Энциклопедичный YouTube
1 / 5
Изомерия и номенклатура предельных углеводородов
1.1. Алканы: Строение, номенклатура, изомерия. Подготовка к ЕГЭ по химии
Виды изомерии
Стереоизомеры, Энантиомеры, Диастереомеры, Структурные изомеры, Мезосоединения
№ 42. Органическая химия. Тема 12. Галогенопроизводные. Часть 1. Номенклатура, изомерия
Субтитры
Исторические сведения
Этот тип изомерии подразделяют на энантиомерию (оптическую изомерию) и диастереомерию .
Энантиомерия (оптическая изомерия)
Процесс взаимопревращения энантиомеров называется рацемизацией : она приводит к исчезновению оптической активности в результате образования эквимолярной смеси (−)- и (+)-форм, то есть рацемата. Взаимопревращение диастереомеров приводит к образованию смеси, в которой преобладает термодинамически более устойчивая форма. В случае π-диастереомеров это обычно транс-форма. Взаимопревращение конформационных изомеров называется конформационным равновесием.
Явление изомерии в огромной степени способствует росту числа известных (и ещё в большей степени - числа потенциально возможных) соединений. Так, возможное число структурно-изомерных дециловых спиртов - более 500 (известно из них около 70), пространственных изомеров здесь более 1500.
При теоретическом рассмотрении проблем изомерии все большее распространение получают топологические методы; для подсчёта числа изомеров выведены математические формулы.
И греческий μέρος - доля, часть), явление, заключающееся в существовании химических соединений одинаковых по составу с одинаковой молекулярной массой, но различающихся по структуре. Такие соединения называются изомерами. Структурные различия обусловливают различное взаимное влияние атомов в молекулах и предопределяют разные физические и химические свойства изомеров. Изомерия чрезвычайно распространена в органической химии и является одной из основных причин разнообразия и многочисленности органических соединений. В неорганической химии изомерия встречается в основном для комплексных соединений.
Термин «изомерия» ввёл Й. Берцелиус в 1830 году, завершая полемику между Ю. Либихом и Ф. Вёлером по вопросу существования двух резко отличающихся по свойствам веществ, имеющих один и тот же состав AgCNO, - цианата и фульмината серебра и опираясь на результаты исследований винной и виноградной кислот. Сущность изомерии была объяснена позднее на основе теории химического строения.
Выделяют два основных вида изомерии: структурную и пространственную (стереоизомерию). Структурные изомеры различаются порядком связей атомов в молекуле, то есть химическим строением. Стереоизомеры (пространственные изомеры) при одинаковом порядке связей атомов в молекуле различаются взаимным расположением атомов в пространстве.
Структурная изомерия подразделяется на изомерию углеродного скелета (скелетную изомерию), изомерию положения (позиционную изомерию), метамерию и другие виды. Изомерия углеродного скелета обусловлена различным порядком связей углеродных атомов, образующих скелет молекулы. Для конкретизации структурных особенностей изомеров скелетная изомерия подразделяется на изомерию углеродной цепи, изомерию цикла и изомерию боковой цепи. Например, изомерия углеродной цепи характерна для алканов начиная с четвёртого члена гомологического ряда С 4 Н 10 , который имеет два структурных изомера: н-бутан СН 3 -СН 2 -СН 2 -СН 3 и изобутан (2-метилпропан) СН 3 -СН(СН 3)-СН 3 . Пятый член ряда алканов С 5 Н 12 имеет три изомера: СН 3 -СН 2 -СН 2 -СН 2 -СН 3 - н-пентан, СН 3 -СН(СН 3)-СН 2 -СН 3 - изопентан (2-метилбутан) и неопентан (2,2-диметилпропан) СН 3 -С(СН 3) 2 -СН 3 . С удлинением цепи число возможных изомеров быстро возрастает. Так, для алканов состава С 10 Н 22 возможно существование 75 структурных изомеров, для С 13 Н 28 - 802 изомеров, для С 20 Н 42 - более 366 тысяч изомеров. Для алициклических соединений характерны изомерия цикла и изомерия боковой цепи. Например, среди скелетных изомеров (формулы I-IV) метилциклопентан (I), циклогексан (II) и пропилциклопропан (III) являются циклическими изомерами, а пропилциклопропан (III) и изопропилциклопропан (IV) - изомерами боковой цепи. Различия в свойствах скелетных изомеров проявляются в разнице их температур кипения (изомеры с нормальной углеродной цепью кипят при более высокой температуре, чем изомеры с разветвлённой цепью), плотности и др. н-Алканы, например, в отличие от разветвлённых изомеров обладают меньшей детонационной стойкостью (смотри в статье Октановое число), образуют комплексы с мочевиной (клатраты).
Изомерия положения обусловлена различным положением функциональных групп, заместителей или кратных связей. Например, изомерами положения являются 1-пропанол СН 3 -СН 2 -СН 2 ОН и 2-пропанол СН 3 -СН(ОН)-СН 3 , 1-бутен СН 2 =СН-СН 2 -СН 3 и 2-бутен СН 3 -СН=СН-СН 3 . Изменение положения функциональной группы может приводить к изменению класса соединения. Например, изомеры положения ацетон СН 3 -С(О)-СН 3 и пропаналь СН 3 -СН 2 -СНО относятся соответственно к кетонам и альдегидам. Структурные изомеры с разными функциональными группами сильно различаются по химическим свойствам.
Метамерия обусловлена различным положением гетероатома (О, N, S) в цепи. Например, метамерами являются метилпропиловый эфир СН 3 О-СН 2 -СН 2 -СН 3 и диэтиловый эфир СН 3 -СН 2 -О-СН 2 -СН 3 , диэтиламин СН 3 -СН 2 -NH-СН 2 -СН 3 и СН 3 -NH-СН 2 -СН 2 -СН 3 - метилпропиламин.
Часто различия в изомерах определяют несколько структурных признаков. Например, метилизопропилкетон (3-метил-2-бутанон) СН 3 -С(О)-СН(СН 3) 2 и валериановый альдегид (пентаналь) СН 3 -СН 2 -СН 2 -СН 2 -СНО отличаются друг от друга как структурой углеродного скелета, так и положением функциональной группы.
Особым видом структурной изомерии является таутомерия (равновесная динамическая изомерия). В этом случае изомеры, различающиеся функциональными группами, легко переходят друг в друга до достижения равновесия, при котором вещество одновременно содержит молекулы таутомеров в определённом соотношении.
Пространственная изомерия подразделяется на геометрическую (цис,транс и син,анти-изомерию, или Е,Z-изомерию) и оптическую (энантиомерию). Геометрическая изомерия характерна для соединений, содержащих двойные связи или неароматические циклы, являющиеся структурно жёсткими фрагментами молекул. У цис-изомеров два заместителя расположены по одну сторону плоскости двойной связи или цикла, у транс-изомеров - по разные стороны. Например, геометрическими изомерами являются цис-2-бутен (формула V) и транс-2-бутен (VI), цис-1, 2-дихлорциклопропан (VII) и транс-1,2-дихлорциклопропан (VIII).
Характерными различиями между циси транс-изомерами являются более низкая температура плавления цис-изомеров, значительно лучшая растворимость в воде и явно выраженный дипольный момент. Транс-изомеры обычно более стабильны. Смотри, например, в статье Малеиновая и фумаровая кислоты.
Геометрическую изомерию, наблюдаемую для соединений с двойными связями С=N (оксимы) и N=N (азо-, азоксисоединения), часто называют син,анти-изомерия. Например, геометрическими изомерами являются анти-бензальдоксим (формула IX) и син-бензальдоксим (Х); син-азобензол (XI) и анти-азобензол (XII).
В общем случае используется Ε,Z-номенклатура. У Z-изомеров старшие заместители (имеющие больший атомный номер) расположены по одну сторону двойной связи или цикла, у Е-изомеров - по разные стороны. Например, геометрическими изомерами являются (Z)-1-бром1-иод-2-хлорэтилен (формула XIII) и (Е)-1 -бром-1 -иод-2-хлорэтилен (XIV).
Оптическая изомерия характерна для соединений, молекулы которых имеют элементы хиральности, например асимметрический (хиральный) атом углерода, связанный с четырьмя разными заместителями. Впервые обнаружена Л. Пастером в 1848 на примере винных кислот и объяснена Я. Х. Вант-Гоффом и Ж. А. Лe Белем в 1874 году на основе представлений о тетраэдрической конфигурации углеродных атомов в насыщенных соединениях. Молекулы, содержащие асимметрический атом углерода, могут быть представлены в виде двух оптических изомеров, которые не могут быть совмещены в пространстве (т. е. относятся друг к другу как предмет к своему зеркальному изображению). Такие зеркальные изомеры, отличающиеся лишь противоположным расположением одних и тех же заместителей у хирального центра, называются энантиомерами (от греческого έναντίος - противоположный и μέρος - часть). Например, энантиомеры молочной кислоты (XV и XVI) можно представить в трёхмерном изображении или в виде формул Фишера (смотри в статье Химическая номенклатура).
Энантиомеры имеют различную биологическую активность; для них характерна также оптическая активность - способность воздействовать на плоскополяризованный свет (вращать плоскость поляризации). Энантиомеры вращают плоскость поляризации на один и тот же угол, но в противоположном направлении, поэтому их называют оптическими антиподами.
Длительное время конфигурацию энантиомеров определяли относительно конфигурации известного стандарта, которым служили энантиомеры глицеринового альдегида (D, L-стерические ряды). Более универсальной является R, S-номенклатура (предложена Р. Каном, К. Ингольдом и В. Прелогом), устанавливающая абсолютную конфигурацию пространственных изомеров. В соответствии с правилами R, S-номенклатуры энантиомеры молочной кислоты (XV, XVI) являются соответственно (R)-молочной и (S)-молочной кислотами. Правил перевода D, L-номенклатуры в R, S-систему не существует, так как в этих номенклатурах используются разные принципы. Не установлено также связи между абсолютной конфигурацией и параметрами оптического вращения.
Для соединений, имеющих n хиральных центров в молекуле, количество возможных стереоизомеров составляет 2". Однако при n ≥2 существуют стереоизомеры, которые отличаются друг от друга частью имеющихся в них элементов хиральности. Такие стереоизомеры, не являющиеся энантиомерами, называют диастереомерами (от греческого δια... - через, между, стерео... и μέρος - часть). Например, для хлоряблочной кислоты, имеющей два асимметрических атома углерода, существуют четыре стереоизомера (формулы XVII-XX), среди которых пары XVII и XVIII, а также XIX и XX являются энантиомерами, остальные пары (XVII и XIX, XVII и XX, XVIII и XIX, XVIII и XX) - диастереомеры.
При появлении дополнительных элементов симметрии (плоскости, оси или центра симметрии) общее число стереоизомеров, а также количество оптически активных форм может уменьшаться. Например, винные кислоты имеют три стереоизомера, из них два оптически активные: D-винная кислота, или (2R,3R)-винная кислота (формула XXI), и L-винная кислота, или (2S,3S)-винная кислота (XXII), являющиеся энантиомерами. Их диастереомер - мезовинная кислота, или (2R,3S)-винная кислота (формула XXIII, или идентичная конфигурация XXIV), вследствие наличия плоскости симметрии (обозначена пунктиром) оптически недеятельна - является так называемым внутримолекулярным рацематом.
Процесс взаимопревращения энантиомеров называется рацемизацией. Смесь равных количеств оптических антиподов - рацемическая смесь, или рацемат, не обладает оптической активностью. Стереоизомерии уделяется большое внимание при изучении природных соединений и синтезе биологически активных веществ. Веществам природного происхождения, содержащим элементы хиральности, присуща определённая стереоконфигурация, а также оптическая активность. При формировании хирального центра в условиях химического синтеза (за исключением асимметрического синтеза) образуется рацемат; для выделения энантиомеров требуется применение сложных методов разделения рацемата на оптически активные компоненты.
В результате внутреннего вращения молекул возникают конформационные изомеры, или конформеры, различающиеся степенью поворота фрагментов молекулы относительно одной или нескольких простых связей. В некоторых случаях можно выделить отдельные конформеры, иногда называемые также поворотными изомерами. Для изучения образования, различия в свойствах и реакционной способности конформеров используется конформационный анализ.
Изомеры могут превращаться друг в друга в результате реакций изомеризации.
Лит.: Потапов В. М. Стереохимия. 2-е изд. М., 1988; Травень В. Ф. Органическая химия. М., 2004. Т. 1.
В данной статье мы поговорим про структурные изомеры, особенности их строения и виды изомерии. Подробно разберем само явление изомерии, а также будут предоставлены примеры использования их в жизни.
Явление изомерии
Изомерия - особое явление, предопределяющее существование хим. соединений, тех самых - изомеров, веществ с идентичными составами атомов и молекулярными массами, имеющих различие лишь в атомном расположении в пространстве или по их строению, что ведет к изменению и приобретению ими различных, новых свойств. Структурные изомеры — это вещества, образовавшиеся вследствие подобного изменения положения своих атомов в пространстве, которые более детально будут рассмотрены ниже.
Говоря об изомерии, стоит помнить о существовании такого процесса, как изомеризация, который представляет собой процесс перехода одного изомера в другой в результате хим. превращений.
Виды изомерии
Изомерия валентности - это вид структуры изомеров, в котором перевод самих изомеров (одного в другой) возможен в результате перераспределения валентных связей.
Изомерия положения представляет собой тип веществ с идентичным углеродным скелетом, но отличающимся положением функциональных групп. Ярким примером служит 2- и 4-кислоты хлорбутана.
Межклассовая изомерия таит свое отличие между изомерами в характере функциональных групп.
Метамерия - это распределение положения атомов углерода между определенным количеством радикалов углерода, гетероатом молекулы служит разделителем. Такой вид изомерии характерен для аминов, тиоспиртов, эфиров как простых, так и сложных.
Изомерия углеродного скелета - это отличие положения атомов углерода, а точнее их порядка. Например: фенантрен и антрацен имеют общую формулу С14Н10, но разный тип перераспределения связей валентности.
Структурные изомеры
Структурные изомеры - это вещества имеющие сходную формулу структуры вещества, но отличаются по формуле молекулы. Структурные изомеры — это которые идентичны друг другу по количественному и качественному составам, но порядок атомного связывания (химического строения) имеет различия.
Структурные изомеры классифицируются по типу изометрической структуры, виды которой приведены выше, в пункте о видах изомерии.
Структурная формула изомера вещества имеет широкий спектр видоизменений. Некоторыми примерами изомерии могут служить такие вещества, как бутановая кислота, 2-метилпропановая кислота, метил пропионата, диоксан, этил ацетат, изопропиловый формиат имеют одинаковый состав всех трех типов атомов в составе вещества, но различаются по положению атомов в самом соединении.
Еще один яркий пример изомерии - это существование пентана, неопентана и изопентана.
Наименования изомеров
Как упоминалось ранее, структурные изомеры - это вещества, имеющие сходную формулу структуры вещества, но отличаются по формуле молекулы. Такие соединения имеют классификацию, которая соответствует особенностям их свойств, строения и положения атомов в молекуле изомера, отличия в количестве функциональных групп, валентных связях, наличии атомов определенного элемента в веществе и т.д. Названия структурных изомеров получают различными способами. Рассмотрим это на примере 3-метилбутанола 1, как представителя спиртов.
В случае со спиртами при получении названия спиртов все начинается с выбора цепи углерода, которая является главенствующей, проводят нумерацию, цель которой - это присвоение группе ОН наименьшего, возможного номера, с учетом порядка. Само название начинают составлять с заместителя в цепи углеродов, затем следует название главной цепи, а после добавляется суффикс -ол, а цифрой указывается углеродный атом, связанный с группой ОН.
Изомеры, изомерия
Изомеры – это вещества, имеющие одинаковый качественный и количественный состав, но различное строение и, следовательно, разные свойства
Явление существования изомеров называется изомерией
Например, вещество состава С 4 Н 10 имеет два изомерных соединения.
Физические свойства бутана и изобутана отличаются: изобутан имеет более низкие температуры плавления и кипения, чем н.бутан.
Шаростержневая модель молекулы бутана
Шаростержневая модель молекулы изобутана
Химические свойства данных изомеров различаются незначительно, т.к. они имеют одинаковые качественный состав и характер связи между атомами в молекуле.
По- другому определение изомеров можно дать так:
Изомеры – вещества, имеющие одинаковую молекулярную, но разную структурную формулу.
Виды изомерии
В зависимости от характера отличий в строении изомеров различают структурную и пространственную изомерию.
Структурные изомеры - соединения одинакового качественного и количественного состава, отличающиеся порядком связывания атомов, т.е химическим строением .
|
Структурная изомерия делится на: |
||
|
1.Изомерию углеродного скелета |
2.Изомерию положения (кратной связи, функциональной группы, заместителя) |
3.Межклассовую изомерию CH 3 -CH 2 -NO 2 нитроэтан HOOC-CH 2 -NH 2 аминоуксусная кислота (глицин) |
|
Изомерия положения |
||
|
кратной связи СН 2 = СН-СН= СН 2 СН 3 -СН= С= СН 2 |
функциональной группы СН 3 -СНОН -СН 3 СН 2 ОН -СН 2 -СН 3 |
Заместителя СН 3 -СНCI -СН 3 СН 2 CI -СН 2 -СН 3 |
Структурная изомерия
|
|
Изомерия положения кратной (двойной) связи: Бутен-1 и бутен -2 |
|
Изомерия углеродного скелета: Циклобутан и метилциклопропан |
|
|
Межклассовая изомерия: Бутен и циклобутан |
Пространственные изомеры (стереоизомеры) при одинаковом составе и одинаковом химическом строении различаются пространственным расположением атомов в молекуле
|
Пространственная изомерия делится на: |
|
|
|
Характерна для веществ, содержащих двойные связи или циклические. |
Оптические изомеры еще называют зеркальными или хиральными (как левая и правая рука)
Явление изомерии было открыто в 1824 г. независимо друг от друга Юстусом Либихом и Фридрихом Вёлером. Проводя исследования, они обнаружили, что существуют два вещества одинакового состава, но с разными свойствами:
Термин изомер (от греч. изос - «равный» и мерос - «мера», «часть») был предложен позднее, в 1830 г., Якобом Берцелиусом.
В основе изомерии, как показал А.М. Бутлеров, лежит различие в строении молекул, состоящих из одинакового набора атомов. Таким образом, изомерия - это явление существования соединений, имеющих одинаковый качественный и количественный состав, но различное строение и, следовательно, разные свойства.
Например, при содержании в молекуле 4-х атомов углерода и 10-ти атомов водорода возможно существование 2-х изомерных соединений:
В зависимости от характера отличий в строении изомеров различают структурную и пространственную изомерию.
Структурные изомеры - соединения одинакового качественного и количественного состава, отличающиеся порядком связывания атомов, т.е химическим строением.
Следовательно, структурные изомеры имеют одну и ту же молекулярную формулу, но различные структурные формулы.
Типы структурной изомерии
- Изомерия углеродного скелета
Например, структурные изомеры C 5 H 12:
- Изомерия положения:
а) кратных связей
б) функциональной группы
- Межклассовая изомерия (изомерия функциональных групп)
Пространственная изомерия:
Пространственные изомеры (стереоизомеры) при одинаковом составе и одинаковом химическом строении различаются пространственным расположением атомов в молекуле.
Пространственными изомерами являются оптические и цис-транс изомеры (шарики разного цвета обозначают разные атомы или атомные группы):
Молекулы таких изомеров несовместимы в пространстве. Наглядное представление о пространственном строении молекул дают их трёхмерные модели. Для графического изображения стереоизомеров используются стереохимические и проекционные формулы. Стереоизомерия играет важную роль в органической химии. Подробнее эти вопросы рассматриваются при изучении соединений отдельных классов.
