Donnez une description de ce que sont les isomères. Isomérie. Types d'isomérie. Isomérie structurale, géométrique, optique

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Pendant la leçon, vous aurez une idée générale des types d'isomérie et apprendrez ce qu'est un isomère. Découvrez les types d'isomérie en chimie organique : structurelle et spatiale (stéréoisomérie). À l'aide des formules développées des substances, considérez les sous-types d'isomérie structurelle (isomérie squelettique et positionnelle), découvrez les types d'isomérie spatiale : géométrique et optique.

Sujet : Introduction à la chimie organique

Leçon : Isomérie. Types d'isomérie. Isomérie structurale, géométrique, optique

Les types de formules décrivant des substances organiques que nous avons examinées précédemment montrent qu'une formule moléculaire peut correspondre à plusieurs formules développées différentes.

Par exemple, la formule moléculaire C2H6Ô correspondre deux substances avec différentes formules développées - alcool éthylique et éther diméthylique. Riz. 1.

L'alcool éthylique, un liquide qui réagit avec le sodium métallique pour libérer de l'hydrogène, bout à +78,5 0 C. Dans les mêmes conditions, l'éther diméthylique, un gaz qui ne réagit pas avec le sodium, bout à -23 0 C.

Ces substances diffèrent par leur structure : différentes substances ont la même formule moléculaire.

Riz. 1. Isomérie interclasse

Le phénomène de l'existence de substances qui ont la même composition, mais des structures différentes et donc des propriétés différentes, est appelé isomérie (des mots grecs « isos » - « égal » et « meros » - « partie », « partage »).

Types d'isomérie

Exister différents types isomérie.

L'isomérie structurelle est associée à un ordre différent d'assemblage des atomes dans une molécule.

L'éthanol et l'éther diméthylique sont des isomères structuraux. Puisqu’ils appartiennent à différentes classes de composés organiques, ce type d’isomérie structurale est appelé aussi interclasse . Riz. 1.

Des isomères structuraux peuvent également exister au sein d'une même classe de composés, par exemple, la formule C 5 H 12 correspond à trois hydrocarbures différents. Ce isomérie du squelette carboné. Riz. 2.

Riz. 2 Exemples de substances - isomères structuraux

Il existe des isomères structuraux avec le même squelette carboné, qui diffèrent par la position des liaisons multiples (doubles et triples) ou des atomes remplaçant l'hydrogène. Ce type d'isomérie structurelle est appelé isomérie de position.

Riz. 3. Isomérie de position structurelle

Dans les molécules ne contenant que des liaisons simples, une rotation presque libre des fragments moléculaires autour des liaisons est possible à température ambiante et, par exemple, toutes les images des formules du 1,2-dichloroéthane sont équivalentes. Riz. 4

Riz. 4. Position des atomes de chlore autour d'une simple liaison

Si la rotation est entravée, par exemple, dans une molécule cyclique ou avec une double liaison, alors isomérie géométrique ou cis-trans. Dans les isomères cis, les substituants sont situés d'un côté du plan du cycle ou de la double liaison, dans les isomères trans - sur les côtés opposés.

Les isomères cis-trans existent lorsqu'ils sont liés à un atome de carbone. deux différents adjoint Riz. 5.

Riz. 5. Isomères cis et trans

Un autre type d'isomérie est dû au fait qu'un atome de carbone avec quatre liaisons simples forme une structure spatiale avec ses substituants - un tétraèdre. Si une molécule possède au moins un atome de carbone lié à quatre substituants différents, isomérie optique. Ces molécules ne correspondent pas à leur image miroir. Cette propriété est appelée chiralité – du grec Avecici- "main". Riz. 6. L'isomérie optique est caractéristique de nombreuses molécules qui composent les organismes vivants.

Riz. 6. Exemples d'isomères optiques

L'isomérie optique est également appelée énantiomérie (du grec énantios- "opposé" et méros- "partie"), et les isomères optiques - énantiomères . Les énantiomères sont optiquement actifs ; ils font tourner le plan de polarisation de la lumière du même angle, mais dans des directions opposées : d- , ou (+)-isomère, - à droite, je- , ou (-)-isomère, - à gauche. Un mélange de quantités égales d’énantiomères appelé racémate, est optiquement inactif et est indiqué par le symbole d, l- ou (±).

Résumer la leçon

Au cours de la leçon, vous avez acquis une compréhension générale des types d'isomérie et de ce qu'est un isomère. Nous avons découvert les types d'isomérie en chimie organique : structurelle et spatiale (stéréoisomérie). À l'aide des formules développées des substances, nous avons examiné les sous-types d'isomérie structurelle (isomérie squelettique et positionnelle) et nous sommes familiarisés avec les types d'isomérie spatiale : géométrique et optique.

Bibliographie

1. Rudzite G.E. Chimie. Fondamentaux de chimie générale. 10e année : manuel pour les établissements d'enseignement général : niveau de base / G. E. Rudzitis, F.G. Feldman. - 14ème édition. - M. : Éducation, 2012.

2. Chimie. 10 e année. Niveau de profil : académique. pour l'enseignement général institutions/ V.V. Eremin, N.E. Kuzmenko, V.V. Lunin et al. - M. : Outarde, 2008. - 463 p.

3. Chimie. 11e année. Niveau de profil : académique. pour l'enseignement général institutions/ V.V. Eremin, N.E. Kuzmenko, V.V. Lunin et al. - M. : Outarde, 2010. - 462 p.

4. Khomchenko G.P., Khomchenko I.G. Recueil de problèmes de chimie pour ceux qui entrent à l'université. - 4e éd. - M. : RIA « Nouvelle Vague » : Editeur Umerenkov, 2012. - 278 p.

Devoirs

1. N° 1,2 (p.39) Rudzitis G.E. Chimie. Fondamentaux de chimie générale. 10e année : manuel pour les établissements d'enseignement général : niveau de base / G. E. Rudzitis, F.G. Feldman. - 14ème édition. - M. : Éducation, 2012.

2. Pourquoi le nombre d'isomères dans les hydrocarbures de la série éthylène est-il supérieur à celui des hydrocarbures saturés ?

3. Quels hydrocarbures ont des isomères spatiaux ?

Isomères- des substances ayant la même structure moléculaire, mais des structures et propriétés chimiques différentes.

Types d'isomérie

je. Structurel - réside dans la séquence différente de connexions d'atomes dans la chaîne d'une molécule :

1) Isomérie en chaîne

Il convient de noter que les atomes de carbone d'une chaîne ramifiée diffèrent par le type de connexion avec d'autres atomes de carbone. Ainsi, un atome de carbone lié à un seul autre atome de carbone est appelé primaire, avec deux autres atomes de carbone - secondaire, avec trois - tertiaire, avec quatre - quaternaire.

2) Isomérie de position

3) Isomérie interclasse

4) Tautomérie

Tautomérie(du grec ταύτίς - le même et μέρος - mesure) - le phénomène d'isomérie réversible, dans lequel deux ou plusieurs isomères se transforment facilement l'un en l'autre. Dans ce cas, un équilibre tautomère est établi et la substance contient simultanément des molécules de tous les isomères dans un certain rapport. Le plus souvent, la tautomérisation implique le mouvement d’atomes d’hydrogène d’un atome d’une molécule à un autre et vice-versa dans le même composé.

II. Spatial (stéréo) - en raison de positions différentes d'atomes ou de groupes par rapport à une double liaison ou un cycle, excluant la libre rotation des atomes de carbone connectés

1. Géométrique (cis -, trans - isomérie)

Si un atome de carbone dans une molécule est lié à quatre atomes ou groupes atomiques différents, par exemple :

alors l'existence de deux composés ayant la même formule développée, mais différant par leur structure spatiale, est possible. Les molécules de ces composés sont liées les unes aux autres comme un objet et son image miroir et sont des isomères spatiaux.

Ce type d'isomérie est appelé optique ; les isomères sont appelés isomères optiques ou antipodes optiques :

Les molécules d'isomères optiques sont incompatibles dans l'espace (comme les mains gauche et droite) ; elles n'ont pas de plan de symétrie.
Ainsi,

isomères optiques sont appelés isomères spatiaux, dont les molécules sont liées les unes aux autres comme un objet et une image miroir incompatible.

Isomères optiques des acides aminés

3. Isomérie conformationnelle

Il convient de noter que les atomes et les groupes d'atomes reliés entre eux par une liaison σ tournent constamment par rapport à l'axe de la liaison, occupant différentes positions dans l'espace les uns par rapport aux autres.

Les molécules qui ont la même structure et diffèrent dans la disposition spatiale des atomes en raison de la rotation autour des liaisons C-C sont appelées conformères.

Pour représenter les isomères conformationnels, il est pratique d'utiliser des formules - Projections de Newman :

Le phénomène d'isomérie conformationnelle peut également être envisagé à l'aide de l'exemple des cycloalcanes. Ainsi, le cyclohexane est caractérisé par les conformères suivants :

Par exemple, la formule moléculaire C2H6Ô correspondre deux substances avec différentes formules développées - alcool éthylique et éther diméthylique. Riz. 1.

L'alcool éthylique est un liquide qui réagit avec le sodium métallique pour libérer de l'hydrogène et bout à +78,5°C. Dans les mêmes conditions, l’éther diméthylique, un gaz qui ne réagit pas avec le sodium, bout à -230°C.

Ces substances diffèrent par leur structure : différentes substances ont la même formule moléculaire.

Riz. 1. Isomérie interclasse

Types d'isomérie

Il existe différents types d'isomérie.

L'isomérie structurelle est associée à un ordre différent d'assemblage des atomes dans une molécule.

Des isomères structuraux peuvent également exister au sein d'une même classe de composés, par exemple, la formule C5H12 correspond à trois hydrocarbures différents. Ce isomérie du squelette carboné. Riz. 2.

Riz. 2 Exemples de substances - isomères structuraux

Riz. 3. Isomérie de position structurelle

Riz. 4. Position des atomes de chlore autour d'une simple liaison

Les isomères cis-trans existent lorsqu'ils sont liés à un atome de carbone. deux différents adjoint Riz. 5.

Riz. 5. Isomères cis et trans

Riz. 6. Exemples d'isomères optiques

SOURCES

source vidéo - http://www.youtube.com/watch?v=mGS8BUEvkpY

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

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

source de présentation - 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

source de présentation - http://mirhimii.ru/10class/174-izomeriya.html

Conférences pour les étudiants de la Faculté de Pédiatrie

Conférence2

Sujet : Structure spatiale des composés organiques

Cible: connaissance des types d'isomérie structurelle et spatiale des composés organiques.

Plan:

Classification de l'isomérie.

Isomérie structurelle.

Isomérie spatiale

Isomérie optique

Les premières tentatives pour comprendre la structure des molécules organiques remontent au début du XIXe siècle. Le phénomène de l'isomérie a été découvert pour la première fois par J. Berzelius et A. M. Butlerov a proposé en 1861 une théorie de la structure chimique des composés organiques, qui expliquait le phénomène de l'isomérie.

L'isomérie est l'existence de composés ayant la même composition qualitative et quantitative, mais une structure ou un emplacement différent dans l'espace, et les substances elles-mêmes sont appelées isomères.

Classification des isomères

De construction

(ordre différent de connexion des atomes)

Stéréisomérie

(disposition différente des atomes dans l'espace)

Dispositions de connexion multiples

Dispositions des groupes fonctionnels

Configuration

Conforme-

Isomérie structurelle.

Les isomères structurels sont des isomères qui ont la même composition qualitative et quantitative, mais diffèrent par leur structure chimique.

L'isomérie structurale détermine la diversité des composés organiques, en particulier les alcanes. Avec une augmentation du nombre d'atomes de carbone dans les molécules alcanes, le nombre d'isomères structuraux augmente rapidement. Ainsi, pour l'hexane (C 6 H 14) c'est 5, pour le nonane (C 9 H 20) - 35.

Les atomes de carbone varient selon leur emplacement dans la chaîne. L'atome de carbone au début de la chaîne est lié à un atome de carbone et est appelé primaire. Un atome de carbone lié à deux atomes de carbone – secondaire, avec trois – tertiaire, avec quatre – quaternaire. Les alcanes à chaîne droite contiennent uniquement des atomes de carbone primaires et secondaires, tandis que les alcanes à chaîne ramifiée contiennent à la fois des atomes de carbone tertiaires et quaternaires.

Types d'isomérie structurelle.

Métamères– les composés appartenant à la même classe de composés, mais comportant des radicaux différents :

H 3 C – O – C 3 H 7 – éther méthylpropylique,

H 5 C 2 – O – C 2 H 5 – éther diéthylique

Isomérie interclasse. Malgré la même composition qualitative et quantitative des molécules, la structure des substances est différente.

Par exemple : les aldéhydes sont isomères des cétones :

Alcynes - alcadienes

H 2 C = CH – CH = CH 2 butadiène -1,3 HC = C - CH 2 – CH 3 – butine-1

L'isomérie structurelle détermine également la diversité des radicaux hydrocarbonés. L'isomérie des radicaux commence par le propane, pour lequel deux radicaux sont possibles. Si un atome d'hydrogène est soustrait de l'atome de carbone primaire, le radical résultant est propyle (n-propyle). Si un atome d'hydrogène est soustrait d'un atome de carbone secondaire, le radical isopropyle est obtenu.

isopropyle

CH 2 – CH 2 – CH 3 - couper

Isomérie spatiale (stéréoisomérie)

Il s'agit de l'existence d'isomères qui ont la même composition et le même ordre de connexion des atomes, mais diffèrent par la nature de la disposition des atomes ou des groupes d'atomes dans l'espace les uns par rapport aux autres.

Ce type d'isomérie a été décrit par L. Pasteur (1848), J. Van't Hoff, Le Bel (1874).

Dans des conditions réelles, la molécule elle-même et ses parties individuelles (atomes, groupes d'atomes) sont dans un état de mouvement vibration-rotation, et ce mouvement modifie considérablement la disposition relative des atomes dans la molécule. À ce stade, les liaisons chimiques sont étirées et les angles de liaison changent, donnant ainsi naissance à différentes configurations et conformations de molécules.

Par conséquent, les isomères spatiaux sont divisés en deux types : conformationnels et configurationnels.

Les configurations sont l'ordre dans lequel les atomes sont disposés dans l'espace sans tenir compte des différences résultant de la rotation autour de liaisons simples. Ces isomères existent sous différentes conformations.

Les conformations sont des formes dynamiques très instables de la même molécule qui résultent de la rotation d'atomes ou de groupes d'atomes autour de liaisons simples, de sorte que les atomes occupent des positions spatiales différentes. Chaque conformation d'une molécule est caractérisée par une configuration spécifique.

La liaison b permet une rotation autour d’elle, de sorte qu’une molécule peut avoir plusieurs conformations. Parmi les nombreuses conformations, seules six sont prises en compte, car L'angle minimum de rotation est considéré comme un angle égal à 60°, appelé angle de torsion.

Il existe : les conformations éclipsées et inhibées.

Forme éclipsée se produit lorsque des substituants identiques sont situés à une distance minimale les uns des autres et que des forces de répulsion mutuelle apparaissent entre eux, et la molécule doit disposer d'une grande réserve d'énergie pour maintenir cette conformation. Cette conformation est énergétiquement défavorable.

Conformation inhibée – se produit lorsque des substituants identiques sont aussi éloignés que possible les uns des autres et que la molécule dispose d'une réserve d'énergie minimale. Cette conformation est énergétiquement favorable.

P. Le premier composé pour lequel l'existence d'isomères conformationnels est connue est l'éthane. Sa structure dans l'espace est représentée par la formule de perspective ou formule de Newman :

AVEC 2 N 6

obscurci inhibé

conformation conformation

Les formules de projection de Newman.

L'atome de carbone le plus proche de nous est désigné par un point au centre du cercle, le cercle représente l'atome de carbone éloigné. Les trois liaisons de chaque atome sont représentées par des lignes divergeant du centre du cercle - pour l'atome de carbone le plus proche et des plus petits - pour l'atome de carbone éloigné.

Dans les longues chaînes carbonées, la rotation est possible autour de plusieurs liaisons C-C. Par conséquent, la chaîne entière peut prendre diverses formes géométriques. Selon les données de diffraction des rayons X, les longues chaînes d’hydrocarbures saturés ont une conformation en zigzag et en forme de griffe. Par exemple : les acides palmitique (C 15 H 31 COOH) et stéarique (C 17 H 35 COOH) en conformation en zigzag font partie des lipides des membranes cellulaires, et les molécules de monosaccharides en solution prennent une conformation en forme de griffe.

Conformations des composés cycliques

Les connexions cycliques sont caractérisées par une contrainte angulaire associée à la présence d'un cycle fermé.

Si nous considérons les cycles comme plats, alors pour beaucoup d’entre eux, les angles de liaison s’écarteront considérablement de la normale. La contrainte provoquée par la déviation des angles de liaison entre les atomes de carbone dans l'anneau par rapport à la valeur normale est appelée coin ou Bayer.

Par exemple, dans le cyclohexane, les atomes de carbone sont à l'état hybride sp 3 et, par conséquent, l'angle de liaison doit être égal à 109 o 28 /. Si les atomes de carbone se trouvaient dans le même plan, alors dans l’anneau planaire, les angles de liaison internes seraient égaux à 120° et tous les atomes d’hydrogène seraient dans une conformation éclipsée. Mais le cyclohexane ne peut pas être plat en raison de la présence de fortes contraintes angulaires et de torsion. Il développe des conformations non planaires moins sollicitées en raison de la rotation partielle autour des liaisons ϭ, parmi lesquelles les conformations sont plus stables les fauteuils Et thermes.

La conformation chaise est la plus favorable sur le plan énergétique, car elle n’a pas de positions occluses d’atomes d’hydrogène et de carbone. La disposition des atomes H de tous les atomes C est la même que dans la conformation inhibée de l'éthane. Dans cette conformation, tous les atomes d’hydrogène sont ouverts et disponibles pour les réactions.

La conformation du bain est moins favorable énergétiquement, puisque 2 paires d'atomes de C (C-2 et C-3), (C-5 et C-6) situées à la base ont des atomes de H dans une conformation éclipsée, donc cette conformation a une grande réserve d'énergie et instable.

C 6 H 12 cyclohexane

La forme « chaise » est plus bénéfique énergétiquement que la forme « baignoire ».

Isomérie optique.

À la fin du XIXe siècle, on a découvert que de nombreux composés organiques sont capables de faire tourner le plan d'un faisceau polarisé vers la gauche et la droite. Autrement dit, un faisceau lumineux incident sur une molécule interagit avec ses coquilles électroniques et une polarisation des électrons se produit, ce qui entraîne un changement dans la direction des oscillations du champ électrique. Si une substance fait tourner le plan de vibration dans le sens des aiguilles d’une montre, on l’appelle dextrogyre(+) si dans le sens inverse des aiguilles d'une montre - gaucher(-). Ces substances étaient appelées isomères optiques. Les isomères optiquement actifs contiennent un atome de carbone asymétrique (chiral) - il s'agit d'un atome contenant quatre substituants différents. La deuxième condition importante est l'absence de tout type de symétrie (axe, plan). Ceux-ci comprennent de nombreux acides hydroxy et aminés

Des études ont montré que ces composés diffèrent dans l'ordre d'arrangement des substituants sur les atomes de carbone lors de l'hybridation sp 3.

P. le composé le plus simple est l'acide lactique (acide 2-hydroxypropanoïque)

Les stéréoisomères dont les molécules sont liées les unes aux autres comme un objet et une image miroir incompatible ou comme une main gauche et droite sont appelés énantiomères(isomères optiques, isomères miroir, antipodes, et le phénomène est appelé énantiomérie. Toutes les propriétés chimiques et physiques des énantiomères sont les mêmes, à l'exception de deux : la rotation du plan de la lumière polarisée (dans un appareil polarimétrique) et l'activité biologique.

La configuration absolue des molécules est déterminée par des méthodes physico-chimiques complexes.

La configuration relative des composés optiquement actifs est déterminée par comparaison avec un étalon de glycéraldéhyde. Les substances optiquement actives ayant la configuration du glycéraldéhyde dextrogyre ou lévogyre (M. Rozanov, 1906) sont appelées substances des séries D et L. Un mélange égal d’isomères dextro- et lévogyres d’un composé est appelé racémate et est optiquement inactif.

Des études ont montré que le signe de la rotation de la lumière ne peut pas être associé à l'appartenance d'une substance aux séries D et L ; il n'est déterminé qu'expérimentalement dans des instruments - des polarimètres. Par exemple, l'acide L-lactique a un angle de rotation de +3,8 o, l'acide D-lactique - 3,8 o.

Les énantiomères sont représentés à l'aide des formules de Fischer.

La chaîne carbonée est représentée par une ligne verticale.

Le groupe fonctionnel senior est placé en haut, le groupe fonctionnel junior en bas.

Un atome de carbone asymétrique est représenté par une ligne horizontale aux extrémités de laquelle se trouvent des substituants.

Le nombre d'isomères est déterminé par la formule 2 n, n est le nombre d'atomes de carbone asymétriques.

Rangée L Rangée D

Parmi les énantiomères, il peut y avoir des molécules symétriques qui n'ont pas d'activité optique et sont appelées mésoisomères.

Par exemple : Maison du vin

D – (+) – rangée L – (–) – rangée

Mezovinaya k-ta

Racémate – jus de raisin

Les isomères optiques qui ne sont pas des isomères miroir, différant par la configuration de plusieurs atomes de C asymétriques, mais pas tous, ayant des propriétés physiques et chimiques différentes, sont appelés - di-UN-les stéréoisomères.

Les -diastéréomères (isomères géométriques) sont des stéréomères qui ont une liaison  dans la molécule. On les trouve dans les alcènes, les composés insaturés à haute teneur en carbone, les composés dicarboniques insaturés. Par exemple:

Cis-butène-2 Trans-butène-2

L'activité biologique des substances organiques est liée à leur structure. Par exemple:

Acide cis-butènediique, Acide trans-butènediique,

acide maléique - acide fumarique - non toxique,

très toxique trouvé dans le corps

Tous les composés naturels insaturés à plus haute teneur en carbone sont des isomères cis.

Théorie A.M. Butlerov

1. Les atomes des molécules sont reliés les uns aux autres dans un certain ordre par des liaisons chimiques en fonction de leur valence. L’ordre dans lequel les atomes se lient est appelé leur structure chimique. Le carbone dans tous les composés organiques est tétravalent.

2. Les propriétés des substances sont déterminées non seulement par la composition qualitative et quantitative des molécules, mais également par leur structure.

3. Les atomes ou groupes d'atomes s'influencent mutuellement, ce qui détermine la réactivité de la molécule.

4. La structure des molécules peut être établie sur la base de l’étude de leurs propriétés chimiques.

Les composés organiques présentent un certain nombre de caractéristiques qui les distinguent des composés inorganiques. Presque tous (à de rares exceptions près) sont inflammables ; La plupart des composés organiques ne se dissocient pas en ions, ce qui est dû à la nature des liaisons covalentes dans les substances organiques. Le type de liaison ionique n'est réalisé que dans les sels d'acides organiques, par exemple CH3COONa.

Série homologue- il s'agit d'une série infinie de composés organiques qui ont une structure similaire et, par conséquent, des propriétés chimiques similaires et diffèrent les uns des autres par un nombre quelconque de groupes CH2– (différence homologue).

Même avant la création de la théorie de la structure, on connaissait des substances ayant la même composition élémentaire, mais avec des propriétés différentes. De telles substances étaient appelées isomères, et ce phénomène lui-même était appelé isomérie.

La base de l'isomérie, comme le montre A.M. Butlerov, réside dans la différence dans la structure des molécules constituées du même ensemble d'atomes.

Isomérie- c'est le phénomène d'existence de composés qui ont la même composition qualitative et quantitative, mais des structures différentes et donc des propriétés différentes.

Il existe 2 types d'isomérie : de construction l'isomérie et spatial isomérie.

Isomérie structurelle

Isomères structurels– des composés de même composition qualitative et quantitative, différant par l'ordre de liaison des atomes, c'est-à-dire la structure chimique.

Isomérie spatiale

Isomères spatiaux(stéréoisomères) ayant la même composition et la même structure chimique diffèrent par la disposition spatiale des atomes dans la molécule.
Les isomères spatiaux sont les isomères optiques et cis-trans (géométriques).

Isomérie cis-trans

réside dans la possibilité de placer des substituants sur un côté ou des côtés opposés du plan d'une double liaison ou d'un cycle non aromatique B. isomères cis les substituants sont d'un côté du plan du cycle ou de la double liaison, en isomères trans- en différentes manières.

Dans la molécule butène-2 CH3–CH=CH–CH3, les groupes CH3 peuvent être situés soit d'un côté de la double liaison - dans l'isomère cis, soit sur les côtés opposés - dans l'isomère trans.

Isomérie optique

Apparaît lorsqu'un carbone possède quatre substituants différents.
Si vous en échangez deux, vous obtenez un autre isomère spatial de même composition. Les propriétés physicochimiques de ces isomères diffèrent considérablement. Les composés de ce type se distinguent par leur capacité à faire tourner d'une certaine quantité le plan de la lumière polarisée transmise à travers une solution de ces composés. Dans ce cas, un isomère fait tourner le plan de la lumière polarisée dans un sens et son isomère tourne dans le sens opposé. En raison de ces effets optiques, ce type d’isomérie est appelé isomérie optique.

Le contenu de l'article

ISOMÉRIE(Grec isos - identique, meros - partie) est l'un des concepts les plus importants en chimie, principalement en organique. Les substances peuvent avoir la même composition et le même poids moléculaire, mais des structures et des composés différents contenant les mêmes éléments dans la même quantité, mais différant par la disposition spatiale des atomes ou des groupes d'atomes, sont appelés isomères. L'isomérie est l'une des raisons pour lesquelles les composés organiques sont si nombreux et variés.

L'isomérie a été découverte pour la première fois par J. Liebig en 1823, qui a établi que les sels d'argent des acides fulminate et isocyanique : Ag-O-N=C et Ag-N=C=O ont la même composition, mais des propriétés différentes. Le terme « isomérie » a été introduit en 1830 par I. Berzelius, qui a suggéré que les différences dans les propriétés des composés de même composition sont dues au fait que les atomes de la molécule sont disposés dans un ordre différent. L'idée de l'isomérie s'est finalement formée après qu'A.M. Butlerov ait créé la théorie de la structure chimique (années 1860). Sur la base de cette théorie, il a proposé qu'il devrait y avoir quatre butanols différents (Fig. 1). Au moment où la théorie a été créée, un seul butanol était connu (CH 3) 2 CHCH 2 OH, obtenu à partir de matières végétales.

Riz. 1. Isomères du butanol

La synthèse ultérieure de tous les isomères du butanol et la détermination de leurs propriétés sont devenues une confirmation convaincante de la théorie.

Selon la définition moderne, deux composés de même composition sont considérés comme des isomères si leurs molécules ne peuvent pas être combinées dans l'espace de manière à coïncider complètement. La combinaison, en règle générale, se fait mentalement ; dans les cas complexes, des modèles spatiaux ou des méthodes de calcul sont utilisés.

Il y a plusieurs raisons à l'isomérie.

ISOMÉRISME STRUCTUREL

En règle générale, cela est dû à des différences dans la structure du squelette hydrocarboné ou à une disposition inégale des groupes fonctionnels ou à des liaisons multiples.

Isomérie du squelette hydrocarboné.

Les hydrocarbures saturés contenant de un à trois atomes de carbone (méthane, éthane, propane) n'ont pas d'isomères. Pour un composé à quatre atomes de carbone C 4 H 10 (butane), deux isomères sont possibles, pour le pentane C 5 H 12 - trois isomères, pour l'hexane C 6 H 14 - cinq (Fig. 2) :

Riz. 2. Isomères des hydrocarbures les plus simples

À mesure que le nombre d’atomes de carbone dans une molécule d’hydrocarbure augmente, le nombre d’isomères possibles augmente considérablement. Pour l'heptane C 7 H 16, il y a neuf isomères, pour l'hydrocarbure C 14 H 30 il y a 1885 isomères, pour l'hydrocarbure C 20 H 42 il y en a plus de 366 000.

Dans les cas complexes, la question de savoir si deux composés sont des isomères est résolue à l'aide de diverses rotations autour des liaisons de valence (des liaisons simples le permettent, ce qui correspond dans une certaine mesure à leurs propriétés physiques). Après avoir déplacé des fragments individuels de la molécule (sans rompre les liaisons), une molécule se superpose à une autre (Fig. 3). Si deux molécules sont complètement identiques, alors ce ne sont pas des isomères, mais le même composé :

Les isomères qui diffèrent par leur structure squelettique ont généralement des propriétés physiques différentes (point de fusion, point d'ébullition, etc.), ce qui permet de les séparer les uns des autres. Ce type d'isomérie existe également dans les hydrocarbures aromatiques (Fig. 4) :

Riz. 4. Isomères aromatiques

Isomérie positionnelle.

Un autre type d'isomérie structurelle, l'isomérie de position, se produit dans les cas où des groupes fonctionnels, des hétéroatomes individuels ou des liaisons multiples sont situés à différents endroits du squelette des hydrocarbures. Les isomères structurels peuvent appartenir à différentes classes de composés organiques, ils peuvent donc différer non seulement par leurs propriétés physiques, mais également par leurs propriétés chimiques. En figue. La figure 5 montre trois isomères du composé C 3 H 8 O, deux d'entre eux sont des alcools et le troisième est un éther.

Riz. 5. Positionner les isomères

Souvent, les différences dans la structure des isomères de position sont si évidentes qu'il n'est même pas nécessaire de les combiner mentalement dans l'espace, par exemple les isomères du butène ou du dichlorobenzène (Fig. 6) :

Riz. 6. Isomères du butène et du dichlorobenzène

Parfois, les isomères structuraux combinent les caractéristiques de l'isomérie du squelette des hydrocarbures et de l'isomérie de position (Fig. 7).

Riz. 7. Combinaison de deux types d'isomérie structurelle

En matière d'isomérie, les considérations théoriques et l'expérience sont interconnectées. Si les considérations montrent que les isomères ne peuvent pas exister, alors les expériences devraient montrer la même chose. Si les calculs indiquent un certain nombre d'isomères, alors le même nombre ou moins d'entre eux peuvent être obtenus, mais pas plus - tous les isomères théoriquement calculés ne peuvent pas être obtenus, car les distances interatomiques ou les angles de liaison dans l'isomère proposé peuvent être en dehors des limites admissibles. . Pour une substance contenant six groupes CH (par exemple le benzène), 6 isomères sont théoriquement possibles (Fig. 8).

Riz. 8. Isomères du benzène

Les cinq premiers isomères présentés existent (les deuxième, troisième, quatrième et cinquième isomères ont été obtenus près de 100 ans après l'établissement de la structure du benzène). Ce dernier isomère ne sera probablement jamais obtenu. Représenté comme un hexagone, c'est le moins susceptible de se former, et ses déformations aboutissent à des structures en forme de prisme biseauté, d'étoile à trois branches, de pyramide incomplète et de pyramide double (un octaèdre incomplet). Chacune de ces options contient soit des liaisons C-C de taille très différente, soit des angles de liaison très déformés (Fig. 9) :

Les transformations chimiques à la suite desquelles les isomères structuraux sont convertis les uns dans les autres sont appelées isomérisation.

Stéréisomérie

survient en raison de la disposition différente des atomes dans l’espace avec le même ordre de liaisons entre eux.

Un type de stéréoisomérie est l'isomérie cis-trans (cis - latitude. d'un côté, trans - latitude. à travers, sur différents côtés) est observée dans les composés contenant de multiples liaisons ou cycles planaires. Contrairement à une liaison simple, une liaison multiple ne permet pas aux fragments individuels de la molécule de tourner autour d'elle. Afin de déterminer le type d'isomère, un plan est mentalement dessiné à travers la double liaison, puis la façon dont les substituants sont placés par rapport à ce plan est analysée. Si des groupes identiques se trouvent du même côté de l’avion, alors cela cis-isomère, si sur les côtés opposés – transe-isomère :

Proprietes physiques et chimiques cis- Et transe-les isomères sont parfois sensiblement différents ; dans l'acide maléique, les groupes carboxyle –COOH sont spatialement proches, ils peuvent réagir (Fig. 11), formant de l'anhydride d'acide maléique (cette réaction ne se produit pas pour l'acide fumarique) :

Riz. 11. Formation d'anhydride maléique

Dans le cas de molécules cycliques plates, il n'est pas nécessaire de dessiner mentalement un plan, puisqu'il est déjà donné par la forme de la molécule, comme par exemple dans les siloxanes cycliques (Fig. 12) :

Riz. 12. Isomères du cyclosiloxane

Dans les composés métalliques complexes cis-isomère est un composé dans lequel deux groupes identiques, parmi ceux entourant le métal, sont situés à proximité, dans transe-isomère, ils sont séparés par d'autres groupes (Fig. 13) :

Riz. 13. Isomères du complexe du cobalt

Le deuxième type de stéréoisomérie, l'isomérie optique, se produit dans les cas où deux isomères (conformément à la définition formulée précédemment, deux molécules non compatibles dans l'espace) sont des images miroir l'une de l'autre. Cette propriété est possédée par des molécules qui peuvent être représentées comme un seul atome de carbone comportant quatre substituants différents. Les valences de l'atome de carbone central lié à quatre substituants sont dirigées vers les sommets d'un tétraèdre mental - un tétraèdre régulier ( cm. ORBITAL) et rigidement fixé. Quatre substituants inégaux sont représentés sur la figure. 14 sous forme de quatre boules de couleurs différentes :

Riz. 14. Atome de carbone avec quatre substituants différents

Pour détecter la formation éventuelle d'un isomère optique, il faut (Fig. 15) réfléchir la molécule dans un miroir, puis l'image miroir doit être prise comme une vraie molécule, placée sous l'originale de manière à ce que leurs axes verticaux coïncident, et la deuxième molécule doit tourner autour de l'axe vertical de sorte que la boule rouge, les molécules supérieure et inférieure soient situées l'une sous l'autre. De ce fait, la position de seulement deux boules, beige et rouge, coïncide (marquée par des doubles flèches). Si vous faites pivoter la molécule inférieure pour que les boules bleues s'alignent, alors la position de seulement deux boules coïncidera à nouveau - beige et bleue (également marquées par des doubles flèches). Tout devient évident si ces deux molécules sont mentalement combinées dans l'espace, s'emboîtant l'une dans l'autre, comme un couteau dans un fourreau, la boule rouge et verte ne coïncident pas :

Pour toute orientation mutuelle dans l'espace, deux de ces molécules ne peuvent pas atteindre une coïncidence complète lorsqu'elles sont combinées selon la définition, ce sont des isomères ; Il est important de noter que si l'atome de carbone central n'a pas quatre, mais seulement trois substituants différents (c'est-à-dire que deux d'entre eux sont identiques), alors lorsqu'une telle molécule est réfléchie dans un miroir, un isomère optique ne se forme pas, puisque la molécule et sa réflexion peuvent être combinées dans l'espace (Fig. . 16) :

En plus du carbone, d'autres atomes dans lesquels les liaisons covalentes sont dirigées vers les coins du tétraèdre, par exemple le silicium, l'étain, le phosphore, peuvent agir comme centres asymétriques.

L'isomérie optique se produit non seulement dans le cas d'un atome asymétrique, elle se réalise également dans certaines molécules charpentes en présence d'un certain nombre de substituants différents. Par exemple, la charpente de l'hydrocarbure adamantane, qui comporte quatre substituants différents (Fig. 17), peut avoir un isomère optique, la molécule entière jouant le rôle de centre asymétrique, ce qui devient évident si la charpente de l'adamantane est mentalement contractée jusqu'à un point. . De même, le siloxane, qui a une structure cubique (Fig. 17), devient également optiquement actif dans le cas de quatre substituants différents :

Riz. 17. Molécules d’échafaudage optiquement actives

Des options sont possibles lorsque la molécule ne contient pas de centre asymétrique, même sous une forme cachée, mais peut elle-même être généralement asymétrique, et des isomères optiques sont également possibles. Par exemple, dans un composé complexe de béryllium, deux fragments cycliques sont situés dans des plans mutuellement perpendiculaires ; dans ce cas, deux substituants différents suffisent pour obtenir un isomère optique (Fig. 18). Pour une molécule de ferrocène, qui a la forme d'un prisme pentaédrique, trois substituants sont nécessaires dans le même but ; l'atome d'hydrogène joue dans ce cas le rôle de l'un des substituants (Fig. 18) :

Riz. 18. Isomérie optique des molécules asymétriques

Dans la plupart des cas, la formule développée d'un composé nous permet de comprendre exactement ce qui doit y être modifié pour rendre la substance optiquement active.

Les synthèses de stéréoisomères optiquement actifs produisent généralement un mélange de composés dextrogyres et lévogyres. La séparation des isomères s'effectue en faisant réagir un mélange d'isomères avec des réactifs (généralement d'origine naturelle) contenant un centre réactionnel asymétrique. Certains organismes vivants, notamment les bactéries, métabolisent préférentiellement les isomères lévogyres.

Des procédés (appelés synthèse asymétrique) ont maintenant été développés pour produire spécifiquement un isomère optique spécifique.

Il existe des réactions qui permettent de transformer un isomère optique en son antipode ( cm. CONVERSION WALDEN).

Mikhaïl Levitski