نمونه هایی از ایزومرهای ساختاری ایزومرها

محتوای مقاله

ایزومریسم(گرم isos - همان، meros - part) یکی از مهمترین مفاهیم در شیمی، عمدتا در آلی است. مواد می توانند ترکیب و وزن مولکولی یکسانی داشته باشند، اما ساختارها و ترکیبات متفاوتی که دارای عناصر یکسانی به مقدار یکسان هستند، اما در آرایش فضایی اتم ها یا گروه های اتم متفاوت هستند، ایزومر نامیده می شوند. ایزومریسم یکی از دلایل متعدد و متنوع بودن ترکیبات آلی است.

ایزومریسم برای اولین بار توسط جی لیبیگ در سال 1823 کشف شد، او دریافت که نمک های نقره اسیدهای فولمینانت و ایزوسیانیک: Ag-O-N=C و Ag-N=C=O ترکیب یکسانی دارند، اما خواص مختلف. اصطلاح "ایزومریسم" در سال 1830 توسط I. Berzelius معرفی شد، که پیشنهاد کرد که تفاوت در خواص ترکیبات یکسان به دلیل این واقعیت است که اتم های موجود در مولکول در یک نظم نابرابر قرار گرفته اند. ایده های ایزومریسم سرانجام پس از ایجاد نظریه A.M. Butlerov شکل گرفت ساختار شیمیایی(دهه 1860). بر اساس مفاد این نظریه، او پیشنهاد کرد که باید چهار بوتانول مختلف وجود داشته باشد (شکل 1). در زمان ایجاد این نظریه، تنها یک بوتانول (CH 3) 2 CHCH 2 OH که از مواد گیاهی به دست آمده بود، شناخته شده بود.

برنج. 1. ایزومرهای بوتانول

سنتز بعدی تمام ایزومرهای بوتانول و تعیین خواص آنها به تأیید قانع کننده این نظریه تبدیل شد.

طبق تعریف مدرن، دو ترکیب با یک ترکیب در صورتی ایزومر در نظر گرفته می شوند که مولکول های آنها نتوانند در فضا ترکیب شوند تا کاملاً منطبق شوند. ترکیب، به عنوان یک قاعده، به صورت ذهنی انجام می شود؛ در موارد پیچیده، از مدل های فضایی یا روش های محاسبه استفاده می شود.

علل مختلفی برای ایزومریسم وجود دارد.

ایزومریزم ساختاری

معمولاً به دلیل تفاوت در ساختار اسکلت هیدروکربنی یا ترتیب نابرابر گروه های عاملی یا پیوندهای متعدد ایجاد می شود.

ایزومریسم اسکلت هیدروکربنی.

هیدروکربن های اشباع حاوی یک تا سه اتم کربن (متان، اتان، پروپان) ایزومر ندارند. برای ترکیبی با چهار اتم کربن C 4 H 10 (بوتان)، دو ایزومر ممکن است، برای پنتان C 5 H 12 - سه ایزومر، برای هگزان C 6 H 14 - پنج (شکل 2):

برنج. 2. ایزومرهای ساده ترین هیدروکربن ها

در موارد پیچیده، این سؤال که آیا دو ترکیب ایزومر هستند یا خیر، با استفاده از چرخش‌های مختلف حول پیوندهای ظرفیتی (پیوندهای ساده این امکان را می‌دهند، که تا حدی با خواص فیزیکی آنها مطابقت دارد) تعیین می‌شود. پس از حرکت تک تک قطعات مولکول (بدون شکستن پیوندها)، یک مولکول روی دیگری قرار می گیرد (شکل 3). اگر دو مولکول دقیقاً یکسان باشند، اینها ایزومر نیستند، بلکه یک ترکیب هستند:

ایزومرهایی که در ساختار اسکلتی متفاوت هستند معمولاً متفاوت هستند مشخصات فیزیکی(نقطه ذوب، نقطه جوش و غیره)، که به شما امکان می دهد یکی را از دیگری جدا کنید. ایزومری از این نوع در هیدروکربن های آروماتیک نیز وجود دارد (شکل 4):

برنج. 4. ایزومرهای معطر

ایزومری موقعیت.

نوع دیگری از ایزومریسم ساختاری - ایزومری موقعیت زمانی رخ می دهد که گروه های عاملی، هترواتم های فردی یا پیوندهای متعدد در مکان های مختلف اسکلت هیدروکربنی قرار گیرند. ایزومرهای ساختاری ممکن است متعلق به کلاس های مختلفترکیبات آلی، بنابراین آنها می توانند نه تنها در خواص فیزیکی، بلکه در خواص شیمیایی نیز متفاوت باشند. روی انجیر شکل 5 سه ایزومر را برای ترکیب C 3 H 8 O نشان می دهد که دو تای آنها الکل هستند و سومی اتر است.

برنج. 5. ایزومرها را تعیین کنید

اغلب، تفاوت در ساختار ایزومرهای موقعیت آنقدر آشکار است که حتی لازم نیست آنها را بطور ذهنی در فضا ترکیب کرد، به عنوان مثال، ایزومرهای بوتن یا دی کلروبنزن (شکل 6):

برنج. 6. ایزومرهای بوتن و دی کلروبنزن

گاهی اوقات ایزومرهای ساختاری ویژگی های ایزومر اسکلت هیدروکربنی و ایزومری موقعیتی را ترکیب می کنند (شکل 7).

برنج. 7. ترکیب دو نوع ایزومر ساختاری

در مسائل ایزومریسم، ملاحظات نظری و آزمایش به هم مرتبط هستند. اگر ملاحظات نشان دهد که هیچ ایزومری نمی تواند وجود داشته باشد، آزمایش ها باید همین را نشان دهند. اگر محاسبات نشان دهد تعداد معیناز ایزومرها، می توان آنها را به همان مقدار، یا کمتر، اما نه بیشتر به دست آورد - همه ایزومرهای محاسبه شده نظری را نمی توان به دست آورد، زیرا ممکن است فواصل بین اتمی یا زوایای پیوند در ایزومر پیشنهادی خارج از محدوده باشد. برای یک ماده حاوی شش گروه CH (به عنوان مثال، بنزن)، 6 ایزومر از نظر تئوری امکان پذیر است (شکل 8).

برنج. 8. ایزومرهای بنزن

پنج ایزومر اول نشان داده شده وجود دارند (ایزومرهای دوم، سوم، چهارم و پنجم تقریباً 100 سال پس از ایجاد ساختار بنزن به دست آمدند). آخرین ایزومر به احتمال زیاد هرگز به دست نخواهد آمد. کمترین احتمال را دارد که به صورت شش ضلعی ارائه شود، تغییر شکل‌های آن منجر به ساختارهایی به شکل یک منشور مورب، یک ستاره سه پرتو، یک هرم ناقص و یک هرم دوتایی (هشت وجهی ناقص) می‌شود. هر یک از این گزینه ها شامل پیوندهای C-C بسیار متفاوت یا زوایای پیوند شدیداً تحریف شده است (شکل 9):

تبدیل های شیمیایی که در نتیجه ایزومرهای ساختاری به یکدیگر تبدیل می شوند، ایزومریزاسیون نامیده می شود.

استریوایزومریسم

به دلیل آرایش متفاوت اتم ها در فضا با ترتیب پیوندهای یکسان بین آنها بوجود می آید.

یکی از انواع استریوایزومریسم سیس-ترانس ایزومریسم (cis- لات. یک طرف، ترانس - لات. از طریق، در طرف مقابل) در ترکیبات حاوی پیوندهای متعدد یا چرخه های مسطح مشاهده می شود. برخلاف یک پیوند، یک پیوند چندگانه اجازه نمی‌دهد تکه‌های تکی مولکول به دور آن بچرخند. برای تعیین نوع ایزومر، صفحه ای به صورت ذهنی از طریق پیوند دوگانه کشیده می شود و سپس نحوه قرارگیری جانشین ها نسبت به این صفحه مورد تجزیه و تحلیل قرار می گیرد. اگر گروه های یکسان در همان سمت هواپیما هستند، پس این است سیس-ایزومر، اگر در طرف مقابل باشد - ترنس-ایزومر:

خواص فیزیکی و شیمیایی سیس- و ترنسایزومرهای -گاهی به طور قابل توجهی متفاوت هستند، در اسید مالئیک، گروه‌های کربوکسیل -COOH از نظر مکانی به هم نزدیک هستند، آنها می‌توانند واکنش نشان دهند (شکل 11)، تشکیل انیدرید مالئیک (برای اسید فوماریک، این واکنش رخ نمی‌دهد):

برنج. 11. تشکیل انیدرید مالئیک

در مورد مولکول های حلقوی مسطح، ترسیم یک صفحه به صورت ذهنی ضروری نیست، زیرا از قبل با شکل مولکول تنظیم شده است، به عنوان مثال، در سیلوکسان های حلقوی (شکل 12):

برنج. 12. ایزومرهای سیکلوسیلوکسان

در ترکیبات پیچیده فلزات سیسایزومر ترکیبی است که در آن دو گروه یکسان، از آنهایی که فلز را احاطه کرده اند، در مجاورت یکدیگر قرار دارند. ترنسایزومر، آنها توسط گروه های دیگر از هم جدا می شوند (شکل 13):

برنج. 13. ایزومرهای کمپلکس کبالت

نوع دوم استریوایزومریسم - ایزومر نوری زمانی رخ می دهد که دو ایزومر (طبق تعریفی که قبلاً فرموله شد، دو مولکول که در فضا سازگار نیستند) اتفاق می افتد. انعکاس آینهیکدیگر. مولکول هایی که می توانند به صورت یک اتم کربن منفرد با چهار جایگزین مختلف نمایش داده شوند، این ویژگی را دارند. ظرفیت های اتم کربن مرکزی مرتبط با چهار جایگزین به راس چهار وجهی ذهنی هدایت می شود - یک چهار وجهی منظم ( سانتی متر. ORBITAL) و به طور صلب ثابت هستند. چهار جایگزین مختلف در شکل نشان داده شده است. 14 به شکل چهار توپ با رنگ های مختلف:

برنج. 14. یک اتم کربن با چهار جایگزین مختلف

برای تشخیص احتمال تشکیل یک ایزومر نوری، لازم است (شکل 15) مولکول را در آینه منعکس کنید، سپس تصویر آینه ای باید به عنوان یک مولکول واقعی گرفته شود، در زیر یک مولکول اصلی قرار داده شود تا محورهای عمودی آنها بر هم منطبق باشد. و مولکول دوم را حول محور عمودی بچرخانید تا توپ قرمز مولکول های بالایی و پایینی زیر یکدیگر قرار گیرند. در نتیجه، موقعیت تنها دو توپ، بژ و قرمز، مطابقت دارد (با فلش های دوتایی مشخص شده است). اگر مولکول پایینی را بچرخانید تا توپ های آبی در یک راستا قرار گیرند، تنها موقعیت دو توپ، بژ و آبی، دوباره با هم مطابقت دارند (همچنین با فلش های دوتایی مشخص شده اند). همه چیز آشکار می شود اگر این دو مولکول به طور ذهنی در فضا ترکیب شوند و یکی را در دیگری بگذارند، مانند چاقویی در غلاف، توپ قرمز و سبز با هم مطابقت ندارند:

برای هر جهت گیری متقابل در فضای دو چنین مولکولی، دستیابی به همزمانی کامل در صورت ترکیب غیرممکن است، طبق تعریف، اینها ایزومر هستند. توجه به این نکته مهم است که اگر اتم کربن مرکزی نه چهار، بلکه فقط سه جانشین مختلف داشته باشد (یعنی دو تای آنها یکسان باشند)، در آن صورت وقتی چنین مولکولی در آینه منعکس می شود، ایزومر نوری تشکیل نمی شود. از آنجایی که مولکول و بازتاب آن را می توان در فضا ترکیب کرد (شکل 16):

علاوه بر کربن، اتم های دیگر می توانند به عنوان مراکز نامتقارن عمل کنند که در آن پیوندهای کووالانسیبه گوشه های چهار وجهی، به عنوان مثال، سیلیکون، قلع، فسفر هدایت می شود.

ایزومری نوری نه تنها در مورد یک اتم نامتقارن به وجود می آید، بلکه در برخی از مولکول های چارچوب در حضور تعداد معینی از جانشین های مختلف نیز تحقق می یابد. به عنوان مثال، قاب هیدروکربن آدامانتان، که دارای چهار جایگزین مختلف است (شکل 17)، می تواند یک ایزومر نوری داشته باشد، در حالی که کل مولکول نقش یک مرکز نامتقارن را بازی می کند، که اگر قاب آدامتان به صورت ذهنی منقبض شود، آشکار می شود. نقطه. به طور مشابه، سیلوکسان که ساختار مکعبی دارد (شکل 17)، در مورد چهار جایگزین مختلف نیز از نظر نوری فعال می شود:

برنج. 17. مولکول های چارچوب فعال نوری

زمانی که مولکول دارای یک مرکز نامتقارن حتی به شکل نهفته نباشد، ممکن است انواع مختلف وجود داشته باشد، اما ممکن است خود به طور کلی نامتقارن باشد، در حالی که ایزومرهای نوری نیز ممکن است. به عنوان مثال، در یک ترکیب پیچیده بریلیم، دو قطعه حلقوی در صفحات عمود بر هم قرار دارند؛ در این مورد، دو جایگزین مختلف برای به دست آوردن یک ایزومر نوری کافی است (شکل 18). برای مولکول فروسن، که به شکل یک منشور پنج وجهی است، سه جایگزین برای همین منظور مورد نیاز است، اتم هیدروژن در این مورد نقش یکی از جانشین ها را بازی می کند (شکل 18):

برنج. 18. ایزومری نوری مولکول های نامتقارن

در بیشتر موارد، فرمول ساختاری یک ترکیب این امکان را فراهم می‌کند که بفهمیم دقیقاً چه چیزی باید در آن تغییر داده شود تا ماده از نظر نوری فعال شود.

هنگام سنتز استریو ایزومرهای فعال نوری، معمولاً مخلوطی از ترکیبات دکستروچرتاتور و چپ گرد به دست می آید. جداسازی ایزومرها با واکنش مخلوط ایزومرها با معرف ها (اغلب منشاء طبیعی) حاوی یک مرکز واکنش نامتقارن. برخی از موجودات زنده، از جمله باکتری ها، ترجیحا ایزومرهای چپ دست را متابولیزه می کنند.

در حال حاضر، فرآیندهایی (به نام سنتز نامتقارن) توسعه یافته اند که امکان به دست آوردن هدفمند یک ایزومر نوری خاص را فراهم می کند.

واکنش هایی وجود دارد که امکان تبدیل یک ایزومر نوری را به آنتی پاد آن فراهم می کند. سانتی متر. مکالمه والدن).

میخائیل لویتسکی

سخنرانی شماره 5

موضوع "ایزومریسم و انواع آن"

نوع درس: ترکیبی

هدف: 1. آشکار کردن موضع اصلی نظریه ساختار در مورد پدیده ایزومریسم. یک ایده کلی از انواع ایزومریسم ارائه دهید. جهت های اصلی در توسعه نظریه ساختار را بر روی مثال استریوایزومریسم نشان دهید.

2. ادامه به شکل گیری توانایی ساخت فرمول ایزومرها، نامگذاری مواد بر اساس فرمول.

3. پرورش نگرش شناختی به یادگیری

تجهیزات: مدل‌های مولکول استوارت-بریگلب، پلاستیکین رنگی، کبریت، یک جفت دستکش، دانه‌های زیره، آدامس نعناع، سه لوله آزمایش.

طرح درس

سلام، تماس تلفنی

بررسی دانش پایه

یادگیری مطالب جدید:

نظریه ساختار و پدیده ایزومریسم.

انواع ایزومریسم;

لنگر انداختن

پیشرفت درس

2. بررسی دانش پایه: پیشانی

بر اساس چه معیارهایی ترکیبات آلی طبقه بندی می شوند، با استفاده از نمودار توضیح دهید.

کلاس های اصلی ترکیبات آلی، ویژگی های ساختار آنها چیست

تمرین شماره 1 و 2 §6 را انجام دهید. یک دانش آموز پشت تخته سیاه، بقیه در دفترچه

3. یادگیری مطالب جدید: نظریه ساختار و پدیده ایزومریسم

تعریف ایزومر و ایزومر را به یاد بیاورید. دلیل وجود آنها را توضیح دهید.

پدیده ایزومریسم (از یونانی isos - متفاوت و meros - سهم، قسمت) در سال 1823 توسط J. Liebig و F. Wehler با استفاده از نمونه نمکهای دو اسید معدنی: سیانیک و فولمینانت کشف شد. بینی = N فیروزه ای; H-O-N = جغجغه C

در سال 1830، جی دوماس مفهوم ایزومریسم را به ترکیبات آلی گسترش داد. اصطلاح "ایزومر" یک سال بعد ظاهر شد و توسط J. Berzellius پیشنهاد شد. زیرا در زمینه سازه، هم ارگانیک و هم مواد معدنیدر آن زمان ، هرج و مرج کامل حاکم شد ، به این کشف اهمیت زیادی داده نشد.

توضیح علمی برای پدیده ایزومریسم توسط A.M. Butlerov در چارچوب تئوری ساختار ارائه شد، در حالی که نه نظریه انواع و نه نظریه رادیکال ها جوهر این پدیده را آشکار نکردند. A.M. Butlerov علت ایزومریسم را در این واقعیت می دانست که اتم های موجود در مولکول های ایزومرها به ترتیب متفاوتی به هم متصل هستند. تئوری ساختار امکان پیش‌بینی تعداد ایزومرهای ممکن و ساختار آنها را فراهم می‌آورد که در عمل توسط خود A.M. Butlerov و پیروانش به طرز درخشانی تأیید شد.

انواع ایزومر: مثالی از ایزومرها را بیاورید و ویژگی ای را پیشنهاد کنید که با آن ایزومرها را می توان طبقه بندی کرد؟(بدیهی است که پایه ساختار مولکول های ایزومرها خواهد بود). من مطالب را با استفاده از نمودار توضیح می دهم:

دو نوع ایزومر وجود دارد: ساختاری و فضایی (استریوایزومریسم). ایزومرهای ساختاری آنهایی هستند که ترتیب متفاوتی از پیوند اتم ها در یک مولکول دارند. ایزومرهای فضایی جانشین های یکسانی روی هر اتم کربن دارند، اما در آنها متفاوت است ترتیب متقابلدر فضای.

ایزومری ساختاری سه نوع است: ایزومری بین طبقاتی مرتبط با ساختار اسکلت کربن و ایزومری موقعیت گروه عاملی یا پیوند چندگانه.

ایزومرهای بین طبقاتی حاوی گروه های عاملی متفاوتی بوده و به کلاس های مختلف ترکیبات آلی تعلق دارند و به همین دلیل خواص فیزیکی و شیمیایی ایزومرهای بین طبقاتی تفاوت قابل توجهی دارند.

ایزومری اسکلت کربن از قبل برای شما آشناست، خواص فیزیکی متفاوت است و خواص شیمیایی مشابه است، زیرا این مواد متعلق به یک کلاس هستند.

ایزومری موقعیت یک گروه عاملی یا موقعیت پیوندهای چندگانه. خواص فیزیکی چنین ایزومرهایی متفاوت است، اما خواص شیمیایی مشابه است.

ایزومری هندسی: ثابت های فیزیکی متفاوتی دارند اما خواص شیمیایی مشابهی دارند

ایزومرهای نوری تصاویر آینه ای از یکدیگر هستند. مانند دو کف دست، غیرممکن است که آنها را در کنار هم قرار دهیم تا با هم هماهنگ شوند.

4. رفع: شناخت ایزومرها، تعیین نوع ایزومر در موادی که فرمول آنها: انجام تمرین 3§ 7

ایزومرها مهمترین مفهوم در شیمی آلی هستند. موادی با ترکیب و وزن مولکولی یکسان ممکن است در ساختار و ترکیب عناصر یکسان در ترکیب آنها متفاوت باشند. این عناصر در مقادیر مساوی وجود دارند، اما در آرایش فضایی گروه‌هایی از اتم‌ها یا به سادگی اتم‌ها متفاوت هستند. به چنین موادی ایزومر می گویند.
به عنوان مثال از ساده ترین ایزومرها - بوتان و ایزوبوتان (یا بهتر است بگوییم فرمول های ساختاری آنها) که دقیقاً فرمول مولکولی یکسانی دارند C4 H10، به راحتی می توان فهمید که چه چیزی در سوال. فرمول ساختاری بوتان به این صورت است: CH3-CH2-CH2-CH3 و ایزوبوتان CH3-CH(CH3)-CH3. آرایش فضایی اتم های کربن و هیدروژن و همچنین ترتیب اتصال آنها در بوتان و ایزوبوتان متفاوت است.
علاوه بر این، گروه رادیکال -CH3 در ایزوبوتان (که در بوتان وجود ندارد) به اتم کربن دوم متصل شده و یک شاخه تشکیل می دهد. وجود گروه رادیکال -CH3 در ایزوبوتان باعث پیدایش گروه -CH در آن می شود. در بوتان، همه گروه‌های اتم به صورت خطی به هم متصل هستند و علاوه بر این، برخلاف ایزوبوتان، دارای دو گروه CH2 است.

ایزومرها چیست؟

ایزومرها– خاص ترکیبات شیمیاییدارای فرمول و ترکیب یکسان، اما در ساختار و خواص متفاوت است. ایزومرها عمدتاً در ترکیبات آلی ذاتی هستند.
اگر مولکول های دو ترکیب با ترکیبات یکسان، هنگامی که در فضا ترکیب می شوند، کاملاً منطبق نباشند، ایزومر در نظر گرفته می شوند. خواص ایزومرها به ترکیبات آنها بستگی ندارد، بلکه به ساختار شیمیایی آنها، به طور دقیق تر، به ترتیب اتصال اتم های سازنده مولکول ها و تأثیر متقابل اتم ها بر یکدیگر بستگی دارد.

مقایسه ایزومرها

تفاوت بین ایزومرها چیست؟ ایزومرها با داشتن ترکیب یکسان، متفاوت هستند خواص فیزیکوشیمیایی. این به دلیل این واقعیت است که اتم های موجود در مولکول ها در یک نظم نابرابر قرار گرفته اند. ایزومرهای ساختاری در ساختار اسکلت هیدروکربنی، یا در مکان‌های مختلف پیوندها یا گروه‌های عاملی متعدد، که منجر به خواص فیزیکوشیمیایی متفاوتی می‌شود، متفاوت است.
استریو ایزومرها (ایزومرهای سیس و ترانس) دارای ترتیب پیوندهای یکسانی بین اتم ها و آرایش متفاوت آنها در فضا هستند. خواص استریو ایزومرها به طور قابل توجهی متفاوت است.
به عنوان مثال، موادی که دارای فرمول C2H6O هستند دو ترکیب آلی ایزومر کاملاً متفاوت هستند: دی متیل اتر (گازی که حداقل در آب محلول است) و اتانول(جوش مایع در دمای 78 درجه سانتیگراد). آنها به کلاس های کاملاً متفاوت (اترها و الکل ها) ترکیبات آلی تعلق دارند. خواص شیمیایی آنها به طور قابل توجهی متفاوت است.

TheDifference.ru تشخیص داد که تفاوت بین ایزومرها به شرح زیر است:

ترتیب اتصال اتم ها در فرمول های ساختاری متفاوت است.
ساختار اسکلت کربن ایزومرها یکسان نیست، ویژگی های متمایز خود را دارد.
پیوندهای متعدد در ایزومرها به روش های مختلفی قرار دارند.
مکان گروه های عاملی در ایزومرها متفاوت است.
اتم ها در فضا در موقعیت های مختلفی قرار می گیرند.
خواص فیزیکوشیمیایی ایزومرها می تواند به طور چشمگیری متفاوت باشد.

1. ایزومری ساختاری.

2. ایزومری ساختاری.

3. ایزومری هندسی.

4. ایزومری نوری.

ایزومرهاموادی هستند که ترکیب و وزن مولکولی یکسان دارند اما خواص فیزیکی و شیمیایی متفاوتی دارند. تفاوت در خواص ایزومرها به دلیل تفاوت در ساختار شیمیایی یا فضایی آنهاست. در این رابطه دو نوع ایزومر وجود دارد.

ایزومریسم

ساختاری

فضایی

اسکلت کربنی

پیکربندی

ساختاری

موقعیت عملکردی

نوری

بین کلاسی

هندسی

1. ایزومری ساختاری

ایزومرهای ساختاری در ساختار شیمیایی متفاوت هستند، به عنوان مثال. ماهیت و توالی پیوندهای بین اتم ها در یک مولکول. ایزومرهای ساختاری به شکل خالص جدا می شوند. آنها به عنوان مواد فردی و پایدار وجود دارند، تبدیل متقابل آنها به انرژی بالایی نیاز دارد - حدود 350 - 400 کیلوژول در مول. فقط ایزومرهای ساختاری، توتومرها، در تعادل دینامیکی هستند. توتومریسم یک پدیده رایج در شیمی آلی است. با انتقال اتم هیدروژن متحرک در یک مولکول (ترکیبات کربونیل، آمین ها، هتروسیکل ها و غیره)، برهمکنش های درون مولکولی (کربوهیدرات ها) امکان پذیر است.

تمامی ایزومرهای ساختاری در قالب فرمول های ساختاری ارائه شده و بر اساس نامگذاری IUPAC نامگذاری شده اند. به عنوان مثال، ترکیب C 4 H 8 O با ایزومرهای ساختاری مطابقت دارد:

آ)با اسکلت کربنی مختلف

زنجیره C بدون شاخه - CH 3 - CH 2 - CH 2 - CH \u003d O (بوتانال، آلدئید) و

زنجیره C شاخه ای -

(2-متیل پروپانال، آلدهید) یا

چرخه - (سیکلوبوتانول، الکل حلقوی)؛

ب)با موقعیت متفاوت گروه عملکردی

بوتانون-2، کتون؛

که در)با ترکیب متفاوت گروه عملکردی

3-بوتنول-2، الکل غیر اشباع؛

ز)متامریسم

هترواتم گروه عاملی ممکن است در اسکلت کربن (چرخه یا زنجیره) گنجانده شود. یکی از ایزومرهای احتمالی این نوع ایزومریسم CH 3 -O-CH 2 -CH \u003d CH2 (3-methoxypropene-1، اتر ساده) است.

ه)توتومریسم (کتو انول)

فرم انول فرم کتو

توتومرها در تعادل دینامیکی هستند، در حالی که شکل پایدارتر، فرم کتو، در مخلوط غالب است.

برای ترکیبات معطر، ایزومری ساختاری فقط برای زنجیره جانبی در نظر گرفته می شود.

2. ایزومریسم فضایی (استریوایزومریسم)

ایزومرهای فضایی ساختار شیمیایی یکسانی دارند و در آرایش فضایی اتم ها در مولکول متفاوت هستند. این تفاوت باعث ایجاد تفاوت در فیزیکی و خواص شیمیایی. ایزومرهای فضایی به صورت برجستگی های مختلف یا فرمول های استریوشیمیایی به تصویر کشیده می شوند. شاخه ای از شیمی که به مطالعه ساختار فضایی و تأثیر آن بر خواص فیزیکی و شیمیایی ترکیبات، جهت و سرعت واکنش های آنها می پردازد، استریوشیمی نامیده می شود.

آ)ایزومری ساختاری (چرخشی).

بدون تغییر زوایای پیوند یا طول پیوند، می‌توان تعداد زیادی اشکال هندسی (روش‌بندی) یک مولکول را تصور کرد که با چرخش متقابل چهار وجهی کربن به دور پیوند σ-C-C که آنها را به هم متصل می‌کند، با یکدیگر متفاوت هستند. در نتیجه چنین چرخشی، ایزومرهای چرخشی (conformer) بوجود می آیند. انرژی کنفورمرهای مختلف یکسان نیست، اما سد انرژی جداکننده ایزومرهای ساختاری مختلف برای اکثر ترکیبات آلی کوچک است. بنابراین، در شرایط عادی، به عنوان یک قاعده، ثابت کردن مولکول ها در یک ترکیب کاملاً تعریف شده غیرممکن است. معمولاً چندین ایزومر ساختاری با هم در حالت تعادل وجود دارند.

روش های تصویری و نامگذاری ایزومرها را می توان با استفاده از مثال مولکول اتان در نظر گرفت. برای آن، می توان وجود دو ترکیب را پیش بینی کرد که تا آنجا که ممکن است از نظر انرژی با هم تفاوت دارند، که می تواند به صورت نمایش داده شود. پیش بینی های چشم انداز(1) ("اسب اره") یا برجستگی انسان جدید(2):

conformation مانع شکل گرفت

در یک طرح پرسپکتیو (1)، اتصال C-C باید به عنوان رفتن به فاصله تصور شود. اتم کربن ایستاده در سمت چپ نزدیک به ناظر است، ایستاده در سمت راست از آن حذف می شود.

در طرح نیومن (2)، مولکول در امتداد پیوند C-C مشاهده می شود. سه خط که با زاویه 120 درجه از مرکز دایره واگرا می شوند، پیوندهای اتم کربن نزدیک به ناظر را نشان می دهد. خطوط "برآمده" از پشت دایره پیوندهای اتم کربن از راه دور هستند.

ترکیب نشان داده شده در سمت راست نامیده می شود پنهان شده است . این نام یادآور این واقعیت است که اتم های هیدروژن هر دو گروه CH 3 در مقابل یکدیگر قرار دارند. ساختار محافظ دارای انرژی داخلی افزایش یافته است و بنابراین نامطلوب است. ترکیب نشان داده شده در سمت چپ نامیده می شود مهار شده است ، به این معنی است که چرخش آزاد در اطراف پیوند C-C در این موقعیت "آهسته می شود"، یعنی. این مولکول عمدتاً در این ترکیب وجود دارد.

حداقل انرژی لازم برای چرخش کامل یک مولکول به دور یک پیوند خاص را سد چرخشی برای آن پیوند می گویند. سد چرخشی در مولکولی مانند اتان را می توان بر حسب تغییر در انرژی پتانسیل مولکول به عنوان تابعی از تغییر در زاویه دو وجهی (پیچش - τ) سیستم بیان کرد. مشخصات انرژی چرخش حول پیوند C-C در اتان در شکل 1 نشان داده شده است. مانع چرخشی که دو شکل اتان را از هم جدا می کند حدود 3 کیلو کالری در مول (12.6 کیلوژول بر مول) است. حداقل منحنی انرژی پتانسیل مربوط به ترکیبات ممانعت شده است، ماکزیمم مربوط به موارد مبهم است. از آنجایی که در دمای اتاق انرژی برخی از برخوردهای مولکول ها می تواند به 20 کیلوکالری در مول (حدود 80 کیلوژول بر مول) برسد، این مانع 12.6 کیلوژول بر مول به راحتی برطرف می شود و چرخش در اتان آزاد در نظر گرفته می شود. در آمیزه‌ای از تمام ترکیب‌های ممکن، ترکیب‌های مانعی غالب هستند.

عکس. 1. نمودار انرژی بالقوه ترکیبات اتان.

برای مولکول های پیچیده تر، تعداد ترکیب های ممکن افزایش می یابد. بله، برای nبوتان را می توان در شش شکل به تصویر کشید که هنگام چرخش به دور پیوند مرکزی C 2 - C 3 ایجاد می شود و در آرایش متقابل گروه های CH 3 متفاوت است. ترکیبات مختلف گرفتگی و مانع بوتان از نظر انرژی متفاوت است. ساختارهای مانع از نظر انرژی مطلوب تر هستند.

مشخصات انرژی چرخش حول پیوند C2-C3 در بوتان در شکل 2 نشان داده شده است.

شکل 2. نمودار انرژی بالقوه ترکیبات n-بوتان.

برای یک مولکول با زنجیره کربنی طولانی، تعداد اشکال ساختاری افزایش می یابد.

مولکول های ترکیبات آلی حلقوی با اشکال ساختاری مختلف حلقه مشخص می شوند (به عنوان مثال برای سیکلوهگزان صندلی راحتی, حمام, پیچ - پیچیدن-تشکیل می دهد).

بنابراین، رونوشت‌ها شکل‌های فضایی مختلفی از یک مولکول هستند که دارای پیکربندی خاصی هستند. کنفورمرها ساختارهای استریوایزومری هستند که با حداقل انرژی در نمودار انرژی پتانسیل مطابقت دارند، در تعادل متحرک هستند و قادرند با چرخش حول پیوندهای σ ساده تبدیل شوند.

اگر سد چنین تبدیل‌هایی به اندازه کافی زیاد شود، می‌توان اشکال استریو ایزومری را از هم جدا کرد (به عنوان مثال، بی‌فنیل‌های فعال نوری). در چنین مواردی، دیگر از همنوع کننده ها صحبت نمی شود، بلکه از استریو ایزومرهای موجود صحبت می شود.

ب)ایزومری هندسی

ایزومرهای هندسی در نتیجه عدم حضور در مولکول به وجود می آیند:

1. چرخش اتم های کربن نسبت به یکدیگر - نتیجه سفتی پیوند دوگانه C=C یا ساختار حلقوی.

2. دو گروه یکسان در یک اتم کربن یک پیوند یا چرخه دوگانه.

ایزومرهای هندسی، بر خلاف کنفورمرها، می توانند به شکل خالص جدا شوند و به عنوان مواد منفرد و پایدار وجود داشته باشند. برای تبدیل متقابل آنها، انرژی بالاتری مورد نیاز است - حدود 125-170 کیلوژول در مول (30-40 کیلو کالری / مول).

ایزومرهای cis-trans-(Z,E) وجود دارد. سیس- فرم ها نامیده می شوند ایزومرهای هندسی، که در آن جانشین های مشابه در همان سمت صفحه پیوند π یا چرخه قرار دارند، خلسه- اشکال را ایزومرهای هندسی می نامند که در آن جانشینان یکسان در طرف مقابل صفحه پیوند π یا حلقه قرار دارند.

ساده ترین مثال، ایزومرهای بوتن-2 است که به شکل ایزومرهای سیس، ترانس هندسی وجود دارد:

cis-butene-2 trans-butene-2

دمای ذوب

138.9 0 С - 105.6 0 С

دمای جوش

3.72 0 С 1.00 0 С

تراکم

1،2 - دی کلروسیکلوپروپان به شکل ایزومرهای سیس، ترانس وجود دارد:

cis-1،2-dichlorocyclopropane trans-1،2-dichlorocyclopropane

در موارد پیچیده تر، اعمال شود ز,نامگذاری الکترونیکی (نامگذاری Kann، Ingold، Prelog - KIP، نامگذاری ارشدیت معاونان). در پیوند

1-برومو-2-متیل-1-کلروبوتن-1 (Br) (CI) C \u003d C (CH 3) - CH 2 -CH 3 همه جانشین ها در اتم های کربن با پیوند دوگانه متفاوت هستند. بنابراین، این ترکیب به شکل ایزومرهای هندسی Z-، E- وجود دارد:

E-1-bromo-2-methyl-1-chlorobutene-1 Z-1-bromo-2-methyl-1-chlorobutene-1.

برای نشان دادن پیکربندی یک ایزومر، نشان دهید محل جانشین های ارشد در یک پیوند دوگانه (یا چرخه) - Z- (از آلمانی Zusammen - با هم) یا E- (از آلمانی Entgegen - مقابل).

در سیستم Z،E، جایگزین هایی با عدد اتمی بالاتر، ارشد در نظر گرفته می شوند. اگر اتم هایی که مستقیماً به اتم های کربن غیر اشباع پیوند می خورند یکسان باشند، آنها به "لایه دوم" و در صورت لزوم به "لایه سوم" و غیره می روند.

در طرح اول، گروه‌های قدیمی‌تر نسبت به پیوند دوگانه مقابل یکدیگر قرار دارند، بنابراین این ایزومر E است. در طرح دوم، گروه های قدیمی تر در یک طرف پیوند دوگانه (با هم) قرار دارند، بنابراین این ایزومر Z است.

ایزومرهای هندسی به طور گسترده در طبیعت پراکنده هستند. به عنوان مثال، پلیمرهای طبیعی لاستیک (سیس ایزومر) و گوتاپرکا (ایزومر ترانس)، اسیدهای فوماریک طبیعی (ترانس بوتندیوئیک اسید) و مالئیک مصنوعی (سیس-بوتندیوئیک اسید)، چربی ها حاوی اسیدهای سیس اولئیک، لینولئیک، لینولنیک هستند. .

که در)ایزومریسم نوری

مولکول های ترکیبات آلی می توانند کایرال و غیر کایرال باشند. کایرالیته (از یونانی cheir - دست) - ناسازگاری یک مولکول با تصویر آینه ای آن.

مواد کایرال قادرند صفحه قطبش نور را بچرخانند. این پدیده فعالیت نوری نامیده می شود و مواد مربوطه - فعال نوری. مواد فعال نوری به صورت جفت به وجود می آیند آنتی پادهای نوری- ایزومرهایی که خواص فیزیکی و شیمیایی آنها در شرایط عادی یکسان است، به استثنای یکی - علامت چرخش صفحه پلاریزاسیون: یکی از پاد پادهای نوری صفحه پلاریزاسیون را به سمت راست منحرف می کند (+، ایزومر چرخشی) ، دیگری - به سمت چپ (-، levorotatory). پیکربندی آنتی پادهای نوری را می توان به طور تجربی با استفاده از یک دستگاه - یک قطب سنج تعیین کرد.

ایزومری نوری زمانی ظاهر می شود که مولکول حاوی آن باشد اتم کربن نامتقارن(دلایل دیگری برای کایرالیته بودن مولکول وجود دارد). این نام اتم کربن در sp 3 است - هیبریداسیون و همراه با چهار جایگزین مختلف. دو آرایش چهار وجهی از جانشین ها در اطراف یک اتم نامتقارن امکان پذیر است. در عین حال، دو شکل فضایی را نمی توان با هیچ چرخشی ترکیب کرد. یکی از آنها تصویر آینه ای از دیگری است:

هر دو شکل آینه یک جفت پاد پادهای نوری یا انانتیومرها .

ایزومرهای نوری را به شکل فرمول های طرح ریزی E. Fisher به تصویر بکشید. آنها با برانگيختن يك مولكول با اتم كربن نامتقارن به دست مي آيند. در این مورد، خود اتم کربن نامتقارن در صفحه با یک نقطه نشان داده می شود، در خط افقینمادهای جایگزین های بیرون زده در مقابل صفحه ترسیم را نشان می دهد. خط عمودی (نقطه دار یا توپر) نشان دهنده جانشین هایی است که از صفحه شکل حذف شده اند. در زیر آمده است راه های مختلفرکوردهای فرمول پیش بینی مربوط به مدل سمت چپ در شکل قبلی:

در طرح ریزی، زنجیره کربن اصلی به صورت عمودی به تصویر کشیده شده است. تابع اصلی، اگر در انتهای زنجیره باشد، در بالای پروجکشن نشان داده شده است. به عنوان مثال، فرمول های استریوشیمیایی و طرح ریزی (+) و (-) آلانین - CH 3 - * CH (NH 2) -COOH به شرح زیر است:

مخلوطی با محتوای یکسان از انانتیومرها راسمات نامیده می شود. راسمات هیچ فعالیت نوری ندارد و با خواص فیزیکی متفاوت از انانتیومرها مشخص می شود.

قوانین تبدیل فرمول های طرح ریزی.

1. فرمول ها را می توان در صفحه رسم 180 درجه چرخاند بدون اینکه معنای استریوشیمیایی آنها تغییر کند:

2. دو جایگشت (یا هر عدد زوج) از جانشین ها در یک اتم نامتقارن، معنای استریوشیمیایی فرمول را تغییر نمی دهد:

3. یک جایگشت (یا هر عدد فرد) از جانشین ها در مرکز نامتقارن منجر به فرمول آنتی پاد نوری می شود:

4. چرخش در صفحه رسم 90 فرمول را به پاد پاد تبدیل می کند.

5. چرخش هر سه جایگزین در جهت عقربه های ساعت یا خلاف جهت عقربه های ساعت معنای استریوشیمیایی فرمول را تغییر نمی دهد:

6. فرمول های پروجکشن را نمی توان از صفحه نقشه استخراج کرد.

ترکیبات آلی دارای فعالیت نوری هستند که در مولکول های آن اتم های دیگر نیز مراکز کایرال هستند، به عنوان مثال سیلیکون، فسفر، نیتروژن و گوگرد.

ترکیبات با کربن نامتقارن متعدد به عنوان وجود دارد دیسترئومرها ، یعنی ایزومرهای فضایی که پاد پادهای نوری را با یکدیگر تشکیل نمی دهند.

دیاسترئومرها نه تنها در چرخش نوری، بلکه در سایر ثابت های فیزیکی با یکدیگر متفاوت هستند: آنها دارای نقاط ذوب و جوش متفاوت، انحلال پذیری های متفاوت و غیره هستند.

تعداد ایزومرهای فضایی با فرمول فیشر N=2 n تعیین می شود که n تعداد اتم های کربن نامتقارن است. تعداد استریو ایزومرها ممکن است به دلیل تقارن جزئی که در برخی ساختارها ظاهر می شود کاهش یابد. دیاسترئومرهای غیر فعال نوری نامیده می شوند مزو-تشکیل می دهد.

نامگذاری ایزومرهای نوری:

الف) نامگذاری D-، L-

برای تعیین سری D یا L یک ایزومر، پیکربندی (موقعیت گروه OH در اتم کربن نامتقارن) با پیکربندی‌های انانتیومرهای گلیسرآلدئید (کلید گلیسرول) مقایسه می‌شود:

ال-گلیسرآلدئید D-گلیسرآلدئید

استفاده از نامگذاری D-، L در حال حاضر به سه دسته از مواد فعال نوری محدود می شود: کربوهیدرات ها، اسیدهای آمینه و اسیدهای هیدروکسی.

ب) نامگذاری R -، S (نامگذاری کان، اینگولد و پریلوگ)

برای تعیین پیکربندی R (راست) - یا S (چپ) - ایزومر نوری، لازم است که جایگزین‌ها در چهار وجهی (فرمول استریوشیمیایی) در اطراف اتم کربن نامتقارن مرتب شوند تا کمترین جانشین (معمولاً هیدروژن) دارای جهت "از ناظر". اگر انتقال سه جایگزین دیگر از ارشد به میانی و جوان در ارشدیت در جهت عقربه های ساعت اتفاق بیفتد، این ایزومر R است (سقوط ارشدیت همزمان با حرکت دست هنگام نوشتن قسمت بالای حرف R است). اگر انتقال در خلاف جهت عقربه های ساعت رخ دهد - این S است - ایزومر (کاهش ارشدیت همزمان با حرکت دست هنگام نوشتن قسمت بالای حرف S است).

برای تعیین پیکربندی R- یا S ایزومر نوری با فرمول طرح ریزی، لازم است جایگزین ها را با تعداد جابجایی زوج مرتب کنیم به طوری که جوان ترین آنها در انتهای طرح قرار گیرد. کاهش درجه سنی سه جایگزین باقیمانده در جهت عقربه‌های ساعت با پیکربندی R و در خلاف جهت عقربه‌های ساعت - با پیکربندی S مطابقت دارد.

ایزومرهای نوری با روش های زیر بدست می آیند:

الف) جداسازی از مواد طبیعی حاوی ترکیبات فعال نوری، مانند پروتئین ها و اسیدهای آمینه، کربوهیدرات ها، بسیاری از اسیدهای هیدروکسی (تارتاریک، مالیک، ماندلیک)، هیدروکربن های ترپن، الکل ها و کتون های ترپن، استروئیدها، آلکالوئیدها و غیره.

ب) برش راسمات ها؛

ج) سنتز نامتقارن.

د) تولید بیوشیمیایی مواد فعال نوری.

آیا می دانید که

پدیده ایزومریسم (از یونانی - منsos - متفاوت و meros - سهم، قسمت) در سال 1823 افتتاح شد. J. Liebig و F. Wöhler در مورد نمک دو اسید معدنی: سیانیک H-O-C≡N و H-O-N=C برق زا.

در سال 1830، جی دوماس مفهوم ایزومریسم را به ترکیبات آلی گسترش داد.

در سال 1831 اصطلاح "ایزومر" برای ترکیبات آلی توسط J. Berzelius پیشنهاد شد.

استریو ایزومرهای ترکیبات طبیعی با فعالیت های بیولوژیکی مختلف (اسیدهای آمینه، کربوهیدرات ها، آلکالوئیدها، هورمون ها، فرمون ها، مواد دارویی با منشاء طبیعی و غیره) مشخص می شوند.

مقدمه

ایزومریسم (یونانی isos - همان، meros - قسمت) - یکی از مهمترین مفاهیم در شیمی، عمدتا در آلی. مواد می توانند ترکیب و وزن مولکولی یکسانی داشته باشند، اما ساختارها و ترکیبات متفاوتی که دارای عناصر یکسانی به مقدار یکسان هستند، اما در آرایش فضایی اتم ها یا گروه های اتم متفاوت هستند، ایزومر نامیده می شوند. ایزومریسم یکی از دلایل متعدد و متنوع بودن ترکیبات آلی است.

تاریخچه کشف ایزومریسم

ایزومریسم اولین بار توسط J. Liebig در سال 1823 کشف شد که دریافت که نمک های نقره اسیدهای فولمینانت و ایزوسیانیک: Ag-O-N=C و Ag-N=C=O ترکیب یکسانی دارند، اما خواص متفاوتی دارند. اصطلاح "ایزومریسم" در سال 1830 توسط I. Berzelius معرفی شد، که پیشنهاد کرد که تفاوت در خواص ترکیبات با همان ترکیب به دلیل این واقعیت است که اتم های موجود در مولکول در یک نظم نابرابر قرار گرفته اند. ایده هایی در مورد ایزومریسم سرانجام پس از ایجاد نظریه ساختار شیمیایی توسط A. M. Butlerov (دهه 1860) شکل گرفت. توضیح واقعی ایزومریسم تنها در نیمه دوم قرن نوزدهم دریافت شد. بر اساس تئوری ساختار شیمیایی A.M. باتلروف (ایزومری ساختاری) و دکترین استریوشیمیایی Ya.G. وانت هاف (ایزومری فضایی). بر اساس مفاد این نظریه، او پیشنهاد کرد که باید چهار بوتانول مختلف وجود داشته باشد (شکل 1). در زمان ایجاد این نظریه، تنها یک بوتانول (CH 3) 2 CHCH 2 OH که از مواد گیاهی به دست آمده بود، شناخته شده بود.

عکس. 1. موقعیت های مختلف گروه OH - در مولکول بوتانول.

سنتز بعدی تمام ایزومرهای بوتانول و تعیین خواص آنها به تأیید قانع کننده این نظریه تبدیل شد.

انواع ایزومریسم

در ایزومریسم دو نوع اصلی را می توان تشخیص داد: ایزومری ساختاری و ایزومری فضایی یا همان طور که به آن استریوایزومریسم نیز گفته می شود.

به نوبه خود، ساختار به موارد زیر تقسیم می شود:

ایزومریسم زنجیره کربنی (اسکلت کربنی)

ایزومریسم ظرفیتی

ایزومریسم گروه عاملی

ایزومریسم موقعیت

ایزومریسم فضایی (استریوایزومریسم) به دو دسته تقسیم می شود:

دیسترئومریسم (سیس، ترانس ایزومریسم)

انانتیومریسم (ایزومر نوری).

ایزومریسم ساختاری

ایزومریسم اسکلت هیدروکربنی

شکل 2.

با افزایش تعداد اتم های کربن در یک مولکول هیدروکربن، تعداد ایزومرهای ممکن به طور چشمگیری افزایش می یابد. برای هپتان C 7 H 16، 9 ایزومر، برای هیدروکربن C 14 H 30 - 1885 ایزومر، برای هیدروکربن C 20 H 42 - بیش از 366000 وجود دارد. در موارد پیچیده، این سوال که آیا دو ترکیب ایزومر هستند یا نه با استفاده از چرخش های مختلف به اطراف حل می شود. پیوندهای ظرفیتی (پیوندهای ساده این اجازه را می دهند که تا حدی با خواص فیزیکی آنها مطابقت دارد). پس از حرکت تک تک قطعات مولکول (بدون شکستن پیوندها)، یک مولکول روی دیگری قرار می گیرد. اگر دو مولکول دقیقاً یکسان باشند، اینها ایزومر نیستند، بلکه یک ترکیب هستند. ایزومرهایی که از نظر ساختار اسکلتی متفاوت هستند معمولاً دارای خواص فیزیکی متفاوتی هستند (نقطه ذوب، نقطه جوش و غیره) که امکان جداسازی یکی از دیگری را فراهم می کند. این نوع ایزومریسم در هیدروکربن های آروماتیک نیز وجود دارد (شکل 4).