Írja le, mik az izomerek! Izomerizmus. Az izoméria típusai. Szerkezeti izoméria, geometriai, optikai

A lecke során általános képet kap az izomerizmus típusairól, és megtanulja, mi az izomer. Ismerje meg az izoméria típusait a szerves kémiában: szerkezeti és térbeli (sztereoizoméria). Az anyagok szerkezeti képleteinek felhasználásával vegye figyelembe a szerkezeti izoméria altípusait (vázizoméria és helyzeti izoméria), ismerje meg a térbeli izoméria típusait: geometriai és optikai.

Téma: Bevezetés a szerves kémiába

Tanulság: Izomerizmus. Az izoméria típusai. Szerkezeti izoméria, geometriai, optikai

A korábban vizsgált szerves anyagokat leíró képlettípusok azt mutatják, hogy egy molekulaképletnek több különböző szerkezeti képlet is megfelelhet.

Például a molekulaképlet C 2H 6O megfelelnek két anyag különböző szerkezeti képletekkel - etil-alkohol és dimetil-éter. Rizs. 1.

Az etil-alkohol, a fémes nátriummal hidrogén felszabadulását eredményező folyadék, forráspontja +78,5 0 C. Ugyanilyen körülmények között a dimetil-éter, a nátriummal nem reagáló gáz -23 0 C-on forr.

Ezek az anyagok szerkezetükben különböznek egymástól – a különböző anyagoknak ugyanaz a molekulaképlete.

Rizs. 1. Osztályok közötti izoméria

Az azonos összetételű, de eltérő szerkezetű és ezért eltérő tulajdonságú anyagok létezésének jelenségét izomériának nevezik (a görög „isos” - „egyenlő” és „meros” szavakból - „rész”, „részesedés”).

Az izoméria típusai

Létezik különböző típusok izoméria.

A szerkezeti izoméria az atomok molekulában való kapcsolódásának eltérő sorrendjéhez kapcsolódik.

Az etanol és a dimetil-éter szerkezeti izomerek. Mivel a szerves vegyületek különböző osztályaiba tartoznak, ezt a típusú szerkezeti izomériát nevezik osztályok közötti is . Rizs. 1.

A szerkezeti izomerek ugyanabban a vegyületcsoportban is létezhetnek, például a C5H12 képlet három különböző szénhidrogénnek felel meg. Ez szénváz izoméria. Rizs. 2.

Rizs. 2 Példák az anyagokra - szerkezeti izomerek

Vannak azonos szénvázú szerkezeti izomerek, amelyek a többszörös kötések (kettős és hármas) vagy a hidrogént helyettesítő atomok helyzetében különböznek. Ezt a fajta szerkezeti izomériát ún helyzeti izoméria.

Rizs. 3. Strukturális helyzetizoméria

A csak egyszeres kötést tartalmazó molekulákban szobahőmérsékleten lehetséges a molekulafragmensek szinte szabad forgása a kötések körül, és például az 1,2-diklór-etán képleteinek összes képe egyenértékű. Rizs. 4

Rizs. 4. A klóratomok helyzete egyes kötés körül

Ha a forgás akadályozott például egy ciklusos molekulában vagy kettős kötéssel, akkor geometriai vagy cisz-transz izoméria. A cisz-izomerekben a szubsztituensek a gyűrű vagy a kettős kötés síkjának egyik oldalán, a transz-izomereknél az ellenkező oldalon helyezkednek el.

A cisz-transz izomerek akkor léteznek, ha szénatomhoz kötődnek. két különböző helyettes Rizs. 5.

Rizs. 5. Cisz és transz izomerek

Az izoméria egy másik típusa annak a ténynek köszönhető, hogy a négy egyszeres kötéssel rendelkező szénatom térbeli szerkezetet alkot szubsztituenseivel - egy tetraéderrel. Ha egy molekulában legalább egy szénatom négy különböző szubsztituenshez kapcsolódik, optikai izoméria. Az ilyen molekulák nem egyeznek a tükörképükkel. Ezt a tulajdonságot kiralitásnak nevezik - görögül Val velhier- "kéz". Rizs. 6. Az optikai izoméria számos élő szervezetet alkotó molekulára jellemző.

Rizs. 6. Példák optikai izomerekre

Optikai izomériának is nevezik enantioméria (görögből enantios- „ellentétes” és meros- „rész”) és optikai izomerek – enantiomerek . Az enantiomerek optikailag aktívak, a fény polarizációs síkját azonos szögben, de ellentétes irányban forgatják: d- , vagy (+)-izomer, - jobbra, l- , vagy (-)-izomer, - balra. Egyenlő mennyiségű enantiomer keveréke ún racemát, optikailag inaktív, és a szimbólum jelzi d,l- vagy (±).

Összegezve a tanulságot

A lecke során általános ismereteket szerzett az izomerizmus típusairól és arról, hogy mi az izomer. Megismertük a szerves kémiában az izoméria típusait: szerkezeti és térbeli (sztereoizoméria). Az anyagok szerkezeti képletei segítségével megvizsgáltuk a szerkezeti izoméria altípusait (vázizoméria és helyzetizoméria), megismerkedtünk a térbeli izoméria típusaival: geometriai és optikai.

Bibliográfia

1. Rudzitis G.E. Kémia. Az általános kémia alapjai. 10. évfolyam: tankönyv általános oktatási intézmények számára: alapfok / G. E. Rudzitis, F.G. Feldman. - 14. kiadás. - M.: Oktatás, 2012.

2. Kémia. 10-es fokozat. Profilszint: akadémiai. általános műveltségre intézmények/ V.V. Eremin, N.E. Kuzmenko, V.V. Lunin et al. - M.: Bustard, 2008. - 463 p.

3. Kémia. 11. évfolyam. Profilszint: akadémiai. általános műveltségre intézmények/ V.V. Eremin, N.E. Kuzmenko, V.V. Lunin et al. - M.: Bustard, 2010. - 462 p.

4. Khomchenko G.P., Khomchenko I.G. Kémiai feladatgyűjtemény egyetemekre jelentkezők számára. - 4. kiadás - M.: RIA "Új hullám": Umerenkov kiadó, 2012. - 278 p.

Házi feladat

1. No. 1,2 (p.39) Rudzitis G.E. Kémia. Az általános kémia alapjai. 10. évfolyam: tankönyv általános oktatási intézmények számára: alapfok / G. E. Rudzitis, F.G. Feldman. - 14. kiadás. - M.: Oktatás, 2012.

2. Miért nagyobb az etilén sorozat szénhidrogéneiben az izomerek száma, mint a telített szénhidrogéneké?

3. Mely szénhidrogéneknek vannak térbeli izomerjei?

Izomerek- azonos molekulaszerkezetű, de eltérő kémiai szerkezetű és tulajdonságú anyagok.

Az izoméria típusai

én. Szerkezeti - a molekula láncában lévő atomok különböző kapcsolódási sorrendjében rejlik:

1) Láncizoméria

Meg kell jegyezni, hogy az elágazó láncban lévő szénatomok különböznek a más szénatomokkal való kapcsolat típusában. Így csak egy másik szénatomhoz kötődő szénatomot nevezzük elsődleges, két másik szénatommal - másodlagos, hárommal - harmadlagos, négy - negyedidőszak.

2) Pozícióizoméria

3) Osztályok közötti izoméria

4) Tautomeria

Tautomeria(a görög ταύτίς - ugyanaz és μέρος - mérték) - a reverzibilis izoméria jelensége, amelyben két vagy több izomer könnyen átalakul egymásba. Ebben az esetben tautomer egyensúly jön létre, és az anyag egyidejűleg tartalmazza az összes izomer molekuláját bizonyos arányban. Leggyakrabban a tautomerizáció magában foglalja a hidrogénatomok mozgását a molekulában lévő egyik atomról a másikra, majd vissza ugyanabban a vegyületben.

II. Térbeli (sztereo) - az atomok vagy csoportok kettős kötéshez vagy gyűrűhöz viszonyított eltérő helyzete miatt, kivéve az összekapcsolt szénatomok szabad forgását

1. Geometriai (cisz-, transz-izoméria)

Ha egy molekulában egy szénatom négy különböző atomhoz vagy atomcsoporthoz kapcsolódik, például:

akkor lehetséges két azonos szerkezeti képlettel rendelkező, de térszerkezetben eltérő vegyület létezése. Az ilyen vegyületek molekulái tárgyként és annak tükörképeként viszonyulnak egymáshoz, és térbeli izomerek.

Az ilyen izomereket optikai izomereknek vagy optikai antipódoknak nevezik:

Az optikai izomerek molekulái nem kompatibilisek a térben (mint a bal és a jobb kézben), nincs szimmetriasíkjuk.
És így,

• optikai izomerek térbeli izomereknek nevezzük, amelyek molekulái tárgyként és inkompatibilis tükörképként kapcsolódnak egymáshoz.

Az aminosavak optikai izomerjei

3. Konformációs izoméria

Megjegyzendő, hogy az egymáshoz σ kötéssel kapcsolódó atomok és atomcsoportok a kötéstengelyhez képest folyamatosan forognak, és egymáshoz képest különböző pozíciókat foglalnak el a térben.

Konformereknek nevezzük azokat a molekulákat, amelyek szerkezete megegyezik és az atomok térbeli elrendezésében a C-C kötések körüli forgás eredményeként különbözik.

A konformációs izomerek ábrázolásához kényelmes képleteket használni - Newman-vetületek:

A konformációs izoméria jelensége a cikloalkánok példáján is szóba jöhet. Így a ciklohexánt a következő konformerek jellemzik:

A korábban vizsgált szerves anyagokat leíró képlettípusok azt mutatják, hogy egy molekulaképletnek több különböző szerkezeti képlet is megfelelhet.

Például a molekulaképlet C2H6O megfelelnek két anyag különböző szerkezeti képletekkel - etil-alkohol és dimetil-éter. Rizs. 1.

Az etil-alkohol olyan folyadék, amely fémnátriummal reagálva hidrogént szabadít fel, és +78,5 °C-on forr. Ugyanilyen körülmények között a dimetil-éter, a nátriummal nem reagáló gáz -230 C-on forr.

Ezek az anyagok szerkezetükben különböznek egymástól – a különböző anyagoknak ugyanaz a molekulaképlete.

Rizs. 1. Osztályok közötti izoméria

Az azonos összetételű, de eltérő szerkezetű és ezért eltérő tulajdonságú anyagok létezésének jelenségét izomériának nevezik (a görög „isos” - „egyenlő” és „meros” szavakból - „rész”, „részesedés”).

Az izoméria típusai

Az izomerizmusnak különböző típusai vannak.

A szerkezeti izoméria az atomok molekulában való kapcsolódásának eltérő sorrendjéhez kapcsolódik.

Az etanol és a dimetil-éter szerkezeti izomerek. Mivel a szerves vegyületek különböző osztályaiba tartoznak, ezt a típusú szerkezeti izomériát nevezik osztályok közötti is . Rizs. 1.

A szerkezeti izomerek ugyanabban a vegyületcsoportban is létezhetnek, például a C5H12 képlet három különböző szénhidrogénnek felel meg. Ez szénváz izoméria. Rizs. 2.

Rizs. 2 Példák az anyagokra - szerkezeti izomerek

Vannak azonos szénvázú szerkezeti izomerek, amelyek a többszörös kötések (kettős és hármas) vagy a hidrogént helyettesítő atomok helyzetében különböznek. Ezt a fajta szerkezeti izomériát ún helyzeti izoméria.

Rizs. 3. Strukturális helyzetizoméria

A csak egyszeres kötést tartalmazó molekulákban szobahőmérsékleten lehetséges a molekulafragmensek szinte szabad forgása a kötések körül, és például az 1,2-diklór-etán képleteinek összes képe egyenértékű. Rizs. 4

Rizs. 4. A klóratomok helyzete egyes kötés körül

Ha a forgás akadályozott például egy ciklusos molekulában vagy kettős kötéssel, akkor geometriai vagy cisz-transz izoméria. A cisz-izomerekben a szubsztituensek a gyűrű vagy a kettős kötés síkjának egyik oldalán, a transz-izomereknél az ellenkező oldalon helyezkednek el.

A cisz-transz izomerek akkor léteznek, ha szénatomhoz kötődnek. két különböző helyettes Rizs. 5.

Rizs. 5. Cisz és transz izomerek

Az izoméria egy másik típusa annak a ténynek köszönhető, hogy a négy egyszeres kötéssel rendelkező szénatom térbeli szerkezetet alkot szubsztituenseivel - egy tetraéderrel. Ha egy molekulában legalább egy szénatom négy különböző szubsztituenshez kapcsolódik, optikai izoméria. Az ilyen molekulák nem egyeznek a tükörképükkel. Ezt a tulajdonságot kiralitásnak nevezik - görögül Val velhier- "kéz". Rizs. 6. Az optikai izoméria számos élő szervezetet alkotó molekulára jellemző.

Rizs. 6. Példák optikai izomerekre

Optikai izomériának is nevezik enantioméria (görögből enantios- „ellentétes” és meros- „rész”) és optikai izomerek – enantiomerek . Az enantiomerek optikailag aktívak, a fény polarizációs síkját azonos szögben, de ellentétes irányban forgatják: d- , vagy (+)-izomer, - jobbra, l- , vagy (-)-izomer, - balra. Egyenlő mennyiségű enantiomer keveréke ún racemát, optikailag inaktív, és a szimbólum jelzi d,l- vagy (±).

FORRÁSOK

videó forrása - http://www.youtube.com/watch?v=mGS8BUEvkpY

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

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

prezentáció forrása - 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

bemutató forrása - http://mirhimii.ru/10class/174-izomeriya.html

Előadások a Gyermekgyógyászati ​​Kar hallgatóinak

Előadás2

Téma: Szerves vegyületek térszerkezete

Cél: megismerkedés a szerves vegyületek szerkezeti és térbeli izomériáinak típusaival.

Terv:

Az izoméria osztályozása.

Strukturális izoméria.

Téri izoméria

Optikai izoméria

Az első kísérletek a szerves molekulák szerkezetének megértésére a 19. század elejére nyúlnak vissza. Az izoméria jelenségét először J. Berzelius fedezte fel, A. M. Butlerov pedig 1861-ben javasolta a szerves vegyületek kémiai szerkezetének elméletét, amely megmagyarázza az izoméria jelenségét.

Az izomerizmus az azonos minőségi és mennyiségi összetételű, de eltérő szerkezetű vagy térbeli elhelyezkedésű vegyületek létezése, és magukat az anyagokat izomereknek nevezzük.

Az izomerek osztályozása

Szerkezeti

(az atomok kapcsolódási sorrendje eltérő)

Konfiguráció

Conforma-

Strukturális izoméria.

A szerkezeti izomerek olyan izomerek, amelyek minőségi és mennyiségi összetétele azonos, de kémiai szerkezetükben különböznek.

A szerkezeti izoméria meghatározza a szerves vegyületek sokféleségét, különösen az alkánok. A molekulák szénatomszámának növekedésével alkánok, a szerkezeti izomerek száma gyorsan növekszik. Tehát hexánnál (C 6 H 14) ez 5, nonánnál (C 9 H 20) - 35.

A szénatomok elhelyezkedése a láncban változó. A lánc elején lévő szénatom egy szénatomhoz kötődik, és ún elsődleges. Egy szénatom, amely két szénatomhoz kapcsolódik - másodlagos, hárommal – harmadlagos, négy- negyedidőszak. Az egyenes láncú alkánok csak primer és szekunder szénatomokat tartalmaznak, míg az elágazó láncú alkánok tercier és kvaterner szénatomokat is tartalmaznak.

A szerkezeti izoméria típusai.

Metamerek– azonos vegyületosztályba tartozó, de különböző gyököket tartalmazó vegyületek:

H 3 C – O – C 3 H 7 – metilpropil-éter,

H 5 C 2 – O – C 2 H 5 – dietil-éter

Interclass izoméria. Annak ellenére, hogy a molekulák minőségi és mennyiségi összetétele azonos, az anyagok szerkezete eltérő.

Például: az aldehidek izomerek a ketonokra:

Alkinek - alkadiének

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

A szerkezeti izoméria a szénhidrogén gyökök diverzitását is meghatározza. A gyökök izomériája a propánnal kezdődik, amelyre két gyök lehetséges. Ha egy hidrogénatomot kivonunk az elsődleges szénatomból, akkor a propil-gyököt (n-propil) kapjuk. Ha egy hidrogénatomot kivonunk egy szekunder szénatomból, akkor az izopropilcsoportot kapjuk.

-

izopropil

Téri izoméria (sztereoizoméria)

Ez olyan izomerek létezése, amelyek összetétele és az atomok kapcsolódási sorrendje azonos, de különböznek egymástól az atomok vagy atomcsoportok térbeli elrendezésének természetében.

Az izomerizmusnak ezt a típusát L. Pasteur (1848), J. Van' Hoff, Le Bel (1874) írta le.

Valós körülmények között maga a molekula és egyes részei (atomok, atomcsoportok) rezgő-forgó mozgás állapotában vannak, és ez a mozgás nagymértékben megváltoztatja az atomok egymáshoz viszonyított elrendezését a molekulában. Ekkor a kémiai kötések megnyúlnak és a kötésszögek megváltoznak, és így a molekulák eltérő konfigurációi és konformációi jönnek létre.

Ezért a térbeli izomereket két típusra osztják: konformációs és konfigurációs.

A konfigurációk azt a sorrendet jelentik, amelyben az atomok elrendeződnek a térben anélkül, hogy figyelembe vennék az egyes kötések körüli forgásból adódó különbségeket. Ezek az izomerek különböző konformációkban léteznek.

A konformációk ugyanannak a molekulának nagyon instabil dinamikus formái, amelyek az atomok vagy atomcsoportok egyes kötések körüli forgása következtében jönnek létre, aminek következtében az atomok különböző térbeli pozíciókat foglalnak el. Egy molekula minden konformációját egy meghatározott konfiguráció jellemzi.

A b-kötés lehetővé teszi körülötte a forgást, így egy molekulának sok konformációja lehet. A sok konformáció közül csak hatot vesznek figyelembe, mert A minimális forgásszögnek egy 60°-os szöget tekintünk, amelyet ún torziós szög.

Vannak: elhomályosított és gátolt konformációk.

Elhomályosult felépítés akkor fordul elő, ha az azonos szubsztituensek egymástól minimális távolságra helyezkednek el, és kölcsönös taszító erők lépnek fel közöttük, és a molekulának nagy energiaellátással kell rendelkeznie, hogy fenntartsa ezt a konformációt. Ez a felépítés energetikailag kedvezőtlen.

gátolt konformáció - akkor fordul elő, ha az azonos szubsztituensek a lehető legtávolabb vannak egymástól, és a molekula minimális energiatartalékkal rendelkezik. Ez a felépítés energetikailag kedvező.

P Az első olyan vegyület, amelyről ismert a konformációs izomerek létezése, az etán. Térbeli szerkezetét a perspektivikus képlet vagy a Newman-képlet ábrázolja:

VAL VEL 2 N 6

eltakarva gátolt

felépítés konformáció

Newman vetületi képletei.

A hozzánk legközelebb eső szénatomot egy pont jelöli a kör közepén, a kör a távoli szénatomot jelöli. Az egyes atomok három kötése a kör középpontjától eltérõ vonalként van ábrázolva - a legközelebbi szénatomhoz, és kicsik - a távoli szénatomhoz.

A hosszú szénláncokban több C-C kötés körül is lehetséges a forgás. Ezért az egész lánc különféle geometriai formákat ölthet. A röntgendiffrakciós adatok szerint a telített szénhidrogének hosszú láncai cikcakkos és karmos alakúak. Például: a palmitinsav (C 15 H 31 COOH) és a sztearinsav (C 17 H 35 COOH) cikk-cakk konformációban a sejtmembránok lipidjeinek részét képezi, az oldatban lévő monoszacharid molekulák pedig karom alakú konformációt vesznek fel.

Ciklikus vegyületek konformációi

A ciklikus kapcsolatokat a zárt ciklus jelenlétéhez kapcsolódó szögfeszültség jellemzi.

Ha a ciklusokat laposnak tekintjük, akkor sokuknál a kötési szögek jelentősen eltérnek a normáltól. Azt a feszültséget, amelyet a gyűrű szénatomjai közötti kötésszögek normálértéktől való eltérése okoz, ún sarok vagy Bayer.

Például a ciklohexánban a szénatomok sp 3 hibrid állapotban vannak, és ennek megfelelően a kötési szögnek 109 o 28 /-nak kell lennie. Ha a szénatomok ugyanabban a síkban lennének, akkor a síkgyűrűben a belső kötésszögek 120°-kal egyenlőek, és az összes hidrogénatom elhomályosult konformációban lenne. De a ciklohexán nem lehet lapos az erős szög- és torziós feszültségek jelenléte miatt. A ϭ-kötések körüli részleges forgás következtében kisebb feszültségű, nem síkbeli konformációk alakulnak ki, amelyek között a konformációk stabilabbak fotelek És fürdők.

A szék felépítése energetikailag a legkedvezőbb, mivel nincs benne elzárt hidrogén- és szénatom. Az összes szénatom H atomjainak elrendezése megegyezik az etán gátolt konformációjával. Ebben a konformációban minden hidrogénatom nyitott és elérhető a reakciókhoz.

A fürdő konformációja energetikailag kevésbé kedvező, mivel 2 pár C-atom (C-2 és C-3), (C-5 és C-6) a bázison H-atomot tartalmaz elhomályosított konformációban, ezért ez a konformáció nagy. energiatartalék és instabil.

C6H12ciklohexán

A „szék” forma energetikailag előnyösebb, mint a „fürdőkád”.

Optikai izoméria.

A 19. század végén felfedezték, hogy sok szerves vegyület képes a polarizált nyaláb síkját jobbra-balra forgatni. Vagyis a molekulára eső fénysugár kölcsönhatásba lép az elektronhéjaival, és az elektronok polarizációja következik be, ami az elektromos térben az oszcilláció irányának megváltozásához vezet. Ha egy anyag az óramutató járásával megegyező irányba forgatja a rezgéssíkot, akkor ún jobbra forgató(+), ha az óramutató járásával ellentétes - balkezes(-). Ezeket az anyagokat optikai izomereknek nevezték. Az optikailag aktív izomerek aszimmetrikus szénatomot (királis) tartalmaznak - ez egy négy különböző szubsztituenst tartalmazó atom. A második fontos feltétel az összes szimmetriatípus (tengely, sík) hiánya. Ezek közé tartozik számos hidroxi- és aminosav

Tanulmányok kimutatták, hogy az ilyen vegyületek az sp 3 hibridizációban a szénatomokon lévő szubsztituensek elrendezési sorrendjében különböznek.

P a legegyszerűbb vegyület a tejsav (2-hidroxi-propánsav)

Az olyan sztereoizomereket, amelyek molekulái tárgyként és inkompatibilis tükörképként vagy bal és jobb kézként kapcsolódnak egymáshoz, ún. enantiomerek(optikai izomerek, tükörizomerek, antipódok, és a jelenséget ún enantioméria. Az enantiomerek minden kémiai és fizikai tulajdonsága megegyezik, kivéve kettőt: a polarizált fény síkjának forgását (polariméterben) és a biológiai aktivitást.

A molekulák abszolút konfigurációját összetett fizikai-kémiai módszerekkel határozzák meg.

Az optikailag aktív vegyületek relatív konfigurációját glicerinaldehid standarddal való összehasonlítással határozzuk meg. A jobbra vagy balra forgató glicerinaldehid konfigurációjú optikailag aktív anyagokat (M. Rozanov, 1906) D- és L-sorozatú anyagoknak nevezzük. Egy vegyület jobb- és balra forgató izomereinek egyenlő keverékét racemátnak nevezik, és optikailag inaktív.

A kutatások kimutatták, hogy a fény forgásának előjele nem köthető egy anyag D- és L-sorozathoz való tartozásához, ezt csak kísérletileg határozzák meg műszerekben - polariméterekben. Például az L-tejsav forgási szöge +3,8 o, a D-tejsav - 3,8 o.

Az enantiomereket Fischer-képletekkel ábrázoltuk.

A szénláncot függőleges vonal jelöli.

A szenior funkcionális csoport felül, a junior funkcionális csoport alul található.

Az aszimmetrikus szénatomot vízszintes vonal jelöli, amelynek végein szubsztituensek vannak.

Az izomerek számát a 2 n képlet határozza meg, n az aszimmetrikus szénatomok száma.

L-sor D-sor

Az enantiomerek között lehetnek szimmetrikus molekulák, amelyek nem rendelkeznek optikai aktivitással, és ún mezoizomerek.

Racemate – szőlőlé

Az olyan optikai izomereket, amelyek nem tükörizomerek, és több, de nem minden aszimmetrikus szénatom konfigurációjában különböznek egymástól, és eltérő fizikai és kémiai tulajdonságokkal rendelkeznek, - di-A-sztereoizomerek.

A -diasztereomerek (geometriai izomerek) olyan sztereomerek, amelyek  kötést tartalmaznak a molekulában. Alkénekben, telítetlen, magasabb szénatomszámú vegyületekben, telítetlen dikarbonvegyületekben találhatók. Például:

Cisz-butén-2 Transz-butén-2

A szerves anyagok biológiai aktivitása a szerkezetükkel függ össze. Például:

cisz-buténsav, transz-buténsav,

maleinsav - fumársav - nem mérgező,

nagyon mérgező a szervezetben

Minden természetes telítetlen, magasabb szénatomszámú vegyület cisz-izomer.

Elmélet A.M. Butlerov

1. A molekulák atomjai vegyértéküknek megfelelően meghatározott sorrendben kémiai kötésekkel kapcsolódnak egymáshoz. Az atomok kötési sorrendjét kémiai szerkezetüknek nevezzük. A szén minden szerves vegyületben négy vegyértékű.

2. Az anyagok tulajdonságait nemcsak a molekulák minőségi és mennyiségi összetétele határozza meg, hanem a szerkezetük is.

3. Az atomok vagy atomcsoportok kölcsönösen befolyásolják egymást, ami meghatározza a molekula reakcióképességét.

4. A molekulák szerkezete kémiai tulajdonságaik tanulmányozása alapján megállapítható.

A szerves vegyületeknek számos jellemző tulajdonságuk van, amelyek megkülönböztetik őket a szervetlen vegyületektől. Szinte mindegyik (ritka kivétellel) gyúlékony; A legtöbb szerves vegyület nem disszociál ionokká, ami a szerves anyagok kovalens kötéseinek természetéből adódik. Az ionos típusú kötés csak szerves savak sóiban valósul meg, például CH3COONa.

Homológ sorozat- ez a szerves vegyületek végtelen sorozata, amelyek hasonló szerkezettel és ezért hasonló kémiai tulajdonságokkal rendelkeznek, és tetszőleges számú CH2– csoportban különböznek egymástól (homológ különbség).

A szerkezetelmélet megalkotása előtt is ismertek azonos elemi összetételű, de eltérő tulajdonságú anyagokat. Az ilyen anyagokat izomereknek, magát ezt a jelenséget pedig izomerizmusnak nevezték.

Az izoméria alapja, amint azt A.M. Butlerov, az azonos atomkészletből álló molekulák szerkezetében rejlik a különbség.

Izomerizmus- ez az azonos minőségi és mennyiségi összetételű, de eltérő szerkezetű és ezért eltérő tulajdonságú vegyületek létezésének jelensége.

Az izoméria két típusa létezik: szerkezeti izoméria és térbeli izoméria.

Strukturális izoméria

Szerkezeti izomerek– azonos minőségi és mennyiségi összetételű, az atomok kötési sorrendjében, azaz kémiai szerkezetében eltérő vegyületek.

Téri izoméria

Térbeli izomerek(sztereoizomerek) azonos összetételű és azonos kémiai szerkezetűek a molekulában lévő atomok térbeli elrendezésében különböznek.
A térbeli izomerek optikai és cisz-transz izomerek (geometriai).

Cisz-transz izoméria

abban rejlik, hogy egy kettős kötés vagy nem aromás B gyűrű síkjának egyik vagy ellentétes oldalára szubsztituenseket helyezhetünk el cisz-izomerek a szubsztituensek a gyűrű vagy kettős kötés síkjának egyik oldalán vannak, in transz-izomerek- különböző módon.

A CH3–CH=CH–CH3 butén-2 molekulában a CH3 csoportok a kettős kötés egyik oldalán - a cisz-izomerben, vagy ellentétes oldalon - a transz-izomerben helyezkedhetnek el.

Optikai izoméria

Akkor jelenik meg, ha egy szénatom négy különböző szubsztituenst tartalmaz.
Ha bármelyik kettőt felcseréljük, egy másik, azonos összetételű térbeli izomert kapunk. Az ilyen izomerek fizikai-kémiai tulajdonságai jelentősen eltérnek egymástól. Az ilyen típusú vegyületeket az különbözteti meg, hogy képesek bizonyos mértékben elforgatni az ilyen vegyületek oldatán áthaladó polarizált fény síkját. Ebben az esetben az egyik izomer egy irányba forgatja a polarizált fény síkját, és az izomerje az ellenkező irányba. Az ilyen optikai hatások miatt ezt a fajta izomériát optikai izomériának nevezik.

A cikk tartalma

ISOMERIA(Görög isos - azonos, meros - rész) az egyik legfontosabb fogalom a kémiában, főleg a szervesben. Az anyagok azonos összetételű és molekulatömegűek lehetnek, de az azonos mennyiségben azonos elemeket tartalmazó, de az atomok vagy atomcsoportok térbeli elrendezésében eltérő szerkezeteket és vegyületeket izomereknek nevezzük. Az izoméria az egyik oka annak, hogy a szerves vegyületek olyan sokak és változatosak.

Az izomerizmust először J. Liebig fedezte fel 1823-ban, aki megállapította, hogy a fulminát és az izociánsav ezüstsói: Ag-O-N=C és Ag-N=C=O azonos összetételű, de eltérő tulajdonságokkal rendelkeznek. Az „izoméria” kifejezést 1830-ban vezette be I. Berzelius, aki azt javasolta, hogy az azonos összetételű vegyületek tulajdonságaiban különbségek adódjanak abból a tényből, hogy a molekulában az atomok eltérő sorrendben helyezkednek el. Az izoméria gondolata végül azután alakult ki, hogy A. M. Butlerov megalkotta a kémiai szerkezet elméletét (1860-as évek). Ezen elmélet alapján azt javasolta, hogy négy különböző butanol legyen (1. ábra). Az elmélet megalkotásáig csak egy butanolt ismertek (CH 3) 2 CHCH 2 OH, amelyet növényi anyagokból nyernek.

Rizs. 1. Butanol izomerek

Az ezt követő összes butanol-izomer szintézise és tulajdonságaik meghatározása az elmélet meggyőző megerősítése lett.

A modern definíció szerint két azonos összetételű vegyületet akkor tekintünk izomernek, ha molekuláik a térben nem kombinálhatók úgy, hogy teljesen egybeesjenek. A kombináció általában mentálisan történik összetett esetekben, térbeli modelleket vagy számítási módszereket alkalmaznak.

Az izomériának több oka is van.

SZERKEZETI IZOMÉRIA

Általában a szénhidrogénváz szerkezetének különbségei vagy a funkciós csoportok vagy többszörös kötések egyenlőtlen elrendezése okozza.

A szénhidrogénváz izomériája.

Az egy-három szénatomot tartalmazó telített szénhidrogének (metán, etán, propán) nem tartalmaznak izomereket. Egy négy szénatomos vegyületnél C 4 H 10 (bután) két izomer lehetséges, a pentánnál C 5 H 12 - három izomer, a hexánnál C 6 H 14 - öt (2. ábra):

Rizs. 2. A legegyszerűbb szénhidrogének izomerjei

Ahogy a szénatomok száma a szénhidrogénmolekulában növekszik, a lehetséges izomerek száma drámaian megnő. A heptán C 7 H 16 esetében kilenc izomer, a C 14 H 30 szénhidrogén esetében 1885 izomer, a C 20 H 42 szénhidrogén esetében több mint 366 000.

Bonyolult esetekben azt a kérdést, hogy két vegyület izomer-e, a vegyértékkötések körüli különböző forgatásokkal oldják meg (ezt az egyszerű kötések lehetővé teszik, ami bizonyos mértékig megfelel fizikai tulajdonságaiknak). A molekula egyes fragmenseinek mozgatása után (a kötések megszakítása nélkül) az egyik molekula ráhelyeződik a másikra (3. ábra). Ha két molekula teljesen azonos, akkor ezek nem izomerek, hanem ugyanaz a vegyület:

A vázszerkezetben eltérő izomerek általában eltérő fizikai tulajdonságokkal rendelkeznek (olvadáspont, forráspont stb.), ami lehetővé teszi az egyik egymástól való elválasztását. Ez a fajta izoméria az aromás szénhidrogénekben is előfordul (4. ábra):

Rizs. 4. Aromás izomerek

Pozíciós izoméria.

A szerkezeti izoméria egy másik típusa, a helyzeti izoméria olyan esetekben fordul elő, amikor a szénhidrogénváz különböző helyein funkcionális csoportok, egyedi heteroatomok vagy többszörös kötések találhatók. A szerkezeti izomerek a szerves vegyületek különböző osztályaiba tartozhatnak, így nemcsak fizikai, hanem kémiai tulajdonságaikban is eltérhetnek egymástól. ábrán. Az 5. ábra a C 3 H 8 O vegyület három izomerjét mutatja, ezek közül kettő alkohol, a harmadik pedig egy éter.

Rizs. 5. Az izomerek elhelyezése

A helyzeti izomerek szerkezeti különbségei gyakran annyira nyilvánvalóak, hogy nem is szükséges gondolatilag egyesíteni őket a térben, például a butén vagy a diklór-benzol izomerjeit (6. ábra):

Rizs. 6. Butén és diklór-benzol izomerjei

Néha a szerkezeti izomerek egyesítik a szénhidrogénváz izoméria és a helyzeti izoméria jellemzőit (7. ábra).

Rizs. 7. Kétféle szerkezeti izoméria kombinációja

Az izoméria kérdésében az elméleti megfontolások és a kísérlet összefüggenek. Ha a megfontolások azt mutatják, hogy izomerek nem létezhetnek, akkor a kísérleteknek ugyanezt kell mutatniuk. Ha a számítások bizonyos számú izomerre utalnak, akkor ugyanannyi vagy kevesebb kapható belőlük, de nem több - nem minden elméletileg számított izomer nyerhető, mivel a javasolt izomerben az atomok közötti távolságok vagy kötési szögek kívül eshetnek a megengedett határokon. . Hat CH csoportot tartalmazó anyagnál (például benzolnál) elméletileg 6 izomer lehetséges (8. ábra).

Rizs. 8. Benzol izomerek

A bemutatott izomerek közül az első öt létezik (a második, harmadik, negyedik és ötödik izomer csaknem 100 évvel a benzol szerkezetének megállapítása után keletkezett). Ez utóbbi izomer nagy valószínűséggel soha nem lesz elérhető. Hatszögként ábrázolva a legkevésbé valószínű, hogy kialakul, és deformációi ferde prizma, háromágú csillag, hiányos piramis és kettős piramis (nem teljes oktaéder) formájú szerkezeteket eredményeznek. Ezen opciók mindegyike vagy nagyon eltérő méretű C-C kötéseket vagy erősen torzított kötési szögeket tartalmaz (9. ábra):

Azokat a kémiai átalakulásokat, amelyek eredményeként a szerkezeti izomerek egymáská alakulnak, izomerizációnak nevezzük.

Sztereoizoméria

az atomok térbeli eltérő elrendezése miatt keletkezik, köztük azonos sorrendű kötésekkel.

A sztereoizoméria egyik típusa a cisz-transz izoméria (cisz- lat. az egyik oldalon, transz - lat. keresztül, különböző oldalakon) több kötést vagy síkciklust tartalmazó vegyületekben figyelhető meg. Az egyszeres kötéstől eltérően a többszörös kötés nem teszi lehetővé, hogy a molekula egyes fragmentumai forogjanak körülötte. Az izomer típusának meghatározásához a kettős kötésen keresztül gondolatban egy síkot rajzolunk, majd elemzik a szubsztituensek ehhez a síkhoz viszonyított elhelyezkedését. Ha azonos csoportok vannak a sík ugyanazon oldalán, akkor ez cisz-izomer, ha ellentétes oldalon van transz-izomer:

Fizikai és kémiai tulajdonságok cisz- És transz Az -izomerek a maleinsavban néha észrevehetően eltérőek, a –COOH karboxilcsoportok térben közel vannak, reagálhatnak (11. ábra), maleinsav-anhidridet képezve (fumársavnál ez a reakció nem megy végbe):

Rizs. 11. Maleinsavanhidrid képződése

Lapos ciklikus molekuláknál nem szükséges gondolatban síkot rajzolni, hiszen azt már a molekula alakja adja, mint például a ciklikus sziloxánoknál (12. ábra):

Rizs. 12. Ciklosziloxán izomerjei

Összetett fémvegyületekben cisz Az izomer olyan vegyület, amelyben a fémet körülvevő két azonos csoport található a közelben transz-izomer, más csoportok választják el őket (13. ábra):

Rizs. 13. Kobalt komplex izomerjei

A sztereoizoméria második típusa, az optikai izomerizmus olyan esetekben fordul elő, amikor két izomer (a korábban megfogalmazott definíció szerint két, térben nem kompatibilis molekula) egymás tükörképe. Ezzel a tulajdonsággal olyan molekulák rendelkeznek, amelyek egyetlen szénatomként ábrázolhatók, négy különböző szubsztituenssel. A négy szubsztituenshez kötött központi szénatom vegyértékei egy mentális tetraéder – egy szabályos tetraéder – csúcsai felé irányulnak. cm. ORBITAL) és mereven rögzített. Az ábrán négy nem egyenlő szubsztituens látható. 14 négy különböző színű golyó formájában:

Rizs. 14. Szénatom négy különböző szubsztituenssel

Az optikai izomer esetleges képződésének kimutatásához szükséges (15. ábra) a molekulát tükörben tükrözni, majd a tükörképet valódi molekulaként kell felvenni, az eredeti molekula alá helyezni úgy, hogy függőleges tengelyeik egybeessenek, a második molekulát pedig a függőleges tengely körül kell forgatni úgy, hogy a piros golyóval a felső és az alsó molekulák egymás alatt helyezkedjenek el. Ennek eredményeként csak két golyó, a bézs és a piros golyó helyzete esik egybe (kettős nyíllal jelölve). Ha elforgatja az alsó molekulát úgy, hogy a kék golyók egymáshoz igazodjanak, akkor csak két golyó helyzete ismét egybeesik - bézs és kék (dupla nyíllal is jelölve). Minden nyilvánvalóvá válik, ha ez a két molekula gondolatilag egyesül a térben, egymásba helyezve, mint egy kést a hüvelyben, a piros és a zöld golyó nem esik egybe:

Bármilyen kölcsönös térbeli orientáció esetén két ilyen molekula a definíció szerint kombinálva nem érhet el teljes egybeesést, ezek izomerek. Fontos megjegyezni, hogy ha a központi szénatomnak nem négy, hanem csak három különböző szubsztituense van (vagyis kettő egyforma), akkor egy ilyen molekula tükörben való visszaverődése során nem képződik optikai izomer, mivel a molekula és a reflexiója kombinálható a térben (16. ábra):

A szén mellett aszimmetriacentrumként más atomok is működhetnek, amelyekben kovalens kötések a tetraéder sarkai felé irányulnak, például szilícium, ón, foszfor.

Az optikai izoméria nem csak egy aszimmetrikus atom esetén fordul elő, hanem bizonyos keretmolekulákban is megvalósul bizonyos számú különböző szubsztituens jelenlétében. Például a váz szénhidrogén adamantán, amely négy különböző szubsztituenst tartalmaz (17. ábra), rendelkezhet optikai izomerrel, ahol az egész molekula egy aszimmetrikus központ szerepét tölti be, ami nyilvánvalóvá válik, ha az adamantán vázat mentálisan összehúzzuk egy pontra. . Hasonlóan, a köbös szerkezetű sziloxán (17. ábra) szintén négy különböző szubsztituens esetén válik optikailag aktívvá:

Rizs. 17. Optikailag aktív állványmolekulák

Olyan lehetőségek lehetségesek, amikor a molekula nem tartalmaz aszimmetrikus centrumot, még rejtett formában sem, hanem maga általában aszimmetrikus lehet, és optikai izomerek is lehetségesek. Például egy berillium komplex vegyületben két ciklusos fragmens egymásra merőleges síkban helyezkedik el, ebben az esetben két különböző szubsztituens elegendő egy optikai izomer előállításához (18. ábra). Egy pentaéderes prizma alakú ferrocén molekulához ugyanarra a célra három szubsztituens szükséges (18. ábra);

Rizs. 18. Aszimmetrikus molekulák optikai izomériája

A legtöbb esetben egy vegyület szerkezeti képlete lehetővé teszi számunkra, hogy megértsük, mit kell pontosan megváltoztatni, hogy az anyag optikailag aktív legyen.

Az optikailag aktív sztereoizomerek szintézise általában jobbra és balra forgató vegyületek keverékét eredményezi. Az izomerek elválasztását úgy hajtják végre, hogy izomerek keverékét aszimmetrikus reakciócentrumot tartalmazó (általában természetes eredetű) reagensekkel reagáltatják. Egyes élő szervezetek, köztük a baktériumok, előnyösen balra forgató izomereket metabolizálnak.

Az eljárásokat (amelyeket aszimmetrikus szintézisnek neveznek) mára speciális optikai izomer előállítására fejlesztettek ki.

Vannak olyan reakciók, amelyek lehetővé teszik az optikai izomer antipódjává történő átalakítását ( cm. WALDEN KONVERZIÓ).

Mihail Levitszkij