Что такое изомеры как их найти

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

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

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

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

Виды изомерии

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

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

Структурная изомерия

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

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

Например, молекулярной формуле С₅Н₁₂ соответствуют три изомера:

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

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

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

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

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

Пространственная изомерия

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

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

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

Двойная связь не имеет свободного вращения вокруг своей оси.

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

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

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

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

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

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

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

2. Оптическая изомерия

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

Оптическая изомерия свойственна молекулам веществ, имеющих асимметрический атом углерода.

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

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

Например, оптические изомеры образует 3-метилгексан:

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

Изомерия

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

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

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

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

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

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

Номенклатура

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

1. С1 — мет-;

2. С2 — эт-;

3. С3 — проп-;

4. С4 — бут-;

5. С5 — пент-;

6. С6 — гекс-;

7. С7 — гепт-;

8. С8 — окт-;

9. С9 — нон-;

10. С10 — дек-.

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

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

Класс	Формула	Название в приставке	Название в суффиксе	Пример
Карбоновые кислоты	-COOH	карбокси-	-овая кислота	CH3COOH этановая кислота  карбоксиэтан
Сульфокислоты	-SO3H	сульфо-	-сульфокислота	CH3-SO3H Сульфометан Метилсульфокислота
Нитрил	-CN	циано-	-нитрил	CH3-CN цианометан метилнитрил
Альдегиды	-CHO	оксо-	-аль	CH3-CHO этаналь 1-оксоэтан
Кетоны	-CO	оксо-	-он	CH3-CO-CH3 пропанон 2-оксопропан
Спирты	-OH	гидрокси-	-ол	CH3OH метанол гидроксиметан
Амины	-NH2	амино-	-амин	CH3-CH2-NH2 этиламин аминоэтан
Простые эфиры	-OR	алкокси-	—	CH3-O-CH3 алкоксиэтан
Галогениды	-F, -Cl, -Br, -I	фтор-, хлор-, бром-, йод-	-фторид, -хлорид, -бромид, -йодид	CH3-Cl метилхлорид хлорметан
Нитросоединения	-NO2	нитро-	—	CH3-NO2 Нитрометан

Пример названия

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

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

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

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

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

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

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

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

Определение

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

Основные виды изомерии: 

• структурные;
• пространственные.

Структурная изомерия

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

Выделяют шесть видов структурной изомерии:

Изомерия углеродного скелета

Пентан имеет три структурные формулы изомеров:

Изомерия положения кратной связи

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

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

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

 Изомерия положения функциональной группы

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

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

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

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

Валентная изомерия

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

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

Пример:

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

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

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

Призман – самый нестабильный из изомеров бензола.

 Межклассовая изомерия

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

Общую формулу имеют два вещества:

Изомерия статическая и динамическая

Различают типы изомерии:

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

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

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

Это интересно:

Изомеры гексана

Изомеры пентена

Гомологический ряд алкенов

Стереоизомерия

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

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

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

Цис-транс — изомерия (геометрическая)

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

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

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

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

Наглядной иллюстрацией могут служить простейшие геометрические изомеры — бутен-:

Оптическая изомерия

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

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

Определить знак оптического изомера можно с помощью поляриметра.

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

Хиральные молекулы невозможно совместить, так как они зеркально симметричны.

Пример пары стереоизомеров, представляющих зеркальные отражения:

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

Для изображения оптических изомеров используют проекционные формулы Э.Фишера.

Правила построения формул Фишера

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

Правила изображения проекции Фишера:

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

Правила пользования проекциями Фишера имеют ограничения:

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

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

Заключение

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

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