Условие задачи
Сколько изомеров-кислот имеет C6H12O2 ?
Решение
Нам дана молекулярная формула C₆H₁₂O₂, и требуется найти число КОНСТИТУЦИОНАЛЬНЫХ изомеров КИСЛОТ с данной формулой. Здесь речь идёт об органической химии (исследуются структуры карбоновых кислот). При условии, что кислота содержит одну карбоксильную группу –COOH, вся кислота имеет вид R–COOH, где R – алкильная группа из 5 атомов углерода (так как один атом уже входит в –COOH). То есть задача сводится к следующему: сколько существует различных связностей (с учётом правил выбора главной цепи) у кислоты C₆H₁₂O₂, то есть кислот, получаемых присоединением –COOH к группам, имеющим формулу C₅H₁₁?
При составлении названий (и, соответственно, определении изомеров) главная цепь выбирается так, чтобы содержать функциональную группу (–COOH) и быть как можно длиннее. Таким образом, если возможно выделить цепь из 6 атомов углерода, то она используется. Если же каркас устроен так, что длиннейшая цепь, содержащая –COOH, равна 5 атомам, то оставшийся атом оказывается в виде одноатомной заместительной группы (CH₃). При этом два случая, полученные зеркальным преобразованием, считаются одинаковыми.
Чтобы получить все возможные изомеры, можно рассмотреть два случая:
──────────────────────────────
1. Если главная цепь содержит 6 атомов (кислота без заместителей на остальном алкильном фрагменте):
(1) н‑гексановая кислота
Структура: HOOC–CH₂–CH₂–CH₂–CH₂–CH₃
──────────────────────────────
2. Если главная цепь содержит 5 атомов, а один атом углерода находится в виде метеильного заместителя, распределённого по цепи. Главное, чтобы выбор главной цепи давал максимальную длину, а при нижних номерах –COOH получает номер 1. При нумерации от –COOH для цепи из 5 атомов возможны разные положения заместителя. Но правило показывает, что положения, получающиеся зеркальным преобразованием, дают одно и то же название.
Можно выделить два различных варианта:
(2) Кислота с заместителем на втором атоме главной цепи
Название: 2‑метилпентановая кислота
Структура: HOOC–CH(CH₃)–CH₂–CH₂–CH₃
(3) Кислота с заместителем на третьем атоме главной цепи
Название: 3‑метилпентановая кислота
Структура: HOOC–CH₂–CH(CH₃)–CH₂–CH₃
──────────────────────────────
Однако равномерно можно показать, что при использовании более короткой главной цепи (с четырьмя атомами углерода) неизбежно «скрываются» те же варианты, так как при пересмотре можно выбрать главную цепь с включением одного из заместителей. Так, например, кислота, имеющая вид
HOOC–C(CH₃)₂–CH₂–CH₃
при правильном выборе главной цепи даёт структуру 2‑метилпентановой кислоты. Аналогичные случаи с двумя метеильными группами на «4‑цепочке» приводят к так называемым «эфективным» заместителям – они получаются при выборе главной цепи длиной ровно 5 атомов. Более детальный анализ показывает, что возможно выделить ещё две разные группы изомеров, возникающих если главный каркас можно рассматривать как 4‑углеродный, а оставшиеся 2 атома образуют заместители, при условии что при выборе длиннейшей цепи результат не совпадает с (2) или (3).
То есть рассмотрим кислоты, которые формально могут быть записаны как R–COOH, где R имеет формулу C₅H₁₁. При анализе всех возможных связностей группы C₅H₁₁ (учитывая, что место присоединения – это тот атом, который при переименование оказывается на конце главной цепи) получаются следующие варианты (запись ниже соответствует «переименованным» структурам):
А) Если при включении «ветвления» можно выделить непрерывную цепь из 6 атомов, получаем (1).
Б) Если максимальная цепь – 5 атомов, то возможны два варианта по положению единственного заместителя: (2) и (3).
В) Кроме того, возможны случаи, когда исходный «ветвленный» каркас допускает выбор главной цепи длиной 4 атома, а оставшиеся 2 атома оказываются в виде различных заместителей, так что вариантов нумерации оказывается два, не приводящих к совпадению с (2) или (3). Эти варианты принято обозначать как:
(4) 2‑этилбутановая кислота
Структура: HOOC–CH(C₂H₅)–CH₂–CH₃
(5) 3‑этилбутановая кислота
Структура: HOOC–CH₂–CH(C₂H₅)–CH₃
Теперь, если рассмотреть так называемые «диметилированные» варианты, то их можно получить, если представлять исходную группу C₅H₁₁ как каркас, где два атома углерода находятся в виде двух метеильных заместителей. Анализ показывает, что такие варианты при выборе длиннейшей цепи также приводят к новым названиям (которые не совпадают с уже полученными выше):
(6) 2,2‑диметилбутановая кислота
Структура: HOOC–C(CH₃)₂–CH₂–CH₃
(7) 2,3‑диметилбутановая кислота
Структура: HOOC–CH(CH₃)–CH(CH₃)–CH₃
(8) 3,3‑диметилбутановая кислота
Структура: HOOC–CH₂–C(CH₃)₂–CH₃
При проверке оказывается, что при выборе наиболее длинной цепи все варианты (4)–(8) дают наименования, которые не редуцируются к (1)–(3), то есть они представляют различные связности.
──────────────────────────────
Таким образом, итоговое число КОНСТИТУЦИОНАЛЬНЫХ изомеров карбоновых кислот с формулой C₆H₁₂O₂ равно 8.
──────────────────────────────
Ответ: 8 изомеров.
Важно отметить, что при правильном применении правил IUPAC главная цепь выбирается так, чтобы содержать карбоксильную группу и иметь максимальную длину. Многие «ветвления» можно переосмыслить так, что получаемые кислоты имеют наименования вида «метилпентановые» или «этилбутановые» кислоты, что и приводит к общему числу 8 различных связностей.
Ответ: 8.