Ізомерія. Види ізомерії

просторова

Вуглецевого скелета

Конфігураційна

Конформаційна

Становище функціональне

Оптична

Міжкласова

Геометрична

1. Структурна ізомерія

Структурні ізомери відрізняються хімічною будовою, тобто. природою та послідовністю зв'язків між атомами в молекулі. Структурні ізомери виділяють у чистому вигляді. Вони є як індивідуальні, стійкі речовини, їхнього взаємного перетворення необхідна висока енергія - близько 350 - 400 кДж/моль. У динамічній рівновазі знаходяться лише структурні ізомери- Таутомери. Таутомерія – поширене явище в органічній хімії. Вона можлива при перенесенні рухомого атома водню в молекулі (карбонільні сполуки, аміни, гетероцикли тощо), внутрішньомолекулярні взаємодії (вуглеводи).

Усі структурні ізомери представляють у вигляді структурних формул і називають за номенклатурою ІЮПАК. Наприклад, складу С 4 Н 8 Про відповідають структурні ізомери:

а)з різним вуглецевим скелетом

нерозгалужена С-ланцюг - СН 3 -СН 2 -СН 2 -СН=О (бутаналь, альдегід) та

розгалужена С-ланцюг -

(2-метилпропаналь, альдегід) або

цикл - (Циклобутанол, циклічний спирт);

б)з різним становищем функціональної групи

бутанон-2, кетон;

в)з різним складом функціональної групи

3-бутенол-2, ненасичений спирт;

г)метамерії

Гетероатом функціональної групи може бути включений у вуглецевий скелет (цикл або ланцюг). Один із можливих ізомерів цього виду ізомерії - СН 3 -О-СН 2 -СН=СН 2 (3-метоксипропен-1, простий ефір);

д)таутомерії (кето-енольної)

єнольна форма кетоформа

Таутомери перебувають у динамічному рівновазі, причому у суміші переважає більш стійка форма – кетоформа.

Для ароматичних сполук структурну ізомерію розглядають лише для бічного ланцюга.

2. Просторова ізомерія (стереоізомерія)

Просторові ізомери мають однакову хімічну будову, розрізняються за просторовим розташуванням атомів у молекулі. Ця різниця і створює різницю у фізичних та хімічних властивостях. Просторові ізомери зображують у вигляді різних проекцій або стереохімічних формул. Розділ хімії, що вивчає просторову будову та її вплив на фізичні та хімічні властивості сполук, на напрямок та швидкість їх реакцій, називається стереохімією.

а)Конформаційна (поворотна) ізомерія

Не змінюючи ні валентних кутів, ні довжин зв'язків, можна уявити безліч геометричних форм (конформацій) молекули, що відрізняються один від одного взаємним поворотом вуглецевих тетраедрів навколо σ-С-С-зв'язку, що з'єднує їх. Внаслідок такого обертання виникають поворотні ізомери (конформери). Енергія різних конформерів неоднакова, але енергетичний бар'єр, який розділяє різні конформаційні ізомери, для більшості органічних сполук невеликий. Тому за звичайних умов, як правило, не можна зафіксувати молекули в одній строго певній конформації. Зазвичай у рівновазі співіснують кілька конформаційних ізомерів, що легко переходять один в одного.

Способи зображення та номенклатуру ізомерів можна розглянути на прикладі молекули етану. Для неї можна передбачити існування двох конформацій, що максимально розрізняються по енергії, які можуть бути зображені у вигляді перспективних проекцій(1) («лісопильні козли») або проекцій Ньюмена(2):

загальмована конформація заслінна конформація

У перспективній проекції (1) зв'язок С-С треба уявити собі вдалину; вуглецевий атом, що стоїть зліва, наближений до спостерігача, стоїть праворуч - віддалений від нього.

У проекції Ньюмена (2) молекулу розглядають уздовж зв'язку С-С. Три лінії, що розходяться під кутом 120 про з центру кола, позначають зв'язки найближчого до спостерігача вуглецевого атома; лінії, що «висовуються» через коло - зв'язки віддаленого вуглецевого атома.

Зображену праворуч конформацію називають заслоненою . Ця назва нагадує про те, що атоми водню обох СН 3 -груп знаходяться один проти одного. Затулена конформація має підвищену внутрішню енергію і тому невигідна. Конформацію, зображену зліва, називають загальмованою , Маючи на увазі, що вільне обертання навколо зв'язку С-С «гальмується» у цьому становищі, тобто. молекула існує переважно у цій конформації.

Мінімум енергії, необхідний повного обертання молекули навколо певного зв'язку, називається бар'єром обертання цього зв'язку. Бар'єр обертання в молекулі, подібній до етану, може бути виражений через зміну потенційної енергії молекули як функції зміни двогранного (торсійного - τ) кута системи. Енергетичний профіль обертання навколо зв'язку С-С в етані показаний малюнку 1. Бар'єр обертання, що розділяє дві форми етану, становить близько 3 ккал/моль (12,6 кДж/моль). Мінімуми кривої потенційної енергії відповідають загальмованим конформаціям, максимуми – заслоненим. Оскільки при кімнатній температурі енергія деяких зіткнень молекул може досягати 20 ккал/моль (близько 80 кДж/моль), цей бар'єр в 12,6 кДж/моль легко долається і обертання в етані розглядають як вільне. У суміші всіх можливих конформацій переважають загальмовані конформації.

Рис.1. Діаграма потенційної енергії конформацій етану.

Для складніших молекул число можливих конформацій зростає. Так, для н-бутану можна зобразити вже шість конформацій, що виникають при повороті навколо центрального зв'язку З 2 - З 3 і відрізняються взаємним розташуванням СН 3 -груп. Різні заслонені та загальмовані конформації бутану відрізняються за енергією. Енергетично вигідніші загальмовані конформації.

Енергетичний профіль обертання навколо зв'язку 2 -З 3 в бутані показаний на малюнку 2.

Рис.2. Діаграма потенційної енергії конформацій н-бутану.

Для молекули з довгим вуглецевим ланцюгом кількість конформаційних форм зростає.

Для молекули аліциклічних сполук характерні різні конформаційні форми циклу (наприклад, циклогексану крісло, ванна, твіст-Форми).

Отже, конформації - це різні просторові форми молекули, що має певну конфігурацію. Конформерами є стереоізомерні структури, що відповідають енергетичним мінімумам на діаграмі потенційної енергії, що знаходяться в рухомій рівновазі та здатні до взаємоперетворення шляхом обертання навколо простих зв'язків.

Якщо бар'єр таких перетворень стає досить високим, можна розділити стереоизомерные форми (приклад - оптично активні дифеніли). У таких випадках говорять уже не про конформери, а про реально існуючі стереоізомери.

б)Геометрична ізомерія

Геометричні ізомери виникають внаслідок відсутності в молекулі:

1. обертання атомів вуглецю щодо один одного - наслідок жорсткості подвійного зв'язку С = або циклічної структури;

2. двох однакових груп за одного атома вуглецю подвійного зв'язку або циклу.

Геометричні ізомери, на відміну конформерів, можуть бути виділені в чистому вигляді і існують як індивідуальні, стійкі речовини. Для їхнього взаємного перетворення необхідна більш висока енергія - близько 125-170 кДж/моль (30-40 ккал/моль).

Розрізняють цис-транс-(Z,E) ізомери; цис- формами називають геометричні ізомери, у яких однакові замісники лежать по одну сторону від площини π-зв'язку або циклу, транс- формами називають геометричні ізомери, у яких однакові замісники лежать по різні боки від площини π-зв'язку чи циклу.

Найпростішим прикладом можуть служити ізомери бутена-2, який існує у вигляді цис-, транс-геометричних ізомерів:

цис-бутен-2 транс-бутен-2

Температура плавлення

138,9 0 С - 105,6 0 С

Температура кипіння

3,72 0 С 1,00 0 С

густина

1,2 – дихлорциклопропан існує у вигляді цис-, транс-ізомерів:

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

У складніших випадках застосовується Z,E-номенклатура (номенклатура Канна, Інгольда, Прелог - КВП, номенклатура старшинства заступників). У поєднанні

1-бром -2-метил-1-хлорбутене-1 (Br)(CI)С=С(СН 3) - СН 2 -СН 3 всі заступники при атомах вуглецю з подвійним зв'язком різні; тому дане з'єднання існує у вигляді Z-, E-геометричних ізомерів:

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

Для позначення конфігурації ізомеру вказують розташування старших заступників при подвійному зв'язку (або циклі) - Z-(від німецької Zusammen - разом) або Е-(від німецької Entgegen - навпаки).

У Z,E-системі старшими вважаються заступники з великим порядковим (атомним) номером. Якщо атоми, безпосередньо пов'язані з ненасиченими атомами вуглецю, однакові, то переходять до "другого шару", у разі потреби - до "третього шару" тощо.

У першій проекції старші групи знаходяться один навпроти один одного щодо подвійного зв'язку, тому це Е-ізомер. У другій проекції старші групи розташовані з одного боку щодо подвійного зв'язку (разом), тому це Z-ізомер.

Геометричні ізомери широко поширені у природі. Наприклад, природні полімери каучук (цис-ізомер) і гуттаперча (транс-ізомер), природна фумарова (транс-бутендіова кислота) та синтетична малеїнова (цис-бутендіова кислота) кислоти, у складі жирів - цис-олеїнова, лінолева, лінолена.

в)Оптична ізомерія

Молекули органічних сполук можуть бути хіральними та ахіральними. Хіральність (від грец. сheir – рука) – несумісність молекули зі своїм дзеркальним відображенням.

Хіральні речовини здатні обертати площину поляризації світла. Це явище називають оптичною активністю, а відповідні речовини - оптично активними. Оптично активні речовини зустрічаються у вигляді пар оптичних антиподів- ізомерів, фізичні та хімічні властивості яких у звичайних умовах однакові, за винятком одного – знака обертання площини поляризації: один з оптичних антиподів відхиляє площину поляризації в право (+, правообертальний ізомер), інший – вліво (-, лівообертальний). Визначити конфігурацію оптичних антиподів можна експериментально за допомогою приладу – поляриметра.

Оптична ізомерія з'являється тоді, коли в молекулі є асиметричний атом вуглецю(Існують і інші причини хіральності молекули). Так називають атом вуглецю sр 3 - гібридизації і пов'язаний з чотирма різними заступниками. Можливі два тетраедричні розташування заступників навколо асиметричного атома. При цьому дві просторові форми не можна поєднати жодним обертанням; одна з них є дзеркальним зображенням іншої:

Обидві дзеркальні форми складають пару оптичних антиподів або енантіомерів .

Зображують оптичні ізомери як проекційних формул Еге. Фішера. Їх одержують у результаті проектування молекули з асиметричним атомом вуглецю. При цьому сам асиметричний атом вуглецю на площині позначають точкою на горизонтальній лініївказують символи замісників, які виступають перед площиною малюнка. На вертикальній лінії (переривчастій чи суцільній) вказують заступники, які видалені за площину малюнка. Нижче наведено різні способизапису проекційної формули, що відповідає лівій моделі на попередньому малюнку:

У проекції головний вуглецевий ланцюг зображують вертикально; головну функцію, якщо він знаходиться в кінці ланцюга, вказують у верхній частині проекції. Наприклад, стереохімічні та проекційні формули (+) і (-) аланіну - СН 3 - * СН(NН 2)-СООН представляють наступним чином:

Суміш із однаковим вмістом енантіомерів називається рацематом. Рацемат не має оптичної активності та характеризується відмінними від енантіомерів фізичними властивостями.

Правила перетворення проекційних формул.

1. Формули можна обертати у площині креслення на 180 о, не змінюючи їх стереохімічного сенсу:

2. Дві (або будь-яке парне число) перестановки заступників в одного асиметричного атома не змінюють стереохімічного змісту формули:

3. Одна (або будь-яка непарна кількість) перестановка заступників у асиметричного центру призводить до формули оптичного антипода:

4. Поворот у площині креслення на 90 про перетворює формулу на антипод.

5. Обертання будь-яких трьох заступників за годинниковою стрілкою або проти не змінює стереохімічного змісту формули:

6. Проекційні формули не можна виводити із площини креслення.

Оптичну активність мають органічні сполуки, в молекулах яких хіральними центрами є й інші атоми, наприклад кремнію, фосфору, азоту, сірки.

Сполуки з кількома асиметричними атомами вуглецю існують у вигляді діастереомірів , тобто. просторових ізомерів, що не становлять один з одним оптичних антиподів.

Діастереомери відрізняються один від одного не тільки оптичним обертанням, а й усіма іншими фізичними константами: у них різні температури плавлення та кипіння, різні розчинності та ін.

Число просторових ізомерів визначають за формулою Фішера N=2 n де n - число асиметричних атомів вуглецю. Число стереоізомерів може зменшуватися через часткову симетрію, що з'являється в деяких структурах. Оптично неактивні діастереомери називають мезо-Формами.

Номенклатура оптичних ізомерів:

а) D-, L-номенклатура

Для визначення D- або L-ряду ізомеру конфігурацію (положення ОН-групи у асиметричного атома вуглецю) порівнюють із конфігураціями енантіомерів гліцеринового альдегіду (гліцериновий ключ):

L-гліцериновий альдегід D-гліцериновий альдегід

Застосування D-, L-номенклатури нині обмежено трьома класами оптично активних речовин: вуглеводами, амінокислотами та оксикислотами.

б) R-, S-номенклатура (номенклатура Кана, Інгольда та Прелога)

Для визначення R(правий)- або S(лівий)-конфігурації оптичного ізомеру необхідно розташувати заступники в тетраедрі (стереохімічній формулі) навколо асиметричного вуглецевого атома таким чином, щоб наймолодший заступник (зазвичай водень) мав напрямок «від спостерігача». Якщо перехід трьох інших заступників від старшого до середнього і молодшого за старшинством відбувається за годинниковою стрілкою- R-ізомер (падіння старшинства збігається з рухом руки при написанні верхньої частини літери R). Якщо перехід відбувається проти годинникової стрілки – це S - ізомер (падіння старшинства збігається з рухом руки під час написання верхньої частини літери S).

Для визначення R або S-конфігурації оптичного ізомеру за проекційною формулою необхідно шляхом парного числа перестановок розташувати заступники так, щоб наймолодший з них виявився внизу проекції. Падіння старшинства решти трьох заступників за годинниковою стрілкою відповідає R-конфігурації, проти годинникової стрілки - S-конфігурації.

Отримують оптичні ізомери такими методами:

а) виділення з природних матеріалів, що містять оптично активні сполуки, наприклад білки та амінокислоти, вуглеводи, багато оксикислоти (винна, яблучна, мигдальна), терпенові вуглеводні, терпенові спирти та кетони, стероїди, алкалоїди та ін.

б) розщеплення рацематів;

в) асиметричний синтез;

г) біохімічне одержання оптично активних речовин.

ЧИ ЗНАЄТЕ ВИ, ЩО

Явище ізомерії (від грец. isos - різний та meros - Частка, частина) відкрито в 1823р. Ю. Лібіхом та Ф. Велером на прикладі солей двох неорганічних кислот: ціанової Н-О-С≡N і гримучої Н-О-N= С.

У 1830 р. Ж.Дюма поширив уявлення про ізомерію на органічні сполуки.

У 1831р. термін "ізомер" для органічних сполук запропонував Й. Берцеліус.

Стереоізомери природних сполук характеризуються різною біологічною активністю (амінокислоти, вуглеводи, алкалоїди, гормони, феромони, лікарські речовини природного походженняі т.д.).

>> Хімія: Ізомерія та її види

Розрізняють два види ізомерії: структурну та просторову (стереоізомерію). Структурні ізомери відрізняються один від одного порядком зв'язку атомів у молекулі, стерео-ізомери - розташуванням атомів у просторі за однакового порядку зв'язків між ними.

Вирізняють такі різновиди структурної ізомерії: ізомерію вуглецевого скелета, ізомерію положення, ізомерію різних класів органічних сполук (міжкласову ізомерію).

Структурна ізомерія

Ізомерія вуглецевого скелета зумовлена ​​різним порядком зв'язку між атомами вуглецю, що утворюють скелет молекули. Як було показано, молекулярної формулі С4Н10 відповідають два вуглеводні: н-бутан і изобутан. Для вуглеводню С5Н12 можливі три ізомери: пентан, ізо-пентан і неопентан.

Зі збільшенням числа атомів вуглецю у молекулі число ізомерів швидко зростає. Для вуглеводню С10Н22 їх 75, а вуглеводню С20Н44 - 366 319.

Ізомерія положення обумовлена ​​різним положенням кратного зв'язку, заступника, функціональної групи при однаковому вуглецевому скелеті молекули:

Ізомерія різних класів органічних сполук (міжкласова ізомерія) обумовлена ​​різним становищем та поєднанням атомів у молекулах речовин, що мають однакову молекулярну формулу, але належать різним класам. Так, молекулярній формулі С6В12 відповідає ненасичений вуглеводень гексен-1 та циклічний циклогексан:

Ізомери цього типу містять різні функціональні групи і належать до різних класів речовин. Тому вони відрізняються за фізичними та хімічними властивостями значно більше, ніж ізомери вуглецевого скелета або ізомери положення.

Просторова ізомерія

Просторова ізомерія поділяється на два види: геометричну та оптичну.

Геометрична ізомерія характерна для сполук, що містять подвійні зв'язки, та циклічних сполук. Так як вільне обертання атомів навколо подвійного зв'язку або в циклі неможливо, заступники можуть розташовуватися або з одного боку площини подвійного зв'язку або циклу (цис-положення), або з різних боків (транс-положення). Позначення цис і транс зазвичай відносять до пари однакових заступників.

Геометричні ізомери розрізняються за фізичними та хімічними властивостями.

Оптична ізомерія виникає, якщо молекула несумісна зі своїм зображенням у дзеркалі. Це можливо, коли у атома вуглецю в молекулі чотири різні заступники. Цей атом називають асиметричним. Прикладом такої молекули є молекула а-амінопропіонової кислоти (а-аланін) СН3СН(КН2)СООН.

Як видно, молекула а-аланіну ні за якого переміщення не може збігтися зі своїм дзеркальним відображенням. Такі просторові ізомери називаються дзеркальними, оптичними антиподами або енантіомерами. Усі фізичні та практично всі хімічні властивості таких ізомерів ідентичні.

Вивчення оптичної ізомерії необхідне під час розгляду багатьох реакцій, які у організмі. Більшість цих реакцій йде під впливом ферментів - біологічних каталізаторів. Молекули цих речовин повинні підходити до молекул сполук, на які вони діють як ключ до замку, отже, просторова будова, взаємне розташуванняділянок молекул та інші просторові фактори мають для перебігу цих реакцій велике значення. Такі реакції називають стереоселективними.

Більшість природних сполук є індивідуальними енантіомерами, та їх біологічна дія (починаючи від смаку та запаху та кінчаючи лікарською дією) різко відрізняється від властивостей їх оптичних антиподів, отриманих у лабораторії. Подібна відмінність у біологічній активності має велике значення, тому що лежить в основі найважливішої якості всіх живих організмів - обміну речовин.

Які види ізомерії ви знаєте?

Чим відрізняється структурна ізомерія від просторової?

Які з запропонованих сполук є:

а) ізомерами;

б) гомологами?

Дайте всім речовинам назви.

4. Чи можлива геометрична (цис-, транс) ізомерія для: а) алканів; б) алкенів; в) алкінів; г) циклоалканів?

Поясніть, наведіть приклади.

Зміст статті

ІЗОМЕРІЯ(грец. isos – однаковий, meros – частина) – одне з найважливіших понять у хімії, головним чином, в органічній. Речовини можуть мати однаковий склад і молекулярну масу, але різну будову і сполуки, що містять у своєму складі одні й ті самі елементи в однаковій кількості, але такі, що відрізняються просторовим розташуванням атомів або груп атомів, називають ізомерами. Ізомерія є однією з причин того, що органічні сполуки такі численні та різноманітні.

Ізомерія була вперше виявлена ​​Ю.Лібіхом в 1823, який встановив, що срібні солі гримучої та ізоціанової кислот: Ag-O-N=C та Ag-N=C=O мають однаковий склад, але різні властивості. Термін «Ізомерія» в 1830 ввів І. Берцеліус, який припустив, що відмінності у властивостях сполук однакового складу виникають через те, що атоми в молекулі розташовані в неоднаковому порядку. Уявлення про ізомерію остаточно сформувалися після створення A.M.Бутлеровим теорії хімічної будови (1860-ті). Грунтуючись на положеннях цієї теорії, він припустив, що має існувати чотири різні бутаноли (рис. 1). До моменту створення теорії був відомий лише один бутанол (СН 3) 2 СНСН 2 ОН, що отримується з рослинної сировини.

Рис. 1. Ізоміри бутанолу

Потім синтез всіх ізомерів бутанолу і визначення їх властивостей стали переконливим підтвердженням теорії.

Згідно з сучасним визначенням дві сполуки однакового складу вважають ізомерами, якщо їх молекули не можна поєднати в просторі так, щоб вони повністю збігалися. Поєднання, зазвичай, роблять подумки, у складних випадках використовують просторові моделі, чи розрахункові методи.

Є кілька причин виникнення ізомерії.

СТРУКТУРНА ІЗОМЕРІЯ

Зумовлена, як правило, відмінностями у будові вуглеводневого скелета або різним розташуванням функціональних груп або кратних зв'язків.

Ізомерія вуглеводневого скелета.

Насичені вуглеводні, що містять від одного до трьох атомів вуглецю (метан, етан, пропан) не мають ізомерів. Для з'єднання з чотирма атомами вуглецю С 4 Н 10 (бутан) можливе існування двох ізомерів, для пентану С 5 Н 12 – трьох ізомерів, для гексану С 6 Н 14 – п'яти (рис.2):

Рис. 2. Ізомери найпростіших вуглеводнів

Зі збільшенням числа атомів вуглецю в молекулі вуглеводню кількість можливих ізомерів різко зростає. Для гептану З 7 Н 16 існує дев'ять ізомерів, для вуглеводню З 14 Н 30 - 1885 ізомерів, для вуглеводню З 20 Н 42 - понад 366 000.

У складних випадках питання про те, чи є дві сполуки ізомерами, вирішують, використовуючи різні повороти навколо валентних зв'язків (прості зв'язки це допускають, що певною мірою відповідає їх фізичним властивостям). Після переміщення окремих фрагментів молекули (не допускаючи розриву зв'язків) накладають одну молекулу на іншу (рис. 3). Якщо дві молекули повністю збігаються, то це не ізомери, а те саме з'єднання:

Ізоміри, що відрізняються структурою скелета, зазвичай мають різні Фізичні властивості(температура плавлення, температура кипіння тощо), що дозволяє відокремити один від одного. Ізомерія такого типу існує і у ароматичних вуглеводнів (рис. 4):

Рис. 4. Ароматичні ізомери

Ізомерія положення.

Інший вид структурної ізомерії – ізомерія становища виникає у тому випадку, коли функціональні групи, окремі гетероатоми чи кратні зв'язку перебувають у різних місцях вуглеводневого скелета. Структурні ізомери можуть належати до різних класів органічних сполук, тому можуть відрізнятися як фізичними, а й хімічними властивостями. На рис. 5 показано три ізомери для з'єднання С 3 Н 8 Про, два з них - спирти, а третє - простий ефір

Рис. 5. Ізоміри положення

Нерідко відмінності у будові ізомерів положення настільки очевидні, що не потрібно навіть подумки поєднувати їх у просторі, наприклад, ізомери бутену або дихлорбензолу (рис. 6):

Рис. 6. Ізомери бутену та дихлорбензолу

Іноді структурні ізомери поєднують ознаки ізомерії вуглеводневого скелета та ізомерії положення (рис. 7).

Рис. 7. Поєднання двох видів структурної ізомерії

У питаннях ізомерії теоретичні розгляди та експеримент взаємопов'язані. Якщо розгляди показують, що ізомерів не може бути, то експерименти повинні показувати те саме. Якщо обчислення вказують на певна кількістьізомерів, то їх може бути отримано стільки ж, або менше, але не більше - не всі теоретично розраховані ізомери можуть бути отримані, оскільки міжатомні відстані або валентні кути в ізомері можуть виходити за межі допустимого. Для речовини, що містить шість груп СН (наприклад, бензол), теоретично можливо 6 ізомерів (рис. 8).

Рис. 8. Ізоміри бензолу

Перші п'ять із показаних ізомерів існують (другий, третій, четвертий і п'ятий ізомери були отримані майже через 100 років, після того, як було встановлено будову бензолу). Останній ізомер, швидше за все, ніколи не буде отримано. Представлений у вигляді шестикутника, він найменш ймовірний, його деформації призводять до структур у формі скошеної призми, трипроменевої зірки, незавершеної піраміди та здвоєної піраміди (незавершеного октаедру). Кожен із цих варіантів містить або дуже різняться за величиною зв'язку С-С, або сильно спотворені валентні кути (рис. 9):

Хімічні перетворення, у яких структурні ізомери перетворюються, друг на друга, називають изомеризацией.

Стереоізомерія

виникає завдяки різному розташуванню атомів у просторі за однакового порядку зв'язків з-поміж них.

Один із видів стереоізомерії цис-транс-ізомерію (цис – лат. по одну строну, транс - лат. через, по різні боки) спостерігається у з'єднаннях, що містять кратні зв'язки або плоскі цикли. На відміну від простого зв'язку, кратний зв'язок не дозволяє обертати навколо неї окремі фрагменти молекули. Щоб визначити тип ізомеру, через подвійний зв'язок подумки проводять площину і далі аналізують те, як розміщуються заступники щодо цієї площини. Якщо однакові групи знаходяться з одного боку площини, це цис-ізомер, якщо з різних боків – транс-ізомер:

Фізичні та хімічні властивості цис- І транс-ізомерів іноді помітно відрізняються, в малеїновій кислоті карбоксильні групи -СООН просторово близькі, вони можуть реагувати (рис. 11), утворюючи ангідрид малеїнової кислоти (для фумарової кислоти така реакція не йде):

Рис. 11. Утворення ангідриду малеїнової кислоти

У разі плоских циклічних молекул проводити подумки площину не потрібно, оскільки вона вже задана формою молекули, як, наприклад, циклічних силоксанах (рис. 12):

Рис. 12. Ізоміри циклосилоксану

У комплексних з'єднаннях металів цис-ізомером називають з'єднання, у якого дві однакові групи, з тих, що оточують метал, знаходяться поруч, транс-ізомер, вони розділені іншими групами (рис. 13):

Рис. 13. Ізоміри комплексу кобальту

Другий вид стереоізомерії – оптична ізомерія виникає в тих випадках, коли два ізомери (відповідно до визначення, сформульованого раніше, дві молекули, що не поєднуються в просторі) являють собою дзеркальне відображенняодин одного. Таку властивість мають молекули, які можуть бути представлені у вигляді одиночного атома вуглецю, що має чотири різних заступники. Валентності центрального атома вуглецю, пов'язаного з чотирма заступниками, спрямовані до вершин уявного тетраедра – правильного чотиригранника ( див.ОРБІТАЛЬ) та жорстко закріплені. Чотири неоднакові заступники зображені на рис. 14 у вигляді чотирьох кульок з різним забарвленням:

Рис. 14. Атом вуглецю з чотирма різними заступниками

Щоб виявити можливе утворення оптичного ізомеру потрібно (мал. 15) відобразити молекулу в дзеркалі, потім дзеркальне зображення слід взяти як реальну молекулу, помістити під вихідною таким чином, щоб їх вертикальні осі збіглися, і повернути другу молекулу навколо вертикальної осі так, щоб червона куля верхньої та нижньої молекули знаходилися один під одним. В результаті збігається положення лише двох куль, бежевого та червоного (відзначено здвоєними стрілками). Якщо повернути нижню молекулу таким чином, щоб поєдналися сині кулі, то знову збігається положення лише двох куль – бежевого та синього (також відзначено здвоєними стрілками). Все стає очевидним, якщо ці дві молекули подумки поєднати в просторі, вкладаючи одну в іншу, як ніж у піхви, червона і зелена куля не збігаються:

При будь-якій взаємній орієнтації у просторі двох таких молекул не можна досягти повного збігу при суміщенні, згідно з визначенням, це ізомери. Важливо, що якщо у центрального атома вуглецю не чотири, а тільки три замісники, що відрізняються (тобто, два з них однакові), то при відображенні в дзеркалі такої молекули оптичний ізомер не утворюється, оскільки молекулу і її відображення можна поєднати в просторі (рис. 16):

Крім вуглецю, у ролі асиметричних центрів можуть виступати інші атоми, у яких ковалентні зв'язки спрямовані до кутів тетраедра, наприклад, кремній, олово, фосфор.

Оптична ізомерія виникає у разі асиметричного атома, вона також реалізується у деяких каркасних молекулах за наявності певної кількості різних заступників. Наприклад, каркасний вуглеводень адамантан, що має чотири різних замісники (рис. 17), може мати оптичний ізомер, при цьому вся молекула грає роль асиметричного центру, що стає очевидним, якщо каркас адамантану подумки стягнути в крапку. Аналогічно силоксан, що має кубічну структуру (рис. 17), також стає оптично активним у разі чотирьох різних заступників:

Рис. 17. Оптично активні каркасні молекули

Можливі варіанти, коли молекула не містить асиметричного центру навіть у прихованому вигляді, але може бути сама загалом несиметрична, при цьому також можливі оптичні ізомери. Наприклад, у комплексному з'єднанні берилію два циклічні фрагменти розташовані у взаємоперпендикулярних площинах, у такому випадку достатньо двох різних замісників для отримання оптичного ізомеру (рис. 18). Для молекули ферроцена, що має форму п'ятигранної призми, для тієї ж мети потрібно три заступники, атом водню в цьому випадку відіграє роль одного із заступників (рис. 18):

Рис. 18. Оптична ізомерія несиметричних молекул

У більшості випадків структурна формула сполуки дозволяє зрозуміти, що саме слід у ній змінити, щоб зробити речовину оптично активною.

При синтезах оптично активних стереоізомерів зазвичай отримують суміш право-і лівообертаючих сполук. Поділ ізомерів проводять шляхом взаємодії суміші ізомерів з реагентами (частіше за природне походження), що містять асиметричний реакційний центр. Деякі живі організми, у тому числі бактерії, переважно засвоюють лівообертаючі ізомери.

В даний час розроблені процеси (звані асиметричним синтезом), що дозволяють цілеспрямовано одержувати певний оптичний ізомер.

Існують реакції, що дозволяють перетворити оптичний ізомер на його антипод ( см. ВАЛЬДЕНІВСЬКИЙ ЗВЕРНЕННЯ).

Михайло Левицький

Ізоміри- Речовини з однаковою будовою молекули, але різними хімічною будовою та властивостями.

Види ізомерії

I. Структурна - полягає у різній послідовності з'єднання атомів у ланцюгу молекули:

1) Ізомерія ланцюга

Слід зазначити, що атоми вуглецю розгалуженої ланцюга розрізняються типом з'єднання з іншими вуглецевими атомами. Так, атом вуглецю, пов'язаний тільки з одним іншим вуглецевим атомом, називається первиннимз двома іншими атомами вуглецю - вторинним, з трьома - третинним, з чотирма - четвертинним.

2) Ізомерія становища

3) Ізомерія міжкласова

4) Таутомерія

Таутомерія(від грец. ταύτίς - той самий і μέρος - міра) - явище оборотної ізомерії, при якій два або більше ізомер легко переходять один в одного. При цьому встановлюється таутомерна рівновага, і речовина одночасно містить молекули всіх ізомерів у певному співвідношенні. Найчастіше при таутомеризації відбувається переміщення атомів водню від одного атома в молекулі до іншого і назад в тому самому з'єднанні.

ІІ. Просторова (стерео) - обумовлена ​​різним становищем атомів чи груп щодо подвійного зв'язку чи циклу, що виключають вільне обертання з'єднаних атомів вуглецю

1. Геометрична (цис-, транс-ізомерія)

Якщо атом вуглецю в молекулі пов'язаний із чотирма різними атомами або атомними групами, наприклад:

то можливе існування двох з'єднань з однаковою структурною формулою, але які відрізняються просторовою будовою. Молекули таких сполук відносяться одна до одної як предмет та його дзеркальне зображення і є просторовими ізомерами.

Ізомерія цього виду називається оптичною, ізомери - оптичними ізомерами або оптичними антиподами:

Молекули оптичних ізомерів несумісні у просторі (як ліва і права руки), у яких відсутня площина симетрії.
Таким чином,

• оптичними ізомераминазиваються просторові ізомери, молекули яких відносяться між собою як предмет і несумісне з ним дзеркальне зображення.

Оптичні ізомери амінокислоти

3. Конформаційна ізомерія

Слід зазначити, що атоми та групи атомів, пов'язані один з одним σ-зв'язком, постійно обертаються щодо осі зв'язку, займаючи різне положення у просторі один щодо одного.

Молекули, що мають однакову будову і відрізняються просторовим розташуванням атомів в результаті обертання навколо С-З зв'язківназиваються конформерами.

Для зображення конформаційних ізомерів зручно користуватися формулами - проекціями Ньюмена:

Явище конформаційної ізомерії можна розглянути на прикладі циклоалканів. Так, для циклогексану характерні конформери:

Розглянуті нами раніше види формул, що описують органічні речовини, показують, що одна молекулярна може відповідати кілька різних структурних формул.

Наприклад, молекулярною формулою C2H6Oвідповідають дві речовиниз різними структурними формулами - етиловий спиртта диметиловий ефір. Рис. 1.

Етиловий спирт - рідина, яка реагує з металевим натрієм із виділенням водню, кипить при +78,50С. За тих же умов диметиловий ефір - газ, що не реагує з натрієм, вирує при -230С.

Ці речовини відрізняються своєю будовою – різним речовинам відповідає однакова молекулярна формула.

Рис. 1. Міжкласова ізомерія

Явище існування речовин, що мають однаковий склад, але різну будову і тому різні властивості називають ізомерією (від грецьких слів «ізос» – «рівний» та «мерос» – «частина», «частка»).

Типи ізомерії

Існують різні типиізомерії.

Структурна ізомерія пов'язані з різним порядком сполуки атомів у молекулі.

Етанол та диметиловий ефір - структурні ізомери. Оскільки вони відносяться до різних класів органічних сполук, такий вид структурної ізомерії називається ще й міжкласовий . Рис. 1.

Структурні ізомери можуть бути і всередині одного класу сполук, наприклад, формулі C5H12 відповідають три різних вуглеводні. Це ізомерія вуглецевого скелета. Рис. 2.

Рис. 2 Приклади речовин - структурних ізомерів

Існують структурні ізомери з однаковим вуглецевим скелетом, які відрізняються положенням кратних зв'язків (подвійних та потрійних) або атомів, що заміщують водень. Цей вид структурної ізомерії називається ізомерією положення.

Рис. 3. Структурна ізомерія становища

У молекулах, що містять лише одинарні зв'язки, при кімнатній температурі можливе майже вільне обертання фрагментів молекули навколо зв'язків, і, наприклад, усі зображення формул 1,2-дихлоретан рівноцінні. Рис. 4

Рис. 4. Положення атомів хлору навколо одинарного зв'язку

Якщо ж обертання утруднене, наприклад, у циклічній молекулі або за подвійного зв'язку, то виникає геометрична або цис-транс ізомерія.У цис-ізомерах замісники знаходяться по одну сторону площини циклу або подвійного зв'язку, у транс-ізомерах - по різні боки.

Цис-транс ізомери існують у тому випадку, коли з атомом вуглецю пов'язані два різнізаступника. Рис. 5.

Рис. 5. Цис- та транс-ізомери

Ще один тип ізомерії виникає у зв'язку з тим, що атом вуглецю з чотирма одинарними зв'язками утворює зі своїми заступниками просторову структуру – тетраедр. Якщо в молекулі є хоча б один вуглецевий атом, пов'язаний із чотирма різними замісниками, виникає оптична ізомерія. Такі молекули не збігаються зі своїм дзеркальним зображенням. Ця властивість називається хіральністю - від грецької зher- "Рука". Рис. 6. Оптична ізомерія характерна для багатьох молекул, що входять до складу живих організмів.

Рис. 6. Приклади оптичних ізомерів

Оптична ізомерія називається також енантіомерією (від грецької enantios- «протилежний» і meros- «Частина»), а оптичні ізомери - енантіомерами . Енантіомери оптично активні, вони обертають площину поляризації світла на той самий кут, але в протилежні сторони: d- , або (+)-ізомер, - вправо, l- , або (-)-ізомер, - ліворуч. Суміш рівних кількостей енантіомерів рацематом, оптично недіяльна та позначається символом d,l- або (±).

ДЖЕРЕЛА

джерело відео - http://www.youtube.com/watch?v=mGS8BUEvkpY

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

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

джерело презентації - 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

джерело презентації - http://mirhimii.ru/10class/174-izomeriya.html