Как найти структурный изомер

Изомеры – это вещества, имеющие одинаковый состав (число атомов каждого типа), но разное взаимное расположение атомов – разное строение.

Изомерия – это явление существования веществ с одинаковым составом, но различным строением.

Например, формуле C₄H₁₀ соответствуют два изомерных соединения н-бутан с линейным углеродным скелетом и изобутан (2-метилбутан) с разветвленным скелетом:

При этом температура кипения н-бутана –0,5^оС, а изобутана –11,4^оС.

Виды изомерии

Различают два основных вида изомерии: структурную и пространственную (стереоизомерию).

   Структурные изомеры отличаются друг от друга взаимным расположением атомов в молекуле;  стереоизомеры — расположением атомов в пространстве.

Структурная изомерия

Структурные изомеры – соединения с одинаковым составом, но различным порядком связывания атомов, т.е. с различным химическим строением. Молекулярная формула у структурных изомеров одинаковая, а структурная различается.

1. Изомерия углеродного скелета: вещества различаются строением углеродной цепи, которая может быть линейная или разветвленная.

Например, молекулярной формуле С₅Н₁₂ соответствуют три изомера:

2. Изомерия положения обусловлена различным положением кратной связи, функциональной группы или заместителя при одинаковом углеродном скелете молекул.

2.1. Изомерия положения функциональной группы. Например, существует два изомерных предельных спирта с общей формулой С₃Н₈О: пропанол-1 (н-пропиловый спирт) пропанол-2 (изопропиловый спирт):

2.2. Изомерия положения кратной связи может быть вызвана различным положением кратной (двойной или тройной)  связи в непредельных соединениях. Например, в бутене-1 и бутене-2:

2.3. Межклассовая изомерия – ещё один вид структурной изомерии, когда вещества из разных классов веществ имеют одинаковую общую формулу.

Например, формуле С₂Н₆О соответствуют: спирт (этанол) и простой эфир (диметиловый эфир):

Пространственная изомерия

Пространственные изомеры – это вещества с одинаковым составом и химическим строением, но с разным пространственным расположением атомов в молекуле. Виды пространственной изомерии – геометрическая (цис—транс) и оптическая изомерия.

1. Геометрическая изомерия (или цис-транс-изомерия).

Геометрическая изомерия характерна для соединений, в которых различается положение заместителей относительно плоскости двойной связи или цикла. Например, для алкенов и циклоалканов.

Двойная связь не имеет свободного вращения вокруг своей оси.

Поэтому заместители у атомов углерода при двойной связи могут быть расположены либо по одну сторону от плоскости двойной связи (цис-изомер), либо по разные стороны от плоскости двойной связи (транс-изомер). При этом никаким вращением нельзя получить из цис-изомера транс-изомер, и наоборот.

Например, бутен-2 существует в виде цис— и транс-изомеров

1,2-Диметилпропан также образует цис-транс-изомеры:

Геометрические изомеры различаются по физическим свойствам (температура кипения и плавления, растворимость, дипольный момент и др.). Например, температура кипения цис-бутена-2 составляет 3,73 ^оС, а транс-бутена-2 0,88^оС.

При этом цис—транс-изомерия характерна для соединений, в которых каждый атом углерода при двойной связи С=С (или в цикле) имеет два различных заместителя.

Например, в молекуле бутена-1 CH₂=CH-CH₂-CH₃ заместители у первого атома углерода при двойной связи (два атома водорода) одинаковые, и цис—транс-изомеры бутен-1 не образует. А вот в молекуле бутена-2 CH₃—CH=CH-CH₃ заместители у каждого атома углерода при двойной связи разные (атом водорода и метильная группа CH₃), поэтому бутен-2 образует цис— и транс-изомеры.

Таким образом, для соединений вида СH₂=СHR и СR₂=СHR’ цис—транс-изомерия не характерна.

2. Оптическая изомерия

Оптические изомеры – это пространственные изомеры, молекулы которых соотносятся между собой как предмет и несовместимое с ним зеркальное изображение.

Оптическая изомерия свойственна молекулам веществ, имеющих асимметрический атом углерода.

Асимметрический атом углерода — это атом углерода, связанный с четырьмя различными заместителями.

Такие молекулы обладают оптической активностью — способностью к вращению плоскости поляризации света при прохождении поляризованного луча через раствор вещества.

Например, оптические изомеры образует 3-метилгексан:

Органические соединения с одинаковым качественным и количественным составом – изомеры — могут отличаться по свойствам. Причиной является различное строение, которое определяет отношение веществ к классу соединений.

Чтобы определить класс недостаточно оперировать молекулярной формулой вещества – необходимо знать графическую формулу, которая показывает структурное и пространственное расположение атомов в молекуле.

Определение

Изомеры — это химические соединения с идентичным атомным составом, но различные по строению или пространственному расположению атомов. Изомеры имеют разные химические свойства.

Основные виды изомерии: 

• структурные;
• пространственные.

Структурная изомерия

Структурные изомеры – химические вещества, при одинаковом качественном и количественном составе различающиеся порядком расположения атомов – строением вещества.

Выделяют шесть видов структурной изомерии:

Изомерия углеродного скелета

Пентан имеет три структурные формулы изомеров:

Изомерия положения кратной связи

При общей формуле пентен имеет два изомера, различающихся расположением двойной связи:

У изомеров положения кратной связи параллельно может быть изомерия углеродного скелета. Для пентена это:

Общее число структурных изомеров пентена равно пяти, из которого два изомера положения двойной связи и три изомера углеродного скелета.

 Изомерия положения функциональной группы

К функциональным группам относятся фрагменты органических соединений, определяющие их свойства.

Для примера: -ОН гидроксильная, -СООН карбоксильная, -NH2 аминогруппа, -CN цианогруппа и другие.

Как выглядит изомерия положения можно рассмотреть на примере пентана и -Cl в качестве функциональной группы:

Хлорпентан имеет 3 положения функциональной группы, которые различаются между собой местом расположения заместителя на углеродной цепи.

Валентная изомерия

Изомеры, которые можно перевести из одного в другой путем перераспределения внутренних связей называют валентными. Внутримолекулярная перегруппировка является не катализируемым и не зависящим от растворителя процессом.

На внутримолекулярные изменения, влияет температура, в случае с бензолом Хюккеля УФ-облучение.

Пример:

бензол – у этого простейшего ароматического углеводорода, известны три валентных изомера:

Бензол Дьюара трансформируется в обычный бензол при t 20°С за 48 часов, при t 90°С для изомеризации достаточно 30 минут.

Преобразование бензола в бензвален (бензол Хюккеля) происходит при его облучении УФ-светом с определенной длиной волны.

Призман – самый нестабильный из изомеров бензола.

 Межклассовая изомерия

Соединения, имеющие общую формулу, могут содержать функциональные группы, относящиеся к разным классам соединений.

Общую формулу имеют два вещества:

Изомерия статическая и динамическая

Различают типы изомерии:

• статическая – изомеры образуются в результате химического процесса изомеризации;
• динамическая – несколько изомеров существуют одномоментно и легко переходят друг в друга.

К статической относятся изомерия углеродного скелета, положения кратной связи, функциональной группы, межклассовая и валентная.

Пример динамической изомерии – прототропная таутомерия, при которой обратимая изомеризация происходит за счет перехода протона водорода внутри молекулы.

Это интересно:

Изомеры гексана

Изомеры пентена

Гомологический ряд алкенов

Стереоизомерия

В пространственных изомерах с одинаковой структурной формулой, атомы молекулы ориентированы в пространстве по-разному.

Чем же отличается структурная изомерия от пространственной: первая рассматривает порядок атомов в молекуле на плоскости, а вторая – в объеме.

Стереоизомерия делится на геометрическую (цис-транс) и оптическую.

Цис-транс — изомерия (геометрическая)

Геометрические изомеры присутствуют в веществах, имеющих двойные связи или циклы.

Подразделяют геометрические изомеры относительно плоскости, в которой расположена π-связь или закольцованный цикл.

Изомеры, у которых одинаковые заместители расположены по одну сторону от плоскости называют цис- изомерами.

Соединения, у которых заместители расположены по разные стороны от плоскости π-связь или кольца называют транс- изомерами.

Наглядной иллюстрацией могут служить простейшие геометрические изомеры — бутен-:

Оптическая изомерия

При исследовании веществ с одинаковой структурной формулой на поляриметре было выявлено явление вращения плоскости поляризованного света. Такие вещества получили название оптически активных веществ.

Исследования показали, что молекулы этих веществ хиральны, то есть несовместимы со своим отражением в зеркале. Хиральные вещества присутствуют в виде двух оптических антиподов (энантиомеров), один из которых правовращающий (+), а другой – левовращающий (-).

Определить знак оптического изомера можно с помощью поляриметра.

Причина хиральности состоит в присутствии ассиметрического атома углерода – связанного с четырьмя различными заместителями.

Хиральные молекулы невозможно совместить, так как они зеркально симметричны.

Пример пары стереоизомеров, представляющих зеркальные отражения:

(S)-(+)- Молочная кислота (слева) и (R)-(-)-Молочная кислота (справа).

Для изображения оптических изомеров используют проекционные формулы Э.Фишера.

Правила построения формул Фишера

Изображают стереоизомеры с ассиметрическим атомом углерода на плоскости в виде проекционных форм, предложенных в конце XIX века Э.Фишером.

Правила изображения проекции Фишера:

1. Углеродный скелет располагается в пространстве вертикально, нумерация атомов углерода идет сверху вниз.
2. Горизонтальные связи в проекции направлены к наблюдателю, а вертикальные – от него.

Правила пользования проекциями Фишера имеют ограничения:

• проекция корректна только в плоскости чертежа;
• нельзя разворачивать чертеж на 90° и 270°, так как вертикальные и горизонтальные линии меняются местами;
• допускается разворот на 180°.

Номенклатура стереоизомеров основана на правиле последовательности заместителей при асимметрическом атоме углерода по старшинству (определяется как порядковый номер в Периодической таблице). Учитывается направление уменьшения старшинства: падение по часовой стрелке обозначается как R, против – как S.

Заключение

Все виды изомерии органических соединений делят на две части – структурная изомерия и пространственная.

Изомеры, относящиеся к первой группе, различаются порядком соединения атомов, а ко второй – только их пространственным расположением. Классификация изомеров опирается на различия между ними. Изучение множества структурных и пространственных форм веществ стали возможны благодаря работам А.М.Бутлерова и Я.Г.Вант-Гоффа.

Органическая химия — раздел, который вызывает больше всего вопросов. Сложность заключается в первую очередь в огромном количестве веществ: ученым известно более миллиона. Но не нужно пугаться. В органике соединения поделены на классы, свойства внутри которых очень похожи. Выучив общие реакции для каждой группы веществ, вы сможете с легкостью решать задания. Первая тема в рамках подготовки к ЕГЭ — изомерия и номенклатура органических соединений. В статье мы разберем основы этого раздела. Более подробно материал рассматривается на подготовительных курсах. Там изучаются все сложные вопросы органической химии, поэтому выпускники набирают высокие баллы на ЕГЭ.

Изомерия

Первый вопрос, который мы рассмотрим — изомерия органических соединений в химии. Под этим термином понимают явление существования веществ-изомеров. Изомеры — это соединения, имеющие одинаковый качественный и количественный состав (то есть молекулярную формулу), но разное строение и свойства (то есть структурную формулу). 

Для начала разберемся в формулах органических соединений. Молекулярная показывает только тип атомов и их количество. Например, C5H10OH. Структурная отражает взаимное расположение атомов в молекуле. Приведенная молекулярная формула может принадлежать сразу нескольким веществам, так как гидроксильная группа может располагаться у разных атомов. Под формулой может скрываться пентанол-1 CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-OH, пентанол-2 CH3-CH2-CH2-CH(OH)-CH3 или пентанол-3 CH3-CH2-CH(OH)-CH2-CH3. Эти вещества, имеющие разное взаимное расположение атомов, и называются изомерами. 

Различают два вида изомерии — пространственную и структурную. Структурная изомерия подразумевает различный порядок расположения атомов в молекуле. Делится на несколько типов: 

• углеродного скелета. Различное расположение радикалов в молекуле: СН3— СН2-СН2-СН2-CH3 (н-пентан) и СН3-СН2-СН(CH3)-CH3 (2-метилбутан);
• положения кратной связи. Двойные и тройные связи могут располагаться у разных атомов. Изомерами являются бутен-1 СН2=СН-СН2-СН3 и бутен-2 СН3-СН=СН2-СН3;
• положения функциональной группы. Пример — уже рассмотренный выше пентанол;
• межклассовая. Иногда под одной формулой скрываются вещества разных классов. Такими изомерами являются алкины и алкадиены, алкены и циклоалканы, спирты и простые эфиры, альдегиды и кетоны, сложные эфиры и карбоновые кислоты. Пример: метилацетат CH3-COO-CH3 и пропановая кислота CH3-CH2-COOH;
• взаимного расположения заместителей. Характерна для циклических соединений (аренов, циклоалканов, циклов с кратными связями). Когда в кольцо вносится второй заместитель, он может располагаться в одном из трех положений: орто (у соседних атомов углерода), мета (через один атом) и пара (напротив друг друга). Это касается ароматических соединений. В циклоалканах заместители обозначают цифрами, например, 1,2-диметилциклобутан;
• метамерия. Связана с разным положением гетероатома в молекуле. Гетероатом — это азот, сера, кислород. Такими изомерами могут быть амины, например, этиламин СН3–СН2–NH2 и диметиламин СН3–NH–СН3;
• таутомерия. Это явление, при котором два изомера легко переходят друг в друга. В таком случае вещество состоит сразу из нескольких молекул, устанавливается равновесие, которое смещается под действием внешних факторов. Пример веществ — пропанон и пропенол-2.

Вторым типом изомерии в органике является пространственная. Она связана с различным взаимным расположением атомов в молекуле. При этом сама структура остается прежней. Оптическая изомерия возникает при вращении атомов вокруг кратной связи. Она характерна для алкенов и алкинов. Аналогичное явление обнаружено у циклов с несколькими заместителями. В цис-изомерах одинаковые группы атомов расположены по одну сторону кратной связи или цикла, в транс — по разные стороны. 

Оптическая изомерия характеризуется различным расположением молекул относительно одного атома. Это должен быть ассиметричный углерод — с четырьмя разными заместителями. Он называется хиральным центром. Изомеры являются зеркальным отражением друг друга, как правая и левая рука. Это дает им разные химические свойства. 

Номенклатура

Переходим к классификации и номенклатуре органических соединений в химии. В рамках этой темы нужно понимать, какие классы соединений существуют и как их называть. В органике используется систематическая номенклатура ИЮПАК. Основа названия — корень, обозначающий самую длинную углеродную цепь. Первые 10 веществ в гомологическом ряду: 

1. С1 — мет-;

2. С2 — эт-;

3. С3 — проп-;

4. С4 — бут-;

5. С5 — пент-;

6. С6 — гекс-;

7. С7 — гепт-;

8. С8 — окт-;

9. С9 — нон-;

10. С10 — дек-.

Далее идет суффикс. Самая простая номенклатура у углеводородов. Алканы имеют суффикс -ан (пропан), алкены — -ен (пропен), алкины — -ин (пропин). Если кратных связей 2 и больше, перед суффиксом добавляется соответствующая цифра — ди, три, тетра, пента и т.д. (бутадиен). У циклических соединений добавляется приставка цикло- (циклопропан). Суффиксами обозначают также наличие заместителей. Для этого используется -ил (этил). Расположение заместителя указывается цифрой, реже используются греческие буквы альфа, бета, гамма. Важный момент: за начало цепочки берется тот конец, у которого ближе кратная связь. Если ее нет, то учитывается близость заместителя. Названия аренов исходят от первого представителя — бензола. К нему добавляются соответствующие заместители, например, 1,2-диметилбензол. 

В номенклатуру органических соединений в химии входят и функциональные группы. При нумерации атомов за начало принимается тот конец, ближе к которому располагается группа. Самая старшая указывается в суффиксе, остальные в приставке. Обозначения групп в порядке старшинства: 

Пример названия

Мы разобрали изомерию и номенклатуру. Попробуем назвать сложное органическое вещество. 

1. Определяем главную цепь. В этом случае возьмем за основу бензольное кольцо. У него есть группа -OH, поэтому в названии можем использовать корень -фенол.

2. Нумеруем атомы. Первым будет углерод с группой -OH, потому что мы взяли за основу фенол. Старшим заместителем является карбоксильная группа, но она находится напротив, то есть на равном расстоянии с обеих сторон. Следующий по старшинству заместитель — CH2Cl, он будет вторым. Далее идем по циклу.

3. Называем все заместители. CH2Cl — хлорметил, CH2-CH2-COOH — карбоксипропил, NO2 — нитрогруппа. 

4. Записываем название соединения. Все группы указываются в алфавитном порядке. Не забываем указывать, около какого атома они стоят: 4-карбоксипропил-5-нитро-2-хлорметилфенол.

Итак, мы разобрались в классификации, изомерии и номенклатуре органических соединений. Это основы химии, поэтому представленный материал нужно знать наизусть. Обязательно решайте типовые задания из ЕГЭ по химии и тренируйтесь называть сложные вещества. Тема показалась вам трудной? Запишитесь на подготовительные курсы. Там преподаватели ответят на вопросы и разберут все сложные моменты. Желаем вам успехов на итоговой аттестации!

План

1. Структурная
изомерия.

2. Конформационная
изомерия.

3. Геометрическая
изомерия.

4. Оптическая
изомерия.

Изомеры
– это вещества, имеющие одинаковый
состав и молекулярную массу, но разные
физические и химические свойства.
Различия в свойствах изомеров обусловлены
различиями в их химическом или
пространственном строении. В связи с
этим различают два вида изомерии.

изомерия

структурная

пространственная

Углеродного
скелета

Конфигурационная

Конформационная

Положение
функциональной

группы

Оптическая

Межклассовая

Геометрическая

1. Структурная изомерия

Структурные изомеры
отличаются химическим строением, т.е.
природой и последовательностью связей
между атомами в молекуле. Структурные
изомеры выделяют в чистом виде. Они
существуют как индивидуальные, устойчивые
вещества, для их взаимного превращения
необходима высокая энергия — порядка
350 — 400 кДж/моль. В динамическом равновесии
находятся только структурные изомеры
— таутомеры. Таутомерия — распространенное
явление в органической химии. Она
возможна при переносе подвижного атома
водорода в молекуле (карбонильные
соединения, амины, гетероциклы и т.д.),
внутримолекулярных взаимодействиях
(углеводы).

Все структурные
изомеры представляют в виде структурных
формул и называют по номенклатуре ИЮПАК.
Например,
составу С₄Н₈О
соответствуют структурные изомеры:

а)
с различным углеродным скелетом

неразветвленная
С-цепь — СН₃-СН₂-СН₂-СН=О
(бутаналь, альдегид) и

разветвленная
С-цепь —

(2-метилпропаналь,
альдегид) или

цикл —
(циклобутанол, циклический спирт);

б)
с различным положением функциональной
группы

бутанон-2, кетон;

в)
с различным составом функциональной
группы

3-бутенол-2,
непредельный спирт;

г)
метамерии

Гетероатом
функциональной группы может быть включен
в углеродный скелет (цикл или цепь). Один
из возможных изомеров этого вида изомерии
—
СН₃-О-СН₂-СН=СН₂
(3-метоксипропен-1, простой эфир);

д)
таутомерии (кето-енольной)

енольная форма

кетоформа

Таутомеры находятся
в динамическом равновесии, при этом в
смеси преобладает более устойчивая
форма – кетоформа.

Для
ароматических соединений структурную
изомерию рассматривают
только для боковой цепи.

2. Пространственная изомерия (стереоизомерия)

Пространственные
изомеры имеют одинаковое химическое
строение, различаются по пространственному
расположению атомов в молекуле. Это
различие и создает разницу в физических
и химических свойствах. Пространственные
изомеры изображают в виде различных
проекций или стереохимических формул.
Раздел химии, изучающий пространственное
строение и его влияние на физические и
химические свойства соединений,
на направление и скорость их реакций,
называется стереохимией.

а)
Конформационная
(поворотная) изомерия

Не
меняя ни валентных углов, ни длин связей,
можно представить себе множество
геометрических форм (конформаций)
молекулы, отличающихся друг от друга
взаимным поворотом углеродных тетраэдров
вокруг соединяющей их σ-С-С-связи. В
результате такого вращения возникают
поворотные изомеры (конформеры). Энергия
различных конформеров неодинакова, но
энергетический барьер, разделяющий
различные конформационные изомеры, для
большинства органических соединений
невелик. Поэтому при обычных условиях,
как правило, нельзя зафиксировать
молекулы в одной строго определенной
конформации. Обычно в равновесии
сосуществуют несколько легко переходящих
друг в друга конформационных изомеров.

Способы
изображения и номенклатуру изомеров
можно рассмотреть на примере молекулы
этана. Для нее можно предвидеть
существование двух, максимально
различающихся по энергии конформаций,
которые могут быть изображены в виде
перспективных
проекций
(1) («лесопильные
козлы»)
или
проекций
Ньюмена (2):

заторможенная
конформация заслоненная конформация

В
перспективной проекции (1) связь С-С надо
представить себе уходящей вдаль; стоящий
слева углеродный атом приближен к
наблюдателю, стоящий справа — удален от
него.

В
проекции Ньюмена (2) молекулу рассматривают
вдоль связи С-С. Три линии, расходящиеся
под углом 120^о
из центра круга, обозначают связи
ближайшего к наблюдателю углеродного
атома; линии, «высовывающиеся»
из-за круга — связи удаленного углеродного
атома.

Изображенную
справа конформацию называют заслоненной.
Это название напоминает о том, что атомы
водорода обеих СН₃-групп
находятся друг против друга. Заслоненная
конформация имеет повышенную внутреннюю
энергию и поэтому невыгодна. Конформацию,
изображенную слева, называют заторможенной,
подразумевая, что свободное вращение
вокруг связи С-С «тормозится»
в этом положении, т.е. молекула существует
преимущественно в этой конформации.

Минимум
энергии, необходимый для полного вращения
молекулы вокруг определенной связи,
называется барьером вращения для данной
связи. Барьер вращения в молекуле,
подобной этану, может быть выражен через
изменение потенциальной энергии молекулы
как функции изменения двугранного
(торсионного — τ ) угла системы.

Энергетический профиль вращения
вокруг связи С-С в этане показан на
рисунке 1. Барьер вращения, разделяющий
две формы этана, составляет около 3
ккал/моль (12,6 кДж/моль). Минимумы кривой
потенциальной энергии соответствуют
заторможенным конформациям, максимумы
— заслоненным. Поскольку при комнатной
температуре энергия некоторых столкновений
молекул может достигать 20 ккал/моль
(около 80 кДж/моль), то этот барьер в 12,6
кДж/моль легко преодолевается и вращение
в этане рассматривают как свободное.
В
смеси всех возможных конформаций
преобладают заторможенные конформации.

Рис.1.
Диаграмма потенциальной энергии
конформаций этана.

Для
более сложных молекул число возможных
конформаций возрастает. Так, для н-бутана
можно изобразить уже шесть конформаций,
возникающих при повороте вокруг
центральной связи С₂
— С₃
и
отличающихся взаимным расположением
СН₃-групп.
Различные заслоненные и заторможенные
конформации бутана отличаются по
энергии. Энергетически более выгодны
заторможенные конформации.

Энергетический
профиль вращения вокруг связи С₂
-С₃
в бутане показан на рисунке 2.

Рис.2.
Диаграмма потенциальной энергии
конформаций н-бутана.

Для молекулы с
длинной углеродной цепью число
конформационных форм возрастает.

Для молекулы
алициклических соединений характерны
различные конформационные формы цикла
(например, для циклогексана кресло,
ванна,
твист-формы).

Итак,
конформации — это различные пространственные
формы молекулы, имеющей определенную
конфигурацию. Конформерами являются
стереоизомерные структуры, соответствующие
энергетическим минимумам на диаграмме
потенциальной энергии, находящиеся в
подвижном равновесии и способные к
взаимопревращению путем вращения вокруг
простых σ-связей.

Если
барьер таких превращений становится
достаточно высоким, то можно разделить
стереоизомерные формы (пример — оптически
активные дифенилы). В таких случаях
говорят уже не о конформерах, а о реально
существующих стереоизомерах.

б)
Геометрическая изомерия

Геометрические
изомеры возникают в результате
отсутствия в молекуле:

1.
вращения атомов углерода относительно
друг друга — следствие жесткости двойной
связи С=С
или циклической структуры;

2.
двух одинаковых групп при одном атоме
углерода двойной связи или цикла.

Геометрические
изомеры, в отличие от конформеров, могут
быть выделены в чистом виде и существуют
как индивидуальные, устойчивые вещества.
Для их взаимного превращения необходима
более высокая энергия — порядка 125-170
кДж/моль (30-40 ккал/моль).

Различают
цис-транс-(Z,E) изомеры;
цис-формами
называют геометрические изомеры, у
которых одинаковые заместители лежат
по одну сторону от плоскости π-связи
или цикла, транс-формами
называют геометрические изомеры, у
которых одинаковые заместители лежат
по разные стороны от плоскости π-связи
или цикла.

Простейшим
примером могут служить изомеры бутена-2,
который существует
в виде цис- , транс-геометрических
изомеров:

цис-бутен-2
транс-бутен-2

температура
плавления

-138,9⁰С
— 105,6⁰С

температура
кипения

3,72⁰С
1,00⁰С

плотность

0,724
0,604

1,2 – дихлорциклопропан
существует в виде цис- , транс-изомеров:

цис-1,2-дихлорциклопропан
транс-1,2-дихлорциклопропан

В
более сложных случаях применяется
Z,E-номенклатура
(номенклатура Канна, Ингольда, Прелога
– КИП, номенклатура старшинства
заместителей). В
соединении

1-бром
-2-метил-1-хлорбутене-1 (Br)(CI)С=С(СН₃)
— СН₂-СН₃
все
заместители при атомах углерода с
двойной связью различные; поэтому данное
соединение существует в виде Z-,
E-
геометрических изомеров:

Е-1-бром-2-метил-1-хлорбутен-1
Z-1-бром-2-метил-1-хлорбутен-1.

Для обозначения
конфигурации изомера указывают
расположение
старших
заместителей
при двойной связи (или цикле) – Z-(от
немецкого Zusammen — вместе) или Е-(от немецкого
Entgegen — напротив).

В Z,E-системе старшими
считаются заместители с большим
порядковым (атомным) номером. Если атомы,
непосредственно связанные с ненасыщенными
атомами углерода, одинаковы, то переходят
ко «второму слою», в случае
необходимости — к «третьему слою»
и т. д.

В
первой проекции старшие группы находятся
напротив друг друга относительно двойной
связи, поэтому это Е-изомер. Во второй
проекции старшие группы расположены
по одну сторону относительно двойной
связи (вместе), поэтому это Z-изомер.

Геометрические
изомеры широко распространены в природе.
Например, природные полимеры каучук
(цис-изомер) и гуттаперча (транс-изомер),
природная фумаровая (транс-бутендиовая
кислота) и синтетическая малеиновая
(цис-бутендиовая кислота) кислоты, в
составе жиров — цис-олеиновая, линолевая,
линоленовая кислоты.

в)
Оптическая изомерия

Молекулы
органических соединений могут быть
хиральными и ахиральными. Хиральность(от
греч. сheir
— рука) — несовместимость молекулы со
своим зеркальным отражением.

Хиральные
вещества способны вращать плоскость
поляризации света. Это явление называют
оптической активностью, а соответствующие
вещества — оптически
активными.
Оптически активные вещества встречаются
в виде пар оптических
антиподов
— изомеров, физические и химические
свойства которых в обычных условиях
одинаковы, за исключением одного — знака
вращения плоскости поляризации: один
из оптических антиподов отклоняет
плоскость поляризации в право (+,
правовращающий изомер), другой – влево
(-, левовращающий). Определить конфигурацию
оптических антиподов можно экспериментально
с помощью прибора — поляриметра.

Оптическая
изомерия появляется тогда, когда в
молекуле присутствует асимметрический
атом углерода (существуют
и другие причины хиральности молекулы).
Так называют
атом
углерода в sр³
—
гибридизации и связанный
с четырьмя различными заместителями.
Возможны два тетраэдрических расположения
заместителей вокруг асимметрического
атома. При
этом две
пространственные формы нельзя совместить
никаким вращением; одна из них является
зеркальным изображением другой :

Обе
зеркальные формы составляют пару
оптических антиподов или энантиомеров.

Изображают
оптические изомеры в виде проекционных
формул Э. Фишера. Их получают в результате
проецирования молекулы с асимметрическим
атомом углерода. При этом сам асимметрический
атом углерода на плоскости обозначают
точкой, на горизонтальной линии указывают
символы заместителей, выступающих перед
плоскостью рисунка. На вертикальной
линии
(прерывистой
или сплошной) указывают заместители,
которые удалены за плоскость рисунка.
Ниже приведены различные способы записи
проекционной формулы, отвечающей левой
модели на предыдущем рисунке:

В
проекции главную углеродную цепь
изображают вертикально; главную функцию,
если она находится в конце цепи, указывают
в верхней части проекции. Например,
стереохимические и проекционные формулы
(+) и (-) аланина — СН₃
—^*СН(NН₂)-СООН
представляют следующим образом:

Смесь с одинаковым
содержанием энантиомеров называется
рацематом. Рацемат не обладает оптической
активностью и характеризуется отличными
от энантиомеров физическими свойствами.

Правила
преобразования проекционных формул.

1.
Формулы можно вращать в плоскости
чертежа на 180^о,
не меняя их стереохимического смысла:

2.
Две (или любое четное число) перестановки
заместителей у одного асимметрического
атома не меняют стереохимического
смысла формулы:

3. Одна
(или любое нечетное число) перестановка
заместителей у асимметрического центра
приводит к формуле оптического антипода:

4.
Поворот в плоскости чертежа на 90^о
превращает формулу в антипод.

5.
Вращение любых трех заместителей по
часовой стрелке или против не меняет
стереохимического смысла формулы:

6.
Проекционные формулы нельзя выводить
из плоскости чертежа.

Оптической
активностью обладают органические
соединения, в молекулах которых хиральными
центрами являются и другие атомы,
например кремния, фосфора, азота, серы.

Соединения с
несколькими асимметрическими атомами
углерода существуют в виде диастереомеров,
т.е. пространственных изомеров, не
составляющих друг с другом оптических
антиподов.

Диастереомеры
отличаются друг от друга не только
оптическим вращением, но и всеми другими
физическими константами: у них разные
температуры плавления и кипения, разные
растворимости и др.

Число
пространственных изомеров определяют
по формуле Фишера N=2ⁿ,
где n — число асимметрических атомов
углерода. Число стереоизомеров может
уменьшаться из-за частичной симметрии,
появляющейся в некоторых структурах.
Оптически неактивные диастереомеры
называют
мезо-формами.

Номенклатура
оптических изомеров:

а)
D-
, L-
номенклатура

Для
определения D-
или L-ряда
изомера конфигурацию (положение ОН–группы
у асимметричного атома углерода)
сравнивают с конфигурациями энантиомеров
глицеринового альдегида (глицериновый
ключ):

L-глицериновый
альдегид D-глицериновый
альдегид

Применение
D-,
L-номенклатуры
в
настоящее время ограничено тремя
классами оптически активных веществ:
углеводами, аминокислотами и оксикислотами.

б)
R -, S-номенклатура (номенклатура Кана,
Ингольда и Прелога)

Для
определения R(правый)- или S(левый)-конфигурации
оптического изомера необходимо
расположить заместители в тетраэдре
(стереохимической формуле) вокруг
асимметрического углеродного атома
таким образом, чтобы самый младший
заместитель (обычно это водород) имел
направление «от
наблюдателя».
Если переход трех остальных заместителей
от старшего к среднему и младшему по
старшинству происходит по
часовой стрелке
—
это R-изомер
(падение старшинства совпадает с
движением руки при написании верхней
части буквы R). Если переход происходит
против часовой
стрелки
— это S—изомер
(падение старшинства совпадает с
движением руки при написании верхней
части буквы S).

Для определения
R- или S-конфигурации оптического изомера
по проекционной формуле необходимо
путем четного числа перестановок
расположить заместители так, чтобы
самый младший из них оказался внизу
проекции. Падение старшинства остальных
трех заместителей по часовой стрелке
соответствует R-конфигурации, против
часовой стрелки — S-конфигурации.

Получают
оптические изомеры следующими
методами:

а)
выделение из природных материалов,
содержащих оптически
активные соединения, например

белки и аминокислоты, углеводы, многие
оксикислоты (винная, яблочная, миндальная),
терпеновые углеводороды, терпеновые
спирты и кетоны, стероиды, алкалоиды и
др.

б)
расщепление рацематов;

в) асимметрический
синтез;

г)
биохимическое получение оптически
активных веществ.

ЗНАЕТЕ
ЛИ ВЫ, ЧТО

-Явление
изомерии (от греч.-
isos
—
разный и meros
—
доля, часть) открыто в 1823г. Ю. Либихом и
Ф. Вёлером на примере солей двух
неорганических кислот: циановой Н-О-С≡N
и гремучей Н-О-N=
С.

-В
1830 г. Ж.Дюма распространил представление
об изомерии на органические соединения.

-В
1831г. термин «изомер» для органических
соединений предложил Й. Берцелиус.

-Стереоизомеры
природных соединений характеризуются
разной биологической активностью
(аминокислоты, углеводы, алкалоиды,
гормоны, феромоны, лекарственные вещества
природного происхождения и т.д.).

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #