در فرمول مولکولی یک ترکیب اکسیژندار، دیدن اتم O برای تشخیص الکل کافی نیست. اگر اکسیژن میان دو بخش کربنی قرار گرفته باشد، ترکیب «اتر» است؛ اما اگر گروه O–H داشته باشیم، با الکل روبهرو هستیم. این تفاوت کوچک در اتصال اتمها بر نام، پیوند هیدروژنی، نقطه جوش و انحلالپذیری اثر میگذارد. در این مقاله ساختار عمومی اترها را میخوانیم، نامگذاری آلکوکسیآلکان را مرحلهبهمرحله انجام میدهیم، اترهای متقارن و نامتقارن را میشناسیم و با یک تمرین روشن، فرمول مولکولی را به ساختار و خواص پیوند میدهیم.
گروه عاملی اتر یک اکسیژن میان دو بخش کربنی است
ساختار عمومی اتر را به صورت R–O–R′ مینویسیم؛ R و R′ گروههای هیدروکربنیاند و میتوانند یکسان یا متفاوت باشند. اکسیژن دو پیوند یگانه دارد و مستقیماً به دو اتم کربن متصل است. برای نمونه CH₃–O–CH₃ یک اتر دوکربنی و CH₃–O–CH₂CH₃ یک اتر سهکربنی است.
برای تشخیص گروه عاملی، همسایههای اکسیژن را بررسی کن. در اتر، هر دو همسایه اکسیژن کربناند؛ در الکل، اکسیژن دستکم به یک هیدروژن و یک کربن متصل است و گروه R–O–H را میسازد. بنابراین CH₃CH₂OH الکل و CH₃OCH₃ اتر است، هرچند هر دو فرمول مولکولی C₂H₆O دارند.
- اتر: C–O–C
- الکل: C–O–H
- R و R′ میتوانند یکسان یا متفاوت باشند
- فرمول مولکولی بهتنهایی محل اتصال اکسیژن را نشان نمیدهد
اتر متقارن و نامتقارن را از دو سوی اکسیژن تشخیص بده
اگر دو گروه متصل به اکسیژن یکسان باشند، اتر را متقارن مینامیم. در CH₃OCH₃ هر دو سوی اکسیژن گروه متیل و در CH₃CH₂OCH₂CH₃ هر دو سو گروه اتیل است. تقارن در اینجا به یکسانبودن دو گروه کربنی متصل به O اشاره دارد.
اگر دو گروه متفاوت باشند، اتر نامتقارن است؛ برای نمونه در CH₃OCH₂CH₃ یک سوی اکسیژن متیل و سوی دیگر اتیل قرار دارد. برای این تشخیص لازم نیست بلندترین زنجیر را پیدا کنیم؛ کافی است ساختار را از محل اکسیژن به دو بخش ببریم و گروههای دو طرف را مقایسه کنیم.
- دو گروه یکسان: اتر متقارن
- دو گروه متفاوت: اتر نامتقارن
- پیوند C–O را مرز دو بخش کربنی در نظر بگیر
- تقارن اتر را از فرمول گسترده یا فشرده ساختاری تعیین کن
نامگذاری اصولی اترها با الگوی آلکوکسیآلکان انجام میشود
در نامگذاری جانشینی، بخش کربنی بلندتر را زنجیر اصلی آلکان میگیریم. بخش کوتاهتر همراه با اکسیژن به صورت گروه «آلکوکسی» نامگذاری میشود: CH₃O– متوکسی و CH₃CH₂O– اتوکسی است. سپس شماره محل اتصال گروه آلکوکسی و نام آلکان اصلی را مینویسیم.
برای CH₃OCH₂CH₂CH₃، زنجیر سهکربنی پروپان والد است و گروه CH₃O– روی کربن ۱ قرار دارد؛ پس نام آن ۱-متوکسیپروپان است. در CH₃OCH(CH₃)₂ نیز والد پروپان و محل گروه متوکسی کربن ۲ است، بنابراین ۲-متوکسیپروپان نام دارد. شمارهگذاری زنجیر باید کمترین شماره را به گروه آلکوکسی بدهد.
- زنجیر کربنی بلندتر را آلکان والد بگیر
- بخش کوتاهتر به همراه O، گروه آلکوکسی است
- CH₃O– متوکسی و C₂H₅O– اتوکسی است
- زنجیر را از سوی نزدیکتر به آلکوکسی شمارهگذاری کن
قطبیت پیوندهای C–O با توان پیوند هیدروژنی یکسان نیست
اکسیژن از کربن الکترونگاتیوتر است، پس هر پیوند C–O قطبی است و اترها معمولاً مولکولهایی با برهمکنش دوقطبی–دوقطبیاند. اکسیژن همچنین دو جفتالکترون ناپیوندی دارد و میتواند از مولکولی دارای پیوند O–H، مانند آب، پیوند هیدروژنی بپذیرد.
بااینحال اتر خالص پیوند O–H ندارد و نمیتواند میان مولکولهای خودش دهنده پیوند هیدروژنی باشد. الکل هم اکسیژن دارای جفت ناپیوندی و هم هیدروژن متصل به اکسیژن دارد؛ بنابراین مولکولهای الکل میتوانند با یکدیگر شبکه قویتری از پیوندهای هیدروژنی بسازند. عبارت «اتر اصلاً پیوند هیدروژنی تشکیل نمیدهد» دقیق نیست: اتر با آب پذیرنده پیوند هیدروژنی است، اما در نمونه خالص دهنده آن نیست.
- پیوند C–O قطبی است
- اکسیژن اتر میتواند پیوند هیدروژنی بپذیرد
- اتر فاقد O–H و در نتیجه فاقد توان دهندگی پیوند هیدروژنی است
- میان اتر و آب میتواند پیوند هیدروژنی برقرار شود
اختلاف نیروهای بینمولکولی، نقطه جوش را توضیح میدهد
برای ترکیبهایی با جرم مولی و شکل تقریباً مشابه، الکل معمولاً نقطه جوش بالاتری از اتر همفرمول خود دارد. علت اصلی آن است که برای جداکردن مولکولهای الکل باید پیوندهای هیدروژنی میان آنها نیز تضعیف شود، درحالیکه میان مولکولهای اتر عمدتاً نیروهای لاندن و دوقطبی–دوقطبی وجود دارد.
برای نمونه اتانول CH₃CH₂OH و دیمتیل اتر CH₃OCH₃ هر دو C₂H₆O و جرم مولی یکسان دارند، اما اتانول به دلیل پیوند هیدروژنی میان مولکولهایش نقطه جوش بیشتری دارد. این مقایسه باید میان مواد هماندازه یا همفرمول انجام شود؛ افزایش شدید اندازه و سطح تماس یک مولکول میتواند نیروهای لاندن را تقویت کند و مقایسه ساده فقط بر پایه نام گروه عاملی را ناکافی سازد.
- الکل همفرمول معمولاً نقطه جوش بالاتری از اتر دارد
- پیوند هیدروژنی الکل از برهمکنش میان اترها قویتر است
- جرم مولی و شکل مولکول را هنگام مقایسه ثابت یا نزدیک نگه دار
- نقطه جوش بیشتر به معنی پیوند کووالانسی قویتر درون مولکول نیست
انحلالپذیری اترها نتیجه رقابت بخش قطبی و بخش هیدروکربنی است
اکسیژن اتر میتواند از مولکول آب پیوند هیدروژنی بپذیرد، پس اترهای کوچک تا اندازهای در آب حل میشوند. در مقابل، بخشهای هیدروکربنی غیرقطبی با آب سازگاری کمتری دارند. هرچه زنجیرهای کربنی بزرگتر شوند، سهم بخش غیرقطبی افزایش مییابد و انحلالپذیری در آب معمولاً کاهش پیدا میکند.
این روند نشان میدهد وجود یک اتم اکسیژن بهتنهایی محلولبودن کامل را تضمین نمیکند. برای پیشبینی کیفی، تعداد اتمهای کربن و گروههای قطبی را با هم ببین. بسیاری از اترها به دلیل داشتن بخشهای هیدروکربنی میتوانند مواد آلی کمقطب را بهتر از آب حل کنند؛ اما انتخاب و کار با حلال در آزمایشگاه نیازمند توجه جدی به فرّاریت، اشتعالپذیری و دستورهای ایمنی است.
- اتر کوچک میتواند با آب برهمکنش هیدروژنی داشته باشد
- بخش هیدروکربنی بزرگتر معمولاً انحلال در آب را کمتر میکند
- قطبیت یک پیوند با محلولبودن کامل کل مولکول برابر نیست
- اترهای فرّار را نباید نزدیک شعله یا بدون تجهیزات ایمن به کار برد
اتر و الکل میتوانند ایزومر عاملی یکدیگر باشند
الکل سیرشده تکعاملی و اتر سیرشده زنجیرباز میتوانند فرمول عمومی یکسان CₙH₂ₙ₊₂O داشته باشند. اگر فرمول مولکولی یکسان ولی گروه عاملی متفاوت باشد، دو ترکیب ایزومر عاملیاند. اتانول و دیمتیل اتر با فرمول C₂H₆O نمونه ساده این رابطهاند.
در فرمول C₄H₁₀O نیز ساختارهای اتری متفاوتی ممکن است: اتوکسیاتان، ۱-متوکسیپروپان و ۲-متوکسیپروپان. این سه علاوه بر داشتن ایزومرهای الکلی همفرمول، نسبت به یکدیگر ایزومر ساختاریاند؛ زیرا اتصال اتمها یا شاخهداربودن چارچوب آنها فرق دارد. در شمارش، چرخاندن یا از سوی دیگر نوشتن یک ساختار، ایزومر تازه نمیسازد.
- ایزومرها فرمول مولکولی یکسان و ساختار متفاوت دارند
- الکل و اتر همفرمول، ایزومر عاملیاند
- برای اترهای C₄H₁₀O سه اتصال ساختاری متفاوت وجود دارد
- نوشتن R–O–R′ از جهت مخالف ساختار تازهای نمیسازد
مثال و تمرین روشن: از ساختار به نام و خاصیت برس
مثال: ترکیب CH₃CH₂–O–CH₂CH₂CH₃ را نامگذاری کن. دو سوی اکسیژن، گروههای اتیل و پروپیلاند؛ پس اتر نامتقارن است. پروپان را زنجیر اصلی و CH₃CH₂O– را گروه اتوکسی میگیریم. اکسیژن به کربن ۱ پروپان متصل است، بنابراین نام اصولی ترکیب ۱-اتوکسیپروپان است.
تمرین: برای CH₃–O–CH(CH₃)₂ گروه عاملی، نوع تقارن، نام و یک ایزومر الکلی بنویس. پاسخ: اکسیژن میان دو کربن است، پس ماده اتر و به علت متفاوتبودن متیل و ایزوپروپیل نامتقارن است. نام آن ۲-متوکسیپروپان و یک ایزومر الکلی ممکن بوتان-۱-اُل با فرمول C₄H₁₀O است. انتظار داریم بوتان-۱-اُل در مقایسه با این اتر همفرمول، به علت توان ساخت پیوند هیدروژنی میان مولکولهای خودش نقطه جوش بالاتری داشته باشد.
- ابتدا همسایههای اکسیژن را برای تشخیص گروه عاملی ببین
- دو بخش دو سوی O را برای تعیین تقارن جدا کن
- زنجیر بلندتر را والد و بخش کوتاهتر را آلکوکسی بگیر
- فرمول مولکولی را پس از نامگذاری دوباره بشمار
- در مقایسه نقطه جوش، نیروهای بینمولکولی و اندازه را با هم بررسی کن
- برای ایزومر عاملی، فرمول را ثابت و نوع گروه عاملی را عوض کن
برای تحلیل هر ساختار اکسیژندار، نخست دو همسایه اکسیژن را پیدا کن: C–O–C نشانه اتر و C–O–H نشانه الکل است. در نامگذاری اتر، زنجیر بلندتر را آلکان والد بگیر، بخش کوتاهتر همراه اکسیژن را آلکوکسی بنام و کمترین شماره را به محل اتصال آن بده. اترها به علت پیوند C–O قطبیاند و اکسیژنشان میتواند از آب پیوند هیدروژنی بپذیرد، اما چون O–H ندارند میان مولکولهای خود دهنده پیوند هیدروژنی نیستند؛ ازاینرو اتر معمولاً نسبت به الکل همفرمول نقطه جوش پایینتری دارد. برای انحلالپذیری، رقابت اکسیژن قطبی و بخش هیدروکربنی را بسنج و برای یافتن ایزومر عاملی، فرمول CₙH₂ₙ₊₂O را ثابت نگه دار ولی اتصال C–O–C را به C–O–H تغییر بده.
مبنای آموزش، مفاهیم کتاب درسی است. برای جزئیات منابع و مقررات هر سال، دفترچه و اطلاعیه رسمی سازمان سنجش را بررسی کن.