК 2008 года и практика химических журналов сводятся к нескольким правилам хорошего тона [6]. Связи рисуют одинаковой длины, углы между связями у атома с тремя соседями — 120°, с четырьмя — в виде «креста» или с двумя связями под 120°. Длинные цепи рисуют горизонтальным зигзагом, а не вертикальными или изогнутыми линиями. Около тройной связи угол 180°. Связи не должны пересекаться, а символы — налезать на линии. Атом водорода гетероатома пишут со стороны, свободной от связей: OH справа, если связь подходит слева, и HO, если связь подходит справа, — чтобы линия упиралась в символ кислорода, а не водорода.
Заместители циклов рисуют снаружи кольца по биссектрисе угла. Бензольное кольцо обычно ставят «на ребро» или «на вершину» — горизонтальной или вертикальной стороной вниз. Одинаковые фрагменты в разных формулах одной работы стоит рисовать одинаково: тогда сравнивать структуры, например исходное вещество и продукт реакции, гораздо легче. Метильную группу на конце цепи можно рисовать просто концевым отрезком, а можно подписать CH₃ или Me, — главное, чтобы запись не стала двусмысленной: нельзя одновременно написать CH₃ и нарисовать ещё одну связь от этой группы.
Отдельное внимание — подписям функциональных групп. Длинные группы удобнее не рисовать линиями, а подписывать: CO₂H, NO₂, SO₃H, CF3, OMe, NMe₂ — так делают в журналах, если группа не участвует в рассуждении. Но если группа реагирует (например, карбоксильная группа в реакции этерификации), её лучше развернуть, чтобы были видны все атомы и связи, которые меняются. И ещё одно правило аккуратности: один рисунок — один масштаб. Если связи в одной формуле разной длины, а кольца — разного размера, читатель невольно ищет в этом смысл, которого нет.
17. Пространственное строение
Обычная скелетная формула плоская, но молекулы трёхмерны. Чтобы показать пространство, используют клинья: сплошной клин — связь, направленная от плоскости рисунка к наблюдателю, штриховой клин — связь, уходящая за плоскость. Обычные линии лежат в плоскости. У тетраэдрического атома углерода две связи рисуют в плоскости, одну — клином, одну — штриховым клином; в скелетной формуле обычно показывают только одну «пространственную» связь, а четвёртую (к невидимому атому водорода) подразумевают.
(R)-бутан-2-ол
транс-бут-2-ен
цис-бут-2-ен
ментолКлинья нужны для изображения стереоизомеров. У бутан-2-ола второй атом углерода связан с четырьмя разными группами (CH₃, C₂H₅, OH и H) и является стереоцентром; два зеркальных изомера — R и S — различаются только направлением связи C–OH: к нам или от нас. Цис- и транс-изомеры алкенов скелетная формула передаёт сама, без клиньев: в транс-изомере заместители при двойной связи расположены по разные стороны, в цис-изомере — по одну. Если конфигурация неизвестна или вещество — смесь изомеров, связь рисуют волнистой линией. Для более сложных задач существуют специальные проекции: Ньюмена — для конформаций вокруг одной связи, кресло — для циклогексана, Фишера — для сахаров и аминокислот.
18. Проекции: Ньюмен, кресло, Фишер, Хеуорс
Для некоторых задач скелетной формулы с клиньями недостаточно, и химики пользуются специальными проекциями. Все они — способы нарисовать на плоскости трёхмерную молекулу, и все переводятся в скелетную формулу и обратно. Проекция Ньюмена показывает молекулу «вдоль» одной связи C–C: передний атом углерода — точка, в которой сходятся три его связи, задний — окружность, из-за которой выглядывают три его связи. Она нужна, чтобы сравнивать конформации — заслонённую, заторможенную, гош и анти — и объяснять, почему одни из них выгоднее других.
Кресло — изображение циклогексана в его реальной неплоской форме. Каждый атом углерода кресла несёт одну аксиальную связь (направленную вверх или вниз параллельно оси кольца) и одну экваториальную (направленную наружу, примерно в плоскости кольца). Крупные заместители выгоднее располагать экваториально, и по креслу это сразу видно. Плоский шестиугольник скелетной формулы с клиньями передаёт только «вверх» и «вниз» относительно кольца, а кресло — ещё и аксиальное или экваториальное положение.
Проекция Фишера используется для сахаров и аминокислот: углеродная цепь рисуется вертикально, горизонтальные линии означают связи, направленные к наблюдателю, вертикальные — от наблюдателя. По расположению группы OH у нижнего стереоцентра справа или слева сахара относят к D- или L-ряду. Проекция Хеуорса изображает циклические формы сахаров плоским кольцом, лежащим перпендикулярно рисунку, с заместителями над и под кольцом. Переводя проекции в скелетные формулы с клиньями, нужно следить, чтобы не изменилась конфигурация стереоцентров: это один из любимых приёмов олимпиадных задач.
19. Одна молекула — разные рисунки
Одну и ту же молекулу можно нарисовать по-разному: повернуть, отразить, начать зигзаг вверх или вниз, вытянуть главную цепь в другую сторону. Начинающие часто принимают разные рисунки за разные вещества. Чтобы проверить, одинаковы ли две формулы, сравнивают не внешний вид, а порядок соединения атомов: самую длинную цепь, положение ответвлений и функциональных групп при нумерации цепи.
вариант 1
вариант 2
вариант 3На рисунке три изображения 2-метилпентана. В первом метильная группа справа, во втором — слева, в третьем зигзаг начинается в другую сторону. Но во всех трёх самая длинная цепь содержит пять атомов углерода, а метильная группа присоединена ко второму атому от ближайшего конца. Это одно вещество. Надёжный способ проверки — дать обоим рисункам систематические названия: если названия совпали, молекула одна. Ещё одна ловушка — «изогнутая» главная цепь: в формуле, где ответвление нарисовано длинным, самая длинная цепь может проходить через ответвление, и вещество окажется не тем, каким кажется с первого взгляда.
20. Изомеры в скелетных формулах
Скелетные формулы — лучший инструмент для перебора изомеров. Чтобы найти все структурные изомеры алкана, перебирают длину самой длинной цепи: сначала неразветвлённая цепь, затем цепь на один атом короче с одной метильной группой во всех неэквивалентных положениях, затем на два короче с двумя метильными или одной этильной группой и так далее, каждый раз проверяя, не совпадает ли новый рисунок с уже найденным.
пентан
2-метилбутан
2,2-диметилпропанУ C₅H₁₂ три изомера: пентан (цепь из пяти), 2-метилбутан (цепь из четырёх) и 2,2-диметилпропан (цепь из трёх). У C₆H₁₄ — пять: гексан, 2-метилпентан, 3-метилпентан, 2,3-диметилбутан и 2,2-диметилбутан. Типичная ошибка — нарисовать «1-метилпентан» (на деле это гексан, просто цепь изогнута) или «2-этилбутан» (на деле 3-метилпентан: самая длинная цепь проходит через этильную группу).
гексан
2-метилпентан
3-метилпентан
2,3-диметилбутан
2,2-диметилбутанЕсли в формуле есть кратная связь или цикл, изомеров становится больше. Для C₄H₈ степень ненасыщенности равна единице: одна двойная связь или один цикл. Изомеры — бут-1-ен, бут-2-ен (в виде цис- и транс-изомеров), 2-метилпропен, циклобутан и метилциклопропан — всего шесть, если учитывать цис-транс-изомерию.
бут-1-ен
транс-бут-2-ен
цис-бут-2-ен
2-метилпропен
циклобутан
метилциклопропан21. Читаем формулы лекарств и природных веществ
Настоящая польза скелетных формул видна на сложных молекулах. Посмотрите на формулы известных лекарств и попробуйте, прежде чем читать подписи, найти функциональные группы и сосчитать атомы.
ацетилсалициловая кислота, C₉H₈O₄
ибупрофен, C₁₃H₁₈O₂
парацетамол, C₈H₉NO₂
кофеин, C₈H₁₀N₄O₂Ацетилсалициловая кислота (аспирин) — бензольное кольцо с двумя заместителями в соседних положениях: карбоксильной группой и сложноэфирной группой (ацетат фенола). Ибупрофен — бензольное кольцо в пара-положении замещено изобутильной группой и фрагментом пропановой кислоты. Парацетамол — кольцо с фенольной группой OH и амидной группой NHCOCH₃ в пара-положении. Кофеин — два сочленённых гетероцикла с четырьмя атомами азота, двумя карбонильными группами и тремя метильными группами при атомах азота.
ментол, C₁₀H₂₀O
лимонен, C₁₀H₁₆
ванилин, C₈H₈O₃
тестостерон, C₁₉H₂₈O₂Природные вещества часто содержат циклы и стереоцентры. Ментол — циклогексан с тремя заместителями (гидроксильной, изопропильной и метильной группами) и тремя стереоцентрами, конфигурацию которых показывают клинья. Лимонен, вещество кожуры цитрусовых, — циклогексен с метильной и изопропенильной группами, C₁₀H₁₆. Ванилин содержит сразу три функциональные группы при бензольном кольце: альдегидную, фенольную и метоксигруппу. У тестостерона четыре сочленённых цикла — стероидный скелет, кетогруппа, сопряжённая с двойной связью, и спиртовая группа. В развёрнутом виде формула тестостерона заняла бы целую страницу, а скелетная запись читается за минуту.
22. Скелетные формулы в уравнениях реакций
В научных статьях и на олимпиадах реакции органических веществ почти всегда записывают скелетными формулами. Над стрелкой пишут реагенты и условия (H₂O, H⁺; KMnO₄, t°; H₂, Pt), под стрелкой — растворитель или время, а иногда и номер стадии. Такая запись не всегда уравнена: побочные продукты (вода, соли) часто не пишут, если они очевидны. Главное достоинство скелетной записи — сразу видно, что изменилось: какие связи разорвались и какие образовались, какие функциональные группы появились.
пропен
пропан-2-ол
уксусная кислота
этилацетатСравните исходное вещество и продукт на рисунке. При гидратации пропена двойная связь исчезла, а ко второму атому углерода присоединилась группа OH — по правилу Марковникова, к более замещённому атому. При этерификации уксусной кислоты этанолом группа OH кислоты заменилась на этоксигруппу OC₂H₅, и образовался сложный эфир (вода в схеме не показана). Читая длинные цепочки превращений, полезно каждый раз отмечать, какой атом скелета «работает» в данной стадии, — это помогает не потерять атомы углерода и не ошибиться в строении продукта.
23. Полимеры
Макромолекулы полимеров содержат тысячи одинаковых звеньев, и рисовать их целиком невозможно. Поэтому изображают одно структурное звено в квадратных или круглых скобках, через которые проходят связи к соседним звеньям, и ставят индекс n — число звеньев. Полиэтилен записывают как –[CH₂–CH₂]ₙ–, поливинилхлорид — как –[CH₂–CHCl]ₙ–, полистирол — как –[CH₂–CH(C₆H₅)]ₙ–. В скелетной записи звено полиэтилена — отрезок из двух атомов углерода в скобках, звено полистирола — такой же отрезок с бензольным кольцом при одном из атомов.
По звену легко восстановить мономер: двойная связь мономера при полимеризации «раскрывается» и превращается в две связи с соседними звеньями. Поэтому из звена –CH₂–CHCl– получается мономер CH₂=CHCl (винилхлорид). У полимеров, получаемых поликонденсацией, звено содержит фрагменты двух мономеров и связывающую их группу: у полиэтилентерефталата, из которого делают пластиковые бутылки, — сложноэфирные группы между остатками терефталевой кислоты и этиленгликоля.
24. Биомолекулы
Скелетные формулы — язык не только химиков, но и биологов, и в учебниках биохимии они встречаются на каждой странице. Жирные кислоты рисуют длинным зигзагом с карбоксильной группой на конце. У олеиновой кислоты, главной кислоты оливкового масла, восемнадцать атомов углерода и одна двойная связь в цис-конфигурации; на рисунке она даёт излом цепи. Именно эти изломы мешают молекулам плотно упаковываться, поэтому растительные масла жидкие, а насыщенные жиры с прямыми цепями — твёрдые.
олеиновая кислота, C₁₈H₃₄O₂
глицин (биполярный ион)
аденин
холинАминокислоты в растворе и в кристалле существуют в виде биполярных ионов: протон карбоксильной группы переходит на аминогруппу, и молекула несёт заряды NH₃⁺ и COO⁻. На скелетной формуле глицина это видно по знакам зарядов. Азотистые основания нуклеиновых кислот — гетероциклы: аденин состоит из шестичленного и пятичленного колец с пятью атомами азота и аминогруппой. Холин, входящий в состав мембранных липидов и нейромедиатора ацетилхолина, содержит четвертичный атом азота с постоянным положительным зарядом. Умение читать такие формулы делает понятными схемы обмена веществ, которые иначе кажутся набором загадочных шестиугольников.
25. Практикум: читаем формулу шаг за шагом
Разберём на примере никотина, как «прочитать» незнакомую скелетную формулу полностью. Шаг 1 — циклы. На рисунке два кольца: шестичленное с атомом N и тремя двойными связями (это пиридин, ароматическое кольцо) и пятичленное насыщенное с атомом N (пирролидин). Они соединены одной связью C–C. Шаг 2 — атомы углерода. В пиридиновом кольце пять атомов углерода, в пирролидиновом — четыре, и ещё один — метильная группа при азоте (концевой отрезок). Всего десять. Шаг 3 — гетероатомы. Два атома азота, оба без водорода: у азота пиридина две связи в кольце (одна двойная), у азота пирролидина три связи (две в кольце и одна с метилом).
Шаг 4 — водороды. В пиридиновом кольце четыре атома углерода с одним водородом каждый и один (тот, к которому присоединено второе кольцо) без водорода: 4 атома H. В пирролидиновом кольце атом углерода, связанный с пиридином, имеет один водород (на рисунке он подразумевается у стереоцентра, клин показывает направление связи с кольцом), три других — по два: 1 + 6 = 7 атомов H. Метильная группа — 3. Всего 4 + 7 + 3 = 14. Шаг 5 — проверка. Степень ненасыщенности: (2·10 + 2 + 2 − 14) / 2 = 5; два цикла и три двойные связи — тоже 5. Молекулярная формула C₁₀H₁₄N₂ подтверждена. Шаг 6 — функциональные группы и свойства. Оба атома азота имеют неподелённые пары, поэтому никотин — основание; клин указывает на стереоцентр, и природный никотин — один из двух энантиомеров.
Такой разбор занимает минуту, но после нескольких десятков формул он становится автоматическим. Тренироваться удобно так: берите формулы из учебника или из описаний лекарств, закрывайте подписи и находите молекулярную формулу и функциональные группы, а затем проверяйте себя. Полезно и обратное упражнение — рисовать по названиям и сокращённым формулам, а затем сверять рисунок с базой данных PubChem, где у каждого вещества есть скелетная формула.
26. Скелетные формулы и компьютер
Скелетная формула — это, по сути, граф: вершины — атомы, рёбра — связи. Такой граф легко записать строкой символов. В 1988 году Дэвид Вайнингер предложил язык SMILES, в котором молекула описывается цепочкой: этанол — CCO, уксусная кислота — CC(=O)O, бензол — c1ccccc1 (строчные буквы обозначают ароматические атомы, цифры — замыкание цикла) [8]. Скобки, как в сокращённых формулах, обозначают ответвления, «=» и «#» — двойную и тройную связь, атомы водорода при углероде подразумеваются — то есть SMILES устроен по тем же правилам, что и скелетная формула.
Все рисунки этой статьи построены по записям SMILES: программа сама расставляет вершины, проверяет валентности, углы и наложения символов. Химические базы данных (PubChem, ChemSpider) позволяют искать вещество, нарисовав его скелетную формулу в редакторе, а международный идентификатор InChI однозначно кодирует строение, так что одна и та же молекула, нарисованная по-разному, получает одинаковый код [9]. Так правило «порядок связей определяет вещество», сформулированное Бутлеровым, стало основой компьютерной химии.
27. Типичные ошибки
- Пятивалентный углероду вершины пять линий
- Лишний или потерянный Hневерно подсчитан водород
- Голый гетероатомO вместо OH у спирта
- «Тупые» углы sp³цепь нарисована прямой линией
- Ионная связь чертойNa–O вместо Na⁺ ⁻O
- Изогнутая тройная связьC≡C должна быть прямой
- Пятивалентный углерод. У вершины нарисовано пять линий (часто при неаккуратном ответвлении от атома, уже имеющего двойную связь). Проверяйте: связей у углерода не больше четырёх, считая двойную за две.
- Пропущенный водород у гетероатома. Написали O вместо OH или N вместо NH₂: формула стала означать радикал или ион.
- Неполная подпись углерода. Если атом углерода подписан символом, рядом нужно написать все его атомы водорода: CH₃, CH₂. Подпись «C» без водородов означает атом углерода, у которого водородов нет.
- Прямая цепь sp³-атомов. Три и более одинарных связей подряд на одной прямой делают атомы неразличимыми; цепь рисуют зигзагом.
- Изогнутый фрагмент с тройной связью. Около C≡C и C≡N угол должен быть 180°.
- Ионная связь чертой. Na–O–C(=O)CH₃ вместо CH₃COO⁻ Na⁺.
- Неверное прочтение COO и CHO. COO — один углерод и два кислорода (C=O и C–O), а не цепь C–O–O; CHO — альдегидная группа, а не спирт.
- Неучтённый заряд. Вершина с «+» и тремя связями не имеет водородов; забыв об этом, получают неверную формулу.
- Аллен или нитрил зигзагом. Фрагменты C=C=C и C–C≡N линейны; изогнутый рисунок искажает геометрию и вводит в заблуждение.
- «Укороченная» главная цепь. Самая длинная цепь может проходить через нарисованное «ответвление»; прежде чем назвать вещество, найдите все возможные цепи и выберите правильную.
- Перепутанные Ph и Bn. Фенил — само кольцо C₆H₅, бензил — кольцо с группой CH₂ (C₆H₅CH₂): разница в один атом углерода меняет вещество.
Частые вопросы
Можно ли писать скелетные формулы на ЕГЭ? Критерии ЕГЭ требуют, чтобы структурная формула однозначно передавала порядок соединения атомов и положение кратных связей и функциональных групп. Привычнее всего — сокращённые структурные формулы, которые используются в образцах ответов ФИПИ. Скелетной записью стоит пользоваться только там, где она не допускает двух толкований, а для коротких молекул надёжнее писать группы явно.
Почему в скелетной формуле этана — просто одна чёрточка? Одна линия имеет два конца, на каждом конце — атом углерода с тремя атомами водорода: CH₃–CH₃. Метан же скелетной формулой не изображают: у него нет связей C–C, и пишут просто CH₄.
Надо ли подписывать концевые метильные группы? Не обязательно: конец линии и так означает CH₃. Но подпись CH₃ или Me допустима и иногда делает формулу нагляднее, например в небольших молекулах или когда метил нужно выделить в механизме.
Что означает шестиугольник с кружком? Бензольное кольцо с равномерно распределёнными π-электронами. Это изображение подчёркивает ароматичность, но в нём не видно отдельных двойных связей, поэтому для механизмов реакций используют формулу Кекуле.
Как понять, где в скелетной формуле атом водорода, если он нарисован? Атомы водорода при углероде рисуют явно только в особых случаях: при стереоцентре (H на клине), при альдегидной группе для наглядности или когда этот атом участвует в реакции. Во всех остальных случаях их не рисуют, а подразумевают.
Зачем в одних формулах пишут HO, а в других OH? Это одна и та же группа. Порядок символов выбирают так, чтобы линия связи подходила к атому кислорода: если связь идёт слева, пишут OH, если справа — HO. Правило касается и других групп: NH₂ и H₂N, COOH и HOOC.
Можно ли по скелетной формуле понять, будет ли вещество растворяться в воде? Отчасти. Много групп OH, NH₂, COOH и заряженных групп при небольшом углеродном скелете — признак растворимости в воде (как у глюкозы или глицина); длинная углеводородная цепь без полярных групп — признак нерастворимости (как у жиров и парафинов).
Что нужно знать к ЕГЭ
- молекулярная формула показывает состав, структурная — порядок соединения атомов (теория химического строения А. М. Бутлерова);
- углерод в органических соединениях четырёхвалентен, водород одновалентен, кислород двухвалентен, азот трёхвалентен; на этом основан подсчёт атомов водорода в скелетных и сокращённых формулах;
- изомеры имеют одинаковую молекулярную формулу, но разное строение; структурная изомерия — изомерия углеродного скелета, положения кратной связи или функциональной группы, межклассовая; пространственная — цис-транс- и оптическая;
- в заданиях 32 и 33 ЕГЭ нужно записывать структурные формулы органических веществ, однозначно отражающие порядок связи атомов и положение функциональных групп;
- общие формулы классов: алканы CₙH₂ₙ₊₂, алкены и циклоалканы CₙH₂ₙ, алкины и алкадиены CₙH₂ₙ₋₂, арены ряда бензола CₙH₂ₙ₋₆ — их удобно проверять по скелетной формуле.
Ловушки. «Конец линии — атом водорода» — нет, атом углерода (CH₃). «В изломе цепи нет атома» — есть, атом углерода. «CH₃COCH₃ и CH₃OCH₃ — одно и то же» — нет: кетон и простой эфир. «Цепь изогнулась — значит, вещество другое» — нет, важен порядок связей, а не форма рисунка. «Бензольное кольцо — шесть атомов углерода и шесть водородов при любых заместителях» — нет, каждый заместитель занимает место одного атома водорода.
Для олимпиад
Быстрый подсчёт формулы. Число атомов водорода в молекуле CaHbNnOoXx связано со степенью ненасыщенности U: b = 2a + 2 + n − x − 2U. Для большой молекулы удобнее сосчитать атомы углерода, гетероатомы, циклы и π-связи, чем считать водороды у каждой вершины.
Сокращения и стереодескрипторы. На олимпиадах встречаются Me, Et, i-Pr, t-Bu, Ph, Bn, Ac, Ts (тозил), Boc (трет-бутоксикарбонил), Cbz, TMS (триметилсилил); клинья и штриховые клинья, волнистые связи; конфигурации R/S и E/Z определяют по правилам старшинства Кана — Ингольда — Прелога.
Эквивалентность атомов. По скелетной формуле удобно определять число неэквивалентных атомов углерода и водорода — основу задач на ЯМР-спектроскопию: симметричные фрагменты дают одинаковые сигналы. Подробнее — в статье «ЯМР-спектроскопия».
Ретросинтез. В задачах на синтез скелетная формула позволяет сразу увидеть, какие связи C–C нужно создать: «разрезая» скелет у функциональных групп, находят исходные фрагменты.
Задания с разбором
Задание 1
Сколько атомов углерода и водорода в молекуле, изображённой зигзагом из пяти отрезков без ответвлений и кратных связей? Назовите вещество.
Разбор
Пять отрезков — шесть вершин (два конца и четыре излома), то есть шесть атомов углерода. Концы — CH₃ (2 · 3 = 6 атомов H), изломы — CH₂ (4 · 2 = 8). Всего C₆H₁₄ — гексан.
Задание 2
Найдите молекулярные формулы веществ А–В.
А
Б
ВРазбор
А — никотин: 10 атомов углерода (пять в пиридиновом кольце, четыре в пятичленном кольце, метил), два атома азота; степень ненасыщенности: пиридин — 4, второй цикл — 1, итого 5; H = 2·10 + 2 + 2 − 2·5 = 14: C₁₀H₁₄N₂. Б — глюкоза в открытой форме: 6 атомов C, 6 атомов O, одна группа C=O; H = 2·6 + 2 − 2·1 = 12: C₆H₁₂O₆. В — метилметакрилат: 5 атомов C, 2 атома O, две двойные связи (C=C и C=O); H = 2·5 + 2 − 4 = 8: C₅H₈O₂.
Задание 3
Нарисуйте скелетные формулы: а) CH₃CH₂CH(CH₃)CH₂OH; б) (CH₃)₂CHCOOCH₂CH₃; в) CH₂=CHCH₂Cl; г) CH₃C≡CCH₂CH₃; д) C₆H₅CH₂CH₂NH₂.
Разбор
а) Зигзаг из четырёх атомов углерода, от второй с конца с OH вершины — метил; на конце — OH (2-метилбутан-1-ол). б) Изопропильная группа (вершина с двумя концевыми отрезками), от неё — вершина с =O и O, от O — этильный фрагмент из двух отрезков (этил-2-метилпропаноат). в) Двойная связь на конце цепи из трёх атомов, на другом конце Cl (3-хлорпропен). г) Фрагмент C–C≡C–C — прямой отрезок, затем ещё одна вершина (пент-2-ин). д) Бензольное кольцо, от него зигзаг из двух отрезков и NH₂ (2-фенилэтиламин).
Задание 4
Какие функциональные группы есть в веществах А–В? Запишите их сокращённые формулы.
А
Б
ВРазбор
А — ванилин: альдегидная группа CHO, фенольная группа OH, метоксигруппа OCH₃ (простой эфир) при бензольном кольце; сокращённо HOC₆H₃(OCH₃)CHO. Б — N,N-диметилацетамид: амидная группа; CH₃CON(CH₃)₂. В — 5,5-диметилгекс-2-еналь: альдегидная группа и двойная связь C=C, сопряжённая с ней; (CH₃)₃CCH₂CH=CHCHO.
Задание 5
Сколько атомов водорода у каждого атома углерода в пент-1-ен-4-ине CH₂=CH–CH₂–C≡CH? Нарисуйте скелетную формулу и укажите, какой фрагмент должен быть прямым.
Разбор
C1 (=CH₂) — 2 H; C2 (=CH–) — 1 H; C3 (CH₂) — 2 H; C4 (≡C–) — 0 H; C5 (≡CH) — 1 H. Всего C₅H₆. Прямым должен быть фрагмент C3–C4≡C5: атомы при тройной связи и их соседи лежат на одной прямой.
Задание 6
Найдите ошибки в записях: а) скелетная формула, где от вершины с двойной связью отходят ещё три линии; б) этанол, нарисованный двумя отрезками с символом O без H на конце; в) ацетат натрия CH₃COO–Na; г) нитрометан CH₃–N(=O)=O.
Разбор
а) Пять связей у углерода (двойная — две, плюс три одинарные) — невозможно. б) Без водорода это этоксильный радикал или (с зарядом) этилат-ион; у спирта нужно писать OH. в) Ионную связь не изображают чертой: CH₃COO⁻ Na⁺. г) У азота пять связей — нарушение октета; правильно CH₃–N⁺(=O)–O⁻.
Задание 7
Нарисуйте скелетные формулы всех изомеров C₅H₁₂ и C₆H₁₄. Почему «1-метилбутан» и «2-этилпропан» — неправильные названия?
Разбор
C₅H₁₂: пентан, 2-метилбутан, 2,2-диметилпропан. C₆H₁₄: гексан, 2-метилпентан, 3-метилпентан, 2,2-диметилбутан, 2,3-диметилбутан. «1-Метилбутан» — это пентан (метил на конце просто продолжает цепь), «2-этилпропан» — это 2-метилбутан (самая длинная цепь проходит через этильную группу и содержит четыре атома).
Задание 8
Сколько изомеров у C₄H₈? Нарисуйте их скелетными формулами, включая цис-транс-изомеры.
Разбор
Шесть: бут-1-ен, цис-бут-2-ен, транс-бут-2-ен, 2-метилпропен (изомеры с двойной связью), циклобутан и метилциклопропан (циклические).
Задание 9
Запишите сокращённые формулы и нарисуйте скелетные для четырёх спиртов и трёх простых эфиров состава C₄H₁₀O.
Разбор
Спирты: CH₃CH₂CH₂CH₂OH (бутан-1-ол), CH₃CH(OH)CH₂CH₃ (бутан-2-ол), (CH₃)₂CHCH₂OH (2-метилпропан-1-ол), (CH₃)₃COH (2-метилпропан-2-ол). Эфиры: CH₃CH₂OCH₂CH₃ (диэтиловый), CH₃OCH₂CH₂CH₃ (метилпропиловый), CH₃OCH(CH₃)₂ (метилизопропиловый). В скелетных формулах у спиртов OH на конце линии, у эфиров O в изломе цепи.
Задание 10
Ибупрофен имеет формулу C₁₃H₁₈O₂. Проверьте её через степень ненасыщенности, зная, что в молекуле одно бензольное кольцо и одна группа C=O.
Разбор
Бензольное кольцо даёт U = 4 (цикл и три двойные связи), C=O — ещё 1; U = 5. По формуле U = (2·13 + 2 − 18)/2 = 10/2 = 5. Совпадает — формула верна.
Задание 11
Сколько атомов водорода в нафталине и в антрацене (три линейно сочленённых бензольных кольца)? Объясните, почему не 10 и не 14.
Разбор
Нафталин C₁₀H₈: два атома углерода на общем ребре связаны с тремя атомами углерода и водорода не имеют. Антрацен C₁₄H₁₀: 14 атомов углерода, из них 4 на двух общих рёбрах без водорода; остальные 10 — по одному H. Через степень ненасыщенности: у антрацена три цикла и семь двойных связей, U = 10, H = 2·14 + 2 − 20 = 10.
Задание 12
Сколько атомов водорода у атома углерода, если в скелетной формуле у вершины: а) знак «+» и три связи; б) знак «+» и две связи; в) знак «−» и три связи; г) атом азота со знаком «+» и три связи с углеродом?
Разбор
а) Карбокатион образует три связи — водородов нет. б) Три связи всего, две нарисованы — один H. в) Карбанион образует три связи и имеет пару — водородов нет. г) Азот с зарядом «+» образует четыре связи: три нарисованы, значит, один H (третичный аммониевый ион R₃NH⁺).
Задание 13
Расшифруйте сокращения и запишите сокращённые формулы: а) EtOAc; б) t-BuOH; в) PhCH₂OH; г) MeCN; д) Et₂O; е) AcOH.
Разбор
а) CH₃COOCH₂CH₃ — этилацетат; б) (CH₃)₃COH — 2-метилпропан-2-ол; в) C₆H₅CH₂OH — бензиловый спирт (BnOH); г) CH₃CN — ацетонитрил; д) CH₃CH₂OCH₂CH₃ — диэтиловый эфир; е) CH₃COOH — уксусная кислота.
Задание 14
Даны SMILES: CC(C)O, CC(=O)OC, c1ccccc1O, C1CCCCC1. Нарисуйте скелетные формулы и назовите вещества.
Разбор
CC(C)O — пропан-2-ол (вершина с двумя концевыми отрезками и OH). CC(=O)OC — метилацетат. c1ccccc1O — фенол (бензольное кольцо с OH). C1CCCCC1 — циклогексан (шестиугольник).
Задание 15 (олимпиадное)
Вещество имеет формулу C₁₀H₁₆ и не содержит тройных связей. При гидрировании оно присоединяет 2 моль H₂ на моль. Сколько циклов в молекуле? Подходит ли лимонен? Нарисуйте его скелетную формулу и найдите стереоцентр.
Разбор
U = (2·10 + 2 − 16)/2 = 3. Две двойные связи (2 моль H₂) — значит, один цикл. Лимонен: циклогексеновое кольцо (одна C=C в цикле), метильная группа при двойной связи и изопропенильная группа (вторая C=C вне цикла) — C₁₀H₁₆, подходит. Стереоцентр — атом кольца, к которому присоединена изопропенильная группа: у него четыре разных заместителя (H, изопропенил и два разных фрагмента цикла).
Задание 16 (олимпиадное)
В молекуле тестостерона C₁₉H₂₈O₂ четыре цикла. Сколько в ней π-связей? Найдите их на скелетной формуле и проверьте ответ подсчётом.
Разбор
U = (2·19 + 2 − 28)/2 = 6. Четыре цикла, значит, π-связей 6 − 4 = 2: двойная связь C=C в кольце A и карбонильная группа C=O, сопряжённая с ней. Спиртовая группа OH π-связей не содержит. Это видно на рисунке: в формуле ровно две двойные линии.
Литература
- Clayden J., Greeves N., Warren S. Organic Chemistry. 2nd ed. Oxford: Oxford University Press, 2012.
- Rocke A. J. Image and Reality: Kekulé, Kopp, and the Scientific Imagination. Chicago: University of Chicago Press, 2010.
- Couper A. S. Sur une nouvelle théorie chimique // Annales de chimie et de physique. 1858. T. 53. P. 469–489.
- Butlerow A. Einiges über die chemische Structur der Körper // Zeitschrift für Chemie und Pharmacie. 1861. Bd. 4. S. 549–560.
- Crum Brown A. On the theory of isomeric compounds // Transactions of the Royal Society of Edinburgh. 1864. Vol. 23. P. 707–719.
- Brecher J., Degtyarenko K. N., Gottlieb H. et al. Graphical representation standards for chemical structure diagrams (IUPAC Recommendations 2008) // Pure and Applied Chemistry. 2008. Vol. 80. P. 277–410.
- Реутов О. А., Курц А. Л., Бутин К. П. Органическая химия: в 4 ч. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2004–2005.
- Weininger D. SMILES, a chemical language and information system. 1. Introduction to methodology and encoding rules // Journal of Chemical Information and Computer Sciences. 1988. Vol. 28. P. 31–36.
- Heller S. R., McNaught A., Pletnev I., Stein S., Tchekhovskoi D. InChI, the IUPAC International Chemical Identifier // Journal of Cheminformatics. 2015. Vol. 7. 23.
Обсуждение
Загружаем обсуждение…