Opíšte, čo sú izoméry. izomerizmus. Typy izomérie. Štrukturálna izoméria, geometrická, optická

Zanechať komentár 6,950

Počas lekcie získate všeobecnú predstavu o typoch izomérie a dozviete sa, čo je izomér. Získajte informácie o typoch izomérie v organickej chémii: štruktúrnej a priestorovej (stereoizoméria). Pomocou štruktúrnych vzorcov látok zvážte podtypy štruktúrnej izomérie (kostrová a polohová izoméria), zoznámte sa s typmi priestorovej izomérie: geometrická a optická.

Téma: Úvod do organickej chémie

Lekcia: Izomizmus. Typy izomérie. Štrukturálna izoméria, geometrická, optická

Typy vzorcov opisujúcich organické látky, ktoré sme predtým skúmali, ukazujú, že jednému molekulovému vzorcu môže zodpovedať niekoľko rôznych štruktúrnych vzorcov.

Napríklad molekulový vzorec C 2H 6O korešpondovať dve látky s rôznymi štruktúrnymi vzorcami - etylalkohol a dimetyléter. Ryža. 1.

Etylalkohol, kvapalina, ktorá reaguje s kovovým sodíkom za uvoľnenia vodíka, vrie pri +78,5 0 C. Za rovnakých podmienok vrie pri -23 0 C dimetyléter, plyn nereagujúci so sodíkom.

Tieto látky sa líšia svojou štruktúrou – rôzne látky majú rovnaký molekulový vzorec.

Ryža. 1. Medzitriedna izoméria

Fenomén existencie látok, ktoré majú rovnaké zloženie, ale rôzne štruktúry, a teda aj odlišné vlastnosti, sa nazýva izoméria (z gréckych slov „isos“ - „rovný“ a „meros“ – „časť“, „podiel“).

Typy izomérie

Existovať odlišné typy izoméria.

Štrukturálna izoméria je spojená s odlišným poradím spájania atómov v molekule.

Etanol a dimetyléter sú štruktúrne izoméry. Keďže patria do rôznych tried organických zlúčenín, tento typ štruktúrnej izomérie sa nazýva aj medzitriedne . Ryža. 1.

V rámci rovnakej triedy zlúčenín môžu existovať aj štruktúrne izoméry, napríklad vzorec C5H12 zodpovedá trom rôznym uhľovodíkom. Toto izoméria uhlíkového skeletu. Ryža. 2.

Ryža. 2 Príklady látok - štruktúrne izoméry

Existujú štruktúrne izoméry s rovnakým uhlíkovým skeletom, ktoré sa líšia polohou viacnásobných väzieb (dvojitých a trojitých) alebo atómov nahradzujúcich vodík. Tento typ štruktúrnej izomérie sa nazýva pozičná izoméria.

Ryža. 3. Štrukturálna pozičná izoméria

V molekulách obsahujúcich iba jednoduché väzby je pri izbovej teplote možná takmer voľná rotácia molekulárnych fragmentov okolo väzieb a napríklad všetky obrázky vzorcov 1,2-dichlóretánu sú ekvivalentné. Ryža. 4

Ryža. 4. Poloha atómov chlóru okolo jednoduchej väzby

Ak sa rotácii bráni napríklad v cyklickej molekule alebo s dvojitou väzbou, potom geometrická alebo cis-trans izoméria. V cis-izoméroch sú substituenty umiestnené na jednej strane roviny kruhu alebo dvojitej väzby, v trans-izoméroch - na opačných stranách.

Cis-trans izoméry existujú, keď sú viazané na atóm uhlíka. dve rôzne námestník Ryža. 5.

Ryža. 5. Cis a trans izoméry

Iný typ izomérie vzniká v dôsledku skutočnosti, že atóm uhlíka so štyrmi jednoduchými väzbami vytvára so svojimi substituentmi priestorovú štruktúru - štvorsten. Ak má molekula aspoň jeden atóm uhlíka naviazaný na štyri rôzne substituenty, optická izoméria. Takéto molekuly nezodpovedajú svojmu zrkadlovému obrazu. Táto vlastnosť sa nazýva chiralita – z gréčtiny shier- "ruka". Ryža. 6. Optická izoméria je charakteristická pre mnohé molekuly, ktoré tvoria živé organizmy.

Ryža. 6. Príklady optických izomérov

Optická izoméria sa tiež nazýva enantioméria (z gréčtiny enantios- „opačný“ a meros- "časť") a optické izoméry - enantioméry . Enantioméry sú opticky aktívne, otáčajú rovinu polarizácie svetla o rovnaký uhol, ale v opačných smeroch: d- alebo (+)-izomér, - vpravo, l- alebo (-)-izomér, - doľava. Zmes rovnakých množstiev enantiomérov tzv racemát, je opticky neaktívna a je označená symbolom d,l- alebo (±).

Zhrnutie lekcie

Počas lekcie ste získali všeobecné informácie o typoch izomérií a o tom, čo je izomér. Dozvedeli sme sa o typoch izomérie v organickej chémii: štruktúrnej a priestorovej (stereoizoméria). Pomocou štruktúrnych vzorcov látok sme skúmali podtypy štruktúrnej izomérie (kostrová a polohová izoméria), zoznámili sme sa s typmi priestorovej izomérie: geometrická a optická.

Bibliografia

1. Rudzitis G.E. Chémia. Základy všeobecnej chémie. 10. ročník: učebnica pre všeobecnovzdelávacie inštitúcie: základný stupeň / G. E. Rudzitis, F.G. Feldman. - 14. vydanie. - M.: Vzdelávanie, 2012.

2. Chémia. 10. ročník Úroveň profilu: akademická. pre všeobecné vzdelanie inštitúcie/ V.V. Eremin, N.E. Kuzmenko, V.V. Lunin a kol. - M.: Drop, 2008. - 463 s.

3. Chémia. 11. ročník Úroveň profilu: akademická. pre všeobecné vzdelanie inštitúcie/ V.V. Eremin, N.E. Kuzmenko, V.V. Lunin a kol. - M.: Drop, 2010. - 462 s.

4. Khomchenko G.P., Khomchenko I.G. Zbierka úloh z chémie pre tých, ktorí vstupujú na univerzity. - 4. vyd. - M.: RIA "Nová vlna": Vydavateľstvo Umerenkov, 2012. - 278 s.

Domáca úloha

1. Č. 1,2 (str. 39) Rudzitis G.E. Chémia. Základy všeobecnej chémie. 10. ročník: učebnica pre všeobecnovzdelávacie inštitúcie: základný stupeň / G. E. Rudzitis, F.G. Feldman. - 14. vydanie. - M.: Vzdelávanie, 2012.

2. Prečo je počet izomérov v uhľovodíkoch etylénového radu väčší ako v nasýtených uhľovodíkoch?

3. Ktoré uhľovodíky majú priestorové izoméry?

izoméry- látky s rovnakou molekulárnou štruktúrou, ale odlišnou chemickou štruktúrou a vlastnosťami.

Typy izomérie

ja. Štrukturálne - spočíva v rôznom poradí spojení atómov v reťazci molekuly:

1) Reťazová izoméria

Je potrebné poznamenať, že atómy uhlíka v rozvetvenom reťazci sa líšia typom spojenia s inými atómami uhlíka. Preto sa nazýva atóm uhlíka viazaný iba na jeden ďalší atóm uhlíka primárny s dvoma ďalšími atómami uhlíka - sekundárne, s tromi - terciárne, so štyrmi - kvartér.

2) Polohová izoméria

3) Medzitriedna izoméria

4) Tautomerizmus

Tautoméria(z gréckeho ταύτίς - rovnaký a μέρος - miera) - fenomén reverzibilnej izomérie, pri ktorej sa dva alebo viac izomérov ľahko navzájom premieňajú. V tomto prípade sa vytvorí tautomérna rovnováha a látka súčasne obsahuje molekuly všetkých izomérov v určitom pomere. Tautomerizácia najčastejšie zahŕňa pohyb atómov vodíka z jedného atómu v molekule na druhý a späť v tej istej zlúčenine.

II. Priestorové (stereo) - kvôli rôznym polohám atómov alebo skupín vzhľadom na dvojitú väzbu alebo kruh, s výnimkou voľnej rotácie spojených atómov uhlíka

1. Geometrické (cis -, trans - izoméria)

Ak je atóm uhlíka v molekule viazaný na štyri rôzne atómy alebo atómové skupiny, napríklad:

potom je možná existencia dvoch zlúčenín s rovnakým štruktúrnym vzorcom, ktoré sa však líšia priestorovou štruktúrou. Molekuly takýchto zlúčenín súvisia navzájom ako objekt a jeho zrkadlový obraz a sú priestorovými izomérmi.

Tento typ izomérie sa nazýva optické izoméry, ktoré sa nazývajú optické izoméry alebo optické antipódy:

Molekuly optických izomérov sú v priestore nekompatibilné (ako ľavá a pravá ruka), chýba im rovina symetrie.
teda

optické izoméry sa nazývajú priestorové izoméry, ktorých molekuly sú navzájom príbuzné ako objekt a nekompatibilný zrkadlový obraz.

Optické izoméry aminokyselín

3. Konformačná izoméria

Je potrebné poznamenať, že atómy a skupiny atómov, ktoré sú navzájom spojené väzbou σ, sa neustále otáčajú vzhľadom na os väzby, pričom navzájom zaujímajú rôzne polohy v priestore.

Molekuly, ktoré majú rovnakú štruktúru a líšia sa priestorovým usporiadaním atómov v dôsledku rotácie okolo väzieb C-C, sa nazývajú konforméry.

Na zobrazenie konformačných izomérov je vhodné použiť vzorce - Newmanove projekcie:

Na príklade cykloalkánov možno uvažovať aj o fenoméne konformačnej izomérie. Cyklohexán je teda charakterizovaný nasledujúcimi konformérmi:

Typy vzorcov opisujúcich organické látky, ktoré sme predtým skúmali, ukazujú, že jednému molekulovému vzorcu môže zodpovedať niekoľko rôznych štruktúrnych vzorcov.

Napríklad molekulový vzorec C2H6O korešpondovať dve látky s rôznymi štruktúrnymi vzorcami - etylalkohol a dimetyléter. Ryža. 1.

Etylalkohol je kvapalina, ktorá reaguje s kovom sodíka za uvoľnenia vodíka a vrie pri +78,5 °C. Za rovnakých podmienok vrie dimetyléter, plyn, ktorý nereaguje so sodíkom, pri -23 °C.

Tieto látky sa líšia svojou štruktúrou – rôzne látky majú rovnaký molekulový vzorec.

Ryža. 1. Medzitriedna izoméria

Typy izomérie

Existujú rôzne typy izomérií.

Štrukturálna izoméria je spojená s odlišným poradím spájania atómov v molekule.

Etanol a dimetyléter sú štruktúrne izoméry. Keďže patria do rôznych tried organických zlúčenín, tento typ štruktúrnej izomérie sa nazýva aj medzitriedne . Ryža. 1.

V rámci rovnakej triedy zlúčenín môžu existovať aj štruktúrne izoméry, napríklad vzorec C5H12 zodpovedá trom rôznym uhľovodíkom. Toto izoméria uhlíkového skeletu. Ryža. 2.

Ryža. 2 Príklady látok - štruktúrne izoméry

Ryža. 3. Štrukturálna pozičná izoméria

Ryža. 4. Poloha atómov chlóru okolo jednoduchej väzby

Cis-trans izoméry existujú, keď sú viazané na atóm uhlíka. dve rôzne námestník Ryža. 5.

Ryža. 5. Cis a trans izoméry

Ryža. 6. Príklady optických izomérov

ZDROJE

zdroj videa - http://www.youtube.com/watch?v=mGS8BUEvkpY

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

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

zdroj prezentácie - 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

zdroj prezentácie - http://mirhimii.ru/10class/174-izomeriya.html

Prednášky pre študentov Fakulty detského lekárstva

Prednáška2

Téma: Priestorová štruktúra organických zlúčenín

Cieľ: oboznámenie sa s typmi štruktúrnej a priestorovej izomérie organických zlúčenín.

Plán:

Klasifikácia izomérie.

Štrukturálna izoméria.

Priestorová izoméria

Optická izoméria

Prvé pokusy o pochopenie štruktúry organických molekúl pochádzajú zo začiatku 19. storočia. Fenomén izomérie prvýkrát objavil J. Berzelius a A. M. Butlerov v roku 1861 navrhol teóriu chemickej štruktúry organických zlúčenín, ktorá vysvetlila fenomén izomérie.

Izoméria je existencia zlúčenín s rovnakým kvalitatívnym a kvantitatívnym zložením, ale odlišnou štruktúrou alebo umiestnením v priestore a samotné látky sa nazývajú izoméry.

Klasifikácia izomérov

Štrukturálne

(rôzne poradie spojenia atómov)

Stereoizoméria

(rôzne usporiadanie atómov v priestore)

Ustanovenia o viacnásobnom pripojení

Ustanovenia o funkčnej skupine

Konfigurácia

Conforma-

Štrukturálna izoméria.

Štrukturálne izoméry sú izoméry, ktoré majú rovnaké kvalitatívne a kvantitatívne zloženie, ale líšia sa chemickou štruktúrou.

Štrukturálna izoméria určuje rozmanitosť organických zlúčenín, najmä alkány. S nárastom počtu atómov uhlíka v molekulách alkánov, počet štruktúrnych izomérov rýchlo narastá. Takže pre hexán (C6H14) je to 5, pre nonán (C9H20) - 35.

Atómy uhlíka sa líšia umiestnením v reťazci. Atóm uhlíka na začiatku reťazca je viazaný na jeden atóm uhlíka a je tzv primárny. Atóm uhlíka viazaný na dva atómy uhlíka - sekundárne, s tromi - terciárne, so štyrmi – kvartér. Alkány s priamym reťazcom obsahujú iba primárne a sekundárne atómy uhlíka, zatiaľ čo alkány s rozvetveným reťazcom obsahujú terciárne aj kvartérne atómy uhlíka.

Typy štruktúrnej izomérie.

metaméry– zlúčeniny patriace do rovnakej triedy zlúčenín, ale s rôznymi radikálmi:

H3C – O – C3H7 – metylpropyléter,

H 5 C 2 – O – C 2 H 5 – dietyléter

Medzitriedna izoméria. Napriek rovnakému kvalitatívnemu a kvantitatívnemu zloženiu molekúl je štruktúra látok odlišná.

Napríklad: aldehydy sú izomérne s ketóny:

Alkíny - alkadiény

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

Štrukturálna izoméria tiež určuje diverzitu uhľovodíkových radikálov. Izoméria radikálov začína propánom, pre ktorý sú možné dva radikály. Ak sa atóm vodíka odpočíta od primárneho atómu uhlíka, výsledný radikál je propyl (n-propyl). Ak sa atóm vodíka odpočíta od sekundárneho atómu uhlíka, získa sa radikál izopropyl.

izopropyl

CH 2 – CH 2 – CH 3 - rez

Priestorová izoméria (stereoizoméria)

Ide o existenciu izomérov, ktoré majú rovnaké zloženie a poradie spojenia atómov, ale líšia sa povahou usporiadania atómov alebo skupín atómov v priestore voči sebe navzájom.

Tento typ izomérie opísali L. Pasteur (1848), J. Van't Hoff, Le Bel (1874).

V reálnych podmienkach je samotná molekula a jej jednotlivé časti (atómy, skupiny atómov) v stave vibračno-rotačného pohybu a tento pohyb veľmi mení vzájomné usporiadanie atómov v molekule. V tomto čase dochádza k naťahovaniu chemických väzieb a zmenám väzbových uhlov a tým vznikajú rôzne konfigurácie a konformácie molekúl.

Preto sa priestorové izoméry delia na dva typy: konformačné a konfiguračné.

Konfigurácie sú poradie, v ktorom sú atómy usporiadané v priestore bez zohľadnenia rozdielov, ktoré vyplývajú z rotácie okolo jednoduchých väzieb. Tieto izoméry existujú v rôznych konformáciách.

Konformácie sú veľmi nestabilné dynamické formy tej istej molekuly, ktoré vznikajú v dôsledku rotácie atómov alebo skupín atómov okolo jednoduchých väzieb, v dôsledku čoho atómy zaberajú rôzne priestorové polohy. Každá konformácia molekuly je charakterizovaná špecifickou konfiguráciou.

B-väzba umožňuje rotáciu okolo seba, takže jedna molekula môže mať mnoho konformácií. Z mnohých konformácií sa berie do úvahy iba šesť, pretože Za minimálny uhol natočenia sa považuje uhol rovný 60°, ktorý sa nazýva torzný uhol.

Existujú: zatienené a inhibované konformácie.

Zatemnená konformácia nastáva vtedy, keď sú rovnaké substituenty umiestnené v minimálnej vzdialenosti od seba a vznikajú medzi nimi vzájomné odpudzujúce sily a molekula musí mať veľkú zásobu energie, aby si túto konformáciu udržala. Táto konformácia je energeticky nepriaznivá.

Inhibovaná konformácia - nastáva, keď sú rovnaké substituenty od seba čo najďalej a molekula má minimálnu energetickú rezervu. Táto konformácia je energeticky priaznivá.

P Prvou zlúčeninou, o ktorej je známa existencia konformačných izomérov, je etán. Jeho štruktúra v priestore je znázornená perspektívnym vzorcom alebo Newmanovým vzorcom:

S 2 N 6

zastretý inhibovaný

konformácia konformácia

Newmanove projekčné vzorce.

Najbližší atóm uhlíka je označený bodkou v strede kruhu, kruh predstavuje vzdialený atóm uhlíka. Tri väzby každého atómu sú znázornené ako čiary odchyľujúce sa od stredu kruhu - pre najbližší atóm uhlíka a malé - pre vzdialený atóm uhlíka.

V dlhých uhlíkových reťazcoch je možná rotácia okolo niekoľkých C-C väzieb. Preto môže celá reťaz nadobudnúť rôzne geometrické tvary. Podľa údajov röntgenovej difrakcie majú dlhé reťazce nasýtených uhľovodíkov cikcakovitý tvar a tvar pazúrov. Napríklad: kyselina palmitová (C 15 H 31 COOH) a stearová (C 17 H 35 COOH) v kľukatých konformáciách sú súčasťou lipidov bunkových membrán a molekuly monosacharidov v roztoku nadobúdajú konformáciu v tvare pazúrov.

Konformácie cyklických zlúčenín

Cyklické spojenia sú charakterizované uhlovým napätím spojeným s prítomnosťou uzavretého cyklu.

Ak považujeme cykly za ploché, potom sa u mnohých z nich väzbové uhly výrazne odchyľujú od normálu. Napätie spôsobené odchýlkou väzbových uhlov medzi atómami uhlíka v kruhu od normálnej hodnoty sa nazýva rohu alebo Bayer's.

Napríklad v cyklohexáne sú atómy uhlíka v hybridnom stave sp3, a preto by mal byť väzbový uhol rovný 109 o 28/. Ak by atómy uhlíka ležali v rovnakej rovine, potom by v rovinnom kruhu vnútorné väzbové uhly boli rovné 120° a všetky atómy vodíka by boli v zákrytovej konformácii. Ale cyklohexán nemôže byť plochý kvôli prítomnosti silných uhlových a torzných napätí. Vyvíja menej namáhané nerovinné konformácie v dôsledku čiastočnej rotácie okolo ϭ-väzieb, medzi ktorými sú konformácie stabilnejšie kreslá A kúpele.

Konformácia stoličky je energeticky najvýhodnejšia, pretože nemá okludované polohy atómov vodíka a uhlíka. Usporiadanie atómov H všetkých atómov C je rovnaké ako pri inhibovanej konformácii etánu. V tejto konformácii sú všetky atómy vodíka otvorené a dostupné pre reakcie.

Konformácia kúpeľa je energeticky menej priaznivá, pretože 2 páry atómov C (C-2 a C-3), (C-5 a C-6) ležiace na báze majú atómy H v zakrytej konformácii, preto má táto konformácia veľkú rezerva energie a nestabilná.

C6H12 cyklohexán

Tvar „stoličky“ je energeticky výhodnejší ako „vaňa“.

Optická izoméria.

Na konci 19. storočia sa zistilo, že mnohé organické zlúčeniny sú schopné otáčať rovinu polarizovaného lúča doľava a doprava. To znamená, že svetelný lúč dopadajúci na molekulu interaguje s jej elektrónovými obalmi a dochádza k polarizácii elektrónov, čo vedie k zmene smeru kmitov v elektrickom poli. Ak látka otáča rovinu vibrácií v smere hodinových ručičiek, nazýva sa to pravotočivý(+), ak proti smeru hodinových ručičiek - ľavák(-). Tieto látky sa nazývali optické izoméry. Opticky aktívne izoméry obsahujú asymetrický atóm uhlíka (chirálny) - ide o atóm obsahujúci štyri rôzne substituenty. Druhou dôležitou podmienkou je absencia všetkých typov symetrie (os, rovina). Patria sem mnohé hydroxykyseliny a aminokyseliny

Štúdie ukázali, že takéto zlúčeniny sa líšia v poradí usporiadania substituentov na atómoch uhlíka pri hybridizácii sp3.

P najjednoduchšou zlúčeninou je kyselina mliečna (kyselina 2-hydroxypropánová)

Stereoizoméry, ktorých molekuly sú navzájom príbuzné ako objekt a nekompatibilný zrkadlový obraz alebo ako ľavá a pravá ruka, sa nazývajú enantioméry(optické izoméry, zrkadlové izoméry, antipódy a tento jav sa nazýva enantioméria. Všetky chemické a fyzikálne vlastnosti enantiomérov sú rovnaké, okrem dvoch: rotácia roviny polarizovaného svetla (v polarimetrickom zariadení) a biologická aktivita.

Absolútna konfigurácia molekúl je určená zložitými fyzikálno-chemickými metódami.

Relatívna konfigurácia opticky aktívnych zlúčenín sa stanoví porovnaním s glyceraldehydovým štandardom. Opticky aktívne látky s konfiguráciou pravotočivého alebo ľavotočivého glyceraldehydu (M. Rozanov, 1906) sa nazývajú látky radu D a L. Rovnaká zmes pravotočivých a ľavotočivých izomérov jednej zlúčeniny sa nazýva racemát a je opticky neaktívna.

Štúdie ukázali, že znak rotácie svetla nemožno spájať s príslušnosťou látky k sérii D a L, určuje sa iba experimentálne v prístrojoch - polarimetroch. Napríklad kyselina L-mliečna má uhol rotácie +3,8 o, kyselina D-mliečna - 3,8 o.

Enantioméry sú znázornené pomocou Fischerových vzorcov.

Uhlíkový reťazec je znázornený zvislou čiarou.

Seniorská funkčná skupina je umiestnená hore, juniorská funkčná skupina dole.

Asymetrický atóm uhlíka je znázornený vodorovnou čiarou, na koncoch ktorej sú substituenty.

Počet izomérov je určený vzorcom 2 n, n je počet asymetrických atómov uhlíka.

L-rad D-rad

Medzi enantiomérmi môžu byť symetrické molekuly, ktoré nemajú optickú aktivitu a sú tzv mezoizoméry.

Napríklad: Vinársky dom

D – (+) – rad L – (–) – rad

Mezovinnaya k-ta

racemát – hroznová šťava

Optické izoméry, ktoré nie sú zrkadlovými izomérmi, líšia sa konfiguráciou niekoľkých, ale nie všetkých asymetrických atómov C, ktoré majú rôzne fyzikálne a chemické vlastnosti, sa nazývajú - di-A-stereoizoméry.

-Diastereoméry (geometrické izoméry) sú stereoméry, ktoré majú v molekule väzbu . Nachádzajú sa v alkénoch, nenasýtených vyšších uhlíkatých zlúčeninách, nenasýtených dikarbónových zlúčeninách. Napríklad:

Cis-butén-2 trans-butén-2

Biologická aktivita organických látok súvisí s ich štruktúrou. Napríklad:

Kyselina cis-buténdiová, kyselina trans-buténdiová,

kyselina maleínová - kyselina fumarová - netoxická,

veľmi toxické nachádzajúce sa v tele

Všetky prírodné nenasýtené zlúčeniny s vyšším uhlíkom sú cis-izoméry.

Teória A.M. Butlerov

1. Atómy v molekulách sú navzájom spojené v určitom poradí chemickými väzbami v súlade s ich mocnosťou. Poradie, v ktorom sa atómy viažu, sa nazýva ich chemická štruktúra. Uhlík vo všetkých organických zlúčeninách je štvormocný.

2. Vlastnosti látok určuje nielen kvalitatívne a kvantitatívne zloženie molekúl, ale aj ich štruktúra.

3. Atómy alebo skupiny atómov sa navzájom ovplyvňujú, čo určuje reaktivitu molekuly.

4. Štruktúru molekúl možno stanoviť na základe štúdia ich chemických vlastností.

Organické zlúčeniny majú množstvo charakteristických vlastností, ktoré ich odlišujú od anorganických. Takmer všetky (až na zriedkavé výnimky) sú horľavé; Väčšina organických zlúčenín sa nedisociuje na ióny, čo je spôsobené povahou kovalentných väzieb v organických látkach. Iónový typ väzby sa realizuje iba v soliach organických kyselín, napríklad CH3COONa.

Homológna séria- je to nekonečný rad organických zlúčenín, ktoré majú podobnú štruktúru a teda aj podobné chemické vlastnosti a líšia sa od seba ľubovoľným počtom skupín CH2– (homologický rozdiel).

Už pred vytvorením teórie štruktúry boli známe látky s rovnakým elementárnym zložením, ale s rôznymi vlastnosťami. Takéto látky sa nazývali izoméry a samotný tento jav sa nazýval izoméria.

Základ izomérie, ako ukázal A.M. Butlerov, spočíva rozdiel v štruktúre molekúl pozostávajúcich z rovnakej sady atómov.

izomerizmus- ide o fenomén existencie zlúčenín, ktoré majú rovnaké kvalitatívne a kvantitatívne zloženie, ale odlišnú štruktúru, a teda aj odlišné vlastnosti.

Existujú 2 typy izomérie: štrukturálne izoméria a priestorové izoméria.

Štrukturálna izoméria

Štrukturálne izoméry– zlúčeniny rovnakého kvalitatívneho a kvantitatívneho zloženia, líšiace sa poradím väzby atómov, t.j. chemickou štruktúrou.

Priestorová izoméria

Priestorové izoméry(stereoizoméry) s rovnakým zložením a rovnakou chemickou štruktúrou sa líšia priestorovým usporiadaním atómov v molekule.
Priestorové izoméry sú optické a cis-trans izoméry (geometrické).

Cis-trans izoméria

spočíva v možnosti umiestnenia substituentov na jednej alebo protiľahlých stranách roviny dvojitej väzby alebo nearomatického kruhu B cis izoméry substituenty sú na jednej strane roviny kruhu alebo dvojitej väzby, v trans izoméry- rôznymi spôsobmi.

V molekule buténu-2 CH3–CH=CH–CH3 môžu byť skupiny CH3 umiestnené buď na jednej strane dvojitej väzby - v cis izoméri, alebo na opačných stranách - v trans izoméri.

Optická izoméria

Objaví sa, keď má uhlík štyri rôzne substituenty.
Ak vymeníte ľubovoľné dva z nich, získate ďalší priestorový izomér rovnakého zloženia. Fyzikálno-chemické vlastnosti takýchto izomérov sa výrazne líšia. Zlúčeniny tohto typu sa vyznačujú schopnosťou otočiť rovinu polarizovaného svetla prechádzajúceho cez roztok takýchto zlúčenín o určitú hodnotu. V tomto prípade jeden izomér otáča rovinu polarizovaného svetla v jednom smere a jeho izomér rotuje v opačnom smere. Kvôli takýmto optickým efektom sa tento typ izomérie nazýva optická izoméria.

Obsah článku

IZOMERIA(grécky isos - identický, meros - časť) je jedným z najdôležitejších pojmov v chémii, hlavne v organickej. Látky môžu mať rovnaké zloženie a molekulovú hmotnosť, ale rôzne štruktúry a zlúčeniny, ktoré obsahujú rovnaké prvky v rovnakom množstve, ale líšia sa priestorovým usporiadaním atómov alebo skupín atómov, sa nazývajú izoméry. Izoméria je jedným z dôvodov, prečo sú organické zlúčeniny také početné a rôznorodé.

Izomerizmus bol prvýkrát objavený J. Liebigom v roku 1823, ktorý zistil, že strieborné soli fulminátových a izokyanových kyselín: Ag-O-N=C a Ag-N=C=O majú rovnaké zloženie, ale odlišné vlastnosti. Pojem „izoméria“ zaviedol v roku 1830 I. Berzelius, ktorý navrhol, že rozdiely vo vlastnostiach zlúčenín rovnakého zloženia vznikajú v dôsledku skutočnosti, že atómy v molekule sú usporiadané v inom poradí. Myšlienka izomérie sa nakoniec vytvorila po tom, čo A. M. Butlerov vytvoril teóriu chemickej štruktúry (1860). Na základe tejto teórie navrhol, že by mali existovať štyri rôzne butanoly (obr. 1). V čase vytvorenia teórie bol známy iba jeden butanol (CH 3) 2 CHCH 2 OH získaný z rastlinných materiálov.

Ryža. 1. Izoméry butanolu

Následná syntéza všetkých izomérov butanolu a stanovenie ich vlastností sa stali presvedčivým potvrdením teórie.

Podľa modernej definície sa dve zlúčeniny rovnakého zloženia považujú za izoméry, ak ich molekuly nemožno v priestore spojiť tak, že sa úplne zhodujú. Kombinácia sa spravidla vykonáva mentálne v zložitých prípadoch, používajú sa priestorové modely alebo metódy výpočtu.

Existuje niekoľko dôvodov pre izomériu.

ŠTRUKTURÁLNA IZOMERIZMUS

Spravidla je to spôsobené rozdielmi v štruktúre uhľovodíkového skeletu alebo nerovnakým usporiadaním funkčných skupín alebo viacnásobných väzieb.

Izoméria uhľovodíkového skeletu.

Nasýtené uhľovodíky obsahujúce jeden až tri atómy uhlíka (metán, etán, propán) nemajú žiadne izoméry. Pre zlúčeninu so štyrmi atómami uhlíka C 4 H 10 (bután) sú možné dva izoméry, pre pentán C 5 H 12 - tri izoméry, pre hexán C 6 H 14 - päť (obr. 2):

Ryža. 2. Izoméry najjednoduchších uhľovodíkov

So zvyšujúcim sa počtom atómov uhlíka v molekule uhľovodíka sa dramaticky zvyšuje počet možných izomérov. Pre heptán C 7 H 16 je deväť izomérov, pre uhľovodík C 14 H 30 je to 1885 izomérov, pre uhľovodík C 20 H 42 je ich vyše 366 000.

V zložitých prípadoch sa otázka, či sú dve zlúčeniny izoméry, rieši pomocou rôznych rotácií okolo valenčných väzieb (jednoduché väzby to umožňujú, čo do určitej miery zodpovedá ich fyzikálnym vlastnostiam). Po presunutí jednotlivých fragmentov molekuly (bez prerušenia väzieb) sa jedna molekula navrství na druhú (obr. 3). Ak sú dve molekuly úplne identické, potom nejde o izoméry, ale o rovnakú zlúčeninu:

Izoméry, ktoré sa líšia štruktúrou skeletu, majú zvyčajne rôzne fyzikálne vlastnosti (teplota topenia, teplota varu atď.), čo umožňuje oddeliť jeden od druhého. Tento typ izomérie existuje aj v aromatických uhľovodíkoch (obr. 4):

Ryža. 4. Aromatické izoméry

Pozičná izoméria.

Iný typ štruktúrnej izomérie, pozičná izoméria, sa vyskytuje v prípadoch, keď sa funkčné skupiny, jednotlivé heteroatómy alebo viacnásobné väzby nachádzajú na rôznych miestach v uhľovodíkovom skelete. Štrukturálne izoméry môžu patriť do rôznych tried organických zlúčenín, takže sa môžu líšiť nielen fyzikálnymi, ale aj chemickými vlastnosťami. Na obr. Obrázok 5 ukazuje tri izoméry zlúčeniny C3H80, dva z nich sú alkoholy a tretí je éter

Ryža. 5. Polohové izoméry

Často sú rozdiely v štruktúre polohových izomérov také zrejmé, že ich ani nie je potrebné mentálne v priestore spájať, napríklad izoméry buténu alebo dichlórbenzénu (obr. 6):

Ryža. 6. Izoméry buténu a dichlórbenzénu

Štrukturálne izoméry niekedy spájajú charakteristiky izomérie uhľovodíkového skeletu a polohovej izomérie (obr. 7).

Ryža. 7. Kombinácia dvoch typov štruktúrnej izomérie

V otázkach izomérie sú teoretické úvahy a experiment vzájomne prepojené. Ak úvahy ukazujú, že izoméry nemôžu existovať, potom by experimenty mali ukázať to isté. Ak výpočty naznačujú určitý počet izomérov, potom je možné získať rovnaký počet alebo menej z nich, ale nie viac - nie všetky teoreticky vypočítané izoméry je možné získať, pretože medziatómové vzdialenosti alebo uhly väzby v navrhovanom izoméri môžu byť mimo prípustných limitov . Pre látku obsahujúcu šesť skupín CH (napríklad benzén) je teoreticky možných 6 izomérov (obr. 8).

Ryža. 8. Benzénové izoméry

Existuje prvých päť uvedených izomérov (druhý, tretí, štvrtý a piaty izomér boli získané takmer 100 rokov po vytvorení štruktúry benzénu). Posledný izomér sa s najväčšou pravdepodobnosťou nikdy nezíska. Znázornený ako šesťuholník je najmenej pravdepodobné, že sa vytvorí a jeho deformácie vedú k štruktúram v podobe skoseného hranolu, trojcípej hviezdy, neúplnej pyramídy a dvojitej pyramídy (neúplný osemsten). Každá z týchto možností obsahuje buď veľmi rozdielne väzby C-C vo veľkosti alebo veľmi skreslené uhly väzby (obr. 9):

Chemické transformácie, v dôsledku ktorých sa štruktúrne izoméry navzájom premieňajú, sa nazývajú izomerizácia.

Stereoizoméria

vzniká v dôsledku rozdielneho usporiadania atómov v priestore s rovnakým poradím väzieb medzi nimi.

Jedným typom stereoizomérie je cis-trans izoméria (cis- lat. na jednej strane, trans - lat. cez, na rôznych stranách) sa pozoruje v zlúčeninách obsahujúcich viacnásobné väzby alebo rovinné cykly. Na rozdiel od jednoduchej väzby, viacnásobná väzba neumožňuje rotáciu jednotlivých fragmentov molekuly okolo nej. Aby sa určil typ izoméru, rovina sa mentálne nakreslí cez dvojitú väzbu a potom sa analyzuje spôsob, akým sú substituenty umiestnené vzhľadom na túto rovinu. Ak sú rovnaké skupiny na rovnakej strane roviny, potom toto cis-izomér, ak je na opačných stranách - tranz- izomér:

Fyzikálne a chemické vlastnosti cis- A tranz-izoméry sú v kyseline maleínovej niekedy nápadne odlišné, karboxylové skupiny –COOH sú si priestorovo blízke, môžu reagovať (obr. 11), pričom vzniká anhydrid kyseliny maleínovej (pri kyseline fumarovej táto reakcia nenastáva);

Ryža. 11. Tvorba anhydridu kyseliny maleínovej

V prípade plochých cyklických molekúl nie je potrebné mentálne kresliť rovinu, pretože je už daná tvarom molekuly, ako napríklad pri cyklických siloxánoch (obr. 12):

Ryža. 12. Izoméry cyklosiloxánu

V komplexných zlúčeninách kovov cis-izomér je zlúčenina, v ktorej sú dve rovnaké skupiny, z tých, ktoré obklopujú kov, umiestnené blízko, v tranz-izomér, sú oddelené inými skupinami (obr. 13):

Ryža. 13. Izoméry kobaltového komplexu

Druhý typ stereoizomérie, optická izoméria, sa vyskytuje v prípadoch, keď dva izoméry (v súlade s definíciou formulovanou skôr, dve molekuly, ktoré nie sú kompatibilné vo vesmíre) sú vzájomnými zrkadlovými obrazmi. Túto vlastnosť majú molekuly, ktoré môžu byť reprezentované ako jeden atóm uhlíka so štyrmi rôznymi substituentmi. Valencie centrálneho atómu uhlíka viazaného na štyri substituenty smerujú k vrcholom mentálneho štvorstenu - pravidelného štvorstenu ( cm. ORBITAL) a pevne upevnené. Štyri nerovnaké substituenty sú znázornené na obr. 14 vo forme štyroch guličiek s rôznymi farbami:

Ryža. 14. Atóm uhlíka so štyrmi rôznymi substituentmi

Na detekciu možnej tvorby optického izoméru je potrebné (obr. 15) molekulu odraziť v zrkadle, zrkadlový obraz potom treba brať ako reálnu molekulu, umiestnenú pod pôvodnú tak, aby sa ich zvislé osi zhodovali, a druhá molekula by sa mala otáčať okolo zvislej osi tak, aby horná a dolná molekula boli umiestnené pod sebou. V dôsledku toho sa pozícia iba dvoch guličiek, béžovej a červenej, zhoduje (označené dvojitými šípkami). Ak otočíte spodnú molekulu tak, aby sa modré guľôčky zarovnali, potom sa poloha iba dvoch guľôčok opäť zhoduje - béžovej a modrej (označené aj dvojitými šípkami). Všetko sa stane zrejmým, ak sa tieto dve molekuly mentálne spoja v priestore, pričom sa jedna do druhej, ako nôž v puzdre, červená a zelená guľa nezhodujú:

Pre akúkoľvek vzájomnú orientáciu v priestore nemôžu dve takéto molekuly dosiahnuť úplnú zhodu podľa definície, ide o izoméry. Je dôležité poznamenať, že ak centrálny atóm uhlíka nemá štyri, ale iba tri rôzne substituenty (to znamená, že dva z nich sú rovnaké), potom keď sa takáto molekula odrazí v zrkadle, nevytvorí sa optický izomér, keďže molekulu a jej odraz možno v priestore kombinovať (obr. 16):

Okrem uhlíka môžu ako asymetrické centrá pôsobiť aj ďalšie atómy, v ktorých sú kovalentné väzby nasmerované k rohom štvorstenu, napríklad kremík, cín, fosfor.

Optická izoméria sa vyskytuje nielen v prípade asymetrického atómu, ale je realizovaná aj v niektorých molekulách kostry v prítomnosti určitého počtu rôznych substituentov. Napríklad rámcový uhľovodíkový adamantán, ktorý má štyri rôzne substituenty (obr. 17), môže mať optický izomér, pričom celá molekula hrá úlohu asymetrického centra, čo je zrejmé, ak je adamantánová kostra mentálne stiahnutá do určitého bodu. . Podobne siloxán, ktorý má kubickú štruktúru (obr. 17), sa tiež stáva opticky aktívnym v prípade štyroch rôznych substituentov:

Ryža. 17. Opticky aktívne molekuly skafoldu

Možnosti sú možné, keď molekula neobsahuje asymetrické centrum, dokonca ani v skrytej forme, ale môže byť sama osebe vo všeobecnosti asymetrická a možné sú aj optické izoméry. Napríklad v komplexnej zlúčenine berýlia sú dva cyklické fragmenty umiestnené vo vzájomne kolmých rovinách, v tomto prípade stačia dva rôzne substituenty na získanie optického izoméru (obr. 18). Pre ferocénovú molekulu, ktorá má tvar päťstenného hranola, sú na rovnaký účel potrebné tri substituenty atóm vodíka v tomto prípade hrá úlohu jedného zo substituentov (obr. 18):

Ryža. 18. Optická izoméria asymetrických molekúl

Vo väčšine prípadov nám štruktúrny vzorec zlúčeniny umožňuje pochopiť, čo presne je v nej potrebné zmeniť, aby bola látka opticky aktívna.

Syntézy opticky aktívnych stereoizomérov zvyčajne produkujú zmes pravotočivých a ľavotočivých zlúčenín. Separácia izomérov sa uskutočňuje reakciou zmesi izomérov s činidlami (zvyčajne prírodného pôvodu) obsahujúcimi asymetrické reakčné centrum. Niektoré živé organizmy, vrátane baktérií, prednostne metabolizujú ľavotočivé izoméry.

Teraz boli vyvinuté procesy (nazývané asymetrická syntéza) na špecifickú produkciu špecifického optického izoméru.

Existujú reakcie, ktoré vám umožňujú previesť optický izomér na jeho antipód ( cm. VALDENSKÉ KONVERZIE).

Michail Levický