Межатомные расстояния и валентные углы в молекулах алканов являют собой стандарт и соответствуют строению правильного тетраэдра. Валентный угол между любыми двумя связями составляет 109028¢, а длина σ-связи между атомом углерода в состоянии sp3-гибридизации и атомом водорода равна 0.1085нм или 1.085А0:
Пространственное строение гомологов в ряду алканов определяется возможностью свободного вращения фрагментов их молекул относительно друг –друга. При таком вращении молекула приобретает определенное пространственное строение, которое называется конформацией.
Определение: Конформациями молекулы определенной конфигурации называются состояния молекулы с различным расположением ее атомов в пространстве, возникающие в результате вращения вокруг связей.
Конформации различаются между собой стабильностью. Более стабильные конформации, которые фиксируются физико-химическими методами, называются конформерами.
Определение: Конформер – это молекула в такой конформации, в которую атомы самопроизвольно возвращаются после небольших сдвигов. Конформеры являются конформационными изомерами. В отличии от структурных изомеров они имеют одинаковые структурные формулы. В отличие от оптических изомеров, могут быть совмещены друг с другом. Различаются конформеры только степенью поворота фрагментов молекулы относительно одной или нескольких σ-связей. Например, конформации молекулы этана изображенные двумя способами:
Перспективные проекции (проекции Ньюмена и типа «лесопильные козлы») основаны на тетраэдрическоой конфигурации атомов углерода в молекулах алканов. При построении проекций выбирают центральную С-С связь, относительно которой вращаются два фрагмента молекулы. Атомы углерода этой С-С связи в перспективных проекциях изображают в виде точек. В проекциях Ньюмена центральная С-С связь располагается перпендикулярно плоскости чертежа. Задний атом углерода изображают в виде круга, а передний - в виде точки в центре круга.
Две конформации этана, показанные выше, больше других различаются по энергии между собой. Эти конформации получили название «заслоненная» и «заторможенная».
Определение: Заслоненной конформацией – называют конформацию, в которой группы соседних атомов находятся одна за другой. При этом двугранный угол между заместителями, находящимися у соседних атомов углерода равен 00.
Определение: Заторможенной конформацией – называют конформацию, при которой двугранный угол между заместителями, находящимися у соседних атомов углерода равен 600.
Определение: Барьер вращения фрагментов молекулы – это энергия, которая необходима для перехода молекулы из одной конформации в другую.
Например барьер вращения при переходе заторможенной конформацииэтана, которая является наиболее устойчивой, в заслоненной конформацию, которая является наименее устойчивой – равен разности свободных энергий каждого из двух состояний и составляет 12.6 кДж/моль, около 3 ккал/моль. Исходя из величины барьера энергию взаимодействия каждой, из трех пар соседних С-Н связей, может быть оценена в 1 ккал/моль или 4 кДж/моль. Больший запас энергии молекулы этана в заслоненной конформации обусловлен отталкиванием С-Н связей у соседних атомов углерода, двугранный угол между которыми, равен 00.
Те же эффекты определяют энергии барьеров вращения в средних и высших алканах.
Большее число конформационных переходов, чем в этане, претерпевает молекула н- бутана. Для нее возможны шесть конформаций. В том числе добавляется новая: гош - или скошенная конформация, а заторможенную конформацию в этом случае называют анти - конформация.
Химические свойства.
Химические превращения предельных углеводородов могут протекать либо после гомолитического разрыва углерод-углеродных связей, либо за счет отрыва атомов водорода, также обычно гомолитического, и последующим замещением их другими атомами или группами. Поэтому для предельных углеводородов характерны реакции расщепления и замещения.
Мера активности органических соединений в химических превращениях называется реакционной способностью. Реакционная способность зависит от факторов, определяющих реакционную способность.