Примери за структурни изомери. Изомери

Съдържанието на статията

ИЗОМЕРИЯ(Гръцки isos - идентичен, 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, съдържащи едни и същи елементи в същото количество, но различни в 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 установява, че сребърните соли на фулминат и изоцианови киселини: 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 един и същи състав възникват поради факта, че атомите в молекулата са подредени в различен ред. Идеята за изомерията окончателно се формира след създаването на теорията на А. М. Бутлеров химическа структура(1860-те). Въз основа на тази теория той предложи 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

По правило това се дължи на различия в структурата на въглеводородния скелет или 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

В сложни случаи въпросът дали две съединения са изомери се решава с помощта на различни ротации около валентните връзки (простите връзки позволяват това, което до известна степен съответства на техните физични свойства). След преместване на отделни фрагменти от молекулата (без разкъсване на връзките) една молекула се наслагва върху друга (фиг. 3). Ако две молекули са напълно идентични, 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. Този тип изомерия съществува и при ароматните въглеводороди (фиг. 4):

Ориз. 4. Ароматни изомери

Позиционна изомерия.

Друг вид структурна изомерия, позиционната изомерия, възниква в случаите, когато функционални групи, отделни хетероатоми или множествени връзки са разположени на различни места във въглеводородния скелет. Структурните изомери могат да принадлежат към различни класовеорганични съединения, така че те могат да се различават не само по физични, но и по химични свойства. На фиг. Фигура 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 изомерите на бутен или дихлоробензен (фиг. 6):

Ориз. 6. Изомери на бутен и дихлоробензен

Понякога структурните изомери съчетават характеристиките 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 изомери не могат да съществуват, тогава експериментите трябва да покажат същото. Ако изчисленията сочат определен бройизомери, тогава може да се получи същия брой или по-малко от тях, 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 са извън допустимите граници. За вещество, съдържащо шест СН групи (например бензен), теоретично са възможни 6 изомера (фиг. 8).

Ориз. 8. Бензенови 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 вероятно да се образува и неговите деформации водят до структури под формата на скосена призма, трилъчева звезда, непълна пирамида и двойна пирамида (непълен октаедър). Всяка от тези опции съдържа или много различни C-C връзки по размер, 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 вид стереоизомерия е цис-транс изомерията (цис - лат. от едната страна, транс - лат. през, от различни страни) се наблюдава в съединения, съдържащи множество връзки или равнинни 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 анхидрид на малеинова киселина (тази реакция не се случва за фумарова киселина):

Ориз. 11. Образуване на малеинов анхидрид

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

Ориз. 12. Изомери на циклосилоксан

В сложни метални съединения цис-изомерът е съединение, в което две еднакви групи, от тези, които заобикалят метала, са разположени наблизо, в транс-изомер, те са разделени от други групи (фиг. 13):

Ориз. 13. Изомери на кобалтовия комплекс

Вторият тип стереоизомерия, оптична изомерия, възниква в случаите, когато два изомера (в съответствие с определението, формулирано по-рано, две молекули, които не са съвместими в пространството) представляват огледално отражениевзаимно. Това свойство се притежава от молекули, които могат да бъдат представени като един въглероден атом с четири различни заместителя. Валентностите на централния въглероден атом, свързан с четири заместителя, са насочени към върховете на ментален тетраедър - правилен тетраедър ( см.ОРБИТАЛНА) и твърдо фиксирана. Четири неравни 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 огледало, след което огледалното изображение трябва да се приеме като истинска молекула, поставена под оригиналната, така че техните вертикални оси да съвпадат, а втората молекула трябва да се завърти 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 се изравнят, тогава позицията само на две топки отново ще съвпадне - бежово и синьо (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 две такива молекули не могат да постигнат пълно съвпадение, когато се комбинират, според определението 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 огледало, 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 ковалентни връзкинасочени към ъглите на тетраедъра, например силиций, калай, фосфор.

Оптичната изомерия се среща не само в случай на асиметричен атом, тя се реализира и в някои рамкови молекули в присъствието на определен брой различни заместители. Например структурният въглеводород адамантана, който има четири различни заместителя (фиг. 17), може да има оптичен изомер, като цялата молекула играе ролята на асиметричен център, което става очевидно, ако адамантановата рамка се свие мислено до 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 скелетни молекули

Възможни са варианти, когато молекулата не съдържа асиметричен център, дори и в скрита форма, но самата тя може да бъде като цяло асиметрична, като са възможни и оптични изомери. Например, в берилиево комплексно съединение два циклични фрагмента са разположени във взаимно перпендикулярни равнини, в този случай два различни заместителя са достатъчни за получаване на оптичен изомер (фиг. 18). За една фероценова молекула, която има формата на пентаедрична призма, за същата цел са необходими три заместителя, 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 ни позволява да разберем какво точно трябва да се промени в него, за да стане веществото оптически активно.

Синтезите на оптично активни стереоизомери обикновено произвеждат смес от дясно- и лявовъртящи съединения. Разделянето на изомерите се извършва чрез взаимодействие на смес от изомери с реагенти (обикновено естествен произход), съдържащ асиметричен реакционен център. Някои живи организми, включително бактерии, преференциално метаболизират лявовъртящи изомери.

Сега са разработени процеси (наречени асиметричен синтез) за специфично производство на специфичен оптичен изомер.

Има реакции, които ви позволяват да превърнете оптичен изомер в неговия антипод ( см. ПРЕОБРАЗУВАНЕ НА УАЛДЕН).

Михаил Левицки

Лекция № 5

Тема: „Изомерия и нейните видове“

Тип клас: комбиниран

Цел: 1. Да се разкрие основната позиция на теорията на структурата върху явлението изомерия. Дайте обща представа за видовете изомерия. Покажете основните насоки на развитие на теорията на структурата, като използвате стереоизомерията като пример.

2. продължават да развиват способността да конструират формули на изомери, да назовават вещества с помощта на формули.

3. култивирайте когнитивно отношение към ученето

Оборудване: модели на молекули Stewart-Brigleb, цветен пластилин, кибрит, чифт ръкавици, семена от кимион, ментова дъвка, три епруветки.

План на урока

Поздрав, поименно

Проучване на основните знания

Учене на нов материал:

Теория на строежа и явлението изомерия;

Видове изомерия;

Консолидация

Прогрес на урока

2. Проверка на основните знания: фронтално

Обяснете по какви критерии се класифицират органичните съединения с помощта на диаграма.

Посочете основните класове органични съединения и техните структурни характеристики

Изпълнете упражнения № 1 и 2 §6. Един ученик на дъската, останалите в тетрадките

3. Учене на нов материал: Теория на структурата и явлението изомерия

Спомнете си определението за изомерия и изомери. Обяснете причината за тяхното съществуване.

Феноменът на изомерията (от гръцки isos - различен и meros - дял, част) е открит през 1823 г. от J. Liebig и F. Wöhler на примера на соли на две неорганични киселини: цианова и експлозивна. НОС = N циан; N-O-N = C гърмяща змия

През 1830 г. J. Dumas разшири концепцията за изомерията до органичните съединения. Терминът "изомер" се появява година по-късно и е предложен от J. Bercellius. Тъй като в областта на структурата, както органични, така и неорганични веществаПо това време цари пълен хаос и те не придават особено значение на откритието.

Научно обяснение на явлението изомерия е дадено от А. М. Бутлеров в рамките на теорията на структурата, докато нито теорията на типовете, нито теорията на радикалите разкриват същността на това явление. А. М. Бутлеров видя причината за изомерията във факта, че атомите в молекулите на изомерите са свързани в различен ред. Теорията на структурата даде възможност да се предскаже броят на възможните изомери и тяхната структура, което беше блестящо потвърдено на практика от самия А. М. Бутлеров и неговите последователи.

Видове изомерия: дайте пример за изомери и предложете знак, по който изомерите могат да бъдат класифицирани?(очевидно структурата на изомерните молекули ще бъде в основата). Обяснявам материала с помощта на диаграмата:

Има два вида изомерия: структурна и пространствена (стереоизомерия). Структурните изомери са тези, които имат различен ред на свързване между атомите в молекулата. Пространствените изомери имат едни и същи заместители на всеки въглероден атом, но се различават относителна позицияв космоса.

Структурната изомерия е от три вида: междукласова изомерия, свързана със структурата на въглеродния скелет, и изомерия на позицията на функционална група или множествена връзка.

Междукласовите изомери съдържат различни функционални групи и принадлежат към различни класове органични съединения и следователно физичните и химичните свойства на междукласовите изомери се различават значително.

Изомерията на въглеродния скелет вече ви е позната; физичните свойства са различни, но химичните свойства са сходни, тъй като тези вещества принадлежат към един и същи клас.

Изомерия на позицията на функционална група или позицията на множество връзки. Физичните свойства на такива изомери са различни, но химичните свойства са сходни

Геометрична изомерия: имат различни физични константи, но подобни химични свойства

Оптичните изомери са огледални изображения един на друг; като две длани не могат да се съберат така, че да съвпаднат.

4. Консолидация: разпознайте изомерите, определете вида на изомерията във вещества, чиято формула: изпълнете упражнение 3§ 7

Изомерите са най-важната концепция в органичната химия. Вещества, които имат еднакъв състав и молекулно тегло, могат да се различават по структура и комбинация от идентични елементи в техния състав. Тези елементи се съдържат в равни количества, но се различават по пространственото разположение на групи от атоми или просто атоми. Такива вещества обикновено се наричат изомери.
Използвайки примера на най-простите изомери - бутан и изобутан (или по-скоро техните структурни формули), които имат абсолютно същата молекулна формула C4 H10, можете лесно да разберете какво имаме предвид ние говорим за. Структурната формула на бутана изглежда така: CH3-CH2-CH2-CH3, а изобутанът CH3-CH(CH3)-CH3. Пространственото разположение на въглеродните и водородните атоми, както и редът им на свързване, е различен при бутан и изобутан.
В допълнение, радикалната група –CH3 в изобутана (която отсъства в бутана) е прикрепена към втория въглероден атом и образува разклонение. Наличието на радикалната група –CH3 в изобутан предизвиква появата на –CH група в него. В бутана всички групи атоми са свързани линейно, освен това, за разлика от изобутана, той има две -CH2 групи.

Какво представляват изомерите

Изомери- специален химични съединения, надарени със същата формула и състав, но различни по структура и свойства. Изомерите се намират главно в органични съединения.
Ако молекулите на две съединения с идентичен състав не съвпадат напълно, когато се комбинират в пространството, тогава те се считат за изомери. Свойствата на изомерите зависят не от техния състав, а от химичната им структура, по-точно от реда, в който са свързани атомите, изграждащи молекулите, и от взаимното влияние на атомите един върху друг.

Сравнение на изомери

Каква е разликата между изомерите? Изомерите с еднакъв състав имат различни физикохимични характеристики. Това се дължи на факта, че атомите в молекулите са подредени в неравен ред. Структурните изомери се различават по структурата на въглеводородния скелет или по различни места на множество връзки или функционални групи, което води до различни физикохимични свойства.
Стереоизомерите (цис- и транс-изомери) имат еднакъв ред на връзките между атомите и тяхното различно местоположение в пространството. Свойствата на стереоизомерите се различават значително.
Например, вещества с формула C2H6O са две напълно различни изомерни органични съединения: диметилов етер (газ, минимално разтворим във вода) и етанол(течност, кипяща при 78°C). Те принадлежат към напълно различни класове (етери и алкохоли) органични съединения. Техните химични свойства се различават значително.

TheDifference.ru установи, че разликата между изомерите е следната:

Редът на свързване на атомите в структурните формули е различен.
Структурата на въглеродния скелет на изомерите не е същата, тя има свои собствени отличителни черти.
Множеството връзки в изомерите са подредени по различен начин.
Местоположението на функционалните групи е различно за изомерите.
Атомите в космоса са разположени в различни позиции.
Физикохимичните свойства на изомерите могат драстично да варират.

1. Структурна изомерия.

2. Конформационна изомерия.

3. Геометрична изомерия.

4. Оптична изомерия.

Изомери- това са вещества, които имат еднакъв състав и молекулно тегло, но различни физични и химични свойства. Разликите в свойствата на изомерите се дължат на разликите в тяхната химична или пространствена структура. В тази връзка се разграничават два вида изомерия.

изомерия

структурен

пространствен

въглероден скелет

Конфигурация

Конформационни

Функционална позиция

Оптичен

Междукласни

Геометричен

1. Структурна изомерия

Структурните изомери се различават по химична структура, т.е. природата и последователността на връзките между атомите в молекулата. Структурните изомери се изолират в чист вид. Те съществуват като индивидуални, устойчиви вещества, взаимното им преобразуване изисква голяма енергия - около 350 - 400 kJ/mol. В динамично равновесие са само структурните изомери - тавтомери. Тавтомерията е често срещано явление в органичната химия. Възможно е чрез пренасяне 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 C 4 H 8 O съответства на структурни изомери:

а)с различен въглероден скелет

неразклонена С-верига - CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH=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;

V)с различен състав на функционалната група

3-бутенол-2, ненаситен алкохол;

G)метамеризъм

Хетероатомна функционална група може да бъде включена във въглероден скелет (цикъл или верига). Един от възможните изомери на този тип изомерия е CH3-O-CH2-CH=CH2 (3-метоксипропен-1, етер);

д)тавтомерия (кето-енол)

енолна форма кето форма

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

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

2. Пространствена изомерия (стереоизомерия)

Пространствените изомери имат еднаква химическа структура и се различават по пространственото разположение на атомите в молекулата. Тази разлика създава разлика във физическите и химични свойства. Пространствените изомери се изобразяват под формата на 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 много геометрични форми (конформации) на молекулата, различаващи се една от друга във взаимното въртене на въглеродните тетраедри около връзката σ-C-C, която ги свързва. В резултат на това 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 обикновени условия, като правило, е невъзможно да се фиксират молекули в една строго определена конформация. Обикновено няколко конформационни изомера лесно се трансформират един в друг, съжителстват в равновесие.

Методите за изобразяване и номенклатурата на изомерите могат да бъдат разгледани на примера на молекулата на етана. За него можем да предвидим съществуването на две конформации, които се различават максимално по енергия, което може да се изобрази във формата перспективни проекции(1) („кози за дъскорезница“) или проекции Нов мъж(2):

инхибирана конформация засенчена конформация

В перспективна проекция (1) C-C връзката трябва да си представим отиваща в далечината; Въглеродният атом отляво е близо до наблюдателя, а въглеродният атом отдясно е по-далеч от него.

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

Показаната вдясно конформация се нарича затъмнен . Това име ни напомня, че водородните атоми на двете СН3 групи са един срещу друг. Затъмнената конформация има повишена вътрешна енергия и следователно е неблагоприятна. Показаната вляво конформация се нарича инхибиран , което означава, че свободното въртене около C-C връзката е „инхибирано“ 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 (усукващ - 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 инхибирани конформации, а максимумите съответстват на оклудирани конформации. Тъй като при стайна температура енергията на някои молекулярни сблъсъци може да достигне 20 kcal/mol (около 80 kJ/mol), тази бариера от 12,6 kJ/mol се преодолява лесно и въртенето в етан се счита за свободно. В смес от всички възможни конформации преобладават инхибираните 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 въртене около централната C 2 - C 3 връзка и се различават във взаимното разположение на CH 3 групите. Различните затъмнени и инхибирани конформации на бутан се различават по енергия. Инхибираните 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.

Молекулата на алицикличните съединения се характеризира с различни конформационни форми на цикъла (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 за такива трансформации стане достатъчно висока, тогава стереоизомерните форми могат да бъдат разделени (например оптично активни бифенили). В такива случаи вече не говорим за конформери, а за реално съществуващи стереоизомери.

б)Геометрична изомерия

Геометричните изомери възникват в резултат на отсъствието в молекулата на:

1. въртенето на въглеродните атоми един спрямо друг е следствие от твърдостта на двойната връзка C=C или цикличната структура;

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

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- се наричат форми геометрични изомери, в които идентични заместители лежат от една и съща страна на равнината на π-връзката или пръстена, транс- формите са геометрични изомери, в които идентични 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°C - 105,6°C

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

В по-сложни случаи се използва З,Е-номенклатура (номенклатура Канна, Инголд, Прелог - KIP, номенклатура на старшинството на заместниците). Във връзка

1-бромо-2-метил-1-хлоробутен-1 (Br)(CI)C=C(CH3)-CH2-CH3 всички заместители при въглеродните атоми с двойна връзка са различни; следователно това съединение съществува под формата на Z-, E- геометрични изомери:

E-1-бромо-2-метил-1-хлоробутен-1 Z-1-бромо-2-метил-1-хлоробутен-1.

За да посочите конфигурацията на изомера, посочете разположението на старшите заместители при двойна връзка (или пръстен) е Z- (от немското Zusammen - заедно) или Е- (от немското Entgegen - срещуположно).

В системата Z,E заместителите с голям атомен номер се считат за старши. Ако атомите, директно свързани с ненаситените въглеродни атоми, са еднакви, тогава преминете към „втория слой“, ако е необходимо - към „третия слой“ и т.н.

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

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, в състава на мазнините - цис-олеинова, линолова, линоленова киселини.

V)Оптична изомерия

Молекулите на органичните съединения могат да бъдат хирални и ахирални. Хиралността (от гръцки cheir - ръка) е несъвместимостта на молекулата с нейния огледален образ.

Хиралните вещества са способни да въртят равнината на поляризация на светлината. Това явление се нарича оптична активност, а съответните вещества са 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 едно нещо - знакът на въртене на равнината на поляризация: един от оптичните антиподи отклонява равнината на поляризация надясно (+, дясновъртящ изомер), другият - наляво (-, лявовъртящ). 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 една молекула). Това е името, дадено на въглеродния атом в sp 3 - хибридизация и свързано с четири различни заместителя. Възможни са две тетраедрични подредби на заместители около асиметричен атом. В този случай две пространствени форми не могат да бъдат комбинирани чрез ротация; единият от тях е огледален образ на другия:

И двете огледални форми образуват двойка оптични антиподи или енантиомери .

Оптичните изомери са изобразени под формата на проекционни формули от Е. Фишер. Те се получават чрез проектиране на молекула с асиметричен въглероден атом. В този случай самият асиметричен въглероден атом в равнината е обозначен с точка on хоризонтална линияпосочете символите на заместителите, изпъкнали пред чертожната равнина. Вертикалната линия (пунктирана или плътна) показва заместители, които са отстранени извън равнината на чертежа. По-долу са различни начинизаписване на формулата на проекцията, 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 на (+) и (-) аланин - CH 3 - * CH(NH 2) -COOH са представени, 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 на 180° в чертожната равнина, без да се променя тяхното стереохимично значение:

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

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

4. Завъртане на 90° в чертожната равнина 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 чертожната равнина.

Оптична активност притежават органични съединения, в чиито молекули други атоми, като силиций, фосфор, азот и сяра, са хирални центрове.

Във формата съществуват съединения с няколко асиметрични въглеродни атома 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 енантиомерите 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 (дясна) или S (лява) конфигурация на оптичен изомер, е необходимо да се подредят заместителите в тетраедъра (стереохимична формула) около асиметричния въглероден атом по такъв начин, че най-младият заместител (обикновено водород) да има посоката „далече от наблюдателя“. Ако преходът на трите останали заместителя от старши към среден и младши по старшинство се извършва по посока на часовниковата стрелка, това е R-изомер (намаляването 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 (намаляващият приоритет съвпада с движението на ръката при писане на върха на буквата S).

За да се определи R- или S-конфигурацията на оптичен изомер с помощта на проекционната формула, е необходимо да се подредят заместителите с 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, а 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) разделяне 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) открит през 1823 г. J. Liebig и F. Wöhler, използвайки примера на соли на две неорганични киселини: цианова H-O-C≡N и експлозивна 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, лечебни вещества от естествен произход и др.).

Въведение

изомерия (Гръцки isos - идентичен, 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, съдържащи едни и същи елементи в същото количество, но различни в пространственото разположение на атомите или групите от атоми, се наричат изомери. Изомерията е една от причините органичните съединения да са толкова много и разнообразни.

История на откриването на изомерията

Изомерията е открита за първи път от J. Liebig през 1823 г., който установява, че сребърните соли на фулминат и изоцианови киселини: 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 един и същи състав възникват поради факта, че атомите в молекулата са подредени в различен ред. Концепцията за изомерията е окончателно оформена след създаването на теорията за химическата структура на А. М. Бутлеров (1860-те). Изомерията получава истинско обяснение едва през втората половина на 19 век. въз основа на теорията за химическата структура на A.M. Бутлеров (структурен изомеризъм) и стереохимичните учения на Я.Г. Вант Хоф (пространствена изомерия). Въз основа на тази теория той предложи 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

Фиг. 1. Различни позиции на ОН групата в молекулата на бутанола.

Видове изомерия

В изомерията могат да се разграничат два основни типа: структурна изомерия и пространствена изомерия, или, както се нарича още, стереоизомерия.

От своя страна структурните се разделят на:

изомерия на въглеродната верига (въглероден скелет)

валентна изомерия

изомерия на функционалната група

позиционна изомерия.

Пространствената изомерия (стереоизомерия) се разделя на:

диастереомерия (цис, транс - изомерия)

енантиомерия (оптична изомерия).

Структурна изомерия

Изомерия на въглеводородния скелет

Фиг.2.

Тъй като броят на въглеродните атоми във въглеводородна молекула се увеличава, броят на възможните изомери се увеличава 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 с помощта на различни завои около валентността връзки (простите връзки позволяват това, което до известна степен отговаря на техните физични свойства). След преместване на отделни фрагменти от молекулата (без прекъсване на връзките) една молекула се наслагва върху друга. Ако две молекули са напълно идентични, това не са изомери, а едно и също съединение. Изомери, които се различават по скелетна структура, обикновено имат различни физични свойства (точка на топене, точка на кипене и т.н.), което прави възможно отделянето един от друг. Този тип изомерия съществува и при ароматните въглеводороди (фиг. 4).