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 –0,5оС, а изобутана –11,4оС.
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 0,88оС.
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:
1
H
1,008
1s1
2,2
Бесцветный газ
t°пл=-259°C
t°кип=-253°C
2
He
4,0026
1s2
Бесцветный газ
t°кип=-269°C
3
Li
6,941
2s1
0,99
Мягкий серебристо-белый металл
t°пл=180°C
t°кип=1317°C
4
Be
9,0122
2s2
1,57
Светло-серый металл
t°пл=1278°C
t°кип=2970°C
5
B
10,811
2s2 2p1
2,04
Темно-коричневое аморфное вещество
t°пл=2300°C
t°кип=2550°C
6
C
12,011
2s2 2p2
2,55
Прозрачный (алмаз) / черный (графит) минерал
t°пл=3550°C
t°кип=4830°C
7
N
14,007
2s2 2p3
3,04
Бесцветный газ
t°пл=-210°C
t°кип=-196°C
8
O
15,999
2s2 2p4
3,44
Бесцветный газ
t°пл=-218°C
t°кип=-183°C
9
F
18,998
2s2 2p5
4,0
Бледно-желтый газ
t°пл=-220°C
t°кип=-188°C
10
Ne
20,180
2s2 2p6
Бесцветный газ
t°пл=-249°C
t°кип=-246°C
11
Na
22,990
3s1
0,93
Мягкий серебристо-белый металл
t°пл=98°C
t°кип=892°C
12
Mg
24,305
3s2
1,31
Серебристо-белый металл
t°пл=649°C
t°кип=1107°C
13
Al
26,982
3s2 3p1
1,61
Серебристо-белый металл
t°пл=660°C
t°кип=2467°C
14
Si
28,086
3s2 3p2
1,9
Коричневый порошок / минерал
t°пл=1410°C
t°кип=2355°C
15
P
30,974
3s2 3p3
2,2
Белый минерал / красный порошок
t°пл=44°C
t°кип=280°C
16
S
32,065
3s2 3p4
2,58
Светло-желтый порошок
t°пл=113°C
t°кип=445°C
17
Cl
35,453
3s2 3p5
3,16
Желтовато-зеленый газ
t°пл=-101°C
t°кип=-35°C
18
Ar
39,948
3s2 3p6
Бесцветный газ
t°пл=-189°C
t°кип=-186°C
19
K
39,098
4s1
0,82
Мягкий серебристо-белый металл
t°пл=64°C
t°кип=774°C
20
Ca
40,078
4s2
1,0
Серебристо-белый металл
t°пл=839°C
t°кип=1487°C
21
Sc
44,956
3d1 4s2
1,36
Серебристый металл с желтым отливом
t°пл=1539°C
t°кип=2832°C
22
Ti
47,867
3d2 4s2
1,54
Серебристо-белый металл
t°пл=1660°C
t°кип=3260°C
23
V
50,942
3d3 4s2
1,63
Серебристо-белый металл
t°пл=1890°C
t°кип=3380°C
24
Cr
51,996
3d5 4s1
1,66
Голубовато-белый металл
t°пл=1857°C
t°кип=2482°C
25
Mn
54,938
3d5 4s2
1,55
Хрупкий серебристо-белый металл
t°пл=1244°C
t°кип=2097°C
26
Fe
55,845
3d6 4s2
1,83
Серебристо-белый металл
t°пл=1535°C
t°кип=2750°C
27
Co
58,933
3d7 4s2
1,88
Серебристо-белый металл
t°пл=1495°C
t°кип=2870°C
28
Ni
58,693
3d8 4s2
1,91
Серебристо-белый металл
t°пл=1453°C
t°кип=2732°C
29
Cu
63,546
3d10 4s1
1,9
Золотисто-розовый металл
t°пл=1084°C
t°кип=2595°C
30
Zn
65,409
3d10 4s2
1,65
Голубовато-белый металл
t°пл=420°C
t°кип=907°C
31
Ga
69,723
4s2 4p1
1,81
Белый металл с голубоватым оттенком
t°пл=30°C
t°кип=2403°C
32
Ge
72,64
4s2 4p2
2,0
Светло-серый полуметалл
t°пл=937°C
t°кип=2830°C
33
As
74,922
4s2 4p3
2,18
Зеленоватый полуметалл
t°субл=613°C
(сублимация)
34
Se
78,96
4s2 4p4
2,55
Хрупкий черный минерал
t°пл=217°C
t°кип=685°C
35
Br
79,904
4s2 4p5
2,96
Красно-бурая едкая жидкость
t°пл=-7°C
t°кип=59°C
36
Kr
83,798
4s2 4p6
3,0
Бесцветный газ
t°пл=-157°C
t°кип=-152°C
37
Rb
85,468
5s1
0,82
Серебристо-белый металл
t°пл=39°C
t°кип=688°C
38
Sr
87,62
5s2
0,95
Серебристо-белый металл
t°пл=769°C
t°кип=1384°C
39
Y
88,906
4d1 5s2
1,22
Серебристо-белый металл
t°пл=1523°C
t°кип=3337°C
40
Zr
91,224
4d2 5s2
1,33
Серебристо-белый металл
t°пл=1852°C
t°кип=4377°C
41
Nb
92,906
4d4 5s1
1,6
Блестящий серебристый металл
t°пл=2468°C
t°кип=4927°C
42
Mo
95,94
4d5 5s1
2,16
Блестящий серебристый металл
t°пл=2617°C
t°кип=5560°C
43
Tc
98,906
4d6 5s1
1,9
Синтетический радиоактивный металл
t°пл=2172°C
t°кип=5030°C
44
Ru
101,07
4d7 5s1
2,2
Серебристо-белый металл
t°пл=2310°C
t°кип=3900°C
45
Rh
102,91
4d8 5s1
2,28
Серебристо-белый металл
t°пл=1966°C
t°кип=3727°C
46
Pd
106,42
4d10
2,2
Мягкий серебристо-белый металл
t°пл=1552°C
t°кип=3140°C
47
Ag
107,87
4d10 5s1
1,93
Серебристо-белый металл
t°пл=962°C
t°кип=2212°C
48
Cd
112,41
4d10 5s2
1,69
Серебристо-серый металл
t°пл=321°C
t°кип=765°C
49
In
114,82
5s2 5p1
1,78
Мягкий серебристо-белый металл
t°пл=156°C
t°кип=2080°C
50
Sn
118,71
5s2 5p2
1,96
Мягкий серебристо-белый металл
t°пл=232°C
t°кип=2270°C
51
Sb
121,76
5s2 5p3
2,05
Серебристо-белый полуметалл
t°пл=631°C
t°кип=1750°C
52
Te
127,60
5s2 5p4
2,1
Серебристый блестящий полуметалл
t°пл=450°C
t°кип=990°C
53
I
126,90
5s2 5p5
2,66
Черно-серые кристаллы
t°пл=114°C
t°кип=184°C
54
Xe
131,29
5s2 5p6
2,6
Бесцветный газ
t°пл=-112°C
t°кип=-107°C
55
Cs
132,91
6s1
0,79
Мягкий серебристо-желтый металл
t°пл=28°C
t°кип=690°C
56
Ba
137,33
6s2
0,89
Серебристо-белый металл
t°пл=725°C
t°кип=1640°C
57
La
138,91
5d1 6s2
1,1
Серебристый металл
t°пл=920°C
t°кип=3454°C
58
Ce
140,12
f-элемент
Серебристый металл
t°пл=798°C
t°кип=3257°C
59
Pr
140,91
f-элемент
Серебристый металл
t°пл=931°C
t°кип=3212°C
60
Nd
144,24
f-элемент
Серебристый металл
t°пл=1010°C
t°кип=3127°C
61
Pm
146,92
f-элемент
Светло-серый радиоактивный металл
t°пл=1080°C
t°кип=2730°C
62
Sm
150,36
f-элемент
Серебристый металл
t°пл=1072°C
t°кип=1778°C
63
Eu
151,96
f-элемент
Серебристый металл
t°пл=822°C
t°кип=1597°C
64
Gd
157,25
f-элемент
Серебристый металл
t°пл=1311°C
t°кип=3233°C
65
Tb
158,93
f-элемент
Серебристый металл
t°пл=1360°C
t°кип=3041°C
66
Dy
162,50
f-элемент
Серебристый металл
t°пл=1409°C
t°кип=2335°C
67
Ho
164,93
f-элемент
Серебристый металл
t°пл=1470°C
t°кип=2720°C
68
Er
167,26
f-элемент
Серебристый металл
t°пл=1522°C
t°кип=2510°C
69
Tm
168,93
f-элемент
Серебристый металл
t°пл=1545°C
t°кип=1727°C
70
Yb
173,04
f-элемент
Серебристый металл
t°пл=824°C
t°кип=1193°C
71
Lu
174,96
f-элемент
Серебристый металл
t°пл=1656°C
t°кип=3315°C
72
Hf
178,49
5d2 6s2
Серебристый металл
t°пл=2150°C
t°кип=5400°C
73
Ta
180,95
5d3 6s2
Серый металл
t°пл=2996°C
t°кип=5425°C
74
W
183,84
5d4 6s2
2,36
Серый металл
t°пл=3407°C
t°кип=5927°C
75
Re
186,21
5d5 6s2
Серебристо-белый металл
t°пл=3180°C
t°кип=5873°C
76
Os
190,23
5d6 6s2
Серебристый металл с голубоватым оттенком
t°пл=3045°C
t°кип=5027°C
77
Ir
192,22
5d7 6s2
Серебристый металл
t°пл=2410°C
t°кип=4130°C
78
Pt
195,08
5d9 6s1
2,28
Мягкий серебристо-белый металл
t°пл=1772°C
t°кип=3827°C
79
Au
196,97
5d10 6s1
2,54
Мягкий блестящий желтый металл
t°пл=1064°C
t°кип=2940°C
80
Hg
200,59
5d10 6s2
2,0
Жидкий серебристо-белый металл
t°пл=-39°C
t°кип=357°C
81
Tl
204,38
6s2 6p1
Серебристый металл
t°пл=304°C
t°кип=1457°C
82
Pb
207,2
6s2 6p2
2,33
Серый металл с синеватым оттенком
t°пл=328°C
t°кип=1740°C
83
Bi
208,98
6s2 6p3
Блестящий серебристый металл
t°пл=271°C
t°кип=1560°C
84
Po
208,98
6s2 6p4
Мягкий серебристо-белый металл
t°пл=254°C
t°кип=962°C
85
At
209,98
6s2 6p5
2,2
Нестабильный элемент, отсутствует в природе
t°пл=302°C
t°кип=337°C
86
Rn
222,02
6s2 6p6
2,2
Радиоактивный газ
t°пл=-71°C
t°кип=-62°C
87
Fr
223,02
7s1
0,7
Нестабильный элемент, отсутствует в природе
t°пл=27°C
t°кип=677°C
88
Ra
226,03
7s2
0,9
Серебристо-белый радиоактивный металл
t°пл=700°C
t°кип=1140°C
89
Ac
227,03
6d1 7s2
1,1
Серебристо-белый радиоактивный металл
t°пл=1047°C
t°кип=3197°C
90
Th
232,04
f-элемент
Серый мягкий металл
91
Pa
231,04
f-элемент
Серебристо-белый радиоактивный металл
92
U
238,03
f-элемент
1,38
Серебристо-белый металл
t°пл=1132°C
t°кип=3818°C
93
Np
237,05
f-элемент
Серебристо-белый радиоактивный металл
94
Pu
244,06
f-элемент
Серебристо-белый радиоактивный металл
95
Am
243,06
f-элемент
Серебристо-белый радиоактивный металл
96
Cm
247,07
f-элемент
Серебристо-белый радиоактивный металл
97
Bk
247,07
f-элемент
Серебристо-белый радиоактивный металл
98
Cf
251,08
f-элемент
Нестабильный элемент, отсутствует в природе
99
Es
252,08
f-элемент
Нестабильный элемент, отсутствует в природе
100
Fm
257,10
f-элемент
Нестабильный элемент, отсутствует в природе
101
Md
258,10
f-элемент
Нестабильный элемент, отсутствует в природе
102
No
259,10
f-элемент
Нестабильный элемент, отсутствует в природе
103
Lr
266
f-элемент
Нестабильный элемент, отсутствует в природе
104
Rf
267
6d2 7s2
Нестабильный элемент, отсутствует в природе
105
Db
268
6d3 7s2
Нестабильный элемент, отсутствует в природе
106
Sg
269
6d4 7s2
Нестабильный элемент, отсутствует в природе
107
Bh
270
6d5 7s2
Нестабильный элемент, отсутствует в природе
108
Hs
277
6d6 7s2
Нестабильный элемент, отсутствует в природе
109
Mt
278
6d7 7s2
Нестабильный элемент, отсутствует в природе
110
Ds
281
6d9 7s1
Нестабильный элемент, отсутствует в природе
Металлы
Неметаллы
Щелочные
Щелоч-зем
Благородные
Галогены
Халькогены
Полуметаллы
s-элементы
p-элементы
d-элементы
f-элементы
Наведите курсор на ячейку элемента, чтобы получить его краткое описание.
Чтобы получить подробное описание элемента, кликните по его названию.
Цис-транс-изомерия
4.6
Средняя оценка: 4.6
Всего получено оценок: 666.
4.6
Средняя оценка: 4.6
Всего получено оценок: 666.
Геометрическая или цис-транс-изомерия – один из видов пространственной или стереоизомерии. Изомеры отличаются положением радикалов относительно плоскости, условно делящей молекулу пополам. Характерна для веществ, содержащих двойные связи или циклические молекулы.
Изомерия веществ
Изомерия – явление, характеризующее изомеры. Это одинаковые по составу (количеству атомов), но разные по структурному строению или пространственному расположению атомов в молекуле. В связи с этим выделяют структурную и пространственную изомерию.
Структурная изомерия затрагивает строение молекулы. В длинных углеродных цепях структурные единицы «перецепляются» к другим атомам углерода в молекуле. В результате образуются новые вещества, отличающиеся свойствами.
Также изомеры могут образовываться изменением положения в основной молекуле:
- функциональной группы;
- двойной связи;
- заместителя.
При пространственной изомерии образуются изомеры (стереоизомеры) двух типов:
- энантиомеры – молекулы, имеющие зеркальное строение;
- диастереомеры – молекулы, не имеющие зеркального строения.
Энантиомеры являются результатом оптической или зеркальной изомерии. Диастереомеры возникают при геометрической изомерии и характерны для веществ с двойной связью. При этом важным условием является нахождение одинаковых радикалов у атомов углерода, объединённых двойной связью или сцепленных в кольцо. Другими словами, геометрическая изомерия возможна в соединении типа RCH=CHR, но не возможна в CH2=CHR, CR2=CHR’.
Изомерия – явление, свойственное в первую очередь органическим соединениям, в частности углеводородам. Однако примеры цис-транс-изомерии встречаются и в неорганической химии. Например, цис-[Pt(NH3)2Cl2] (цисплатин) и транс-[Pt(NH3)2]Cl2 (трансплатин), цис-[Co(NH3)4Cl2]+ и транс-[Co(NH3)4Cl2]+.
Цис-транс-изомерия
Условная плоскость, разделяющая молекулу пополам, проходит либо в месте двойной связи, либо по кольцу. Атомы углерода, образующие связь С=С или цикл, лежат в одной плоскости. При этом другие атомы могут прикрепляться условно сверху и снизу.
Если одинаковые радикалы прикрепляются по одну сторону плоскости (только сверху или только снизу), значит, этот изомер является представителем цис-изомерии. Приставка «цис-» значит «одинаковый», «по одну сторону». Радикалы, лежащие по разным сторонам условной плоскости, указывают на принадлежность вещества к транс-изомерии. «Транс» значит «через».
В соответствии с принадлежностью к цис- или транс-изомерии к названиям веществ прибавляют приставки. Например, цис-бутен-2, транс-бутен-2.
Что мы узнали?
Для веществ, содержащих в молекуле двойные связи или циклические молекулы, характерна геометрическая изомерия, которая также называется цис-транс-изомерией. Изомеры отличаются расположением радикалов относительно плоскости молекулы. При цис-изомерии радикалы лежат по одну сторону плоскости. В транс-изомерах радикалы расположены противоположно друг другу по разные стороны плоскости.
Тест по теме
Доска почёта
Чтобы попасть сюда — пройдите тест.
-
Юрий Кувшинов
5/5
-
Иван Мастин
4/5
-
Кристина Микляева
4/5
Оценка доклада
4.6
Средняя оценка: 4.6
Всего получено оценок: 666.
А какая ваша оценка?
Условия для пространственной изомерии
Не все химические соединения обладают способностью образовывать геометрические изомеры. Пространственная цис-транс-изомерия возможна для следующих веществ:
- алкенов;
- циклоалканов;
- алкадиенов;
- ненасыщенных жирных кислот.
Чтобы молекула могла принимать различные формы в пространстве, должно выполняться 2 условия.
Ненасыщенная или циклическая молекула
Важным условием для получения структурной изомерии молекул является наличие двойной связи или неароматического кольца. У гексана, как представителя алканов, не будет существовать пространственных изомеров. Так же они не встречаются у алкинов. Например, у атомов углерода в веществе бутин-2 будет только одна метильная группа радикалов, поэтому пространственная изомерия не наблюдается.
При пространственном изображении молекул такого типа плоскость проводят через 2 атома углерода, соединенных двойной связью, или через ароматическое кольцо. Остальные радикалы располагаются в пространстве относительно этой плоскости. Цис-изомер — молекула, у которой одинаковые радикалы лежат на одной стороне от плоскости симметрии. У трансизомера радикалы расположены крест накрест относительно двойной связи.
Например, вещество бутен-2. Это алкен с длиной цепочки в 4 атома углерода. Формула записывается СН3 — СН = СН — СН3. При условном изображении цис-формы, атомы водорода будут расположены вверху от кратной связи, а метильные группы внизу. У транс-бутена расположение заместителей будет симметричным.
Алкадиены — ненасыщенные углеводороды, имеющие 2 двойные связи и не цикличные по своей структуре. Цис- транс-изомеры имеются у веществ из гомологического ряда бутадиена R-CH=CH-CH=CH2. Плоскость симметрии у алкадиенов проходит через одну двойную связь, а заместителями являются группы R- и -CH=CH2. Для ненасыщенных жирных кислот определение цис-транс-изомеров будет аналогичным.
Для циклических соединений пространственная изомерия зависит от расположения заместителей относительно ароматического кольца. В молекуле диметилциклобутана атомы водорода замещают 2 метильных радикала.
У цис — диметилциклобутана замещающие группы расположены по одну сторону от кольца, а атомы водорода по другую. В транс-изомере расположение радикалов будет перекрестным.
Разные заместители
Второе важное условие для существования геометрических форм — наличие разных заместителей при атоме углерода. Например, для бутадиена пространственные формы невозможны, так как при одном из атомов находятся только 2 водорода. Так же 2 — метилбутен — 2 не образует пространственных изомеров, из-за двух радикалов метила при одном атоме углерода. Чтобы существование их стало возможно, необходимо увеличить длину цепочки. Например, октен — 2 образует структурные изомеры, так как при каждом атоме углерода находится водород и алкильный радикал.
Отличие в свойствах
Разная пространственная форма молекул влияет на физические свойства веществ. У различных геометрических форм будут отличаться:
- точка кипения;
- точка плавления;
- растворимость .
Влияние на различие свойств пространственных изомеров оказывает природа функциональных групп и то, какое расстояние между ними. Если заместители представлены слабыми донорами, их влияние на свойства вещества будет несильным. Например, цис — и транс пентен — 2 почти не отличаются по физическим свойствам, потому что водород замещают метильная и этильная группы.
Но если есть полярная группа, влияющая на двойную связь, свойства пространственных форм существенно отличаются. Например, малеиновая кислота по физическим свойствам и химической активности сильно отличается от фумаровой. Но обе они являются изомерными формами бутендиовой кислоты. Это связано с тем, что у цис — изомера расстояние между функциональной группой и радикалом меньше, чем у транс — изомера.
На свойства молекул влияние так же оказывает симметричность. Трансизомеры симметричны, поэтому молекулы расположены очень плотно. Температура плавления из-за этого существенно выше, чем у не симметричных цис — изомеров.
Соотношение изомеров
У молекул простых алкенов высокая энергия вращения относительно кратной связи. Это позволяет отдельно существовать цис— транс— изомерам. Примером алкена служит гексен — 3 СН3 — СН2 — СН= СН — СН2 — СН3.
Однако энергию вращения можно понизить. Для этого в молекулу нужно внести сильный донор по одну сторону от кратной связи, и сильный акцептор — по другую. К таким соединениям относятся амидные производные эфиров и кетонов. Соотношение пространственных изомеров для таких веществ зависит от природы растворителя.
План
1. Структурная
изомерия.
2. Конформационная
изомерия.
3. Геометрическая
изомерия.
4. Оптическая
изомерия.
Изомеры
– это вещества, имеющие одинаковый
состав и молекулярную массу, но разные
физические и химические свойства.
Различия в свойствах изомеров обусловлены
различиями в их химическом или
пространственном строении. В связи с
этим различают два вида изомерии.
изомерия
структурная
пространственная
Углеродного
скелета
Конфигурационная
Конформационная
Положение
функциональной
группы
Оптическая
Межклассовая
Геометрическая
1. Структурная изомерия
Структурные изомеры
отличаются химическим строением, т.е.
природой и последовательностью связей
между атомами в молекуле. Структурные
изомеры выделяют в чистом виде. Они
существуют как индивидуальные, устойчивые
вещества, для их взаимного превращения
необходима высокая энергия — порядка
350 — 400 кДж/моль. В динамическом равновесии
находятся только структурные изомеры
— таутомеры. Таутомерия — распространенное
явление в органической химии. Она
возможна при переносе подвижного атома
водорода в молекуле (карбонильные
соединения, амины, гетероциклы и т.д.),
внутримолекулярных взаимодействиях
(углеводы).
Все структурные
изомеры представляют в виде структурных
формул и называют по номенклатуре ИЮПАК.
Например,
составу С4Н8О
соответствуют структурные изомеры:
а)
с различным углеродным скелетом
неразветвленная
С-цепь — СН3-СН2-СН2-СН=О
(бутаналь, альдегид) и
разветвленная
С-цепь —
(2-метилпропаналь,
альдегид) или
цикл — 
(циклобутанол, циклический спирт);
б)
с различным положением функциональной
группы
бутанон-2, кетон;
в)
с различным составом функциональной
группы
3-бутенол-2,
непредельный спирт;
г)
метамерии
Гетероатом
функциональной группы может быть включен
в углеродный скелет (цикл или цепь). Один
из возможных изомеров этого вида изомерии
—
СН3-О-СН2-СН=СН2
(3-метоксипропен-1, простой эфир);
д)
таутомерии (кето-енольной)
енольная форма
кетоформа
Таутомеры находятся
в динамическом равновесии, при этом в
смеси преобладает более устойчивая
форма – кетоформа.
Для
ароматических соединений структурную
изомерию рассматривают
только для боковой цепи.
2. Пространственная изомерия (стереоизомерия)
Пространственные
изомеры имеют одинаковое химическое
строение, различаются по пространственному
расположению атомов в молекуле. Это
различие и создает разницу в физических
и химических свойствах. Пространственные
изомеры изображают в виде различных
проекций или стереохимических формул.
Раздел химии, изучающий пространственное
строение и его влияние на физические и
химические свойства соединений,
на направление и скорость их реакций,
называется стереохимией.
а)
Конформационная
(поворотная) изомерия
Не
меняя ни валентных углов, ни длин связей,
можно представить себе множество
геометрических форм (конформаций)
молекулы, отличающихся друг от друга
взаимным поворотом углеродных тетраэдров
вокруг соединяющей их σ-С-С-связи. В
результате такого вращения возникают
поворотные изомеры (конформеры). Энергия
различных конформеров неодинакова, но
энергетический барьер, разделяющий
различные конформационные изомеры, для
большинства органических соединений
невелик. Поэтому при обычных условиях,
как правило, нельзя зафиксировать
молекулы в одной строго определенной
конформации. Обычно в равновесии
сосуществуют несколько легко переходящих
друг в друга конформационных изомеров.
Способы
изображения и номенклатуру изомеров
можно рассмотреть на примере молекулы
этана. Для нее можно предвидеть
существование двух, максимально
различающихся по энергии конформаций,
которые могут быть изображены в виде
перспективных
проекций
(1) («лесопильные
козлы»)
или
проекций
Ньюмена (2):
заторможенная
конформация заслоненная конформация
В
перспективной проекции (1) связь С-С надо
представить себе уходящей вдаль; стоящий
слева углеродный атом приближен к
наблюдателю, стоящий справа — удален от
него.
В
проекции Ньюмена (2) молекулу рассматривают
вдоль связи С-С. Три линии, расходящиеся
под углом 120о
из центра круга, обозначают связи
ближайшего к наблюдателю углеродного
атома; линии, «высовывающиеся»
из-за круга — связи удаленного углеродного
атома.
Изображенную
справа конформацию называют заслоненной.
Это название напоминает о том, что атомы
водорода обеих СН3-групп
находятся друг против друга. Заслоненная
конформация имеет повышенную внутреннюю
энергию и поэтому невыгодна. Конформацию,
изображенную слева, называют заторможенной,
подразумевая, что свободное вращение
вокруг связи С-С «тормозится»
в этом положении, т.е. молекула существует
преимущественно в этой конформации.
Минимум
энергии, необходимый для полного вращения
молекулы вокруг определенной связи,
называется барьером вращения для данной
связи. Барьер вращения в молекуле,
подобной этану, может быть выражен через
изменение потенциальной энергии молекулы
как функции изменения двугранного
(торсионного — τ ) угла системы.
Энергетический профиль вращения
вокруг связи С-С в этане показан на
рисунке 1. Барьер вращения, разделяющий
две формы этана, составляет около 3
ккал/моль (12,6 кДж/моль). Минимумы кривой
потенциальной энергии соответствуют
заторможенным конформациям, максимумы
— заслоненным. Поскольку при комнатной
температуре энергия некоторых столкновений
молекул может достигать 20 ккал/моль
(около 80 кДж/моль), то этот барьер в 12,6
кДж/моль легко преодолевается и вращение
в этане рассматривают как свободное.
В
смеси всех возможных конформаций
преобладают заторможенные конформации.
Рис.1.
Диаграмма потенциальной энергии
конформаций этана.
Для
более сложных молекул число возможных
конформаций возрастает. Так, для н-бутана
можно изобразить уже шесть конформаций,
возникающих при повороте вокруг
центральной связи С2
— С3
и
отличающихся взаимным расположением
СН3-групп.
Различные заслоненные и заторможенные
конформации бутана отличаются по
энергии. Энергетически более выгодны
заторможенные конформации.
Энергетический
профиль вращения вокруг связи С2
-С3
в бутане показан на рисунке 2.
Рис.2.
Диаграмма потенциальной энергии
конформаций н-бутана.
Для молекулы с
длинной углеродной цепью число
конформационных форм возрастает.
Для молекулы
алициклических соединений характерны
различные конформационные формы цикла
(например, для циклогексана кресло,
ванна,
твист-формы).
Итак,
конформации — это различные пространственные
формы молекулы, имеющей определенную
конфигурацию. Конформерами являются
стереоизомерные структуры, соответствующие
энергетическим минимумам на диаграмме
потенциальной энергии, находящиеся в
подвижном равновесии и способные к
взаимопревращению путем вращения вокруг
простых σ-связей.
Если
барьер таких превращений становится
достаточно высоким, то можно разделить
стереоизомерные формы (пример — оптически
активные дифенилы). В таких случаях
говорят уже не о конформерах, а о реально
существующих стереоизомерах.
б)
Геометрическая изомерия
Геометрические
изомеры возникают в результате
отсутствия в молекуле:
1.
вращения атомов углерода относительно
друг друга — следствие жесткости двойной
связи С=С
или циклической структуры;
2.
двух одинаковых групп при одном атоме
углерода двойной связи или цикла.
Геометрические
изомеры, в отличие от конформеров, могут
быть выделены в чистом виде и существуют
как индивидуальные, устойчивые вещества.
Для их взаимного превращения необходима
более высокая энергия — порядка 125-170
кДж/моль (30-40 ккал/моль).
Различают
цис-транс-(Z,E) изомеры;
цис-формами
называют геометрические изомеры, у
которых одинаковые заместители лежат
по одну сторону от плоскости π-связи
или цикла, транс-формами
называют геометрические изомеры, у
которых одинаковые заместители лежат
по разные стороны от плоскости π-связи
или цикла.
Простейшим
примером могут служить изомеры бутена-2,
который существует
в виде цис- , транс-геометрических
изомеров:
цис-бутен-2
транс-бутен-2
температура
плавления
-138,90С
— 105,60С
температура
кипения
3,720С
1,000С
плотность
0,724
0,604
1,2 – дихлорциклопропан
существует в виде цис- , транс-изомеров:
цис-1,2-дихлорциклопропан
транс-1,2-дихлорциклопропан
В
более сложных случаях применяется
Z,E-номенклатура
(номенклатура Канна, Ингольда, Прелога
– КИП, номенклатура старшинства
заместителей). В
соединении
1-бром
-2-метил-1-хлорбутене-1 (Br)(CI)С=С(СН3)
— СН2-СН3
все
заместители при атомах углерода с
двойной связью различные; поэтому данное
соединение существует в виде Z-,
E-
геометрических изомеров:
Е-1-бром-2-метил-1-хлорбутен-1
Z-1-бром-2-метил-1-хлорбутен-1.
Для обозначения
конфигурации изомера указывают
расположение
старших
заместителей
при двойной связи (или цикле) – Z-(от
немецкого Zusammen — вместе) или Е-(от немецкого
Entgegen — напротив).
В Z,E-системе старшими
считаются заместители с большим
порядковым (атомным) номером. Если атомы,
непосредственно связанные с ненасыщенными
атомами углерода, одинаковы, то переходят
ко «второму слою», в случае
необходимости — к «третьему слою»
и т. д.
В
первой проекции старшие группы находятся
напротив друг друга относительно двойной
связи, поэтому это Е-изомер. Во второй
проекции старшие группы расположены
по одну сторону относительно двойной
связи (вместе), поэтому это Z-изомер.
Геометрические
изомеры широко распространены в природе.
Например, природные полимеры каучук
(цис-изомер) и гуттаперча (транс-изомер),
природная фумаровая (транс-бутендиовая
кислота) и синтетическая малеиновая
(цис-бутендиовая кислота) кислоты, в
составе жиров — цис-олеиновая, линолевая,
линоленовая кислоты.
в)
Оптическая изомерия
Молекулы
органических соединений могут быть
хиральными и ахиральными. Хиральность(от
греч. сheir
— рука) — несовместимость молекулы со
своим зеркальным отражением.
Хиральные
вещества способны вращать плоскость
поляризации света. Это явление называют
оптической активностью, а соответствующие
вещества — оптически
активными.
Оптически активные вещества встречаются
в виде пар оптических
антиподов
— изомеров, физические и химические
свойства которых в обычных условиях
одинаковы, за исключением одного — знака
вращения плоскости поляризации: один
из оптических антиподов отклоняет
плоскость поляризации в право (+,
правовращающий изомер), другой – влево
(-, левовращающий). Определить конфигурацию
оптических антиподов можно экспериментально
с помощью прибора — поляриметра.
Оптическая
изомерия появляется тогда, когда в
молекуле присутствует асимметрический
атом углерода (существуют
и другие причины хиральности молекулы).
Так называют
атом
углерода в sр3
—
гибридизации и связанный
с четырьмя различными заместителями.
Возможны два тетраэдрических расположения
заместителей вокруг асимметрического
атома. При
этом две
пространственные формы нельзя совместить
никаким вращением; одна из них является
зеркальным изображением другой :
Обе
зеркальные формы составляют пару
оптических антиподов или энантиомеров.
Изображают
оптические изомеры в виде проекционных
формул Э. Фишера. Их получают в результате
проецирования молекулы с асимметрическим
атомом углерода. При этом сам асимметрический
атом углерода на плоскости обозначают
точкой, на горизонтальной линии указывают
символы заместителей, выступающих перед
плоскостью рисунка. На вертикальной
линии
(прерывистой
или сплошной) указывают заместители,
которые удалены за плоскость рисунка.
Ниже приведены различные способы записи
проекционной формулы, отвечающей левой
модели на предыдущем рисунке:
В
проекции главную углеродную цепь
изображают вертикально; главную функцию,
если она находится в конце цепи, указывают
в верхней части проекции. Например,
стереохимические и проекционные формулы
(+) и (-) аланина — СН3
—*СН(NН2)-СООН
представляют следующим образом:
Смесь с одинаковым
содержанием энантиомеров называется
рацематом. Рацемат не обладает оптической
активностью и характеризуется отличными
от энантиомеров физическими свойствами.
Правила
преобразования проекционных формул.
1.
Формулы можно вращать в плоскости
чертежа на 180о,
не меняя их стереохимического смысла:
2.
Две (или любое четное число) перестановки
заместителей у одного асимметрического
атома не меняют стереохимического
смысла формулы:
3. Одна
(или любое нечетное число) перестановка
заместителей у асимметрического центра
приводит к формуле оптического антипода:
4.
Поворот в плоскости чертежа на 90о
превращает формулу в антипод.
5.
Вращение любых трех заместителей по
часовой стрелке или против не меняет
стереохимического смысла формулы:
6.
Проекционные формулы нельзя выводить
из плоскости чертежа.
Оптической
активностью обладают органические
соединения, в молекулах которых хиральными
центрами являются и другие атомы,
например кремния, фосфора, азота, серы.
Соединения с
несколькими асимметрическими атомами
углерода существуют в виде диастереомеров,
т.е. пространственных изомеров, не
составляющих друг с другом оптических
антиподов.
Диастереомеры
отличаются друг от друга не только
оптическим вращением, но и всеми другими
физическими константами: у них разные
температуры плавления и кипения, разные
растворимости и др.
Число
пространственных изомеров определяют
по формуле Фишера N=2n,
где n — число асимметрических атомов
углерода. Число стереоизомеров может
уменьшаться из-за частичной симметрии,
появляющейся в некоторых структурах.
Оптически неактивные диастереомеры
называют
мезо-формами.
Номенклатура
оптических изомеров:
а)
D-
, L-
номенклатура
Для
определения D-
или L-ряда
изомера конфигурацию (положение ОН–группы
у асимметричного атома углерода)
сравнивают с конфигурациями энантиомеров
глицеринового альдегида (глицериновый
ключ):
L-глицериновый
альдегид D-глицериновый
альдегид
Применение
D-,
L-номенклатуры
в
настоящее время ограничено тремя
классами оптически активных веществ:
углеводами, аминокислотами и оксикислотами.
б)
R -, S-номенклатура (номенклатура Кана,
Ингольда и Прелога)
Для
определения R(правый)- или S(левый)-конфигурации
оптического изомера необходимо
расположить заместители в тетраэдре
(стереохимической формуле) вокруг
асимметрического углеродного атома
таким образом, чтобы самый младший
заместитель (обычно это водород) имел
направление «от
наблюдателя».
Если переход трех остальных заместителей
от старшего к среднему и младшему по
старшинству происходит по
часовой стрелке
—
это R-изомер
(падение старшинства совпадает с
движением руки при написании верхней
части буквы R). Если переход происходит
против часовой
стрелки
— это S—изомер
(падение старшинства совпадает с
движением руки при написании верхней
части буквы S).
Для определения
R- или S-конфигурации оптического изомера
по проекционной формуле необходимо
путем четного числа перестановок
расположить заместители так, чтобы
самый младший из них оказался внизу
проекции. Падение старшинства остальных
трех заместителей по часовой стрелке
соответствует R-конфигурации, против
часовой стрелки — S-конфигурации.
Получают
оптические изомеры следующими
методами:
а)
выделение из природных материалов,
содержащих оптически
активные соединения, например
белки и аминокислоты, углеводы, многие
оксикислоты (винная, яблочная, миндальная),
терпеновые углеводороды, терпеновые
спирты и кетоны, стероиды, алкалоиды и
др.
б)
расщепление рацематов;
в) асимметрический
синтез;
г)
биохимическое получение оптически
активных веществ.
ЗНАЕТЕ
ЛИ ВЫ, ЧТО
-Явление
изомерии (от греч.-
isos
—
разный и meros
—
доля, часть) открыто в 1823г. Ю. Либихом и
Ф. Вёлером на примере солей двух
неорганических кислот: циановой Н-О-С≡N
и гремучей Н-О-N=
С.
-В
1830 г. Ж.Дюма распространил представление
об изомерии на органические соединения.
-В
1831г. термин «изомер» для органических
соединений предложил Й. Берцелиус.
-Стереоизомеры
природных соединений характеризуются
разной биологической активностью
(аминокислоты, углеводы, алкалоиды,
гормоны, феромоны, лекарственные вещества
природного происхождения и т.д.).
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #