Изомерия. Видове изомерия

пространствен

въглероден скелет

Конфигурация

конформационен

Положението на функционала

Оптичен

Междукласни

Геометричен

1. Структурна изомерия

Структурните изомери са различни химическа структура, т.е. природата и последователността на връзките между атомите в молекулата. Структурните изомери се изолират в чист вид. Те съществуват като индивидуални, стабилни вещества, взаимното им превръщане изисква висока енергия - около 350 - 400 kJ / mol. В динамично равновесие са само структурни изомери- тавтомери. Тавтомерията е често срещано явление в органичната химия. Възможно е с прехвърляне на подвижен водороден атом в молекула (карбонилни съединения, амини, хетероцикли и др.), вътрешномолекулни взаимодействия (въглехидрати).

Всички структурни изомери са представени под формата на структурни формули и са наименувани съгласно номенклатурата на IUPAC. Например, съставът на C 4 H 8 O съответства на структурни изомери:

а)с различен въглероден скелет

неразклонена С-верига - CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH \u003d O (бутанал, алдехид) и

разклонена C-верига -

(2-метилпропанал, алдехид) или

цикъл - (циклобутанол, цикличен алкохол);

б)с различна позиция на функционалната група

бутанон-2, кетон;

в)с различен състав на функционалната група

3-бутенол-2, ненаситен алкохол;

G)метамерия

Хетероатомът на функционалната група може да бъде включен във въглеродния скелет (цикъл или верига). Един от възможните изомери на този тип изомерия е CH 3 -O-CH 2 -CH \u003d CH 2 (3-метоксипропен-1, прост етер);

д)тавтомерия (кето-енол)

енолна форма кето форма

Тавтомерите са в динамично равновесие, докато по-стабилната форма, кетоформата, преобладава в сместа.

За ароматните съединения структурната изомерия се разглежда само за страничната верига.

2. Пространствена изомерия (стереоизомерия)

Пространствените изомери имат една и съща химическа структура, различават се в пространственото разположение на атомите в молекулата. Тази разлика създава разлика във физичните и химичните свойства. Пространствените изомери се изобразяват като различни проекции или стереохимични формули. Разделът от химията, който изучава пространствената структура и нейното влияние върху физичните и химичните свойства на съединенията, върху посоката и скоростта на техните реакции, се нарича стереохимия.

а)Конформационна (ротационна) изомерия

Без да се променят нито ъглите на връзката, нито дължините на връзката, човек може да си представи множество геометрични форми (конформации) на молекула, които се различават една от друга чрез взаимното въртене на въглеродните тетраедри около σ-C-C връзката, която ги свързва. В резултат на такова въртене възникват ротационни изомери (конформери). Енергията на различните конформери не е еднаква, но енергийната бариера, разделяща различните конформационни изомери, е малка за повечето органични съединения. Следователно, при нормални условия, като правило, е невъзможно да се фиксират молекули в една строго определена конформация. Обикновено няколко конформационни изомера съжителстват в равновесие.

Методите за изображения и номенклатурата на изомерите могат да бъдат разгледани на примера на молекулата на етана. За него може да се предвиди съществуването на две конформации, които се различават възможно най-много по енергия, които могат да бъдат представени като перспективни проекции(1) ("кончета") или издатини Нов мъж(2):

затруднена конформация засенчена конформация

В перспективна проекция (1), C-C връзката трябва да си представим като отдалечаваща се в далечината; въглеродният атом, стоящ отляво, е близо до наблюдателя, стоящият отдясно е отстранен от него.

В проекцията на Нюман (2) молекулата се разглежда по протежение на C-C връзката. Три линии, отклоняващи се под ъгъл 120 o от центъра на кръга, показват връзките на въглеродния атом, който е най-близо до наблюдателя; линиите, "стърчащи" зад кръга, са връзките на отдалечения въглероден атом.

Показаната вдясно конформация се нарича затъмнен . Това име напомня за факта, че водородните атоми на двете СН3 групи са един срещу друг. Екранираната конформация има повишена вътрешна енергия и следователно е неблагоприятна. Показаната вляво конформация се нарича инхибиран , което означава, че свободното въртене около C-C връзката се "забавя" в тази позиция, т.е. молекулата съществува предимно в тази конформация.

Минималната енергия, необходима за пълно завъртане на молекула около определена връзка, се нарича ротационна бариера за тази връзка. Ротационната бариера в молекула като етан може да се изрази чрез промяната в потенциалната енергия на молекулата като функция от промяната в двустенния (торсионен - ​​τ) ъгъл на системата. Енергийният профил на въртене около C-C връзката в етан е показан на фигура 1. Ротационната бариера, разделяща двете форми на етан, е около 3 kcal/mol (12,6 kJ/mol). Минимумите на кривата на потенциалната енергия съответстват на затруднени конформации, максимумите съответстват на затъмнени. Тъй като при стайна температура енергията на някои сблъсъци на молекули може да достигне 20 kcal / mol (около 80 kJ / mol), тази бариера от 12,6 kJ / mol лесно се преодолява и въртенето в етан се счита за свободно. В смес от всички възможни конформации преобладават затруднените конформации.

Фиг. 1. Диаграма на потенциалната енергия на конформациите на етана.

За по-сложни молекули броят на възможните конформации се увеличава. Да, за н-бутанът вече може да бъде изобразен в шест конформации, които възникват при завъртане около централната връзка C 2 - C 3 и се различават по взаимното разположение на CH 3 групите. Различните затъмнени и затруднени конформации на бутана се различават по енергия. Възпрепятстваните конформации са енергийно по-благоприятни.

Енергийният профил на въртене около C 2 -C 3 връзката в бутан е показан на фигура 2.

Фиг.2. Диаграма на потенциалната енергия на конформациите на n-бутан.

За молекула с дълга въглеродна верига броят на конформационните форми се увеличава.

Молекулите на алицикличните съединения се характеризират с различни конформационни форми на пръстена (например за циклохексан фотьойл, баня, усукване-форми).

И така, конформациите са различни пространствени форми на молекула, която има определена конфигурация. Конформерите са стереоизомерни структури, които съответстват на енергийните минимуми на диаграмата на потенциалната енергия, намират се в подвижно равновесие и са способни на взаимно преобразуване чрез въртене около прости σ-връзки.

Ако бариерата на такива трансформации стане достатъчно висока, тогава стереоизомерните форми могат да бъдат разделени (пример са оптично активните бифенили). В такива случаи вече не се говори за конформери, а за реално съществуващи стереоизомери.

б)геометрична изомерия

Геометричните изомери възникват в резултат на отсъствието в молекулата:

1. въртене на въглеродните атоми един спрямо друг - следствие от твърдостта на двойната връзка С=С или циклична структура;

2. две еднакви групи при един въглероден атом на двойна връзка или цикъл.

Геометричните изомери, за разлика от конформерите, могат да бъдат изолирани в чиста форма и да съществуват като отделни, стабилни вещества. За взаимното им преобразуване е необходима по-висока енергия - около 125-170 kJ / mol (30-40 kcal / mol).

Има цис-транс-(Z,E) изомери; цис- формите са геометрични изомери, в които едни и същи заместители лежат от едната страна на равнината на π-връзката или цикъла, транс- форми се наричат ​​геометрични изомери, в които едни и същи заместители лежат от противоположните страни на равнината на π-връзката или пръстена.

Най-простият пример са изомерите на бутен-2, който съществува под формата на цис-, транс-геометрични изомери:

цис-бутен-2 ​​транс-бутен-2

температура на топене

138.9 0 С - 105.6 0 С

температура на кипене

3.72 0 С 1.00 0 С

плътност

1,2 - дихлорциклопропан съществува под формата на цис-, транс-изомери:

цис-1,2-дихлороциклопропан транс-1,2-дихлороциклопропан

При по-сложни случаи приложете З,Е-номенклатура (номенклатурата на Кан, Инголд, Прелог - KIP, номенклатурата на старшинството на заместниците). Във връзка

1-бромо-2-метил-1-хлоробутен-1 (Br) (CI) C \u003d C (CH 3) - CH 2 -CH 3 всички заместители при въглеродни атоми с двойна връзка са различни; следователно това съединение съществува под формата на Z-, E- геометрични изомери:

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

За да посочите конфигурацията на изомер, посочете местоположението на старшите заместители в двойна връзка (или цикъл) - Z- (от нем. Zusammen - заедно) или Е- (от нем. Entgegen - противоположно).

В Z,E-системата заместителите с по-висок атомен номер се считат за старши. Ако атомите, директно свързани с ненаситени въглеродни атоми, са еднакви, тогава те отиват във "втория слой", ако е необходимо, в "третия слой" и т.н.

В първата проекция по-старите групи са една срещу друга по отношение на двойната връзка, така че това е Е изомерът. Във втората проекция по-старите групи са от една и съща страна на двойната връзка (заедно), така че това е Z-изомерът.

Геометричните изомери са широко разпространени в природата. Например естествени полимери каучук (цис-изомер) и гутаперча (транс-изомер), естествена фумарова (транс-бутендиова киселина) и синтетична малеинова (цис-бутендиова киселина) киселини, мазнините съдържат цис-олеинова, линолова, линоленова киселина .

в)Оптична изомерия

Молекулите на органичните съединения могат да бъдат хирални и ахирални. Хиралност (от гръцки cheir - ръка) - несъвместимост на молекула с нейния огледален образ.

Хиралните вещества са способни да въртят равнината на поляризация на светлината. Това явление се нарича оптична активност, а съответните вещества - оптически активен. Оптично активните вещества се срещат по двойки оптични антиподи- изомери, чиито физични и химични свойства са еднакви при нормални условия, с изключение на един - знакът на въртене на поляризационната равнина: един от оптичните антиподи отклонява поляризационната равнина надясно (+, дясновъртящ се изомер) , другият - наляво (-, левовъртящ). Конфигурацията на оптичните антиподи може да се определи експериментално с помощта на устройство - поляриметър.

Оптичната изомерия се появява, когато молекулата съдържа асиметричен въглероден атом(има и други причини за хиралността на молекулата). Това е името на въглеродния атом в sp 3 - хибридизация и свързан с четири различни заместителя. Възможни са две тетраедрични подредби на заместители около асиметричен атом. В същото време две пространствени форми не могат да бъдат комбинирани чрез ротация; единият от тях е огледален образ на другия:

И двете огледални форми образуват чифт оптични антиподи или енантиомери .

Изобразете оптичните изомери под формата на проекционни формули на Е. Фишер. Те се получават чрез проектиране на молекула с асиметричен въглероден атом. В този случай самият асиметричен въглероден атом в равнината се обозначава с точка on хоризонтална линияпосочете символите на заместителите, изпъкнали пред чертожната равнина. Вертикалната линия (пунктирана или плътна) показва заместителите, които са отстранени от равнината на фигурата. По-долу са различни начинизаписи на проекционната формула, съответстваща на левия модел на предишната фигура:

В проекция основната въглеродна верига е изобразена вертикално; основната функция, ако е в края на веригата, се посочва в горната част на проекцията. Например стереохимичните и проекционни формули (+) и (-) на аланин - CH 3 - * CH (NH 2) -COOH са както следва:

Смес с еднакво съдържание на енантиомери се нарича рацемат. Рацематът няма оптична активност и се характеризира с физични свойства, различни от енантиомерите.

Правила за трансформиране на проекционни формули.

1. Формулите могат да се завъртат в равнината на чертежа на 180o, без да се променя стереохимичният им смисъл:

2. Две (или всеки четен брой) пермутации на заместители на един асиметричен атом не променят стереохимичния смисъл на формулата:

3. Една (или който и да е нечетен брой) пермутация на заместителите в асиметричния център води до формулата на оптичния антипод:

4. Завъртането в равнината на чертежа на 90 превръща формулата в антипод.

5. Въртенето на всеки три заместителя по или обратно на часовниковата стрелка не променя стереохимичния смисъл на формулата:

6. Проекционните формули не могат да бъдат изведени от равнината на чертежа.

Органичните съединения имат оптична активност, в молекулите на които други атоми са хирални центрове, например силиций, фосфор, азот и сяра.

Съединения с множество асиметрични въглероди съществуват като диастереомери , т.е. пространствени изомери, които не представляват оптични антиподи помежду си.

Диастереомерите се различават един от друг не само по оптично въртене, но и по всички други физични константи: имат различни точки на топене и кипене, различна разтворимост и т.н.

Броят на пространствените изомери се определя от формулата на Фишер N=2 n , където n е броят на асиметричните въглеродни атоми. Броят на стереоизомерите може да намалее поради частична симетрия, появяваща се в някои структури. Оптично неактивните диастереомери се наричат мезо-форми.

Номенклатура на оптичните изомери:

а) D-, L- номенклатура

За да се определи D- или L-серията на изомер, конфигурацията (позицията на ОН групата при асиметричния въглероден атом) се сравнява с конфигурациите на енантиомери на глицералдехид (глицеролов ключ):

L-глицералдехид D-глицералдехид

Използването на D-, L-номенклатурата понастоящем е ограничено до три класа оптически активни вещества: въглехидрати, аминокиселини и хидрокси киселини.

б) R -, S-номенклатура (номенклатура на Кан, Инголд и Прелог)

За да се определи R (дясно) - или S (ляво) - конфигурация на оптичния изомер, е необходимо да се подредят заместителите в тетраедъра (стереохимична формула) около асиметричния въглероден атом, така че най-ниският заместител (обикновено водород) да има посока "от наблюдателя". Ако преходът на другите три заместителя от старши към среден и младши по старшинство става по посока на часовниковата стрелка, това е R-изомерът (спадането на старшинството съвпада с движението на ръката при писане на горната част на буквата R). Ако преходът се случи обратно на часовниковата стрелка - това е S - изомер (спадането на старшинството съвпада с движението на ръката при писане на горната част на буквата S).

За да се определи R- или S-конфигурацията на оптичния изомер чрез проекционната формула, е необходимо да се подредят заместителите чрез четен брой пермутации, така че най-младият от тях да е в долната част на проекцията. Намаляването на старшинството на останалите три заместителя по посока на часовниковата стрелка съответства на R-конфигурацията, обратно на часовниковата стрелка - на S-конфигурацията.

Оптичните изомери се получават по следните методи:

а) изолиране от естествени материали, съдържащи оптически активни съединения, като протеини и аминокиселини, въглехидрати, много хидрокси киселини (винена, ябълчена, бадемова), терпенови въглеводороди, терпенови алкохоли и кетони, стероиди, алкалоиди и др.

б) разцепване на рацемати;

в) асиметричен синтез;

г) биохимично производство на оптически активни вещества.

ЗНАЕШ ЛИ ТОВА

Феноменът на изомерията (от гръцки - азsos - различни и meros - дял, част) е открит през 1823 г. J. Liebig и F. Wöhler на примера на соли на две неорганични киселини: цианова H-O-C≡N и фулминантна H-O-N= C.

През 1830 г. J. Dumas разшири концепцията за изомерията до органичните съединения.

През 1831г терминът "изомер" за органични съединения е предложен от J. Berzelius.

Стереоизомерите на природните съединения се характеризират с различна биологична активност (аминокиселини, въглехидрати, алкалоиди, хормони, феромони, лекарствени вещества естествен произходи т.н.).

>> Химия: Изомерия и нейните видове

Има два вида изомерия: структурна и пространствена (стереоизомерия). Структурните изомери се различават един от друг по реда на връзките на атомите в молекулата, стереоизомерите - по разположението на атомите в пространството с еднакъв ред на връзките между тях.

Различават се следните видове структурна изомерия: въглеродна скелетна изомерия, позиционна изомерия, изомерия на различни класове органични съединения (междукласова изомерия).

Структурна изомерия

Изомерията на въглеродния скелет се дължи на различния ред на връзките между въглеродните атоми, които образуват скелета на молекулата. Както вече беше показано, молекулната формула C4H10 съответства на два въглеводорода: n-бутан и изобутан. Възможни са три изомера за въглеводорода C5H12: пентан, изопентан и неопентан.

С увеличаване на броя на въглеродните атоми в молекулата, броят на изомерите нараства бързо. За въглеводорода С10Н22 те вече са 75, а за въглеводорода С20Н44 - 366 319.

Позиционният изомеризъм се дължи на различното положение на множествената връзка, заместителя, функционалната група с един и същ въглероден скелет на молекулата:

Изомерията на различни класове органични съединения (междукласова изомерия) се дължи на различното разположение и комбинация на атомите в молекулите на веществата, които имат еднаква молекулна формула, но принадлежат към различни класове. И така, молекулната формула C6B12 съответства на ненаситения въглеводород хексен-1 и цикличния циклохексан:

Изомерите от този тип съдържат различни функционални групи и принадлежат към различни класове вещества. Следователно те се различават по физични и химични свойства много повече от изомерите на въглеродния скелет или позиционните изомери.

Пространствена изомерия

Пространствената изомерия е разделена на два вида: геометрична и оптична.

Геометричната изомерия е характерна за съединения, съдържащи двойни връзки и циклични съединения. Тъй като свободното въртене на атомите около двойна връзка или в цикъл е невъзможно, заместителите могат да бъдат разположени или от едната страна на равнината на двойната връзка или цикъл (цис позиция), или от противоположните страни (транс позиция). Обозначенията цис- и транс- обикновено се отнасят до двойка идентични заместители.

Геометричните изомери се различават по физични и химични свойства.

Оптичната изомерия възниква, когато една молекула е несъвместима с нейния образ в огледало. Това е възможно, когато въглеродният атом в молекулата има четири различни заместителя. Този атом се нарича асиметричен. Пример за такава молекула е молекулата на α-аминопропионова киселина (α-аланин) CH3CH(KH2)COOH.

Както може да се види, молекулата на α-аланин не може при никакво движение да съвпадне с огледалния си образ. Такива пространствени изомери се наричат ​​огледални, оптични антиподи или енантиомери. Всички физични и почти всички химични свойства на такива изомери са идентични.

Изследването на оптичната изомерия е необходимо, когато се разглеждат много реакции, протичащи в тялото. Повечето от тези реакции са под действието на ензими - биологични катализатори. Молекулите на тези вещества трябва да се доближават до молекулите на съединенията, върху които действат като ключ към ключалка, оттук и пространствената структура, взаимно споразумениеучастъци от молекули и други пространствени фактори имат за протичането на тези реакции голямо значение. Такива реакции се наричат ​​стереоселективни.

Повечето природни съединения са индивидуални енантиомери и тяхното биологично действие (от вкус и мирис до лечебно действие) рязко се различава от свойствата на техните оптични антиподи, получени в лабораторията. Такава разлика в биологичната активност е от голямо значение, тъй като тя е в основата на най-важното свойство на всички живи организми - метаболизма.

Какви видове изомерия познавате?

Каква е разликата между структурната изомерия и пространствената изомерия?

Кои от предложените съединения са:

а) изомери;

б) хомолози?

Дайте име на всяко вещество.

4. Възможна ли е геометрична (цис-, транс) изомерия за: а) алкани; б) алкени; в) алкини; г) циклоалкани?

Обяснете, дайте примери.

Съдържанието на статията

изомерия(гр. isos - същото, meros - част) е едно от най-важните понятия в химията, главно в органичната. Веществата могат да имат еднакъв състав и молекулно тегло, но различни структури и съединения, които съдържат едни и същи елементи в същото количество, но се различават по пространственото разположение на атомите или групите от атоми, се наричат ​​изомери. Изомерията е една от причините органичните съединения да са толкова много и разнообразни.

Изомерията е открита за първи път от J. Liebig през 1823 г., който открива, че сребърните соли на фулминантната и изоциановата киселина: Ag-O-N=C и Ag-N=C=O имат същия състав, но различни свойства. Терминът "изомерия" е въведен през 1830 г. от И. Берцелиус, който предполага, че разликите в свойствата на съединения с еднакъв състав възникват поради факта, че атомите в молекулата са подредени в неравномерен ред. Идеите за изомерията са окончателно формирани след създаването на теорията за химическата структура от А. М. Бутлеров (1860-те). Въз основа на разпоредбите на тази теория той предположи, че трябва да има четири различни бутанола (фиг. 1). По времето, когато е създадена теорията, е известен само един бутанол (CH 3) 2 CHCH 2 OH, получен от растителни материали.

Ориз. 1. Изомери на бутанол

Последващият синтез на всички изомери на бутанол и определянето на техните свойства стана убедително потвърждение на теорията.

Според съвременната дефиниция две съединения с еднакъв състав се считат за изомери, ако техните молекули не могат да бъдат комбинирани в пространството, така че да съвпадат напълно. Комбинацията, като правило, се извършва мислено, в сложни случаи се използват пространствени модели или изчислителни методи.

Има няколко причини за изомерията.

СТРУКТУРНА ИЗОМЕРИЯ

Причинява се, като правило, от разлики в структурата на въглеводородния скелет или от неравномерно разположение на функционални групи или множествени връзки.

Изомерия на въглеводородния скелет.

Наситените въглеводороди, съдържащи от един до три въглеродни атома (метан, етан, пропан), нямат изомери. За съединение с четири въглеродни атома C 4 H 10 (бутан) са възможни два изомера, за пентан C 5 H 12 - три изомера, за хексан C 6 H 14 - пет (фиг. 2):

Ориз. 2. Изомери на най-простите въглеводороди

С увеличаване на броя на въглеродните атоми във въглеводородна молекула, броят на възможните изомери нараства драстично. За хептан C 7 H 16 има девет изомера, за въглеводород C 14 H 30 - 1885 изомера, за въглеводород C 20 H 42 - над 366 000.

В сложни случаи въпросът дали две съединения са изомери се решава чрез използване на различни ротации около валентните връзки (простите връзки позволяват това, което до известна степен съответства на техните физични свойства). След движението на отделни фрагменти от молекулата (без разкъсване на връзки), една молекула се наслагва върху друга (фиг. 3). Ако две молекули са абсолютно еднакви, тогава това не са изомери, а едно и също съединение:

Изомерите, които се различават по скелетна структура, обикновено имат различни физични свойства(точка на топене, точка на кипене и т.н.), което ви позволява да отделите едното от другото. Изомерия от този тип съществува и в ароматните въглеводороди (фиг. 4):

Ориз. 4. Ароматни изомери

Позиционна изомерия.

Друг вид структурна изомерия - позиционната изомерия възниква, когато функционални групи, отделни хетероатоми или множествени връзки са разположени на различни места от въглеводородния скелет. Структурните изомери могат да принадлежат към различни класове органични съединения, така че те могат да се различават не само по физични, но и по химични свойства. На фиг. 5 показва три изомера за съединението C 3 H 8 O, два от тях са алкохоли, а третият е етер

Ориз. 5. Позиционни изомери

Често разликите в структурата на позиционните изомери са толкова очевидни, че дори не е необходимо мислено да ги комбинирате в пространството, например изомери на бутен или дихлоробензен (фиг. 6):

Ориз. 6. Изомери на бутен и дихлоробензен

Понякога структурните изомери съчетават черти на изомерията на въглеводородния скелет и позиционната изомерия (фиг. 7).

Ориз. 7. Комбинация от два вида структурна изомерия

По въпросите на изомерията теоретичните съображения и експериментът са взаимосвързани. Ако съображенията показват, че не може да има изомери, тогава експериментите трябва да покажат същото. Ако изчисленията сочат определен бройна изомери, тогава може да се получи същият брой или по-малко, но не повече - не всички теоретично изчислени изомери могат да бъдат получени, тъй като междуатомните разстояния или ъглите на връзката в предложения изомер може да надхвърлят допустимия диапазон. За вещество, съдържащо шест СН групи (например бензен), теоретично са възможни 6 изомера (фиг. 8).

Ориз. 8. Бензолови изомери

Първите пет от показаните изомери съществуват (вторият, третият, четвъртият и петият изомер са получени почти 100 години след установяването на структурата на бензена). Последният изомер най-вероятно никога няма да бъде получен. Представен като шестоъгълник, той е най-малко вероятен, неговите деформации водят до структури под формата на наклонена призма, звезда с три лъча, непълна пирамида и двойна пирамида (непълен октаедър). Всяка от тези опции съдържа или много различни C-C връзки, или силно изкривени ъгли на свързване (фиг. 9):

Химичните трансформации, в резултат на които структурните изомери се превръщат един в друг, се наричат ​​изомеризация.

стереоизомерия

възниква поради различното разположение на атомите в пространството с еднакъв ред на връзките между тях.

Един от видовете стереоизомерия е цис-транс-изомерията (цис - лат. една страна, транс - лат. през, от противоположните страни) се наблюдава в съединения, съдържащи множество връзки или плоски цикли. За разлика от единичната връзка, множествената връзка не позволява на отделни фрагменти от молекулата да се въртят около нея. За да се определи вида на изомера, мислено се начертава равнина през двойната връзка и след това се анализира начинът, по който заместителите са поставени спрямо тази равнина. Ако еднакви групи са от една и съща страна на равнината, тогава това цис-изомер, ако е от противоположните страни - транс-изомер:

Физични и химични свойства цис- и транс-изомерите понякога са забележимо различни, в малеиновата киселина карбоксилните групи -COOH са пространствено близки, те могат да реагират (фиг. 11), образувайки малеинов анхидрид (за фумаровата киселина тази реакция не се случва):

Ориз. 11. Образуване на малеинов анхидрид

В случай на равнинни циклични молекули не е необходимо мислено да начертаете равнина, тъй като тя вече е зададена от формата на молекулата, както например в цикличните силоксани (фиг. 12):

Ориз. 12. Изомери на циклосилоксан

В комплексни съединения на метали цисИзомерът е съединение, в което две идентични групи, от тези, които обграждат метала, са близо, в транс-изомер, те са разделени от други групи (фиг. 13):

Ориз. 13. Изомери на кобалтовия комплекс

Вторият тип стереоизомерия - оптична изомерия възниква, когато два изомера (в съответствие с определението, формулирано по-рано, две молекули, които не са съвместими в пространството) са огледално отражениевзаимно. Молекулите, които могат да бъдат представени като един въглероден атом с четири различни заместителя, имат това свойство. Валентностите на централния въглероден атом, свързан с четири заместителя, са насочени към върховете на менталния тетраедър - правилен тетраедър ( см.ОРБИТАЛНА) и са твърдо фиксирани. Четири различни заместителя са показани на фиг. 14 под формата на четири топки с различни цветове:

Ориз. 14. Въглероден атом с четири различни заместителя

За да се открие възможното образуване на оптичен изомер, е необходимо (фиг. 15) да се отрази молекулата в огледалото, след което огледалното изображение трябва да се приеме като истинска молекула, поставена под оригиналната, така че техните вертикални оси да съвпадат, и завъртете втората молекула около вертикалната ос, така че червената топка горната и долната молекули да са разположени една под друга. В резултат позицията само на две топки, бежова и червена, съвпада (маркирани с двойни стрелки). Ако завъртите долната молекула, така че сините топки да са подравнени, тогава отново позицията само на две топки ще съвпадне - бежова и синя (също маркирани с двойни стрелки). Всичко става очевидно, ако тези две молекули се комбинират мислено в пространството, поставяйки една в друга, като нож в ножница, червената и зелената топка не съвпадат:

За всяка взаимна ориентация в пространството на две такива молекули е невъзможно да се постигне пълно съвпадение, когато се комбинират, според дефиницията това са изомери. Важно е да се отбележи, че ако централният въглероден атом има не четири, а само три различни заместителя (т.е. два от тях са еднакви), тогава, когато такава молекула се отразява в огледалото, не се образува оптичен изомер, тъй като молекулата и нейното отражение могат да се комбинират в пространството (фиг. 16):

В допълнение към въглерода, други атоми могат да действат като асиметрични центрове, в които ковалентните връзки са насочени към ъглите на тетраедъра, например силиций, калай, фосфор.

Оптичната изомерия възниква не само в случай на асиметричен атом, тя се реализира и в някои рамкови молекули в присъствието на определен брой различни заместители. Например рамката на въглеводорода адамантана, която има четири различни заместителя (фиг. 17), може да има оптичен изомер, докато цялата молекула играе ролята на асиметричен център, което става очевидно, ако рамката на адамантана се свие мислено в точка. По същия начин силоксанът, който има кубична структура (фиг. 17), също става оптически активен в случай на четири различни заместителя:

Ориз. 17. Оптично активни структурни молекули

Възможни са варианти, когато молекулата не съдържа асиметричен център дори в латентна форма, но самата тя може да бъде като цяло асиметрична, като са възможни и оптични изомери. Например, в комплексно съединение на берилий, два циклични фрагмента са разположени във взаимно перпендикулярни равнини, в този случай два различни заместителя са достатъчни, за да се получи оптичен изомер (фиг. 18). За молекулата на фероцена, която има формата на петстранна призма, са необходими три заместителя за същата цел, водородният атом в този случай играе ролята на един от заместителите (фиг. 18):

Ориз. 18. Оптична изомерия на асиметрични молекули

В повечето случаи структурната формула на съединението позволява да се разбере какво точно трябва да се промени в него, за да стане веществото оптически активно.

При синтезиране на оптично активни стереоизомери обикновено се получава смес от дясновъртящи и лявовъртящи съединения. Разделянето на изомерите се извършва чрез взаимодействие на смес от изомери с реагенти (често от естествен произход), съдържащи асиметричен реакционен център. Някои живи организми, включително бактериите, преференциално метаболизират леви изомери.

Понастоящем са разработени процеси (наречени асиметричен синтез), които правят възможно целенасоченото получаване на специфичен оптичен изомер.

Има реакции, които правят възможно превръщането на оптичен изомер в негов антипод ( см. УОЛДЕН РАЗГОВОР).

Михаил Левицки

Изомери- вещества с еднакъв молекулен строеж, но различен химичен строеж и свойства.

Видове изомерия

аз. Структурен - състои се в различна последователност от свързващи атоми във верига от молекула:

1) Верижна изомерия

Трябва да се отбележи, че въглеродните атоми в разклонена верига се различават по вида на връзката с други въглеродни атоми. Така се нарича въглероден атом, свързан само с един друг въглероден атом първичен, с два други въглеродни атома - втори, с три - третичен, с четири кватернер.

2) Позиционна изомерия

3) Междукласова изомерия

4) Тавтомерия

тавтомерия(от гръцки ταύτίς - същото и μέρος - мярка) - явлението обратима изомерия, при което два или повече изомера лесно преминават един в друг. В този случай се установява тавтомерно равновесие и веществото едновременно съдържа молекули на всички изомери в определено съотношение. Най-често тавтомеризацията възниква, когато водородните атоми се преместват от един атом в молекула към друг и обратно в същото съединение.

II. Пространствен (стерео) - поради различните позиции на атомите или групите спрямо двойната връзка или цикъл, изключвайки свободното въртене на свързаните въглеродни атоми

1. Геометрични (цис-, транс-изомерия)

Ако въглероден атом в молекула е свързан с четири различни атома или атомни групи, например:

тогава е възможно съществуването на две съединения с еднаква структурна формула, но различни по пространствена структура. Молекулите на такива съединения се отнасят една към друга като обект и негов огледален образ и са пространствени изомери.

Изомерията от този тип се нарича оптична, изомери - оптични изомери или оптични антиподи:

Молекулите на оптичните изомери са несъвместими в пространството (като лявата и дясната ръка), липсва им равнина на симетрия.
По този начин,

• оптични изомерипространствени изомери се наричат, чиито молекули се отнасят една към друга като обект и несъвместим огледален образ.

Оптични изомери на аминокиселината

3. конформационна изомерия

Трябва да се отбележи, че атомите и групите от атоми, свързани помежду си чрез σ-връзка, постоянно се въртят около оста на връзката, заемайки различни позиции в пространството един спрямо друг.

Молекули, които имат еднаква структура и се различават по пространственото разположение на атомите в резултат на въртене около тях C-C връзкисе наричат ​​конформери.

За изобразяване на конформационни изомери е удобно да се използват проекционните формули на Нюман:

Феноменът на конформационната изомерия може да се разгледа и на примера на циклоалканите. И така, конформерите са характерни за циклохексан:

Разгледаните по-рано типове формули, които описват органична материя, показват, че няколко различни структурни формули могат да съответстват на една молекулна формула.

Например молекулната формула C2H6Окореспондирам две веществас различни структурни формули - етаноли диметилов етер. Ориз. един.

Етиловият алкохол е течност, която реагира с метален натрий за освобождаване на водород, кипи при +78,50C. При същите условия диметиловият етер, газ, който не реагира с натрий, кипи при -230C.

Тези вещества се различават по своята структура - различните вещества отговарят на една и съща молекулна формула.

Ориз. 1. Междукласова изомерия

Феноменът на съществуването на вещества с еднакъв състав, но различна структура и следователно различни свойства, се нарича изомерия (от гръцките думи "isos" - "равен" и "meros" - "част", "дял").

Видове изомерия

Съществуват различни видовеизомерия.

Структурната изомерия е свързана с различен ред на свързване на атомите в молекулата.

Етанолът и диметиловият етер са структурни изомери. Тъй като принадлежат към различни класове органични съединения, този тип структурна изомерия се нарича също междукласови . Ориз. един.

Структурните изомери също могат да бъдат в рамките на един и същи клас съединения, например формулата C5H12 съответства на три различни въглеводорода. то изомерия на въглеродния скелет. Ориз. 2.

Ориз. 2 Примери за вещества - структурни изомери

Има структурни изомери с еднакъв въглероден скелет, които се различават по позицията на множество връзки (двойни и тройни) или атоми, които заместват водорода. Този вид структурна изомерия се нарича позиционна изомерия.

Ориз. 3. Изомерия на структурно положение

В молекули, съдържащи само единични връзки, е възможно почти свободно въртене на фрагменти от молекулата около връзките при стайна температура и, например, всички изображения на формулите на 1,2-дихлороетан са еквивалентни. Ориз. четири

Ориз. 4. Разположение на хлорните атоми около единична връзка

Ако въртенето е трудно, например в циклична молекула или с двойна връзка, тогава геометрична или цис-транс изомерия.В цис изомерите заместителите са от една и съща страна на равнината на пръстена или двойната връзка, в транс изомерите те са от противоположните страни.

Цис-транс изомери съществуват, когато две различнидепутат. Ориз. 5.

Ориз. 5. Цис и транс изомери

Друг вид изомерия възниква поради факта, че въглероден атом с четири единични връзки образува със своите заместители пространствена структура - тетраедър. Ако една молекула има поне един въглероден атом, свързан с четири различни заместителя, оптична изомерия. Такива молекули не съвпадат с огледалния си образ. Това свойство се нарича хиралност - от гръцки стук- "ръка". Ориз. 6. Оптичната изомерия е характерна за много молекули, които изграждат живите организми.

Ориз. 6. Примери за оптични изомери

Нарича се още оптична изомерия енантиомери (от гръцки енантиос- "обратно" и meros- "част") и оптични изомери - енантиомери . Енантиомерите са оптично активни, те въртят равнината на поляризация на светлината под същия ъгъл, но в противоположни посоки: д- , или (+)-изомер, - вдясно, аз- , или (-)-изомер, - вляво. Нарича се смес от равни количества енантиомери рацемат, е оптически неактивен и се обозначава със символа d,l- или (±).

ИЗТОЧНИЦИ

източник на видео - http://www.youtube.com/watch?v=mGS8BUEvkpY

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

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

източник на презентация - 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

източник на презентация - http://mirhimii.ru/10class/174-izomeriya.html