Opišite šta su izomeri. Izomerizam. Vrste izomerizma. Strukturni izomerizam, geometrijski, optički

Ostavite komentar 6,950

Tokom lekcije, dobićete opštu predstavu o vrstama izomerizma i naučiti šta je izomer. Naučite o vrstama izomerizma u organskoj hemiji: strukturnoj i prostornoj (stereoizomerizam). Koristeći strukturne formule supstanci, razmotrite podtipove strukturne izomerije (skeletni i pozicioni izomerizam), naučite o vrstama prostorne izomerije: geometrijskoj i optičkoj.

Tema: Uvod u organsku hemiju

Lekcija: Izomerizam. Vrste izomerizma. Strukturna izomerija, geometrijska, optička

Vrste formula koje opisuju organske tvari koje smo ranije ispitali pokazuju da nekoliko različitih strukturnih formula može odgovarati jednoj molekularnoj formuli.

Na primjer, molekularna formula C 2H 6O dopisivati se dvije supstance sa različitim strukturnim formulama - etil alkohol i dimetil eter. Rice. 1.

Etil alkohol, tečnost koja reaguje sa metalnim natrijumom i oslobađa vodonik, ključa na +78,5 0 C. Pod istim uslovima, dimetil etar, gas koji ne reaguje sa natrijumom, ključa na -23 0 C.

Ove tvari se razlikuju po svojoj strukturi - različite tvari imaju istu molekularnu formulu.

Rice. 1. Međuklasni izomerizam

Fenomen postojanja supstanci koje imaju isti sastav, ali različite strukture i stoga različita svojstva naziva se izomerizam (od grčkih riječi “isos” - “jednak” i “meros” – “dio”, “udio”).

Vrste izomerizma

Postoji različite vrste izomerizam.

Strukturna izomerija je povezana s drugačijim redoslijedom spajanja atoma u molekulu.

Etanol i dimetil etar su strukturni izomeri. Budući da pripadaju različitim klasama organskih jedinjenja, ova vrsta strukturne izomerije se naziva takođe međuklasni . Rice. 1.

Strukturni izomeri takođe mogu postojati u istoj klasi jedinjenja, na primer, formula C 5 H 12 odgovara tri različita ugljovodonika. Ovo izomerija ugljeničnog skeleta. Rice. 2.

Rice. 2 Primjeri tvari - strukturni izomeri

Postoje strukturni izomeri sa istim ugljeničnim kosturom, koji se razlikuju po položaju višestrukih veza (dvostrukih i trostrukih) ili atoma koji zamenjuju vodonik. Ova vrsta strukturne izomerije se naziva pozicijski izomerizam.

Rice. 3. Izomerizam strukturnog položaja

U molekulima koji sadrže samo jednostruke veze moguća je gotovo slobodna rotacija molekularnih fragmenata oko veza na sobnoj temperaturi i, na primjer, sve slike formula 1,2-dikloretana su ekvivalentne. Rice. 4

Rice. 4. Položaj atoma hlora oko jednostruke veze

Ako je rotacija otežana, na primjer, u cikličkoj molekuli ili dvostrukom vezom, tada geometrijski ili cis-trans izomerizam. U cis-izomerima supstituenti se nalaze na jednoj strani ravnine prstena ili dvostruke veze, u trans-izomerima - na suprotnim stranama.

Cis-trans izomeri postoje kada su vezani za atom ugljika. dva različita zamjenik Rice. 5.

Rice. 5. Cis i trans izomeri

Druga vrsta izomerizma nastaje zbog činjenice da atom ugljika sa četiri jednostruke veze formira prostornu strukturu sa svojim supstituentima - tetraedar. Ako molekula ima barem jedan atom ugljika vezan za četiri različita supstituenta, optički izomerizam. Takvi molekuli ne odgovaraju njihovoj slici u ogledalu. Ovo svojstvo se naziva kiralnost - od grčkog Withhier- "ruka". Rice. 6. Optička izomerija je karakteristična za mnoge molekule koji čine žive organizme.

Rice. 6. Primjeri optičkih izomera

Optička izomerija se također naziva enantiomerizam (iz grčkog enantios- „suprotno“ i meros- "dio") i optički izomeri - enantiomeri . Enantiomeri su optički aktivni, oni rotiraju ravan polarizacije svjetlosti za isti ugao, ali u suprotnim smjerovima: d- , ili (+)-izomer, - desno, l- , ili (-)-izomer, - lijevo. Smjesa jednakih količina enantiomera tzv racemate, je optički neaktivan i označen je simbolom d,l- ili (±).

Sumiranje lekcije

Tokom lekcije stekli ste opšte razumijevanje o vrstama izomerizma i o tome šta je izomer. Učili smo o tipovima izomerizma u organskoj hemiji: strukturnoj i prostornoj (stereoizomerizam). Koristeći strukturne formule supstanci, ispitali smo podtipove strukturne izomerije (skeletni i pozicioni izomerizam), te se upoznali sa tipovima prostorne izomerije: geometrijskom i optičkom.

Bibliografija

1. Rudžitis G.E. Hemija. Osnove opšte hemije. 10. razred: udžbenik za opšteobrazovne ustanove: osnovni nivo / G. E. Rudzitis, F.G. Feldman. - 14. izdanje. - M.: Obrazovanje, 2012.

2. Hemija. 10. razred. Nivo profila: akademski. za opšte obrazovanje institucije/ V.V. Eremin, N.E. Kuzmenko, V.V. Lunin i dr. - M.: Drfa, 2008. - 463 str.

3. Hemija. 11. razred. Nivo profila: akademski. za opšte obrazovanje institucije/ V.V. Eremin, N.E. Kuzmenko, V.V. Lunin i dr. - M.: Drfa, 2010. - 462 str.

4. Khomchenko G.P., Khomchenko I.G. Zbirka zadataka iz hemije za studente. - 4. izd. - M.: RIA "Novi talas": Izdavač Umerenkov, 2012. - 278 str.

Zadaća

1. br. 1,2 (str.39) Rudžitis G.E. Hemija. Osnove opšte hemije. 10. razred: udžbenik za opšteobrazovne ustanove: osnovni nivo / G. E. Rudzitis, F.G. Feldman. - 14. izdanje. - M.: Obrazovanje, 2012.

2. Zašto je broj izomera u ugljovodonicima serije etilena veći od broja zasićenih ugljovodonika?

3. Koji ugljovodonici imaju prostorne izomere?

Izomeri- supstance sa istom molekularnom strukturom, ali različite hemijske strukture i svojstva.

Vrste izomerizma

I. Strukturni - leži u različitom nizu veza atoma u lancu molekula:

1) Izomerija lanca

Treba napomenuti da se atomi ugljika u razgranatom lancu razlikuju po vrsti veze s drugim atomima ugljika. Tako se naziva atom ugljika vezan samo za jedan drugi atom ugljika primarni, sa dva druga ugljikova atoma - sekundarno, sa tri - tercijarni, sa četiri - kvartarni.

2) Poziciona izomerija

3) Međuklasni izomerizam

4) Tautomerizam

Tautomerizam(od grčkog ταύτίς - isti i μέρος - mjera) - fenomen reverzibilnog izomerizma, u kojem se dva ili više izomera lako pretvaraju jedan u drugi. U ovom slučaju uspostavlja se tautomerna ravnoteža, a tvar istovremeno sadrži molekule svih izomera u određenom omjeru. Najčešće, tautomerizacija uključuje kretanje atoma vodika od jednog atoma u molekuli do drugog i natrag u istom spoju.

II. Prostorni (stereo) - zbog različitih položaja atoma ili grupa u odnosu na dvostruku vezu ili prsten, isključujući slobodnu rotaciju povezanih atoma ugljika

1. Geometrijski (cis -, trans - izomerizam)

Ako je atom ugljika u molekuli vezan za četiri različita atoma ili atomske grupe, na primjer:

tada je moguće postojanje dva spoja sa istom strukturnom formulom, ali se razlikuju po prostornoj strukturi. Molekuli takvih jedinjenja odnose se jedni na druge kao objekt i njegova zrcalna slika i prostorni su izomeri.

Ova vrsta izomerizma se naziva optički izomeri se nazivaju optički izomeri ili optički antipodi:

Molekuli optičkih izomera su nekompatibilni u prostoru (kao leva i desna ruka, nedostaje im ravan simetrije).
dakle,

optički izomeri nazivaju se prostorni izomeri, čiji su molekuli povezani jedni s drugima kao objekt i nekompatibilna zrcalna slika.

Optički izomeri aminokiselina

3. Konformacioni izomerizam

Treba napomenuti da se atomi i grupe atoma međusobno povezani σ vezom stalno rotiraju u odnosu na os veze, zauzimajući različite položaje u prostoru u odnosu jedni na druge.

Molekule koje imaju istu strukturu i koje se razlikuju po prostornom rasporedu atoma kao rezultat rotacije oko C-C veza nazivaju se konformerima.

Za prikaz konformacijskih izomera, prikladno je koristiti formule - Newmanove projekcije:

Fenomen konformacione izomerije se takođe može razmotriti na primeru cikloalkana. Dakle, cikloheksan karakteriziraju sljedeći konformeri:

Vrste formula koje opisuju organske tvari koje smo ranije ispitali pokazuju da nekoliko različitih strukturnih formula može odgovarati jednoj molekularnoj formuli.

Na primjer, molekularna formula C2H6O dopisivati se dvije supstance sa različitim strukturnim formulama - etil alkohol i dimetil eter. Rice. 1.

Etil alkohol je tečnost koja reaguje sa metalnim natrijumom i oslobađa vodonik i ključa na +78,50C. Pod istim uslovima, dimetil etar, gas koji ne reaguje sa natrijumom, ključa na -230C.

Ove tvari se razlikuju po svojoj strukturi - različite tvari imaju istu molekularnu formulu.

Rice. 1. Međuklasni izomerizam

Vrste izomerizma

Postoje različite vrste izomerizma.

Strukturna izomerija je povezana s drugačijim redoslijedom spajanja atoma u molekulu.

Etanol i dimetil etar su strukturni izomeri. Budući da pripadaju različitim klasama organskih jedinjenja, ova vrsta strukturne izomerije se naziva takođe međuklasni . Rice. 1.

Strukturni izomeri takođe mogu postojati u istoj klasi jedinjenja, na primer, formula C5H12 odgovara tri različita ugljovodonika. Ovo izomerija ugljeničnog skeleta. Rice. 2.

Rice. 2 Primjeri tvari - strukturni izomeri

Rice. 3. Izomerizam strukturnog položaja

Rice. 4. Položaj atoma hlora oko jednostruke veze

Cis-trans izomeri postoje kada su vezani za atom ugljika. dva različita zamjenik Rice. 5.

Rice. 5. Cis i trans izomeri

Rice. 6. Primjeri optičkih izomera

IZVORI

video izvor - http://www.youtube.com/watch?v=mGS8BUEvkpY

http://www.youtube.com/watch?t=7&v=XIikCzDD1YE

http://interneturok.ru/ru/school/chemistry/10-klass - sažetak

izvor prezentacije - http://ppt4web.ru/khimija/tipy-izomerii.html

http://www.youtube.com/watch?t=2&v=ii30Pctj6Xs

http://www.youtube.com/watch?t=1&v=v1voBxeVmao

http://www.youtube.com/watch?t=2&v=a55MfdjCa5Q

http://www.youtube.com/watch?t=1&v=FtMA1IJtXCE

izvor prezentacije - http://mirhimii.ru/10class/174-izomeriya.html

Predavanja za studente Pedijatrijskog fakulteta

Predavanje2

Tema: Prostorna struktura organskih jedinjenja

Cilj: upoznavanje sa tipovima strukturne i prostorne izomerije organskih jedinjenja.

Plan:

Klasifikacija izomerizma.

Strukturni izomerizam.

Prostorni izomerizam

Optički izomerizam

Prvi pokušaji razumijevanja strukture organskih molekula datiraju s početka 19. stoljeća. Fenomen izomerizma prvi je otkrio J. Berzelius, a A. M. Butlerov je 1861. godine predložio teoriju o hemijskoj strukturi organskih jedinjenja, koja je objasnila fenomen izomerizma.

Izomerizam je postojanje spojeva istog kvalitativnog i kvantitativnog sastava, ali različite strukture ili položaja u prostoru, a same supstance se nazivaju izomeri.

Klasifikacija izomera

Strukturno

(različiti red povezivanja atoma)

Stereoizomerizam

(različiti raspored atoma u prostoru)

Višestruke odredbe za povezivanje

Odredbe funkcionalne grupe

Konfiguracija

Conforma-

Strukturni izomerizam.

Strukturni izomeri su izomeri koji imaju isti kvalitativni i kvantitativni sastav, ali se razlikuju po hemijskoj strukturi.

Strukturna izomerija određuje raznolikost organskih jedinjenja, posebno alkane. Sa povećanjem broja ugljikovih atoma u molekulima alkana, broj strukturnih izomera brzo raste. Dakle, za heksan (C 6 H 14) je 5, za nonan (C 9 H 20) - 35.

Atomi ugljika se razlikuju po lokaciji u lancu. Atom ugljika na početku lanca vezan je za jedan atom ugljika i naziva se primarni. Ugljikov atom vezan za dva atoma ugljika - sekundarno, sa tri – tercijarni, sa četiri – kvartarni. Alkani pravog lanca sadrže samo primarne i sekundarne atome ugljika, dok razgranati alkani sadrže i tercijarne i kvaternarne atome ugljika.

Vrste strukturnih izomerizma.

Metameri– jedinjenja koja pripadaju istoj klasi jedinjenja, ali imaju različite radikale:

H 3 C – O – C 3 H 7 – metilpropil etar,

H 5 C 2 – O – C 2 H 5 – dietil etar

Međuklasni izomerizam. Unatoč istom kvalitativnom i kvantitativnom sastavu molekula, struktura tvari je različita.

Na primjer: aldehidi su izomerni prema ketonima:

Alkini – alkadieni

H 2 C = CH – CH = CH 2 butadien -1,3 HC = C - CH 2 – CH 3 – butin-1

Strukturni izomerizam također određuje raznolikost ugljikovodičnih radikala. Izomerija radikala počinje s propanom, za koji su moguća dva radikala. Ako se atom vodika oduzme od primarnog atoma ugljika, dobije se radikal propil (n-propil). Ako se atom vodika oduzme od sekundarnog atoma ugljika, dobije se radikal izopropil.

izopropil

CH 2 – CH 2 – CH 3 - rez

prostorni izomerizam (stereoizomerizam)

To je postojanje izomera koji imaju isti sastav i red povezanosti atoma, ali se razlikuju po prirodi rasporeda atoma ili grupa atoma u prostoru u odnosu jedan na drugog.

Ovu vrstu izomerizma opisali su L. Pasteur (1848), J. Van't Hoff, Le Bel (1874).

U realnim uslovima, sama molekula i njeni pojedinačni delovi (atomi, grupe atoma) su u stanju vibraciono-rotacionog kretanja, a to kretanje u velikoj meri menja relativni raspored atoma u molekulu. U ovom trenutku, hemijske veze se rastežu i uglovi veze se menjaju, pa nastaju različite konfiguracije i konformacije molekula.

Stoga se prostorni izomeri dijele na dvije vrste: konformacijske i konfiguracijske.

Konfiguracije su red po kojem su atomi raspoređeni u prostoru bez uzimanja u obzir razlika koje su rezultat rotacije oko pojedinačnih veza. Ovi izomeri postoje u različitim konformacijama.

Konformacije su vrlo nestabilni dinamički oblici iste molekule koji nastaju kao rezultat rotacije atoma ili grupa atoma oko jednostrukih veza, uslijed čega atomi zauzimaju različite prostorne položaje. Svaku konformaciju molekula karakterizira specifična konfiguracija.

B-veza omogućava rotaciju oko nje, tako da jedan molekul može imati mnogo konformacija. Od mnogih konformacija, samo šest se uzima u obzir, jer Minimalnim uglom rotacije smatra se ugao jednak 60°, koji se naziva ugao torzije.

Postoje: pomračene i inhibirane konformacije.

Pomračena konformacija nastaje kada su identični supstituenti locirani na minimalnoj udaljenosti jedan od drugog i između njih nastaju sile međusobnog odbijanja, a molekul mora imati veliku zalihu energije da održi ovu konformaciju. Ova konformacija je energetski nepovoljna.

Inhibirana konformacija – nastaje kada su identični supstituenti međusobno što dalje udaljeni i molekul ima minimalnu rezervu energije. Ova konformacija je energetski povoljna.

P Prvo jedinjenje za koje je poznato postojanje konformacionih izomera je etan. Njegova struktura u prostoru prikazana je formulom perspektive ili Newmanovom formulom:

WITH 2 N 6

zamagljeno inhibirano

konformacija konformacija

Newmanove projekcijske formule.

Nama najbliži atom ugljika označen je tačkom u središtu kruga, krug predstavlja udaljeni atom ugljika. Tri veze svakog atoma su prikazane kao linije koje se razilaze od središta kruga - za najbliži atom ugljika i male - za udaljeni atom ugljika.

U dugim ugljikovim lancima moguća je rotacija oko nekoliko C–C veza. Stoga cijeli lanac može poprimiti različite geometrijske oblike. Prema podacima rendgenske difrakcije, dugi lanci zasićenih ugljikovodika imaju cik-cak i konformaciju u obliku kandže. Na primjer: palmitinska (C 15 H 31 COOH) i stearinska (C 17 H 35 COOH) kiseline u cik-cak konformacijama dio su lipida ćelijskih membrana, a molekuli monosaharida u rastvoru poprimaju konformaciju u obliku kandže.

Konformacije cikličkih jedinjenja

Ciklične veze karakteriziraju kutni naponi povezani s prisustvom zatvorenog ciklusa.

Ako smatramo da su ciklusi ravni, onda će za mnoge od njih uglovi veze značajno odstupati od normalnih. Naprezanje uzrokovano odstupanjem uglova veze između atoma ugljika u prstenu od normalne vrijednosti naziva se ugao ili Bayer's.

Na primjer, u cikloheksanu atomi ugljika su u sp 3 hibridnom stanju i, shodno tome, ugao veze bi trebao biti jednak 109 o 28 /. Kada bi atomi ugljika ležali u istoj ravni, tada bi u planarnom prstenu unutrašnji uglovi veze bili jednaki 120°, a svi atomi vodika bi bili u pomračenoj konformaciji. Ali cikloheksan ne može biti ravan zbog prisustva jakih ugaonih i torzijskih napona. Razvija manje napregnute neplanarne konformacije zbog djelomične rotacije oko ϭ-veza, među kojima su konformacije stabilnije fotelje I kupke.

Konformacija stolice je energetski najpovoljnija, jer nema okludirane pozicije atoma vodika i ugljika. Raspored H atoma svih C atoma je isti kao u inhibiranoj konformaciji etana. U ovoj konformaciji, svi atomi vodika su otvoreni i dostupni za reakcije.

Konformacija kupke je energetski manje povoljna, jer 2 para C atoma (C-2 i C-3), (C-5 i C-6) koji leže u bazi imaju H atome u pomračenoj konformaciji, stoga ova konformacija ima veliku rezerva energije i nestabilna.

C 6 H 12 cikloheksan

Oblik "stolice" je energetski korisniji od "kade".

Optički izomerizam.

Krajem 19. stoljeća otkriveno je da su mnoga organska jedinjenja sposobna rotirati ravninu polariziranog snopa lijevo i desno. Odnosno, svjetlosni snop koji pada na molekulu stupa u interakciju s njenim elektronskim omotačima i dolazi do polarizacije elektrona, što dovodi do promjene smjera oscilacija u električnom polju. Ako supstanca rotira ravan vibracije u smjeru kazaljke na satu, naziva se desnorotirajući(+) ako je suprotno od kazaljke na satu - ljevoruk(-). Ove supstance su nazvane optički izomeri. Optički aktivni izomeri sadrže asimetrični atom ugljika (kiralni) - to je atom koji sadrži četiri različita supstituenta. Drugi važan uslov je odsustvo svih vrsta simetrije (os, ravan). To uključuje mnoge hidroksi i aminokiseline

Istraživanja su pokazala da se takvi spojevi razlikuju po redoslijedu supstituenata na atomima ugljika u sp 3 hibridizaciji.

P najjednostavniji spoj je mliječna kiselina (2-hidroksipropanska kiselina)

Stereoizomeri čije su molekule povezane jedna s drugom kao objekt i nekompatibilna zrcalna slika ili kao lijeva i desna ruka nazivaju se enantiomeri(optički izomeri, zrcalni izomeri, antipodi i fenomen se zove enantiomerizam. Sva hemijska i fizička svojstva enantiomera su ista, osim dva: rotacija ravni polarizovane svetlosti (u polarimetarskom uređaju) i biološka aktivnost.

Apsolutna konfiguracija molekula određena je složenim fizičko-hemijskim metodama.

Relativna konfiguracija optički aktivnih jedinjenja određena je poređenjem sa standardom gliceraldehida. Optički aktivne tvari koje imaju konfiguraciju desnorotatornog ili levorotatornog gliceraldehida (M. Rozanov, 1906) nazivaju se tvarima D- i L-serije. Jednaka mješavina desno- i levorotirajućih izomera jednog spoja naziva se racemat i optički je neaktivna.

Istraživanja su pokazala da se znak rotacije svjetlosti ne može povezati s pripadanjem tvari D- i L-seriji on se utvrđuje samo eksperimentalno u instrumentima - polarimetrima. Na primjer, L-mliječna kiselina ima ugao rotacije od +3,8 o, D-mliječna kiselina - 3,8 o.

Enantiomeri su prikazani korištenjem Fischerovih formula.

Ugljični lanac je predstavljen vertikalnom linijom.

Viša funkcionalna grupa se nalazi na vrhu, a mlađa funkcionalna grupa na dnu.

Asimetrični atom ugljika predstavljen je vodoravnom linijom na čijim se krajevima nalaze supstituenti.

Broj izomera je određen formulom 2 n, n je broj asimetričnih atoma ugljika.

L-red D-red

Među enantiomerima mogu postojati simetrične molekule koje nemaju optičku aktivnost, a nazivaju se mezoizomeri.

Na primjer: Vinska kuća

D – (+) – red L – (–) – red

Mezovinnaya k-ta

Racemat – sok od grožđa

Optički izomeri koji nisu zrcalni izomeri, koji se razlikuju po konfiguraciji nekoliko, ali ne svih asimetričnih C atoma, koji imaju različita fizička i hemijska svojstva, nazivaju se - di-A-stereoizomeri.

-Diastereomeri (geometrijski izomeri) su stereomeri koji imaju  vezu u molekulu. Nalaze se u alkenima, nezasićenim jedinjenjima višeg ugljika, nezasićenim dikarbonskim jedinjenjima. Na primjer:

Cis-buten-2 Trans-buten-2

Biološka aktivnost organskih supstanci je povezana sa njihovom strukturom. Na primjer:

cis-butendiična kiselina, trans-butendiična kiselina,

maleinska kiselina - fumarna kiselina - netoksična,

vrlo otrovan u tijelu

Sva prirodna nezasićena jedinjenja višeg ugljenika su cis-izomeri.

Teorija A.M. Butlerov

1. Atomi u molekulima povezani su jedni s drugima u određenom nizu hemijskim vezama u skladu sa svojom valencijom. Redosled kojim se atomi vezuju naziva se njihova hemijska struktura. Ugljik u svim organskim jedinjenjima je četverovalentan.

2. Svojstva supstanci određuju ne samo kvalitativni i kvantitativni sastav molekula, već i njihova struktura.

3. Atomi ili grupe atoma međusobno utiču jedni na druge, što određuje reaktivnost molekula.

4. Struktura molekula može se utvrditi na osnovu proučavanja njihovih hemijskih svojstava.

Organska jedinjenja imaju niz karakterističnih osobina koje ih razlikuju od neorganskih. Gotovo svi (sa rijetkim izuzecima) su zapaljivi; Većina organskih spojeva ne disocira na ione, što je zbog prirode kovalentnih veza u organskim tvarima. Jonski tip veze ostvaruje se samo u solima organskih kiselina, na primjer, CH3COONa.

Homologna serija- ovo je beskonačan niz organskih jedinjenja koja imaju sličnu strukturu i, prema tome, slična hemijska svojstva i međusobno se razlikuju po bilo kom broju CH2– grupa (homologna razlika).

I prije stvaranja teorije strukture bile su poznate tvari s istim elementarnim sastavom, ali s različitim svojstvima. Takve supstance su nazvane izomeri, a sam ovaj fenomen nazvan je izomerizam.

Osnova izomerizma, kako pokazuje A.M. Butlerov, leži razlika u strukturi molekula koje se sastoje od istog skupa atoma.

Izomerizam- ovo je fenomen postojanja spojeva koji imaju isti kvalitativni i kvantitativni sastav, ali različite strukture i, prema tome, različita svojstva.

Postoje 2 vrste izomerizma: strukturalni izomerizam i prostorni izomerizam.

Strukturni izomerizam

Strukturni izomeri– jedinjenja istog kvalitativnog i kvantitativnog sastava, koji se razlikuju po redosledu vezivanja atoma, odnosno hemijskoj strukturi.

Prostorni izomerizam

Prostorni izomeri(stereoizomeri) istog sastava i iste hemijske strukture razlikuju se po prostornom rasporedu atoma u molekulu.
Prostorni izomeri su optički i cis-trans izomeri (geometrijski).

Cis-trans izomerizam

leži u mogućnosti postavljanja supstituenata na jednu ili suprotnu stranu ravnine dvostruke veze ili nearomatskog prstena cis izomeri supstituenti su na jednoj strani ravni prstena ili dvostruke veze, u trans izomeri- na različite načine.

U molekuli butena-2 CH3–CH=CH–CH3, CH3 grupe mogu se nalaziti ili na jednoj strani dvostruke veze - u cis izomeru, ili na suprotnim stranama - u trans izomeru.

Optički izomerizam

Pojavljuje se kada ugljenik ima četiri različita supstituenta.
Ako zamijenite bilo koja dva od njih, dobićete još jedan prostorni izomer istog sastava. Fizičko-hemijska svojstva takvih izomera značajno se razlikuju. Jedinjenja ovog tipa odlikuju se svojom sposobnošću da za određenu količinu rotiraju ravninu polarizirane svjetlosti koja se prenosi kroz otopinu takvih spojeva. U ovom slučaju, jedan izomer rotira ravan polarizirane svjetlosti u jednom smjeru, a njegov izomer rotira u suprotnom smjeru. Zbog ovakvih optičkih efekata, ova vrsta izomerizma se naziva optička izomerija.

Sadržaj članka

ISOMERIA(grčki isos - identičan, meros - dio) jedan je od najvažnijih koncepata u hemiji, uglavnom u organskoj. Supstance mogu imati isti sastav i molekulsku težinu, ali različite strukture i spojevi koji sadrže iste elemente u istoj količini, ali se razlikuju po prostornom rasporedu atoma ili grupa atoma, nazivaju se izomeri. Izomerizam je jedan od razloga zašto su organska jedinjenja toliko brojna i raznolika.

Izomerizam je prvi otkrio J. Liebig 1823. godine, koji je ustanovio da soli srebra fulminata i izocijanskih kiselina: Ag-O-N=C i Ag-N=C=O imaju isti sastav, ali različita svojstva. Termin “izomerizam” uveo je 1830. I. Berzelius, koji je sugerirao da razlike u svojstvima spojeva istog sastava nastaju zbog činjenice da su atomi u molekulu raspoređeni različitim redoslijedom. Ideja o izomeriji konačno je nastala nakon što je A.M. Butlerov stvorio teoriju kemijske strukture (1860-ih). Na osnovu ove teorije, on je predložio da postoje četiri različita butanola (slika 1). Do trenutka kada je teorija stvorena, bio je poznat samo jedan butanol (CH 3) 2 CHCH 2 OH, dobijen iz biljnih materijala.

Rice. 1. Izomeri butanola

Naknadna sinteza svih izomera butanola i određivanje njihovih svojstava postala je uvjerljiva potvrda teorije.

Prema modernoj definiciji, dva spoja istog sastava smatraju se izomerima ako se njihovi molekuli ne mogu spojiti u prostoru tako da se potpuno poklapaju. Kombinacija se, po pravilu, radi mentalno u složenim slučajevima, koriste se prostorni modeli ili metode proračuna.

Postoji nekoliko razloga za izomerizam.

STRUKTURALNI IZOMERIZAM

U pravilu je uzrokovana razlikama u strukturi ugljikovodičnih skeleta ili nejednakim rasporedom funkcionalnih grupa ili višestrukim vezama.

Izomerizam skeleta ugljikovodika.

Zasićeni ugljikovodici koji sadrže od jednog do tri atoma ugljika (metan, etan, propan) nemaju izomere. Za jedinjenje sa četiri atoma ugljika C 4 H 10 (butan) moguća su dva izomera, za pentan C 5 H 12 - tri izomera, za heksan C 6 H 14 - pet (slika 2):

Rice. 2. Izomeri najjednostavnijih ugljovodonika

Kako se broj ugljikovih atoma u molekuli ugljikovodika povećava, broj mogućih izomera dramatično raste. Za heptan C 7 H 16 postoji devet izomera, za ugljovodonik C 14 H 30 postoji 1885 izomera, za ugljovodonik C 20 H 42 preko 366.000.

U složenim slučajevima, pitanje jesu li dva spoja izomeri rješava se različitim rotacijama oko valentnih veza (jednostavne veze to dopuštaju, što u određenoj mjeri odgovara njihovim fizičkim svojstvima). Nakon pomjeranja pojedinačnih fragmenata molekula (bez prekida veza), jedan molekul se superponira na drugi (slika 3). Ako su dvije molekule potpuno identične, onda to nisu izomeri, već isti spoj:

Izomeri koji se razlikuju po strukturi skeleta obično imaju različita fizička svojstva (tačka topljenja, tačka ključanja, itd.), što omogućava odvajanje jednog od drugog. Ova vrsta izomerizma postoji i kod aromatičnih ugljovodonika (slika 4):

Rice. 4. Aromatični izomeri

Pozicioni izomerizam.

Druga vrsta strukturne izomerije, poziciona izomerija, javlja se u slučajevima kada se funkcionalne grupe, pojedinačni heteroatomi ili višestruke veze nalaze na različitim mjestima u ugljikovodičnom skeletu. Strukturni izomeri mogu pripadati različitim klasama organskih jedinjenja, pa se mogu razlikovati ne samo po fizičkim, već i po hemijskim svojstvima. Na sl. Slika 5 prikazuje tri izomera za jedinjenje C 3 H 8 O, dva od njih su alkoholi, a treći je etar

Rice. 5. Položaj izomera

Često su razlike u strukturi pozicionih izomera toliko očigledne da ih nije ni potrebno mentalno kombinovati u prostoru, na primer, izomeri butena ili dihlorobenzena (slika 6):

Rice. 6. Izomeri butena i dihlorobenzena

Ponekad strukturni izomeri kombinuju karakteristike izomerizma skeleta ugljovodonika i pozicionog izomerizma (slika 7).

Rice. 7. Kombinacija dva tipa strukturne izomerije

U pitanjima izomerizma, teorijska razmatranja i eksperiment su međusobno povezani. Ako razmatranja pokažu da izomeri ne mogu postojati, onda bi eksperimenti trebali pokazati isto. Ako proračuni ukazuju na određeni broj izomera, onda se može dobiti isti broj ili manje njih, ali ne više - ne mogu se dobiti svi teoretski izračunati izomeri, jer međuatomske udaljenosti ili uglovi veze u predloženom izomeru mogu biti izvan dopuštenih granica . Za tvar koja sadrži šest CH grupa (na primjer, benzen), teoretski je moguće 6 izomera (slika 8).

Rice. 8. Izomeri benzena

Prvih pet od prikazanih izomera postoji (drugi, treći, četvrti i peti izomera dobijeni su skoro 100 godina nakon što je utvrđena struktura benzena). Potonji izomer najvjerovatnije nikada neće biti dobijen. Predstavljen kao šestougao, najmanje je vjerovatno da će se formirati, a njegove deformacije rezultiraju strukturama u obliku zakošene prizme, trokrake zvijezde, nepotpune piramide i dvostruke piramide (nepotpuni oktaedar). Svaka od ovih opcija sadrži ili vrlo različite C-C veze po veličini ili jako izobličene uglove veze (slika 9):

Hemijske transformacije usljed kojih se strukturni izomeri pretvaraju jedan u drugi nazivaju se izomerizacija.

Stereoizomerizam

nastaje zbog različitog rasporeda atoma u prostoru sa istim redoslijedom veza između njih.

Jedna vrsta stereoizomerizma je cis-trans izomerizam (cis- lat. s jedne strane, trans - lat. kroz, na različitim stranama) se uočava u spojevima koji sadrže višestruke veze ili planarne cikluse. Za razliku od jednostruke veze, višestruka veza ne dozvoljava pojedinačnim fragmentima molekula da se rotiraju oko nje. Da bi se odredio tip izomera, kroz dvostruku vezu se mentalno povlači ravan, a zatim se analizira način na koji su supstituenti postavljeni u odnosu na ovu ravan. Ako su identične grupe na istoj strani ravnine, onda ovo cis-izomer, ako je na suprotnim stranama – trans-izomer:

Fizička i hemijska svojstva cis- I trans-izomeri su ponekad primetno različiti u maleinskoj kiselini, karboksilne grupe –COOH su prostorno bliske, mogu reagovati (slika 11), formirajući anhidrid maleinske kiseline (ova reakcija se ne dešava za fumarnu kiselinu):

Rice. 11. Formiranje maleinskog anhidrida

U slučaju ravnih cikličkih molekula, nije potrebno mentalno crtati ravan, jer je ona već data oblikom molekule, kao na primjer u cikličkim siloksanima (slika 12):

Rice. 12. Izomeri ciklosiloksana

U složenim metalnim jedinjenjima cis-izomer je spoj u kojem se dvije identične grupe, od onih koje okružuju metal, nalaze u blizini, u trans-izomer, oni su razdvojeni drugim grupama (slika 13):

Rice. 13. Izomeri kompleksa kobalta

Drugi tip stereoizomerizma, optički izomerizam, javlja se u slučajevima kada su dva izomera (u skladu s ranije formuliranom definicijom, dva molekula koja nisu kompatibilna u prostoru) ogledala jedan drugog. Ovo svojstvo posjeduju molekuli koji se mogu predstaviti kao jedan atom ugljika koji ima četiri različita supstituenta. Valencije centralnog atoma ugljika vezanog za četiri supstituenta usmjerene su prema vrhovima mentalnog tetraedra - pravilnog tetraedra ( cm. ORBITALNO) i kruto fiksirano. Četiri nejednaka supstituenta prikazana su na Sl. 14 u obliku četiri loptice različitih boja:

Rice. 14. Atom ugljika sa četiri različita supstituenta

Da bi se otkrilo moguće formiranje optičkog izomera, potrebno je (slika 15) molekulu odraziti u ogledalu, tada zrcalnu sliku treba uzeti kao pravi molekul, postavljen ispod originalnog tako da im se vertikalne ose poklapaju, a drugi molekul treba rotirati oko vertikalne ose tako da se crvena kugla gornji i donji molekuli nalaze jedan ispod drugog. Kao rezultat toga, položaj samo dvije lopte, bež i crvene, poklapa se (označen dvostrukim strelicama). Ako rotirate donju molekulu tako da se plave kuglice poravnaju, tada će se položaj samo dvije kuglice opet poklopiti - bež i plave (također označene dvostrukim strelicama). Sve postaje očito ako se ova dva molekula mentalno spoje u prostoru, stavljajući jedan u drugi, poput noža u koricu, crvena i zelena lopta se ne poklapaju:

Za bilo koju međusobnu orijentaciju u prostoru, dvije takve molekule ne mogu postići potpunu podudarnost prema definiciji, to su izomeri; Važno je napomenuti da ako središnji atom ugljika nema četiri, već samo tri različita supstituenta (odnosno, dva su ista), onda kada se takva molekula reflektira u ogledalu, optički izomer ne nastaje, pošto se molekul i njegov odraz mogu kombinovati u prostoru (slika 16):

Osim ugljika, kao asimetrični centri mogu djelovati i drugi atomi u kojima su kovalentne veze usmjerene prema uglovima tetraedra, na primjer, silicijum, kalaj, fosfor.

Optička izomerija se javlja ne samo u slučaju asimetričnog atoma, već se ostvaruje iu nekim okvirnim molekulima u prisustvu određenog broja različitih supstituenata. Na primjer, okvirni ugljovodonik adamantane, koji ima četiri različita supstituenta (slika 17), može imati optički izomer, pri čemu cijeli molekul igra ulogu asimetričnog centra, što postaje očigledno ako se adamantanski okvir mentalno skupi do tačke . Slično, siloksan, koji ima kubičnu strukturu (slika 17), također postaje optički aktivan u slučaju četiri različita supstituenta:

Rice. 17. Optički aktivne skele molekule

Opcije su moguće kada molekula ne sadrži asimetrično središte, čak ni u skrivenom obliku, ali može sama po sebi biti općenito asimetrična, a mogući su i optički izomeri. Na primjer, u kompleksnom jedinjenju berilija, dva ciklična fragmenta su smještena u međusobno okomitim ravninama, u ovom slučaju su dva različita supstituenta dovoljna da se dobije optički izomer (slika 18). Za molekulu ferocena, koja ima oblik pentaedarske prizme, potrebna su tri supstituenta za istu svrhu, atom vodonika u ovom slučaju igra ulogu jednog od supstituenata (slika 18):

Rice. 18. Optička izomerija asimetričnih molekula

U većini slučajeva, strukturna formula jedinjenja omogućava nam da razumemo šta tačno treba da se promeni u njemu da bi supstanca postala optički aktivna.

Sinteze optički aktivnih stereoizomera obično proizvode mješavinu desno- i levorotirajućih spojeva. Razdvajanje izomera se vrši reakcijom mješavine izomera s reagensima (obično prirodnog porijekla) koji sadrže asimetrični reakcioni centar. Neki živi organizmi, uključujući bakterije, prvenstveno metaboliziraju levorotatorne izomere.

Procesi (koji se nazivaju asimetrična sinteza) su sada razvijeni za proizvodnju specifičnog optičkog izomera.

Postoje reakcije koje omogućavaju pretvaranje optičkog izomera u njegov antipod ( cm. WALDEN KONVERZIJA).

Mikhail Levitsky