Strukturne formule mogućih izomera. Izrada strukturnih formula izomera. Zasićena izomerija ugljikovodika
Postoji nekoliko vrsta strukturne izomerije:
izomerija karbonskog kostura;
izomerija položaja više veza;
izomerija položaja funkcionalnih grupa.
Za izvođenje formula izomera koje se razlikuju po slijedu veza ugljikovih atoma u molekuli (izomerija ugljikovog kostura):
a) sastaviti strukturnu formulu ugljeničnog kostura normalne strukture sa datim brojem ugljenikovih atoma;
b) postepeno skraćujte lanac (svaki put za jedan atom ugljika) i izvršite sve moguće preuređenja jednog ili više ugljikovih atoma i tako izvedite formule svih mogućih izomera.
PRIMJER: Napravite strukturne formule svih izomernih ugljikovodika sastava C 5 H 12.
1. Sastavimo formule ugljikovog kostura s normalnim lancem od 5 atoma ugljika.
C - C - C - C - C
2. Skratimo lanac za jedan atom ugljika i izvršimo sva moguća preuređenja.
C - C - C - C
4. Posložimo potreban broj atoma vodika.
1.CH 3 - CH 2 - CH 2 - CH 2 - CH 3
2.CH 3 - CH - CH 2 - CH 3
3.CH 3 - C - CH 3
Za izvođenje strukturnih formula svih izomera zbog različitih položaja više veza, supstituenata (halogena) ili funkcionalnih grupa (OH, - COOH, NO 2, NH 2) postupite na sljedeći način:
ukloniti sve strukturne izomere povezane s izomerijom ugljikovog kostura;
grafički premjestiti višestruku vezu ili funkcionalnu grupu na one položaje u kojima je to moguće sa stajališta tetravalencije ugljika:
PRIMJER: Napišite strukturne formule svih pentena (C 5 H 10).
1. Sastavimo formule svih izomera koji se razlikuju po strukturi ugljikovog skeleta:
a) C - C - C - C - C b) C - C - C - C c) C - C - C
2. Premjestite višestruku vezu za slučajeve a) i b)
C = C - C - C - C CH 2 = CH - CH 2 - CH 2 - CH 3
A) C - C - C - C - C C - C = C - C - C CH 3 - CH = CH - CH 2 - CH 3
B) C - C - C - C C = C - C - C CH 2 = C - CH 2 - CH 3
C - C = C - C CH 3 - C = CH - CH 3
C - C - C - C C CH 3
C C - C - C = C CH 2 - CH - CH = CH 2
Dakle, za C 5 H 10 moguće je pet izomera.
PRIMJER: Napravite strukturne formule za sve aromatični ugljovodonici sastav C 8 H 10.
U slučaju aromatskih spojeva, moguća je izomerija kostura bočnog lanca i izomerija položaja supstituenata u aromatskom prstenu.
1. Sastavimo strukturnu formulu s normalnim bočnim lancem:
2. Skratimo bočni lanac za jedan atom ugljika i omogućimo permutacije CH 3 u benzenskom prstenu.
Postoje 4 izomera sastava C 8 H 10.
1. Prilikom izvođenja vježbi potrebno je obratiti posebnu pažnju na ispravnost pisanja strukturnih formula organskih spojeva. Najprikladnije je koristiti poluproširene (pojednostavljene) strukturne formule, u kojima crtice označavaju veze između atoma, s izuzetkom veza s atomima vodika. Poželjno je pisati formule s vodoravno napisanim ugljikovim lancem tako da se funkcionalne skupine na kraju lanaca nalaze s desne strane, a supstituenti na ne-terminalnim ugljikovim atomima ispod ili iznad ugljikovog lanca:
CH 3 - CH - CH 2 - OH CH 3 - CH 2 - CH - CH 3
CH 2 - CH 2 - CH 3 - CH - COOH
2. U početnim vježbama s formulama aromatskih spojeva u jezgrama benzena, bolje je napisati sve C - i H - atome. U pojednostavljenom prikazu benzenskih prstenova, supstitucijski atomi i grupe moraju biti jasno povezani s atomima jezgre benzena valentnim linijama.
3. Anorganski spojevi u jednadžbama reakcije, u većini slučajeva, preporučljivo je pisati strukturnim ili poluproširenim strukturnim formulama:
Na primjer: HOH umjesto H 2 O,
HOSO 3 H umjesto H 2 SO 4,
HNO 3 umjesto HNO 3
To nije potrebno ako su takve veze uključene jonske reakcije, na primjer, kada kiseline reagiraju s aminima i tvore soli.
4. Organske reakcije mogu se izraziti jednadžbama u kojima dobivaju koeficijente i izjednačavaju broj atoma na desnoj i lijevoj strani. Međutim, često se ne pišu jednadžbe, već sheme reakcije. To se radi u slučajevima kada se proces odvija istovremeno u nekoliko smjerova ili kroz niz uzastopnih faza, na primjer:
Cl 2 CH 3 - CH 2 - CH 2 - Cl + HCl
CH 3 - CH 2 - CH 3
lagani CH 3 - CH - CH 3 + HCl
ili NaOH, t 0 C Cu, t 0 C
CH 3 - CH 2 - Cl CH 3 - CH 2 - OH CH 3 - CH = O
Kao što je prikazano u primjerima, aktivni reagens je prikazan iznad strelice. Radi jednostavnosti, koeficijenti u desnom ili lijevom dijelu dijagrama nisu izjednačeni, već neke tvari, poput, na primjer, H 2, HCl, H 2 O, Na Cl itd. nastale tokom reakcija, na dijagramima se ili uopće ne prikazuju, ili su označene strelicom sa znakom minus. Smjer transformacije tvari u reakcijama označen je strelicom. Reagensi i reakcijski uvjeti, katalizator itd. Navedeni su iznad strelice.
Na primjer:
H 2 O, H 2 SO 4, 130 0 S
CH 3 - CH 2 - CH 2 - NO 2 CH 3 - CH 2 - COOH + NH 2 OH * H 2 SO 4
Ponekad se ispod strelice (po mogućnosti u zagradama) označe početne tvari koje, kao rezultat međusobne interakcije, tvore reagens (označeno iznad strelice). Na primjer:
R - NH 2 R - OH + N 2 + H 2 O
Stoga se u ovom slučaju reagens - dušična kiselina - formira iz natrijevog nitrita i klorovodične kiseline uzete u reakciji. Naravno, ovdje se dobiva i natrijev klorid NaCl, ali se ovo jedinjenje na dijagramu ne može označiti kao da nema direktnu vezu s procesom. U pravilu, redox transformacije organska materija prikazati pojednostavljene sheme reakcije kako bi se skrenula pažnja na oksidaciju ili redukciju organskog spoja; detalji o transformacijama oksidacionog agensa ili redukcionog agensa u shemi se možda neće odraziti.
U tu svrhu oksidaciono sredstvo je predstavljeno simbolom [O], a redukciono sredstvo simbolom [H] iznad strelice. Ako je potrebno, aktivni reagensi mogu biti označeni strelicom (po mogućnosti u zagradama).
Na primjer:
CH 3 OH CH 2 = O + H 2 O CH 3 OH CH 2 = O + H 2 O
(K 2 Cr 2 O 7 + H 2 SO 4)
C 6 H 5 NO 2 C 6 H 5 - NH 2 + 2 H 2 O
IN posljednjih godina, u naučnoj i obrazovnoj hemijskoj literaturi nomenklatura organskih spojeva koju je razvila Međunarodna unija za teorijsku i primijenjenu hemiju, IRAS (IUPAC) nomenklatura, obično se koristi kao sistemska, obično se naziva "međunarodna sistemska nomenklatura". U obrazovnoj literaturi koristi se i racionalna nomenklatura.
1. Započinjući izvođenje vježbi o nomenklaturi, potrebno je prije svega proučiti ovo pitanje u udžbeniku, gdje se detaljno razmatraju preporuke za ovu klasu nomenklaturnih sistema. Ovdje su navedene samo one kratke karakteristike preporučene nomenklature i primjeri.
2. Obratite pažnju na ispravno pisanje imena. u nazivima prema međunarodnoj nomenklaturi brojeve treba odvajati crticama, a broj od broja - zarezom: 1,4 dibrom - 2,3 - dimetil buten - 2.
Iako je uobičajeno da se sastavni dijelovi imena pišu zajedno, iz didaktičkih razloga složena imena mogu se odvojiti crticama.
Na primjer: naslov
Metiletilpropilizobutilmetan se može napisati i preporučuje se da se napiše ovako: metil - etil - propil - izobutil - metan.
U nazivu podijeljenom na sastavne dijelove, struktura spoja i njegova formula jasnije su predstavljeni.
ZADACI ZA KONTROLNE RADOVE
Razmotrimo primjer alkana C 6 H 14.
1. Prvo, prikazujemo linearnu molekulu izomera (njen ugljikov kostur)
2. Zatim skraćujemo lanac za 1 atom ugljika i vežemo ga za bilo koji atom ugljika u lancu kao njegovu granu, isključujući krajnje položaje:
(2) ili (3)
Ako atom ugljika pričvrstite na jedan od ekstremnih položaja, tada se kemijska struktura lanca neće promijeniti:
Osim toga, morate osigurati da nema ponavljanja. Dakle, struktura
identičan strukturi (2).
3. Kad se iscrpe sve pozicije glavnog lanca, skraćujemo lanac za još 1 atom ugljika:
Sada će bočne grane prihvatiti 2 atoma ugljika. Ovdje su moguće sljedeće kombinacije atoma:
Bočni supstituent može se sastojati od 2 ili više atoma ugljika povezanih u nizu, ali za heksan ne postoje izomeri s takvim bočnim granama, a struktura
identičan strukturi (3).
Bočni supstituent - S - S može se postaviti samo u lanac koji sadrži najmanje 5 atoma ugljika i može se vezati samo za 3. i dalje atom s kraja lanca.
4. Nakon izgradnje ugljikovog kostura izomera, potrebno je sve atome ugljika u molekuli nadopuniti vezama s vodikom, s obzirom da je ugljik četverovalentan.
Dakle, sastav C 6 H 14 odgovara 5 izomera:
2) 
3) 
4) 
5) 
Rotacijska izomerija alkana
Karakteristična osobina s-veze su da se gustoća elektrona u njima distribuira simetrično oko osi koja povezuje jezgre vezanih atoma (cilindrična ili rotacijska simetrija). Zbog toga rotacija atoma oko s-veze neće dovesti do njenog pucanja. Kao rezultat intramolekularne rotacije duž C-C s-veza, molekuli alkana, počevši od etana C 2 H 6, mogu poprimiti različite geometrijske oblike.
Različiti prostorni oblici molekula, koji se pretvaraju jedan u drugi rotacijom oko C-C s-veza, nazivaju se konformacije ili rotacioni izomeri(konformeri).
Rotacijski izomeri molekula energetski su nejednaka stanja. Njihovo međusobno pretvaranje događa se brzo i stalno kao rezultat toplinskog kretanja. Stoga se rotacijski izomeri ne mogu izolirati pojedinačno, ali je njihovo postojanje dokazano fizičkim metodama. Neke su konformacije stabilnije (energetski povoljnije) i molekula ostaje u takvim stanjima duže vrijeme.
Razmotrimo rotacijske izomere koristeći etan H 3 C - CH 3 kao primjer:
Kad se jedna CH3 grupa rotira u odnosu na drugu, nastaju mnogi različiti oblici molekula, među kojima postoje dvije karakteristične konformacije ( ALI i B), koju karakterizira rotacija za 60 °:
Ovi rotacijski izomeri etana razlikuju se u udaljenosti između atoma vodika vezanih za različite atome ugljika.
U konformaciji ALI atomi vodika su blizu (zasjenjuju se), njihovo odbijanje je veliko, energija molekula je maksimalna. Ova se konformacija naziva "pomračena", energetski je nepovoljna i molekula prelazi u konformaciju B, gdje je udaljenost između atoma H različitih atoma ugljika najveća i, prema tome, odbojnost je minimalna. Ova se konformacija naziva "inhibirana" jer energetski je povoljniji i molekul je u ovom obliku duže vrijeme.
Kako se lanac ugljika produžava, broj uočljivih konformacija raste. Dakle, rotacija duž centralne veze u n-butanu
dovodi do četiri rotacijska izomera:
Najstabilniji od njih je konformer IV, u kojem su CH 3 grupe maksimalno udaljene jedna od druge. Nacrtajte zavisnost potencijalne energije n-butana od ugla rotacije sa učenicima na tabli.
Optička izomerija
Ako je ugljikov atom u molekuli vezan za četiri različita atoma ili atomske grupe, na primjer:
tada je moguće da postoje dva spoja s istom strukturnom formulom, ali različitom po prostornoj strukturi. Molekule takvih spojeva međusobno se odnose kao objekt i njegova zrcalna slika i prostorni su izomeri.
Izomerija ovog tipa naziva se optička, izomeri se zovu optički izomeri ili optički antipodi:
Molekule optičkih izomera su nekompatibilne u prostoru (poput lijeve i desne ruke), nedostaje im ravnina simetrije.
Tako se prostorni izomeri nazivaju optičkim izomerima, čiji se molekuli međusobno povezuju kao objekt i nekompatibilna zrcalna slika.
Optički izomeri imaju ista fizička i kemijska svojstva, ali se razlikuju u odnosu na polariziranu svjetlost. Takvi izomeri imaju optičku aktivnost (jedan od njih rotira ravninu polarizirane svjetlosti ulijevo, a drugi u istom kutu udesno). Razlike u kemijskim svojstvima uočene su samo u reakcijama s optički aktivnim reagensima.
Optička izomerija se očituje u organskim tvarima različitih klasa i igra vrlo važnu ulogu u hemiji prirodnih spojeva.
Dobro, možda ne toliko.
Da biste ponavljali sve, a ne propustili niti jedan, možete smisliti nekoliko pristupa. Sviđa mi se ovaj: Uzmite eten (etilen) CH2 = CH2. Razlikuje se od heptena za 5 atoma ugljika (C5H10). Da biste sortirali sve moguće izomere, morate select eten ima jedan atom vodika, i "give njegov fragment C5H10. Ispostavilo se da je alkil C5H11, i mora biti pričvršćen na ostatak etena (etenil CH2 = CH-) umjesto "oduzet"; vodonik.
1) Sam alkil C5H11 može imati nekoliko izomera. Najjednostavnije sa ravnim lancem -CH2-CH2-CH2-CH2-CH3 (pentil ili amil). Od njega i etenila nastaje hepten-1 (ili 1-hepten, ili hept-1-en), koji se jednostavno naziva heptenom CH2 = CH-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3.
2a) Ako premjestimo jedan vodik u pentilu iz atoma C2 u atom C1, tada dobivamo pentil-2 (ili 2-pentil, ili pent-2-il) CH3-CH (-)-CH2-CH2-CH3 . Crtica u zagradama znači da štap treba povući prema gore ili prema dolje, te da postoji nesparen elektron, a u ovom trenutku pentil-2 će se pridružiti etenilu. Ispostavilo se da je CH2 = CH-CH (CH3) -CH2-CH2-CH3 3-metilheksen-1 ili 3-metil-1-heksen ili 3-metilheks-1-en. Nadam se da ste razumjeli princip formiranja alternativnih imena, stoga ću za spojeve navedene u nastavku navesti samo jedno ime.
2b) Ako premjestimo jedan vodik u pentilu iz C3 atoma u C1 atom, tada ćemo dobiti pentil-3 CH3-CH2-CH (-)-CH2-CH3. Kombinirajući ga s etenilom, dobivamo CH2 = CH-CH (CH2-CH3) -CH2-CH3 3-etilpenten-1
3a, b) Pentil je izomeriziran u lanac od 4 atoma ugljika ("butil"), koji ima jednu metilnu grupu. Ova metilna grupa može biti vezana za C2 ili C3 atom butila. Dobivamo, respektivno, 2-metilbutil-CH2-CH (CH3) -CH2-CH3 i 3-metilbutil-CH2-CH2-CH (CH3) -CH3, a dodavanjem istih u etenil dobivamo još dva izomera C7H14 CH2 = CH -CH2-CH (CH3) -CH2-CH3 4-metilheksen-1 i CH2 = CH-CH2-CH2-CH (CH3) -CH3 5-metilheksen-1.
4a, b) Sada, u butilu, pomaknite crticu na C2 atom, dobićemo 2-butil CH3-CH (-)-CH2-CH3. Ali moramo dodati još jedan atom ugljika (zamijeniti H sa CH3). Dodamo li ovaj metil jednom od krajnjih atoma, dobivamo već razmatrane pentil-3 i pentil-2. No, dodavanjem metila jednom od srednjih atoma dobit će se dva nova alkila CH3-C (CH3) (-)-CH2-CH3 2-metil-2-butil- i CH3-CH (-)-CH (CH3) -CH3 2-metil-2-butil-.
Dodajući ih etenilu, dobivamo još dva izomera C7H14 CH2 = CH-C (CH3) 2-CH2-CH3 3,3-dimetil-penten-1 i CH2 = CH-CH (CH3) -CH (CH3) -CH3 3.4 -dimetil-penten-1.
5) Sada, pri konstruiranju alkila, ostavit ćemo lanac od 3 atoma ugljika -CH2-CH2-CH3. Nedostajuća 2 atoma ugljika mogu se spojiti ili kao etil ili kao dva metila. U slučaju vezivanja u obliku etila, dobivamo već razmotrene mogućnosti. Ali dva metila mogu biti vezana ili oba za prvi, ili jedan za prvi, jedan za drugi atom ugljika, ili oba za drugi. U prvom i drugom slučaju dobit ćemo već razmatrane opcije, a u potonjem novi alkil -CH2-C (CH3) 2-CH3 2,2-dimetilpropil, a dodavanjem u etenil dobivamo CH2 = CH -CH2-C (CH3) 2- CH3 4,4-dimetilpenten-1.
Tako je već dobiveno 8 izomera. Imajte na umu da je u ovim izomerima dvostruka veza na kraju lanca, tj. veže atome C1 i C2. Takvi olefini (s dvostrukom vezom na kraju nazivaju se terminalni). Terminalni olefini nemaju cis-trans izomeriju.
Zatim dijelimo fragment C5H10 na dva fragmenta. To se može učiniti na dva načina CH2 + C4H8 i C2H4 + C3H6. Od fragmenata CH2 i C2H4 moguće je konstruirati samo jednu varijantu alkila (CH3 i CH2-CH3). Od fragmenta C3H6 mogu se formirati propil -CH2-CH2-CH3 i izopropil CH3-CH (-)-CH3.
Iz fragmenta C4H8 možete konstruirati sljedeće alkile -CH2-CH2-CH2-CH3-butil-1, CH3-CH (-)-CH2-CH3-butil-2, -CH2-CH (CH3) -CH3-izobutil (2-metilpropil) i -C (CH3) 2-CH3-terc-butil (2,2-dimetiletil).
Da ih upotpuni alkilima iz molekula etena "otorvm dva atoma vodonika. To se može učiniti na tri načina: ukloniti oba atoma vodika iz istog atoma ugljika (tada se dobivaju terminalni olefini) ili po jedan iz svakog. U drugoj varijanti, ova dva atoma vodika mogu se otkinuti sa iste strane dvostruke veze (dobivaju se cis izomeri), i sa različitih strana (dobivaju se trans izomeri).
CH2 = C (CH3) -CH2-CH2-CH2-CH3-2-metilheksen-1;
CH2 = C (CH3) -CH (CH3) -CH2 -CH3 -2,3 -dimetilpenten -1;
CH2 = C (CH3) -CH2 -CH (CH3) -CH3 -2,4 -dimetilpenten -1;
CH2 = C (CH3) -C (CH3) 2-CH3-2,3,3-trimetil buten-1.
CH2 = C (CH2CH3) -CH2-CH2-CH3-2-etilpenten-1 ili 3-metilen heksan;
CH2 = C (CH2CH3) -CH (CH3) -CH3-2-etil-3-metilbuten-1 ili 2-metil-3-metilenpentan.
CH3-CH = CH-CH2-CH2-CH2-CH3-hepten-2 (cis i trans izomeri);
CH3-CH = CH-CH (CH3) -CH2-CH3-4-metilheksen-2 (cis i trans izomeri);
CH3-CH = CH-CH2-CH (CH3) -CH3 -5-metilheksen-2 (cis i trans izomeri);
CH3-CH = CH-C (CH3) 2-CH3-4,4-dimetilpenten-2 (cis i trans izomeri);
CH3-CH2-CH = CH-CH2-CH2-CH3-hepten-3 (cis i trans izomeri);
CH3-CH2-CH = CH-CH (CH3) -CH3-2-metilheksen-3 (cis i trans izomeri).
Pa, sa olefinima poput sunca. Cikloalkani su ostali.
U cikloalkanima nekoliko atoma ugljika čini ciklus. Konvencionalno se može smatrati ravnim ciklusom. Stoga, ako su dva supstituenta vezana za prsten (na različitim atomima ugljika), tada se mogu nalaziti na istoj strani (cis izomeri) ili duž različite strane(trans-izomeri) ravnina ciklusa.
Nacrtajte sedmerokut. Stavite CH2 na svaki vrh. Rezultat je cikloheptan;
Sada nacrtajte šesterokut. Napišite CH2 na pet vrhova, a CH-CH3 na jednom. Rezultat je metilcikloheksan;
Nacrtaj pentagon. Nacrtajte CH-CH2-CH3 na jednom vrhu, a CH2 na ostatku. etilciklopentan;
Nacrtaj pentagon. Nacrtajte CH-CH3 na dva vrha zaredom, a CH2 na ostatku. Rezultat je 1,2-dimetilpentan (cis i trans izomeri);
Nacrtaj pentagon. Nacrtajte CH-CH3 na dva vrha kroz jedan, a CH2 u ostatku. Rezultat je 1,3-dimetilpentan (cis i trans izomeri);
Nacrtajte pravokutnik. Nacrtajte CH2 u tri vrha, a CH u jednom i na njega prikačite -CH2-CH2-CH3. Rezultat je propilciklobutan;
Nacrtajte pravokutnik. Nacrtajte CH2 u tri vrha, a CH u jednom i na njega prikačite -CH (CH3) -CH3. Rezultat je izopropilciklobutan;
Nacrtajte pravokutnik. Nacrtajte CH2 na tri vrha, a C na jednom i na njega pričvrstite grupe CH3 i CH2-CH3. Rezultat je 1-metil-1-etilciklobutan;
Nacrtajte pravokutnik. Nacrtajte CH2 na dva vrha zaredom, a CH na druga dva. Dodajte CH3 u jedan CH, a CH2-CH3 u drugi. Rezultat je 1-metil-2-etilciklobutan (cis i trans izomeri);
Nacrtajte pravokutnik. Nacrtajte CH2 na dva vrha kroz jedno, a CH na druga dva. Dodajte CH3 u jedan CH, a CH2-CH3 u drugi. Rezultat je 1-metil-3-etilciklobutan (cis i trans izomeri);
Nacrtajte pravokutnik. U dva vrha zaredom nacrtajte CH2, u jednom CH, u jednom C. Nacrtajte CH3 u CH, a dvije CH3 grupe u C. Rezultat je 1,1,2-dimetilciklobutan;
Organska hemija nije tako laka.
Nešto se može pretpostaviti uz pomoć logičkog zaključivanja.
A negdje logika neće pomoći, morate je natrpati.
Kao, na primjer, u ovom pitanju.
Evo formula:
Ugljikovodici koji odgovaraju formuli C17H14 odnose se i na alkene i na cikloalkane. Stoga, kako vam je Raphael rekao u komentaru, ima ih mnogo. Alkeni (unutarrazredna izomerija) imaju tri vrste izomerije: 1). izomerija položaja dvostruke veze; 2). izomerija karbonskog kostura; 3). a neki alkeni imaju prostorne cis i trans izomere. I cikloalkani unutar ove klase imaju izomeriju zatvorenog ciklusa, a neki cikloalkani imaju cis- i trans-izomere. Potrebno je odlučiti o klasi priključaka.
Zapravo, ima ih dosta pa ih neću sve navesti:
Evo nekih njihovih predstavnika:
Ali još uvijek ih ima mnogo, i da budem iskren, vrlo je teško sjetiti se svih predstavnika svih izomera ovog sastava.
Nije baš jednostavan zadatak, bolje rečeno ne baš brz. Ne mogu navesti sve, već više od 20 izomera za navedeni sastav:
Ako još uvijek imate zadatak crtanja slika, suosjećam s vama, ali ovdje sam pronašao nekoliko slika sa sastavljenim lancima izomera:
Pripremite se, općenito!
1. Strukturna izomerija.
2. Konformaciona izomerija.
3. Geometrijska izomerija.
4. Optička izomerija.
Izomeri Jesu li tvari istog sastava i molekularne težine, ali različitih fizičkih i kemijskih svojstava? Razlike u svojstvima izomera posljedica su razlika u njihovoj kemijskoj ili prostornoj strukturi. U tom smislu razlikuju se dvije vrste izomerije.
izomerija
strukturne
prostorne
Karbonski kostur
Konfiguracija
Konformacijski
Položaj funkcionalnog
Optički
Interclass
Geometrijski
1. Strukturna izomerija
Strukturni izomeri se razlikuju hemijska struktura, tj. prirodu i slijed veza između atoma u molekuli. Strukturni izomeri izolirani su u čistom obliku. Oni postoje kao pojedinačne, stabilne tvari, za njihovu međusobnu transformaciju potrebna je velika energija - oko 350 - 400 kJ / mol. Samo su strukturni izomeri - tautomeri - u dinamičkoj ravnoteži. Tautomerija je uobičajena pojava u organskoj hemiji. Moguće je pri prijenosu mobilnog atoma vodika u molekulu (karbonilni spojevi, amini, heterocikli itd.), Intramolekularne interakcije (ugljikohidrati).
Svi strukturni izomeri predstavljeni su u obliku strukturnih formula i imenovani su prema IUPAC nomenklaturi. Na primjer, strukturni izomeri odgovaraju sastavu S 4 N 8 O:
ali)sa različitim karbonskim skeletom
nerazgranati C -lanac -CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH = O (butanal, aldehid) i
razgranati C -lanac -
(2-metilpropanal, aldehid) ili
ciklus - 
(ciklobutanol, ciklični alkohol);
b)sa različitim položajem funkcionalne grupe
butanon-2, keton;
u)sa različitim sastavom funkcionalne grupe
3-butenol-2, nezasićeni alkohol;
G)metamerija
Heteroatom funkcionalne grupe može se ugraditi u ugljikov skelet (prsten ili lanac). Jedan od mogućih izomera ove vrste izomerije je CH3-O-CH2 -CH = CH2 (3-metoksipropen-1, eter);
e)tautomerija (keto-enol)
enolni oblik keto forme
Tautomeri su u dinamičkoj ravnoteži, dok stabilniji oblik, keto oblik, prevladava u smjesi.
Za aromatična jedinjenja, strukturna izomerija se uzima u obzir samo za bočni lanac.
2. Prostorna izomerija (stereoizomerija)
Prostorni izomeri imaju istu kemijsku strukturu, razlikuju se u prostornom rasporedu atoma u molekuli. Ova razlika stvara razliku u fizičkim i hemijskim svojstvima. Prostorni izomeri prikazani su kao različite projekcije ili stereokemijske formule. Hemijska grana koja proučava prostornu strukturu i njen utjecaj na fizička i kemijska svojstva spojeva, na smjer i brzinu njihovih reakcija naziva se stereokemija.
ali)Konformacijska (rotacijska) izomerija
Bez mijenjanja kutova veze ili duljine veze, može se zamisliti mnoštvo geometrijskih oblika (konformacija) molekula koji se međusobno razlikuju međusobnom rotacijom ugljikovih tetraedra oko veze σ-C-C koja ih povezuje. Kao rezultat ove rotacije nastaju rotacijski izomeri (konformeri). Energije različitih konformera nisu iste, ali je energetska barijera koja razdvaja različite konformacijske izomere mala za većinu organskih spojeva. Stoga je u normalnim uvjetima u pravilu nemoguće fiksirati molekule u jednu strogo definiranu konformaciju. Obično, u ravnoteži, postoji nekoliko konformacijskih izomera koji lako prelaze jedan u drugi.
Metode snimanja i nomenklatura izomera mogu se razmotriti na primjeru molekula etana. Za nju se može predvidjeti postojanje dvije konformacije koje se što više razlikuju po energiji, a koje se mogu prikazati u obliku perspektivne projekcije(1) ("pilana") ili izbočine Newman(2):
retardirana konformacija začepljena konformacija
U perspektivnoj projekciji (1), veza S-S mora se zamisliti kako ide u daljinu; atom ugljika s lijeve strane bliži je posmatraču, a onaj s desne udaljen je od njega.
U Newmanovoj projekciji (2), molekul se razmatra zajedno C-C veze... Tri linije koje se razilaze pod uglom od 120 ° od centra kruga označavaju veze atoma ugljenika najbliže posmatraču; linije koje "strše" iz kruga su veze udaljenog atoma ugljika.
Konformacija prikazana s desne strane naziva se zamagljen ... Ovo nas ime podsjeća da su atomi vodika obje CH3 -grupe suprotni. Zaprečena konformacija povećala je unutarnju energiju i stoga je nepovoljna. Konformacija prikazana na lijevoj strani naziva se inhibiran , implicirajući da je slobodna rotacija oko C-C veze "inhibirana" u ovom položaju, tj. molekul postoji pretežno u ovoj konformaciji.
Minimalna energija potrebna za potpuno rotiranje molekula oko određene veze naziva se rotacijska barijera za tu vezu. Rotacijska barijera u molekuli poput etana može se izraziti u smislu promjene potencijalne energije molekula u funkciji promjene u dvodelnom (torzijskom - τ) kutu sistema. Energetski profil rotacije oko C - C veze u etanu prikazan je na slici 1. Rotacijska barijera koja razdvaja dva oblika etana je oko 3 kcal / mol (12,6 kJ / mol). Minimumi krivulje potencijalne energije odgovaraju inhibiranim konformacijama, maksimumi - pomrčenima. Budući da na sobnoj temperaturi energija nekih sudara molekula može doseći 20 kcal / mol (oko 80 kJ / mol), ova barijera od 12,6 kJ / mol se lako prevlada i rotacija u etanu smatra se slobodnom. U mješavini svih mogućih konformacija prevladavaju inhibirane konformacije.
Slika 1. Dijagram potencijalne energije konformacija etana.
Za složenije molekule povećava se broj mogućih konformacija. Dakle, za n-butan, već se može prikazati šest konformacija koje nastaju pri okretanju oko središnje veze C 2 - C 3 i razlikuju se u međusobnom rasporedu CH 3 grupa. Različite začepljene i usporene konformacije butana razlikuju se po energiji. Retardirane konformacije su energetski povoljnije.
Energetski profil rotacije oko veze C 2 -C 3 u butanu prikazan je na slici 2.
Slika 2. Dijagram potencijalne energije konformacija n-butana.
Za molekule s dugim ugljikovim lancem povećava se broj konformacijskih oblika.
Molekulu alicikličkih spojeva karakteriziraju različiti konformacijski oblici prstena (na primjer, za cikloheksan fotelja, kupka, twist-oblici).
Dakle, konformacije su različiti prostorni oblici molekula s određenom konfiguracijom. Konformeri su stereoizomerne strukture koje odgovaraju energetskim minimumima na dijagramu potencijalne energije, nalaze se u mobilnoj ravnoteži i sposobne su za međusobnu konverziju rotirajući se oko jednostavnih σ-veza.
Ako prepreka takvim transformacijama postane dovoljno visoka, tada se stereoizomerni oblici mogu odvojiti (na primjer, optički aktivni bifenili). U takvim slučajevima više se ne govori o konformerima, već o postojećim stereoizomerima.
b)Geometrijska izomerija
Geometrijski izomeri nastaju zbog odsustva u molekuli:
1. rotacija atoma ugljika jedan prema drugom - posljedica krutosti dvostruke veze C = C ili ciklične strukture;
2. dvije identične grupe na jednom atomu ugljika dvostruke veze ili ciklusa.
Geometrijski izomeri, za razliku od konformera, mogu se izolirati u čistom obliku i postojati kao pojedinačne, stabilne tvari. Za njihovu međusobnu transformaciju potrebna je veća energija-oko 125-170 kJ / mol (30-40 kcal / mol).
Postoje izomeri cis-trans- (Z, E); cis- oblici su geometrijski izomeri u kojima isti supstituenti leže na jednoj strani ravnine π-veze ili prstena, trans- oblici su geometrijski izomeri u kojima isti supstituenti leže na suprotnim stranama ravnine π-veze ili prstena.
Najjednostavniji primjer su izomeri butena-2, koji postoje u obliku cis-, trans-geometrijskih izomera:
cis-buten-2 trans-buten-2
temperatura topljenja
138,9 0 C - 105,6 0 C
temperatura ključanja
3,72 0 C 1,00 0 C
gustoća
1,2-diklorociklopropan postoji u obliku cis-, trans-izomera:
cis-1,2-dihlorociklopropan trans-1,2-dihlorociklopropan
U složenijim slučajevima koristi se Z, E -nomenklatura (nomenklatura Kanna, Ingolda, Preloga - KIP, nomenklatura staža poslanika). Zajedno
1-bromo -2-metil-1-klorobuten-1 (Br) (CI) C = C (CH 3)-CH 2 -CH 3 svi supstituenti na ugljikovim atomima s dvostrukom vezom su različiti; stoga ovaj spoj postoji u obliku Z-, E- geometrijskih izomera:
E-1-bromo-2-metil-1-klorobuten-1 Z-1-bromo-2-metil-1-klorobuten-1.
Za označavanje konfiguracije izomera navedite raspored starijih supstituenata na dvostrukoj vezi (ili ciklusu) - Z- (od njemačkog Zusammen - zajedno) ili E- (od njemačkog Entgegen - suprotno).
U Z, E-sistemu, supstituenti sa velikim rednim (atomskim) brojem smatraju se višim. Ako su atomi izravno vezani za nezasićene atome ugljika isti, tada odlaze u "drugi sloj", ako je potrebno, u "treći sloj" itd.
U prvoj projekciji, starije grupe su suprotne jedna drugoj u odnosu na dvostruku vezu, stoga je ovo E-izomer. U drugoj projekciji, starije grupe nalaze se s jedne strane dvostruke veze (zajedno), pa je ovo Z-izomer.
Geometrijski izomeri rasprostranjeni su u prirodi. Na primjer, prirodni polimeri su kaučuk (cis-izomer) i gutaperka (trans-izomer), prirodna fumarna (trans-butendioična kiselina) i sintetička maleinska (cis-butendioična kiselina) kiseline, u sastavu masti-cis-oleinska kiselina , linolna, linolenska kiselina.
u)Optička izomerija
Molekule organskih spojeva mogu biti kiralne i ahiralne. Kiralnost (od grčkog naslednik - ruka) je nekompatibilnost molekula sa njegovim ogledalom.
Kiralne tvari mogu rotirati ravninu polarizacije svjetlosti. Ovaj fenomen naziva se optička aktivnost, a odgovarajuće tvari - optički aktivan... Optički aktivne tvari pojavljuju se u parovima optički antipodi- izomeri čija su fizička i kemijska svojstva u normalnim uvjetima ista, s izuzetkom jednog - znak rotacije ravnine polarizacije: jedan od optičkih antipoda odbija ravninu polarizacije udesno (+, okretno izomer), drugi lijevo (-, levogirat). Konfiguracija optičkih antipoda može se eksperimentalno odrediti pomoću instrumenta - polarimetra.
Optička izomerija se pojavljuje kada molekula sadrži asimetrični atom ugljika(postoje i drugi razlozi za kiralnost molekula)... Ovo je naziv atoma ugljika u sp 3 - hibridizaciji i povezan je s četiri različita supstituenta. Moguća su dva tetraedrička rasporeda supstituenata oko asimetričnog atoma. Štaviše, dva prostorna oblika ne mogu se kombinovati nikakvom rotacijom; jedan od njih je zrcalna slika drugog:
Oba zrcalna oblika čine par optičkih antipoda ili enantiomeri .
Optički izomeri prikazani su u obliku formule za projekciju E. Fischera. Dobivaju se projektiranjem molekule s asimetričnim ugljikovim atomom. U ovom slučaju, sam asimetrični atom ugljika na ravnini označen je točkom, na vodoravnoj liniji označeni su simboli supstituenata koji strše ispred ravnine crteža. Okomita linija (isprekidana ili puna) označava supstituente koji su uklonjeni izvan ravnine crteža. Ispod se nalaze Različiti putevi zapisuju formulu projekcije koja odgovara lijevom modelu na prethodnoj slici:
U projekciji, glavni ugljikov lanac prikazan je okomito; glavna funkcija, ako je na kraju lanca, označena je pri vrhu izbočine. Na primjer, stereokemijske i projekcijske formule (+) i ( -) alanina - CH 3 - * CH (NH 2) -COOH predstavljene su kako slijedi:
Mješavina s istim enantiomernim sadržajem naziva se racemat. Racemat nema optičku aktivnost i odlikuje se fizičkim svojstvima različitim od enantiomera.
Pravila konverzije za formule projekcije.
1. Formule se mogu rotirati u ravnini crteža za 180 ° bez mijenjanja njihovog stereokemijskog značenja:
2. Dvije (ili bilo koji paran broj) permutacije supstituenata na jednom asimetričnom atomu ne mijenjaju stereokemijsko značenje formule:
3. Jedan (ili bilo koji drugi) neparan broj) permutacija supstituenata u asimetričnom centru dovodi do formule za optički antipod:
4. Rotacija u ravni crteža za 90 stepeni pretvara formulu u antipod.
5. Rotacija bilo koja tri supstituenta u smjeru kazaljke na satu ili suprotno od smjera kazaljke na satu ne mijenja stereokemijsko značenje formule:
6. Formule projekcije ne mogu se izvesti iz ravni crteža.
Optičku aktivnost imaju organski spojevi, u molekulima kojih su i drugi atomi hiralni centri, na primjer, silicij, fosfor, dušik, sumpor.
Spojevi s nekoliko asimetričnih atoma ugljika postoje u obliku dijastereomeri , tj. prostorni izomeri koji međusobno ne tvore optičke antipode.
Diastereomeri se međusobno razlikuju ne samo po optičkoj rotaciji, već i po svim ostalim fizičkim konstantama: imaju različita tališta i vrelišta, različitu topljivost itd.
Broj prostornih izomera određen je Fisherovom formulom N = 2 n, gdje je n broj asimetričnih atoma ugljika. Broj stereoizomera može se smanjiti zbog djelomične simetrije koja se pojavljuje u nekim strukturama. Optički neaktivni dijastereomeri se nazivaju meso-oblike.
Nomenklatura optičkih izomera:
a) D-, L- nomenklatura
Za određivanje D- ili L-serije izomera, konfiguracija (položaj OH grupe na asimetričnom atomu ugljika) uspoređuje se s konfiguracijama enantiomera gliceraldehida (glicerol ključ):
L-gliceraldehid D-gliceraldehid
Upotreba D-, L-nomenklature trenutno je ograničena na tri klase optički aktivnih tvari: ugljikohidrate, aminokiseline i hidroksikiseline.
b) R -, S -nomenklatura (nomenklatura Cahn, Ingold i Prelog)
Za određivanje R (desne) - ili S (lijeve) -konfiguracije optičkog izomera, potrebno je supstituente rasporediti u tetraedru (stereokemijska formula) oko asimetričnog atoma ugljika tako da najniži supstituent (obično vodik) ima smjer "od posmatrača". Ako se prijelaz ostala tri supstituenta iz starijeg u srednji i mlađi u starijoj dobi dogodi u smjeru kazaljke na satu, to je R-izomer (pad staža se poklapa s kretanjem ruke pri pisanju gornjeg dijela slova R). Ako se prijelaz dogodi u smjeru suprotnom od kazaljke na satu, to je S - izomer (pad prvenstva poklapa se s kretanjem ruke pri pisanju gornjeg dijela slova S).
Za određivanje R- ili S-konfiguracije optičkog izomera prema formuli projekcije, potrebno je supstituente rasporediti prema parnom broju permutacija tako da najniža od njih bude na dnu projekcije. Pad prioriteta preostala tri supstituenta u smjeru kazaljke na satu odgovara R-konfiguraciji, u suprotnom smjeru-S-konfiguraciji.
Optički izomeri dobivaju se sljedećim metodama:
a) izolacija od prirodnih materijala koji sadrže optički aktivne spojeve, na primjer, proteine i aminokiseline, ugljikohidrate, mnoge hidroksi kiseline (vinsku, jabučnu, bademovu), terpenske ugljikovodike, terpenske alkohole i ketone, steroide, alkaloide itd.
b) cijepanje racemata;
c) asimetrična sinteza;
d) biokemijska proizvodnja optički aktivnih tvari.
ZNAŠ LI TO
Fenomen izomerije (iz grčkog - isos - različiti i meros - udio, dio) otvoren 1823. J. Liebig i F. Wöhler na primjeru soli dviju anorganskih kiselina: cijanske H-O-C≡N i eksplozivne H-O-N = C.
Godine 1830. J. Dumas je proširio koncept izomerije na organska jedinjenja.
Godine 1831. termin "izomer" za organska jedinjenja predložio je J. Berzelius.
Stereoizomere prirodnih spojeva karakteriziraju različite biološke aktivnosti (aminokiseline, ugljikohidrati, alkaloidi, hormoni, feromoni, ljekovite tvari prirodnog porijekla itd.).
Na primjer, uzmimo ugljikovodike ograničavajuće i nezasićene serije.
Definicija
Prvo, saznajmo koji je fenomen izomerije. Ovisno o tome koliko atoma ugljika ima u molekuli, nastaju spojevi koji se razlikuju po strukturi, fizikalnom i hemijska svojstva... Izomerija je fenomen koji objašnjava raznolikost organskih tvari.
Zasićena izomerija ugljikovodika
Kako sastaviti izomere, imenovati predstavnike ove klase organskih spojeva? Kako bismo se nosili sa zadatkom koji je pred nama, najprije istaknimo karakteristične karakteristike ove klase tvari. Zasićeni ugljikovodici imaju opšta formula SN2p + 2, samo su jednostavne (jednostruke) veze prisutne u njihovim molekulima. Izomerija za predstavnike metanske serije pretpostavlja postojanje različitih organskih tvari koje imaju isti kvalitativni i kvantitativni sastav, ali se razlikuju u slijedu rasporeda atoma.
U prisutnosti četiri ili više atoma ugljika u zasićenim ugljikovodicima, uočena je izomerija ugljikovog kostura za predstavnike ove klase. Na primjer, tvari izomera sastava C5H12 možete formulirati u obliku normalnog pentana, 2-metilbutana, 2,2-dimetilpropana.
Podsljeda
Strukturni izomeri karakteristični za alkane nastaju primjenom određenog algoritma djelovanja. Da bismo razumjeli kako sastaviti izomere zasićenih ugljikovodika, zadržimo se na ovom pitanju detaljnije. Prvo se razmatra ravan ugljikov lanac bez dodatnih grana. Na primjer, ako u molekuli ima šest atoma ugljika, možete sastaviti formulu za heksan. Budući da svi alkani imaju jednostruke veze, za njih se mogu napisati samo strukturni izomeri.
Strukturni izomeri
Da bi se formulirale formule mogućih izomera, ugljikov kostur se skraćuje za jedan C atom, pretvara se u aktivnu česticu - radikal. Metilna skupina može se nalaziti na svim atomima u lancu, isključujući ekstremne atome, dok tvori različite organske derivate alkana.
Na primjer, možete formulirati formulu 2-metilpentan, 3-metilpentan. Tada se broj atoma ugljika u glavnom (glavnom) lancu smanjuje za još jednu, pa se kao posljedica pojavljuju dvije aktivne metilne skupine. Mogu se nalaziti na jednom ili u susjednim atomima ugljika kako bi dobili različite izomerne spojeve.
Na primjer, možete formulirati dva izomera: 2,2-dimetilbutan, 2,3-dimetilbutan, koji se razlikuju po fizičke karakteristike... S naknadnim skraćivanjem glavnog ugljikovog skeleta mogu se dobiti i drugi strukturni izomeri. Dakle, za ugljikovodike ograničavajuće serije fenomen izomerije objašnjava se prisutnošću pojedinačnih (jednostavnih) veza u njihovim molekulama.
Značajke izomerije alkena
Da bi se razumjelo kako sastaviti izomere, potrebno je zabilježiti specifičnosti ove klase organskih tvari. Imamo opću formulu Cpn2p. U molekulima ovih tvari, osim jednostruke veze, postoji i dvostruka veza koja utječe na broj izomernih spojeva. Osim strukturne izomerije karakteristične za alkane, za ovu klasu se može izdvojiti i izomerija položaja višestruke veze, međuklasna izomerija.
Na primjer, za ugljikovodik sastava C4H8, možete formulirati dvije tvari koje se razlikuju po rasporedu dvostruke veze: buten-1 i buten-2.
Da bismo razumjeli kako sastaviti izomere opće formule C4H8, moramo imati ideju da osim alkena, ciklički ugljikovodici imaju istu opću formulu. Ciklobutan i metilciklopropan mogu se predstaviti kao izomeri koji pripadaju cikličkim spojevima.
Osim toga, za nezasićene spojeve serije etilena mogu se napisati formule geometrijskih izomera: cis i trans forme. Za ugljikovodike koji imaju dvostruku vezu između atoma ugljika karakteristično je nekoliko vrsta izomerije: strukturna, međuklasa, geometrijska.
Alkin
Za veze koje pripadaju ovoj klasi ugljikovodici, opća formula je SpN2p-2. Među prepoznatljivim karakteristikama ove klase možemo spomenuti prisutnost trostruke veze u molekuli. Jedan od njih je jednostavan, formiran od hibridnih oblaka. Dvije veze nastaju pri preklapanju nehibridnih oblaka; one određuju obilježja izomerije ove klase.
Na primjer, za ugljikovodik sastava C5H8, formule se mogu napraviti za tvari koje imaju nerazgranati ugljikov lanac. Budući da u početnom spoju postoji višestruka veza, može se locirati na različite načine, tvoreći pentin-1, pentin-2. Na primjer, možete napisati proširenu i skraćenu formulu spoja s datim kvalitativnim i kvantitativnim sastavom, u kojoj će se ugljikov lanac skratiti za jedan atom, koji će u spoju biti predstavljen kao radikal. Osim toga, za alkine postoje i međurazredni izomeri, koji su dienovi ugljikovodici.
Za ugljikovodike koji imaju trostruku vezu moguće je sastaviti izomere ugljikovog kostura, napisati formule diena, a također razmotriti spojeve s različitim položajima višestruke veze.
Zaključak
Prilikom sastavljanja strukturnih formula organskih tvari moguće je rasporediti atome kisika i ugljika na različite načine, dobivajući tvari koje se nazivaju izomeri. Ovisno o specifičnostima klase organskih spojeva, broj izomera može biti različit. Na primjer, za ugljikovodike ograničavajuće serije, koji uključuju spojeve serije metana, karakteristična je samo strukturna izomerija.
Za homologe etilena, koje karakterizira prisutnost višestruke (dvostruke) veze, osim strukturnih izomera, može se uzeti u obzir i izomerija položaja višestruke veze. Osim toga, druga jedinjenja koja pripadaju klasi cikloalkana imaju istu opštu formulu, odnosno moguća je međuklasna izomerija.
Za tvari s kisikom, na primjer za karboksilne kiseline, također možete napisati formule optičkih izomera.