首先烷烃(分子通式CnH2n+2),其不饱和度为零,是唯一的彻底饱和的烃类。它的异构包括构造异构之中的碳链异构和位置异构,还有对映异构。中学就知道前十个碳烷烃的构造异构体数目分别为1,1,1,2,3,5,9,18,35,75种,给定分子式的烷烃其异构体一定为确定的数。那么,十碳以后的烷烃我有多少异构体呢?有幸的是,一群老外通过计算机算法等方法求解了三十多个碳的以内的构造异构数目,而且很容易查到。咳咳,这里就要说到OEIS这个神器了,全称是The On-Line Encyclopedia of Integer Sequences,中文称在线整数序列,它的网址为(https://oeis.org/)。可以输入1,1,1,2,3,5,9,18,35,75的前几项并搜索就出来了,或者输入该数列序列号:A000602。
前十个碳的烷烃异构体笔者已经全部画出来,还是颇费时间的。值得一提的是,庚烷开始就存在对映异构了,而且乙基可以作为取代基也是从庚烷开始的,后面的甚至一个分子有多个手性碳,手性烷烃图中以红色标识,星号碳就是手性碳原子。而辛烷中有5个存在对映异构体,包括1个包含两个手性碳的分子。九个碳的壬烷有15个存在手性异构体,双手性碳分子则有3个。癸烷75个异构体着实难以画全,对映异构有40个,双手性碳分子有11个,甚至存在1个三手性碳的分子,另外直到癸烷才出现1个正丙基作为取代基,3个异丙基作取代基的例子。
不超过十个碳的烷烃构造异构体
既然说到烷烃就不得不提烷基了,通式为(CnH2n+1),是烷烃去掉一个氢原子剩余的中性基团,常用来做各种取代基,也是有机物的特殊的结构单元。顾名思义,烷基的异构体就是在烷烃基础上去掉氢原子,先把同碳烷烃异构体写出来,然后取代烷烃中的一个氢原子,看有多少种一元取代物即为烷基异构数目。不得不提的是,诸如异丁基和仲丁基,学习有机化学多年还是傻傻分不清 。仲和异的共同点就是主链碳为n-1个,且存在一个侧链甲基,异-指的是侧链甲基连在最末端(末端形成异丙基的结构,-CHMe2);而仲-则是甲基相连在最近端(形成具有手性的-CHMeR结构),所谓仲就是自由价碳是只有一个氢的仲碳(CH)。还有叔-就是自由价碳是一个季碳,且上面连有两个甲基和一个n-2的直链。所以异戊基(i-Am)是-CH2CH2CHMe2,仲戊基(s-Am)是-CHMeCH2CH2CH3,叔戊基(也叫特戊基,t-Am)是-CMe2CH2CH3,也还有比较少见的是新戊烷去一个氢原子形成的新戊基(neo-Am)是-CH2CMe3。当然烷基也存在手性,图中红色已经注明。这个在OEIS也有收录,其序列号:A000598。
烯烃是具有一个碳碳双键的烃,通式为(CnH2n),由于烯烃存在碳碳双键,会导致形成更加复杂的顺反异构,当然对映异构在烯烃中也存在,还可能两种构型异构都存在。烯烃异构体书写,把烯烃认为是取代的乙烯比较方便,这样就可以用不同烷基连接在乙烯上去书写,所以烷基的异构数目应当清楚的掌握。这个在OEIS的序列号:A000631。
烯烃异构体的数目增长速度远高于烷烃,这是因为烯键上可以连接四个取代基。异构体图中红色表示该分子存在对映异构,黄色的则是其顺反异构体,当然这两个可以共存。我们可以后用取代基法写一下八个碳辛烯的构造异构,首先可以乙烯上连一个己基,因为己基有17种,所以这类17种;如果双键两异碳上一个甲基一个戊基,这样就有8种了(当然也存在对应的八个顺反异构体);应当注意甲基和戊基可以连接在同一个碳上又是8种。再改成同碳和异碳上分别乙基和丁基组合共计4+4=8种;其次再是两个丙基,丙基有两种,所以异碳两个丙基就是2×2-1=3种,连在同碳也是3种,为什么减去1应该很好理解。二取代乙烯到此结束,然后三取代可以是两个甲基和一个丁基,易知合计8种;如果是一个甲基、一个乙基和一个丙基,容易写出6种。然后类似拆分成三个乙基只有1种、拆成四个取代基合计4种,所以最后不多不少刚好66种构造异构,其中存在构型异构的有40个结构。
环烷烃是饱和的环状烃,和单烯烃通式同样为(CnH2n),环烷烃和烯烃都有一个不饱和度。环烷烃的构造异构还是碳链骨架异构和位置异构,构型异构则包括顺反异构和对映异构。环烷烃在结构上讲,存在角张力、扭转张力、和跨环张力,这是和链状化合物不同的;这也导致了环烷烃复杂的构象,尤其是中环和大环。回到异构上来说,环烷烃构造异构数目在OEIS的序列号为:A036671。
环烷烃虽然没有碳碳双键但是仍有顺反异构,而且其手性碳也不明显,所以它的立体异构其实比较复杂。以后讲到立体化学会完成其构型异构的介绍。
不超过七个碳的环烷烃构造异构体
炔烃是具有一个碳碳叁键的烃类,分子通式(CnH2n-2),其不饱和度为2。它的构造异构还是碳链异构和位置异构,构型异构则是由于对映异构引起的。由于其碳碳叁键只能连有两个取代基,所以异构体比烯烃少很多。异构体写法也可以用取代乙炔的方式,在碳碳三键左右连两个取代基就可以,然后根据烷基的异构体数目去累加。其构造异构体数目在OEIS上的编号为:A000642。
炔烃的异构体相对较少,只有两个位置可以连接取代基,所以写起来也很轻松。类似的利用取代基方法,辛炔可以根据烷基个数容易算出来17+8+4+3=32的结果,其中手性异构13个。
不超过八个碳的炔烃构造异构体
异构体篇目上部分到此结束,每一个结构都是辛苦的编辑并检查,真心不容易,由于其构型异构体都是笔者穷举得到的,难免可能有疏漏和不完善,如有错误欢迎指正 !