khimie.ru

В школьном учебнике по органической химии есть тема «Предельные (насыщенные) углеводороды», которые назывются также алканами. В учебнике говорится, что начиная с бутана С₄Н₁₀ для каждого алкана существуют структурные изомеры с разветвленной цепью. Они имеют одинаковый состав, но разное строение. Примером могут служить бутан и изобутан (два изомера С₄Н₁₀), пентан, 2-метилбутан и 2,2-диметилпропан (три изомера С₅Н₁₂) и т. д. Написав структурные формулы всех изомеров, нетрудно выяснить, что у гексанаС₆Н₁₄ пять изомеров, а у гептана С₇Н₁₆ − девять. Дальше дело пойдет труднее: с увеличением числа атомов углерода число изомеров растет очень быстро, достигая астрономических величин. Например, у октана С₈Н₁₈ изомеров уже 18, у нонана С₉Н₂₀ − 35, у декана С₁₀Н₂₂ − 75, у эйкозана С₂₀Н₄₂ − 366319, у триаконтана С₃₀Н₆₂ — 4111846763, у тетраконтана С₄₀Н₈₂ − 62481801147341… Эти числа значительно возрастут, если рассматривать также зеркально-симметричные молекулы— стереоизомеры: с 9 до 11 для гептана, с 75 до 136 для декана, с 366319 до 3396844 для эйкозана, с 5,921∙10³⁹ до 1,373∙10⁴⁵ для гектана С₁₀₀Н₂₀₂ и т.д. Понятно, что никто эти формулы на бумаге не выписывал и их число вручную не подсчитывал, Как же узнали, что у эйкозана 366319 структурных изомеров, у триаконтана − 4111846763 и т. д.? Интересно также, больше или меньше изомеров у алкенов − углеводородов с одной двойной связью? Для начала рассмотрим названия алканов. Корни этих названий взяты из греческого языка. Разобраться со многими из них не очень сложно даже тем, кто не учил греческий язык в классической гимназии. Ведь в русском языке немало слов, ведущих происхождение от греческих числительных: Пентагон, пентаграмма (средневековый магический знак); гекзаметр (стихотворный размер − шестистопный дактиль), гектар (100 ар или 100 соток); гептахорд (звукоряд из 7 ступеней, а также семиструнная кифара у древних греков); октаэдр (многогранник с 8 вершинами), октант (старинный астрономический инструмент для измерения углов между небесными светилами), октаподы (отряд головоногих моллюсков с 8 щупальцами); декада (десятидневный промежуток времени), декан (в Древнем Риме − начальник 10 солдат, сейчас − руководитель факультета в вузе), декайоды (дословно «десятиногие») − моллюски с 10 щупальцами, к которым относятся каракатица, кальмары и др; от латинского dесеm − десять происходят многие единицы измерения: дециметр, децибел, декалитр и др.); гектограф (печатный аппарат, позволявший получать до 100 копий с листа), гекатомба (жертвоприношение из 100 быков), гекатонхейры (мифические 100-рукие великаны), а также пентод, гексод и гептод (радиолампы с 5, 6 и 7 электродами). Множество таких терминов в музыке: пентатоника (звуковая система из 5 нот в октаве, распространенная в Китае и ряде других стран), додекафония (метод музыкальной композиции, основанный на 12 тонах); октава, нона, децима и ундецима (музыкальные интервалы в 8, 9, 10 и 11 тонов), октет и нонет (ансамбли из 8 и 9 музыкантов) и др.

Мало кто задумывается о том, что похожие корни имеют и названия последних четырех месяцев года: сентябрь (в древнерусском «сентябрь»), октябрь, ноябрь, декабрь (в соответствии с их латинскими и греческими корнями − седьмой, восьмой, девятый и десятый месяцы). Но ведь декабрь − не 10-й, а 12-й месяц года. А дело в том, что в Древнем Риме новый год начинался 1 марта, поэтому месяцы с сентября по декабрь имели номера с седьмого по десятый соответственно. На Руси так называемый церковный год тоже начинался когда-то 1 марта − в соответствии с указаниями Библии: у древних евреев первый месяц года (ниссан) был заповедан Моисею и первосвященнику Аарону: «Месяц сей да будет у вас началом месяцев; первым да будет он у вас между месяцами года» (Исх. 12:2). Гражданский год на Руси до XV века соответствовал церковному. Однако в 1492 г. Иван III своим указом перенес встречу Нового года на 1 сентября, что совпадало со сбором урожая. Петр I в 1699 г. в последний раз праздновал Новый год по древнему обычаю 1 сентября, а уже через 3,5 месяца, 20 декабря того же года, повелел перенести начало года на 1 января 1700 г. (7208 г. «от сотворения мира»). Но вернемся к нашим алканам. Сложнее с названиями первых членов ряда: в них использованы не числительные, а другие греческие слова, причем иногда довольно хитро зашифрованные. Так, название метана происходит от метилового спирта, который раньше называли древесным: его получали сухой перегонкой древесины. Слово «метил» и происходит от греческих mеthу − «вино» и hile − «лес» (так сказать, «древесное вино»). Название лапа, как это ни покажется на первый взгляд странным, этимологически родственно слову «эфир». Оба происходят от греческого аither − так древние греки называли некую небесную субстанцию, которая пронизывает космос. Когда алхимики в XIII веке из винного спирта и серной кислоты получили легко испаряющуюся («улетающую к небесам») жидкость, ее назвали сначала духом эфира, а потом просто эфиром. В XIX веке выяснили, что эфир (по-английски еther) содержит группировку из двух атомов углерода − такую же, как и этиловый спирт (этанол); ее назвали этилом (eтhу1). Таким образом, «диэтиловый эфир» − по сути дела, тавтология, масло масляное… От «этила» произошло и название этана, а также этилового спирта − этанола. Кстати, другое название этанола − алкоголь − того же происхождения, что и слово «алкан». По-арабски «аль-кохль» − «порошок», «пудра», «пыль». От малейшего дуновения они поднимаются в воздух − как и винные пары при нагревании. Со временем термин «винные пары» («алкоголь вина») превратился просто в «алкоголь».

Одна из простейших жирных кислот была названа пронионовой − от греческих слов рrоtоs − «первый» и рion − «жир». Отсюда недалеко и до углеводорода пропана. Названия другой жирной кислоты − бутановой и соответствующего ей углеводорода бутана происходят от греческого butyron − «масло».

Перейдем, наконец, к числу изомеров алканов. Эта задача была решена математиками в XIX веке. Оказалось, что формулы, по которой можно сразу определить число изомеров для углеводорода С_nН_2n+2, не существует. Подсчет возможен лишь с помощью формул, позволяющих найти число изомеров углеводорода с n атомами углерода, если уже известно число изомеров всех его гомологов − углеводородов с числом атомов углерода от 1 до n−1. Поэтому расчеты для алканов с большими значениями n были получены сравнительно недавно с помощью компьютеров. Они доведены до тетрактана С₄₀₀Н₈₀₂, для которого, с учетом стереоизомеров, получено значение, трудно поддающееся воображению: 4,776∙10¹⁹⁹! Подсчитано, что начиная с С₁₆₇Н₃₃₆, число изомеров уже превышает число элементарных частиц в видимой части Вселенной, которое оценивается как 10⁸⁰; так, для С₂₀₀Н₄₀₂ оно равно примерно 9,430∙10³³. Для химиков подобные расчеты мало интересны, и вот почему. Даже для сравнительно простого алкана, содержащего всего полтора десятка атомов углерода, подавляющее число изомеров не получено и вряд ли будет когда-либо синтезировано. Так, в случае декана С₁₀Н₂₂ последние из 75 его изомеров были синтезированы лишь сравнительно недавно. И сделано это было лишь для того, чтобы иметь более полный набор стандартных соединений, по которым можно идентифицировать различные углеводороды, например, те, что встречаются в нефти. Кстати, в нефти были обнаружены все 18 возможных изомеров октана. Но самое интересное, что начиная с гептадекана С₁₇Н₃₆ сперва лишь некоторые изомеры, затем − многие из них, а потом практически все являются ярким примером «бумажной химии», т. е. не могут существовать в действительности. Дело в том, что по мере роста числа атомов углерода в молекулах разветвленных изомеров возникают серьезные проблемы пространственной упаковки при замене атомов водорода на метильные группы СН₃, в ряду симметричных сферических молекул СН₄ → С(СН₃)₄ → С[С(СН₃)₃]₄ → С{С[С(СН₃)₃]₃}₄, и т. д., а также близких по структуре изомеров. Причина в том, что математики рассматривали атомы углерода и водорода как точки, тогда как на самом деле они имеют конечный радиус. Так, метановый «шарик» имеет на «поверхности» 4 атома водорода, которые свободно на ней размещаются. Следующий пентановый «шарик» С(СН₃)₄ имеет на «поверхности» уже 12 атомов водорода, расположенных значительно ближе друг к другу, Таким образом, при заполнении каждого следующего слоя число метильных групп СН₃ на «поверхности» молекул углеводородов увеличивается втрое. Поэтому уже у следующего, после пентанового, гептадеканового «шарика» С₁₇Н₃₆ на «поверхности» становится мало места для размещения всех 36 атомов водорода в 12 метильных группах (это легко проверить, попробовав нарисовать плоское изображение подобных изомеров, соблюдая постоянство длин связей С−С и С−Н и всех углов между ними). С ростом n проблемы возникают и для атомов углерода: для них тоже становится все меньше места. В результате, несмотря на то что число возможных изомеров с ростом n увеличивается очень быстро, число «бумажных» изомеров растет значительно быстрее. Проведенная с помощью компьютеров оценка показала, что с ростом n отношение числа возможных изомеров к числу «бумажных» быстро cтремится к нулю. Именно поэтому расчет точного числа изомеров предельных углеводородов для больших n, которое когда-то вызывало значительный интерес, в настоящее время не имеет для химиков никакого практического значения. То же можно сказать и о числе изомеров непредельных соединений с одной двойной связью − алкенов С_nН_2n.