Ιδιότητες δομικών ισομερών.

Σε αυτό το άρθρο θα μιλήσουμε για δομικά ισομερή, χαρακτηριστικά της δομής τους και τύπους ισομερισμού. Θα αναλύσουμε λεπτομερώς το ίδιο το φαινόμενο της ισομέρειας, και θα δώσουμε επίσης παραδείγματα χρήσης τους στη ζωή.

Το φαινόμενο της ισομέρειας

Η ισομέρεια είναι ένα ιδιαίτερο φαινόμενο που προκαθορίζει την ύπαρξη χημικών. ενώσεις, αυτά τα ίδια ισομερή, ουσίες με ταυτόσημες ατομικές συνθέσεις και μοριακά βάρη, που διαφέρουν μόνο στην ατομική διάταξη στο χώρο ή στη δομή τους, γεγονός που οδηγεί σε αλλαγή και απόκτηση διαφορετικών, νέων ιδιοτήτων. Δομικά ισομερή- αυτές είναι ουσίες που σχηματίζονται ως αποτέλεσμα μιας τέτοιας αλλαγής στη θέση των ατόμων τους στο διάστημα, η οποία θα συζητηθεί λεπτομερέστερα παρακάτω.

Μιλώντας για το ισομερισμό, αξίζει να θυμηθούμε την ύπαρξη μιας τέτοιας διαδικασίας όπως ο ισομερισμός, η οποία είναι η διαδικασία μετάβασης ενός ισομερούς σε άλλο ως αποτέλεσμα χημικών αντιδράσεων. μεταμορφώσεις.

Τύποι ισομερισμού

Ο ισομερισμός σθένους είναι ένας τύπος δομής ισομερών στα οποία η μεταφορά των ίδιων των ισομερών (το ένα στο άλλο) είναι δυνατή ως αποτέλεσμα της ανακατανομής των δεσμών σθένους.

Ο ισομερισμός θέσης είναι ένας τύπος ουσίας με πανομοιότυπο σκελετό άνθρακα αλλά διαφορετική θέση των λειτουργικών ομάδων. Ένα εντυπωσιακό παράδειγμα είναι τα 2- και 4-οξέα του χλωροβουτανίου.

Η ενδοταξική ισομέρεια κρύβει τη διαφορά της μεταξύ των ισομερών στη φύση των λειτουργικών ομάδων.

Μεταμερισμός είναι η κατανομή της θέσης των ατόμων άνθρακα μεταξύ ενός ορισμένου αριθμού ριζών άνθρακα, με το ετεροάτομο του μορίου να χρησιμεύει ως διαχωριστής. Αυτός ο τύπος ισομερισμού είναι χαρακτηριστικός για τις αμίνες, τις θειοαλκοόλες και τους αιθέρες, απλούς και σύνθετους.

Η ισομέρεια του σκελετού άνθρακα είναι η διαφορά στη θέση των ατόμων άνθρακα, ή μάλλον στη σειρά τους. Για παράδειγμα: το φαινανθρένιο και το ανθρακένιο έχουν γενικός τύπος C14H10, αλλά διαφορετικού τύπουανακατανομή των δεσμών σθένους.

Δομικά ισομερή

Τα δομικά ισομερή είναι ουσίες που έχουν παρόμοιο τύπο της δομής της ουσίας, αλλά διαφέρουν ως προς τον τύπο του μορίου. Δομικά ισομερή είναι εκείνα που είναι πανομοιότυπα μεταξύ τους σε ποσοτική και ποιοτική σύσταση, αλλά η σειρά των ατομικών δεσμών ( χημική δομή) έχει διαφορές.

Τα δομικά ισομερή ταξινομούνται ανάλογα με τον τύπο της ισομετρικής δομής, οι τύποι των οποίων δίνονται παραπάνω στην παράγραφο για τους τύπους ισομερισμού.

Ο δομικός τύπος του ισομερούς της ουσίας έχει ένα ευρύ φάσμα τροποποιήσεων. Μερικά παραδείγματα ισομερισμού είναι ουσίες όπως το βουτανικό οξύ, το 2-μεθυλοπροπανοϊκό οξύ, ο προπιονικός μεθυλεστέρας, το διοξάνιο, ο οξικός αιθυλεστέρας, ο μυρμηκικός ισοπροπυλεστέρας, που έχουν την ίδια σύνθεση και των τριών τύπων ατόμων στην ουσία, αλλά διαφέρουν στη θέση των ατόμων στην ίδια την ένωση.

Αλλο λαμπρό παράδειγμαισομερισμός είναι η ύπαρξη πεντανίου, νεοπεντανίου και ισοπεντανίου.

Ονόματα ισομερών

Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, τα δομικά ισομερή είναι ουσίες που έχουν παρόμοιο τύπο στη δομή της ουσίας, αλλά διαφέρουν στον τύπο του μορίου. Τέτοιες ενώσεις έχουν μια ταξινόμηση που αντιστοιχεί στα χαρακτηριστικά των ιδιοτήτων τους, τη δομή και τη θέση των ατόμων στο μόριο ισομερούς, τις διαφορές στον αριθμό των λειτουργικών ομάδων, τους δεσμούς σθένους, την παρουσία ατόμων ενός συγκεκριμένου στοιχείου στην ουσία κ.λπ. Τα δομικά ισομερή ονομάζονται διαφορετικοί τρόποι. Ας το εξετάσουμε χρησιμοποιώντας το παράδειγμα της 3-μεθυλοβουτανόλης 1, ως αντιπροσώπου των αλκοολών.

Στην περίπτωση των αλκοολών, όταν λαμβάνεται η ονομασία των αλκοολών, όλα ξεκινούν με την επιλογή της ανθρακικής αλυσίδας, που είναι κυρίαρχη, και πραγματοποιείται αρίθμηση, σκοπός της οποίας είναι να εκχωρηθεί στην ομάδα ΟΗ ο μικρότερος δυνατός αριθμός, λαμβάνοντας υπόψη υπολογίστε την παραγγελία. Το ίδιο το όνομα αρχίζει με έναν υποκαταστάτη στην ανθρακική αλυσίδα, μετά ακολουθεί το όνομα της κύριας αλυσίδας και στη συνέχεια προστίθεται το επίθημα -ol και ο αριθμός υποδεικνύει το άτομο άνθρακα που σχετίζεται με την ομάδα ΟΗ.

Αυτή η δημοσίευση απευθύνεται σε μαθητές των τάξεων 10-11 και σε υποψήφιους που δίνουν εξετάσεις χημείας στο Έντυπο Ενιαίας Κρατικής Εξέτασης. Οι εργασίες κατάρτισης θα σας επιτρέψουν να προετοιμαστείτε συστηματικά για τις εξετάσεις ενώ εξετάζετε το θέμα.
ΣΕ ΤΕΤΡΑΔΙΟ ΕΡΓΑΣΙΩΝπαρουσίασε:
αναθέσεις των μερών Α, Β και Γ για όλους Θέματα Ενιαίας Κρατικής Εξεταστικής;
απαντήσεις σε όλες τις εργασίες.
Το βιβλίο θα είναι χρήσιμο στους καθηγητές χημείας, καθώς καθιστά δυνατή την αποτελεσματική οργάνωση της προετοιμασίας των μαθητών για ενιαία εξέτασηαπευθείας στην τάξη, στη διαδικασία μελέτης όλων των θεμάτων.

Παραδείγματα.
Οι κορεσμένοι υδρογονάνθρακες χαρακτηρίζονται από αντιδράσεις
1) αντικατάσταση
2) προσχωρήσεις
3) αφυδρογόνωση
4) αφυδάτωση
5) ισομερισμός
6) πολυμερισμός

Επιλέξτε χαρακτηριστικά χαρακτηριστικά των δομικών ισομερών.
Α) διάφορα Χημικές ιδιότητες
Β) παρόμοιες χημικές ιδιότητες
Β) διαφορετική δομή
ΣΟΛ) ίδια δομή
Ε) την ίδια ποσοτική σύνθεση
Ζ) διάφορα φυσικές ιδιότητες
3) πανομοιότυπες φυσικές ιδιότητες

Επιλέξτε τα χαρακτηριστικά χαρακτηριστικά των ομολόγων.
Α) τις ίδιες φυσικές ιδιότητες
Β) διάφορες φυσικές ιδιότητες
Β) ίδιες και διαφορετικές χημικές ιδιότητες
Δ) την ίδια ποσοτική σύνθεση
Δ) διαφορετική ποσοτική σύνθεση
Ε) πανομοιότυπη δομή
Ζ) παρόμοια δομή
3) διαφορετική δομή

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΟ
ΕΙΣΑΓΩΓΗ 3
ΚΑΘΗΚΟΝΤΑ ΕΚΠΑΙΔΕΥΣΗΣ ΑΝΑ ΘΕΜΑ. 10η ΤΑΞΗ 5η
Θέμα 1. Βασικές αρχές και κατευθύνσεις ανάπτυξης της θεωρίας της χημικής δομής των οργανικών ουσιών Α.Μ. Μπουτλέροφ. Κορεσμένοι υδρογονάνθρακες 5
Θέμα 2. Ακόρεστοι υδρογονάνθρακες 10
Θέμα 3. Αρωματικοί υδρογονάνθρακες 14
Θέμα 4. Φυσικές πηγέςυδρογονάνθρακες. Αλκοόλ. Φαινόλες 18
Θέμα 5. Αλδεΰδες και καρβοξυλικά οξέα 23
Θέμα 6. Εστέρες. Λίπη. Υδατάνθρακες 28
Θέμα 7. Αμίνες. Αμινοξέα 33
Θέμα 8. Πρωτεΐνες. Αμινοξέα. Ενώσεις υψηλού μοριακού βάρους 37
ΚΑΘΗΚΟΝΤΑ ΕΚΠΑΙΔΕΥΣΗΣ ΑΝΑ ΘΕΜΑ. 11η ΤΑΞΗ 41
Θέμα 1. Περιοδικός νόμοςΚαι Περιοδικός Πίνακας χημικά στοιχεία DI. Μεντελέεφ. Ατομική δομή 41
Θέμα 2. Δομή της ύλης (τύποι χημικών δεσμών, τύποι κρυσταλλικά πλέγματα, κατάσταση οξείδωσης) 46
Θέμα 3. Διαφορετικότητα ανόργανες ουσίες, τις τάξεις και τις ιδιότητές τους. Αλλοτροπία 50
Θέμα 4. Ηλεκτρολυτική διάστασηάλατα, οξέα, αλκάλια. Αντιδράσεις ανταλλαγής ιόντων. Υδρόλυση αλάτων 55
Θέμα 5. Είδη χημικών αντιδράσεων. Αντιδράσεις οξειδοαναγωγής. Έννοια της ταχύτητας χημική αντίδραση. Αναστρέψιμες αντιδράσεις 59
Θέμα 6. Μέταλλα. Μέθοδοι λήψης μετάλλων. Ηλεκτρόλυση 64
Θέμα 7. Μη μέταλλα 69
ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΣΤΙΣ ΕΡΓΑΣΙΕΣ ΕΚΠΑΙΔΕΥΣΗΣ ΑΝΑ ΘΕΜΑ. 10η ΤΑΞΗ 73
ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΣΤΙΣ ΕΡΓΑΣΙΕΣ ΕΚΠΑΙΔΕΥΣΗΣ ΑΝΑ ΘΕΜΑ. 11η ΤΑΞΗ 83
ΛΟΓΟΤΕΧΝΙΑ 94.

ΔΩΡΕΑΝ Λήψη ηλεκτρονικό βιβλίοσε βολική μορφή, παρακολουθήστε και διαβάστε:
Κατεβάστε το βιβλίο Unified State Exam 2013, Chemistry, Thematic training tasks, Sokolova I.A., 2012 - fileskachat.com, γρήγορη και δωρεάν λήψη.

Λήψη pdf
Παρακάτω μπορείτε να αγοράσετε αυτό το βιβλίο στην καλύτερη τιμή με έκπτωση με παράδοση σε όλη τη Ρωσία.

Το περιεχόμενο του άρθρου

ΙΣΟΜΕΡΙΑ(Ελληνικά isos - πανομοιότυπο, meros - part) είναι μια από τις πιο σημαντικές έννοιες στη χημεία, κυρίως στην οργανική. Οι ουσίες μπορεί να έχουν την ίδια σύνθεση και μοριακό βάρος, αλλά διαφορετικές δομές και ενώσεις που περιέχουν τα ίδια στοιχεία στην ίδια ποσότητα, αλλά διαφέρουν στη χωρική διάταξη των ατόμων ή ομάδων ατόμων, ονομάζονται ισομερή. Ο ισομερισμός είναι ένας από τους λόγους που οι οργανικές ενώσεις είναι τόσο πολλές και ποικίλες.

Ο ισομερισμός ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά από τον J. Liebig το 1823, ο οποίος διαπίστωσε ότι τα άλατα αργύρου των κεραυνών και των ισοκυανικών οξέων: Ag-O-N=C και Ag-N=C=O έχουν την ίδια σύνθεση, αλλά διαφορετικές ιδιότητες. Ο όρος «Ισομέρεια» εισήχθη το 1830 από τον I. Berzelius, ο οποίος πρότεινε ότι οι διαφορές στις ιδιότητες των ενώσεων της ίδιας σύνθεσης προκύπτουν λόγω του γεγονότος ότι τα άτομα στο μόριο είναι διατεταγμένα με διαφορετική σειρά. Η ιδέα του ισομερισμού διαμορφώθηκε τελικά αφού ο A.M Butlerov δημιούργησε τη θεωρία της χημικής δομής (δεκαετία 1860). Με βάση αυτή τη θεωρία, πρότεινε ότι θα πρέπει να υπάρχουν τέσσερις διαφορετικές βουτανόλες (Εικ. 1). Μέχρι τη στιγμή που δημιουργήθηκε η θεωρία, ήταν γνωστή μόνο μία βουτανόλη (CH 3) 2 CHCH 2 OH, που ελήφθη από φυτικά υλικά.

Ρύζι. 1. Ισομερή βουτανόλης

Η επακόλουθη σύνθεση όλων των ισομερών βουτανόλης και ο προσδιορισμός των ιδιοτήτων τους έγινε πειστική επιβεβαίωση της θεωρίας.

Σύμφωνα με σύγχρονος ορισμόςδύο ενώσεις της ίδιας σύνθεσης θεωρούνται ισομερή εάν τα μόριά τους δεν μπορούν να συνδυαστούν στο χώρο έτσι ώστε να συμπίπτουν πλήρως. Ο συνδυασμός γίνεται συνήθως διανοητικά, σε δύσκολες περιπτώσειςχρησιμοποιούν χωρικά μοντέλα ή μεθόδους υπολογισμού.

Υπάρχουν διάφοροι λόγοι για ισομερισμό.

ΔΟΜΙΚΟΣ ΙΣΟΜΕΡΙΣΜΟΣ

Κατά κανόνα, προκαλείται από διαφορές στη δομή του σκελετού υδρογονάνθρακα ή άνιση διάταξη λειτουργικών ομάδων ή πολλαπλών δεσμών.

Ισομερισμός του υδρογονανθρακικού σκελετού.

Οι κορεσμένοι υδρογονάνθρακες που περιέχουν από ένα έως τρία άτομα άνθρακα (μεθάνιο, αιθάνιο, προπάνιο) δεν έχουν ισομερή. Για μια ένωση με τέσσερα άτομα άνθρακα C 4 H 10 (βουτάνιο), είναι δυνατά δύο ισομερή, για το πεντάνιο C 5 H 12 - τρία ισομερή, για το εξάνιο C 6 H 14 - πέντε (Εικ. 2):

Ρύζι. 2. Ισομερή των απλούστερων υδρογονανθράκων

Καθώς ο αριθμός των ατόμων άνθρακα σε ένα μόριο υδρογονάνθρακα αυξάνεται, ο αριθμός των πιθανών ισομερών αυξάνεται δραματικά. Για το επτάνιο C 7 H 16 υπάρχουν εννέα ισομερή, για τον υδρογονάνθρακα C 14 H 30 υπάρχουν 1885 ισομερή, για τον υδρογονάνθρακα C 20 H 42 υπάρχουν πάνω από 366.000.

Σε πολύπλοκες περιπτώσεις, το ερώτημα εάν δύο ενώσεις είναι ισομερή επιλύεται χρησιμοποιώντας διάφορες περιστροφές γύρω από τους δεσμούς σθένους (οι απλοί δεσμοί το επιτρέπουν, κάτι που σε κάποιο βαθμό αντιστοιχεί στις φυσικές τους ιδιότητες). Αφού μετακινηθούν μεμονωμένα θραύσματα του μορίου (χωρίς να σπάσουν οι δεσμοί), το ένα μόριο υπερτίθεται σε ένα άλλο (Εικ. 3). Εάν δύο μόρια είναι εντελώς πανομοιότυπα, τότε αυτά δεν είναι ισομερή, αλλά η ίδια ένωση:

Τα ισομερή που διαφέρουν ως προς τη σκελετική δομή έχουν συνήθως διαφορετικές φυσικές ιδιότητες (σημείο τήξης, σημείο βρασμού κ.λπ.), γεγονός που καθιστά δυνατό το διαχωρισμό του ενός από το άλλο. Αυτός ο τύπος ισομέρειας υπάρχει επίσης σε αρωματικούς υδρογονάνθρακες(Εικ. 4):

Ρύζι. 4. Αρωματικά ισομερή

Ισομέρεια θέσης.

Ένας άλλος τύπος δομικού ισομερισμού, ο ισομερισμός θέσης, εμφανίζεται σε περιπτώσεις όπου λειτουργικές ομάδες, μεμονωμένα ετεροάτομα ή πολλαπλοί δεσμοί βρίσκονται σε διαφορετικά σημεία στον υδρογονανθρακικό σκελετό. Τα δομικά ισομερή μπορεί να ανήκουν σε διαφορετικές τάξεις ΟΡΓΑΝΙΚΕΣ ΕΝΩΣΕΙΣ, επομένως μπορούν να διαφέρουν όχι μόνο σε φυσικές, αλλά και σε χημικές ιδιότητες. Στο Σχ. Το σχήμα 5 δείχνει τρία ισομερή για την ένωση C 3 H 8 O, δύο από αυτά είναι αλκοόλες και το τρίτο είναι ένας αιθέρας

Ρύζι. 5. Τοποθέτηση ισομερών

Συχνά, οι διαφορές στη δομή των ισομερών θέσης είναι τόσο προφανείς που δεν είναι καν απαραίτητος ο νοητικός συνδυασμός τους στο χώρο, για παράδειγμα, τα ισομερή του βουτενίου ή του διχλωροβενζολίου (Εικ. 6):

Ρύζι. 6. Ισομερή βουτενίου και διχλωροβενζολίου

Μερικές φορές τα δομικά ισομερή συνδυάζουν τα χαρακτηριστικά του ισομερισμού του σκελετού υδρογονάνθρακα και του ισομερισμού θέσης (Εικ. 7).

Ρύζι. 7. Συνδυασμός δύο τύπων δομικής ισομέρειας

Σε θέματα ισομέρειας, οι θεωρητικές σκέψεις και το πείραμα είναι αλληλένδετα. Εάν οι εκτιμήσεις δείχνουν ότι τα ισομερή δεν μπορούν να υπάρχουν, τότε τα πειράματα θα πρέπει να δείχνουν το ίδιο. Εάν οι υπολογισμοί υποδεικνύουν έναν ορισμένο αριθμό ισομερών, τότε μπορεί να ληφθεί ο ίδιος αριθμός ή λιγότερα από αυτά, αλλά όχι περισσότερα - δεν μπορούν να ληφθούν όλα τα θεωρητικά υπολογισμένα ισομερή, καθώς οι διατομικές αποστάσεις ή οι γωνίες δεσμών στο προτεινόμενο ισομερές μπορεί να είναι εκτός των επιτρεπόμενων ορίων . Για μια ουσία που περιέχει έξι ομάδες CH (για παράδειγμα, βενζόλιο), είναι θεωρητικά δυνατά 6 ισομερή (Εικ. 8).

Ρύζι. 8. Ισομερή βενζολίου

Τα πρώτα πέντε από τα δεικνυόμενα ισομερή υπάρχουν (το δεύτερο, τρίτο, τέταρτο και πέμπτο ισομερή ελήφθησαν σχεδόν 100 χρόνια μετά την καθιέρωση της δομής του βενζολίου). Το τελευταίο ισομερές πιθανότατα δεν θα ληφθεί ποτέ. Αντιπροσωπευόμενο ως εξάγωνο, είναι το λιγότερο πιθανό να σχηματιστεί και οι παραμορφώσεις του έχουν ως αποτέλεσμα δομές με τη μορφή ενός λοξότμητου πρίσματος, ενός τρίκτινου αστέρα, μιας ημιτελούς πυραμίδας και μιας διπλής πυραμίδας (ημιτελές οκτάεδρο). Κάθε μία από αυτές τις επιλογές περιέχει είτε πολύ διαφορετικό μέγεθος Συνδέσεις S-S, ή πολύ παραμορφωμένες γωνίες δεσμού (Εικ. 9):

Οι χημικοί μετασχηματισμοί ως αποτέλεσμα των οποίων τα δομικά ισομερή μετατρέπονται το ένα στο άλλο ονομάζονται ισομερισμός.

Στερεοισομερεία

προκύπτει λόγω της διαφορετικής διάταξης των ατόμων στο χώρο με την ίδια τάξη δεσμών μεταξύ τους.

Ένας τύπος στερεοϊσομέρειας είναι ο cis-trans ισομερισμός (cis - λατ. στη μια πλευρά, trans - λατ. μέσω, από διαφορετικές πλευρές) παρατηρείται σε ενώσεις που περιέχουν πολλαπλούς δεσμούς ή επίπεδους δακτυλίους. Σε αντίθεση με έναν απλό δεσμό, ένας πολλαπλός δεσμός δεν επιτρέπει μεμονωμένα θραύσματα του μορίου να περιστρέφονται γύρω του. Προκειμένου να προσδιοριστεί ο τύπος του ισομερούς, ένα επίπεδο έλκεται νοερά μέσω του διπλού δεσμού και στη συνέχεια αναλύεται ο τρόπος που τοποθετούνται οι υποκαταστάτες σε σχέση με αυτό το επίπεδο. Αν πανομοιότυπες ομάδες βρίσκονται στην ίδια πλευρά του επιπέδου, τότε αυτό cis-ισομερές, εάν βρίσκεται σε αντίθετες πλευρές - έκσταση-ισομέρεια:

ΦΥΣΙΚΕΣ ΚΑΙ ΧΗΜΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ cis- Και έκσταση-Τα ισομερή είναι μερικές φορές αισθητά διαφορετικά στο μηλεϊνικό οξύ, οι καρβοξυλικές ομάδες -COOH είναι χωρικά κοντινές, μπορούν να αντιδράσουν (Εικ. 11), σχηματίζοντας ανυδρίτη μηλεϊνικού οξέος (αυτή η αντίδραση δεν συμβαίνει για το φουμαρικό οξύ):

Ρύζι. 11. Σχηματισμός μηλεϊνικού ανυδρίτη

Στην περίπτωση των επίπεδων κυκλικών μορίων, δεν είναι απαραίτητο να σχεδιάσετε διανοητικά ένα επίπεδο, καθώς αυτό δίνεται ήδη από το σχήμα του μορίου, όπως, για παράδειγμα, στις κυκλικές σιλοξάνες (Εικ. 12):

Ρύζι. 12. Ισομερή κυκλοσιλοξάνης

Σε σύνθετες μεταλλικές ενώσεις cis-ισομερές είναι μια ένωση στην οποία δύο όμοιες ομάδες, από αυτές που περιβάλλουν το μέταλλο, βρίσκονται κοντά, μέσα έκσταση-ισομερές, διαχωρίζονται από άλλες ομάδες (Εικ. 13):

Ρύζι. 13. Ισομερή συμπλόκου κοβαλτίου

Ο δεύτερος τύπος στερεοϊσομέρειας, ο οπτικός ισομερισμός, εμφανίζεται σε περιπτώσεις όπου δύο ισομερή (σύμφωνα με τον ορισμό που διατυπώθηκε προηγουμένως, δύο μόρια που δεν είναι συμβατά στο διάστημα) αντιπροσωπεύουν καθρέφτηςο ένας τον άλλον. Αυτή η ιδιότητα κατέχεται από μόρια που μπορούν να αναπαρασταθούν ως ένα μόνο άτομο άνθρακα που έχει τέσσερις διαφορετικούς υποκαταστάτες. Τα σθένη του κεντρικού ατόμου άνθρακα που είναι δεσμευμένα σε τέσσερις υποκαταστάτες κατευθύνονται προς τις κορυφές ενός νοητικού τετραέδρου - ενός κανονικού τετραέδρου ( εκ.ΚΟΧΙΑΚΗ) και στερεώνεται άκαμπτα. Τέσσερις άνισοι υποκαταστάτες φαίνονται στο Σχ. 14 με τη μορφή τεσσάρων μπάλες με διαφορετικά χρώματα:

Ρύζι. 14. Άτομο άνθρακα με τέσσερις διαφορετικούς υποκαταστάτες

Να ανακαλύψουν πιθανή εκπαίδευσηΤο οπτικό ισομερές πρέπει (Εικ. 15) να ανακλάται από το μόριο σε έναν καθρέφτη, στη συνέχεια η κατοπτρική εικόνα πρέπει να ληφθεί ως πραγματικό μόριο, να τοποθετηθεί κάτω από το αρχικό έτσι ώστε οι κάθετοι άξονές τους να συμπίπτουν και το δεύτερο μόριο πρέπει να περιστρέφεται γύρω από κάθετος άξοναςέτσι ώστε η κόκκινη σφαίρα του άνω και του κάτω μορίου να βρίσκονται το ένα κάτω από το άλλο. Ως αποτέλεσμα, η θέση μόνο δύο μπάλων, μπεζ και κόκκινου, συμπίπτει (σημειώνεται με διπλά βέλη). Εάν περιστρέψετε το κατώτερο μόριο έτσι ώστε οι μπλε μπάλες να ευθυγραμμιστούν, τότε η θέση μόνο δύο σφαιρών θα συμπέσει ξανά - μπεζ και μπλε (επίσης σημειώνονται με διπλά βέλη). Όλα γίνονται προφανή αν αυτά τα δύο μόρια συνδυάζονται διανοητικά στο διάστημα, βάζοντας το ένα στο άλλο, σαν ένα μαχαίρι σε μια θήκη, η κόκκινη και η πράσινη μπάλα δεν συμπίπτουν:

Για οποιονδήποτε αμοιβαίο προσανατολισμό στο διάστημα, δύο τέτοια μόρια δεν μπορούν να επιτύχουν πλήρη σύμπτωση όταν συνδυάζονται, αυτά είναι ισομερή. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι εάν το κεντρικό άτομο άνθρακα δεν έχει τέσσερις, αλλά μόνο τρεις διαφορετικούς υποκαταστάτες (δηλαδή, δύο από αυτούς είναι ίδιοι), τότε όταν ένα τέτοιο μόριο ανακλάται σε έναν καθρέφτη, δεν σχηματίζεται οπτικό ισομερές, αφού το μόριο και η ανάκλασή του μπορούν να συνδυαστούν στο χώρο (Εικ. . 16):

Εκτός από τον άνθρακα, άλλα άτομα μπορούν να λειτουργήσουν ως ασύμμετρα κέντρα, στα οποία ομοιοπολικούς δεσμούςκατευθύνεται προς τις γωνίες του τετραέδρου, για παράδειγμα, πυρίτιο, κασσίτερο, φώσφορο.

Ο οπτικός ισομερισμός εμφανίζεται όχι μόνο στην περίπτωση ενός ασύμμετρου ατόμου, αλλά πραγματοποιείται επίσης σε ορισμένα μόρια πλαισίου παρουσία ορισμένου αριθμού διαφορετικών υποκαταστατών. Για παράδειγμα, το πλαίσιο υδρογονάνθρακα αδαμαντάνιο, το οποίο έχει τέσσερις διαφορετικούς υποκαταστάτες (Εικ. 17), μπορεί να έχει ένα οπτικό ισομερές, με ολόκληρο το μόριο να παίζει το ρόλο ενός ασύμμετρου κέντρου, το οποίο γίνεται προφανές εάν το πλαίσιο αδαμαντάνιο συστέλλεται νοητικά σε ένα σημείο . Ομοίως, η σιλοξάνη, η οποία έχει κυβική δομή (Εικ. 17), γίνεται επίσης οπτικά ενεργή στην περίπτωση τεσσάρων διαφορετικών υποκαταστατών:

Ρύζι. 17. Οπτικά ενεργά μόρια ικριώματος

Επιλογές είναι δυνατές όταν το μόριο δεν περιέχει ένα ασύμμετρο κέντρο, ακόμη και σε κρυφή μορφή, αλλά μπορεί το ίδιο να είναι γενικά ασύμμετρο, και οπτικά ισομερή είναι επίσης δυνατά. Για παράδειγμα, σε μια ένωση συμπλόκου βηρυλλίου, δύο κυκλικά θραύσματα βρίσκονται σε αμοιβαία κάθετα επίπεδα, σε αυτήν την περίπτωση, δύο διαφορετικοί υποκαταστάτες είναι αρκετοί για να ληφθεί ένα οπτικό ισομερές (Εικ. 18). Για ένα μόριο σιδηροκενίου, το οποίο έχει το σχήμα ενός πενταεδρικού πρίσματος, χρειάζονται τρεις υποκαταστάτες για τον ίδιο σκοπό, το άτομο υδρογόνου σε αυτή την περίπτωση παίζει το ρόλο ενός από τους υποκαταστάτες (Εικ. 18):

Ρύζι. 18. Οπτική ισομέρεια ασύμμετρων μορίων

Στις περισσότερες περιπτώσεις δομικός τύποςΗ σύνδεση σάς επιτρέπει να κατανοήσετε τι ακριβώς πρέπει να αλλάξει για να γίνει η ουσία οπτικά ενεργή.

Οι συνθέσεις οπτικά ενεργών στερεοϊσομερών παράγουν συνήθως ένα μείγμα δεξτρο- και αριστερόστροφων ενώσεων. Ο διαχωρισμός των ισομερών πραγματοποιείται με την αντίδραση ενός μίγματος ισομερών με αντιδραστήρια (συνήθως φυσικής προέλευσης) που περιέχουν ένα ασύμμετρο κέντρο αντίδρασης. Μερικοί ζωντανοί οργανισμοί, συμπεριλαμβανομένων των βακτηρίων, μεταβολίζουν κατά προτίμηση αριστερόστροφα ισομερή.

Διεργασίες (που ονομάζονται ασύμμετρη σύνθεση) έχουν πλέον αναπτυχθεί για να παράγουν συγκεκριμένα ένα συγκεκριμένο οπτικό ισομερές.

Υπάρχουν αντιδράσεις που σας επιτρέπουν να μετατρέψετε ένα οπτικό ισομερές στον αντίποδά του ( εκ. ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ WALDEN).

Μιχαήλ Λεβίτσκι

Διαλέξεις για φοιτητές της Παιδιατρικής Σχολής

Διάλεξη2

Θέμα: Χωρική δομή οργανικών ενώσεων

Στόχος:γνωριμία με τα είδη της δομικής και χωρικής ισομέρειας των οργανικών ενώσεων.

Σχέδιο:

Ταξινόμηση ισομερισμού.

Δομική ισομέρεια.

Χωρική ισομέρεια

Οπτικός ισομερισμός

Οι πρώτες προσπάθειες κατανόησης της δομής των οργανικών μορίων χρονολογούνται στις αρχές του 19ου αιώνα. Το φαινόμενο της ισομέρειας ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά από τον J. Berzelius και ο A. M. Butlerov το 1861 πρότεινε μια θεωρία για τη χημική δομή των οργανικών ενώσεων, η οποία εξηγούσε το φαινόμενο της ισομέρειας.

Ισομερισμός είναι η ύπαρξη ενώσεων με την ίδια ποιοτική και ποσοτική σύσταση, αλλά διαφορετική δομή ή θέση στο χώρο και οι ίδιες οι ουσίες ονομάζονται ισομερή.

Ταξινόμηση ισομερών

Κατασκευαστικός

(διαφορετική σειρά σύνδεσης ατόμων)

Στερεοισομερεία

(διαφορετική διάταξη ατόμων στο διάστημα)

Πολλαπλές διατάξεις σύνδεσης

Διατάξεις Λειτουργικής Ομάδας

Διαμόρφωση

Conforma-

Δομική ισομέρεια.

Τα δομικά ισομερή είναι ισομερή που έχουν την ίδια ποιοτική και ποσοτική σύνθεση, αλλά διαφέρουν ως προς τη χημική τους δομή.

Ο δομικός ισομερισμός καθορίζει την ποικιλομορφία των οργανικών ενώσεων, συγκεκριμένα αλκάνια. Με αύξηση του αριθμού των ατόμων άνθρακα στα μόριααλκάνια, ο αριθμός των δομικών ισομερών αυξάνεται γρήγορα. Έτσι, για το εξάνιο (C 6 H 14) είναι 5, για το εννεάνιο (C 9 H 20) - 35.

Τα άτομα άνθρακα διαφέρουν ως προς τη θέση τους στην αλυσίδα. Το άτομο άνθρακα στην αρχή της αλυσίδας συνδέεται με ένα άτομο άνθρακα και ονομάζεται πρωταρχικός.Ένα άτομο άνθρακα συνδεδεμένο με δύο άτομα άνθρακα - δευτερεύων, με τρεις - τριτογενής, με τέσσερα - τετραδικός. Τα αλκάνια ευθείας αλυσίδας περιέχουν μόνο πρωτεύοντα και δευτερεύοντα άτομα άνθρακα, ενώ τα αλκάνια διακλαδισμένης αλυσίδας περιέχουν τόσο τριτοταγή όσο και τεταρτοταγή άτομα άνθρακα.

Τύποι δομικού ισομερισμού.

Μεταμερή– ενώσεις που ανήκουν στην ίδια κατηγορία ενώσεων, αλλά έχουν διαφορετικές ρίζες:

H 3 C – O – C 3 H 7 – μεθυλπροπυλαιθέρας,

H 5 C 2 – O – C 2 H 5 – διαιθυλαιθέρας

Διαταξική ισομέρεια.Παρά την ίδια ποιοτική και ποσοτική σύνθεση των μορίων, η δομή των ουσιών είναι διαφορετική.

Για παράδειγμα: οι αλδεΰδες είναι ισομερείς προς τις κετόνες:

Αλκύνια – αλκαδιένια

H 2 C = CH – CH = CH 2 βουταδιένιο -1,3 HC = C - CH 2 – CH 3 – βουτίνη-1

Ο δομικός ισομερισμός καθορίζει επίσης την ποικιλομορφία των ριζών υδρογονανθράκων. Η ισομέρεια των ριζών ξεκινά με το προπάνιο, για το οποίο είναι πιθανές δύο ρίζες. Εάν ένα άτομο υδρογόνου αφαιρεθεί από το πρωτογενές άτομο άνθρακα, λαμβάνεται η ρίζα προπυλ (n-προπυλ). Εάν ένα άτομο υδρογόνου αφαιρεθεί από ένα δευτερεύον άτομο άνθρακα, λαμβάνεται η ρίζα ισοπροπυλίου.

-

ισοπροπυλ

CH 2 – CH 2 – CH 3 - κόψιμο

Χωρική ισομέρεια (στερεοϊσομέρεια)

Πρόκειται για την ύπαρξη ισομερών που έχουν την ίδια σύνθεση και τη σειρά σύνδεσης των ατόμων, αλλά διαφέρουν ως προς τη φύση της διάταξης των ατόμων ή ομάδων ατόμων στο χώρο μεταξύ τους.

Αυτός ο τύπος ισομέρειας περιγράφηκε από τους L. Pasteur (1848), J. Van't Hoff, Le Bel (1874).

Σε πραγματικές συνθήκες, το ίδιο το μόριο και τα επιμέρους μέρη του (άτομα, ομάδες ατόμων) βρίσκονται σε κατάσταση δονητικής-περιστροφικής κίνησης και αυτή η κίνηση αλλάζει πολύ τη σχετική διάταξη των ατόμων στο μόριο. Αυτή τη στιγμή εμφανίζεται διάταση χημικοί δεσμοίκαι αλλαγές στις γωνίες των δεσμών και έτσι προκύπτουν διαφορετικές διαμορφώσεις και διαμορφώσεις των μορίων.

Επομένως, τα χωρικά ισομερή χωρίζονται σε δύο τύπους: διαμορφωτικά και διαμορφωτικά.

Οι διαμορφώσεις είναι η σειρά με την οποία τα άτομα είναι διατεταγμένα στο χώρο χωρίς να λαμβάνονται υπόψη οι διαφορές που προκύπτουν από την περιστροφή γύρω από απλούς δεσμούς.Αυτά τα ισομερή υπάρχουν σε διαφορετικές διαμορφώσεις.

Οι διαμορφώσεις είναι πολύ ασταθείς δυναμικές μορφές του ίδιου μορίου που προκύπτουν ως αποτέλεσμα της περιστροφής ατόμων ή ομάδων ατόμων γύρω από απλούς δεσμούς, με αποτέλεσμα τα άτομα να καταλαμβάνουν διαφορετικές χωρικές θέσεις. Κάθε διαμόρφωση ενός μορίου χαρακτηρίζεται από μια συγκεκριμένη διαμόρφωση.

Ο δεσμός b επιτρέπει την περιστροφή γύρω από αυτόν, επομένως ένα μόριο μπορεί να έχει πολλές διαμορφώσεις. Από τις πολλές διαμορφώσεις, μόνο έξι λαμβάνονται υπόψη, γιατί Ως ελάχιστη γωνία περιστροφής θεωρείται γωνία ίση με 60°, η οποία ονομάζεται γωνία στρέψης.

Υπάρχουν: διαμορφώσεις έκλειψης και αναστολής.

Έκλειψη διαμόρφωση συμβαίνει όταν πανομοιότυποι υποκαταστάτες βρίσκονται σε ελάχιστη απόσταση μεταξύ τους και προκύπτουν αμοιβαίες δυνάμεις απώθησης μεταξύ τους και το μόριο πρέπει να έχει μεγάλη παροχή ενέργειας για να διατηρήσει αυτή τη διαμόρφωση. Αυτή η διαμόρφωση είναι ενεργειακά δυσμενής.

Ανασταλμένη διαμόρφωση - εμφανίζεται όταν πανομοιότυποι υποκαταστάτες είναι όσο το δυνατόν πιο μακριά ο ένας από τον άλλο και το μόριο έχει ένα ελάχιστο απόθεμα ενέργειας. Αυτή η διαμόρφωση είναι ενεργειακά ευνοϊκή.

Π Η πρώτη ένωση για την οποία είναι γνωστή η ύπαρξη διαμορφωτικών ισομερών είναι το αιθάνιο. Η δομή του στο χώρο απεικονίζεται από τον τύπο προοπτικής ή τον τύπο του Newman:

ΜΕ 2 Ν 6

συσκοτισμένος αναστέλλεται

conformation conformation

Τύποι προβολής του Newman.

Το πιο κοντινό σε εμάς άτομο άνθρακα ορίζεται με μια κουκκίδα στο κέντρο του κύκλου, ο κύκλος αντιπροσωπεύει το μακρινό άτομο άνθρακα. Οι τρεις δεσμοί κάθε ατόμου απεικονίζονται ως γραμμές που αποκλίνουν από το κέντρο του κύκλου - για το πλησιέστερο άτομο άνθρακα και μικρές - για το απομακρυσμένο άτομο άνθρακα.

Σε μακριές αλυσίδες άνθρακα, η περιστροφή είναι δυνατή γύρω από αρκετούς δεσμούς C–C. Επομένως, ολόκληρη η αλυσίδα μπορεί να πάρει μια ποικιλία από γεωμετρικά σχήματα. Σύμφωνα με τα δεδομένα περίθλασης ακτίνων Χ, οι μακριές αλυσίδες κορεσμένων υδρογονανθράκων έχουν ζιγκ-ζαγκ και σχήμα νυχιού. Για παράδειγμα: το παλμιτικό (C 15 H 31 COOH) και το στεατικό (C 17 H 35 COOH) οξέα σε ζιγκ-ζαγκ διαμορφώσεις αποτελούν μέρος των λιπιδίων των κυτταρικών μεμβρανών και τα μόρια μονοσακχαρίτη στο διάλυμα παίρνουν μια διαμόρφωση σε σχήμα νυχιού.

Διαμορφώσεις κυκλικών ενώσεων

Οι κυκλικές συνδέσεις χαρακτηρίζονται από γωνιακή τάση που σχετίζεται με την παρουσία κλειστού κύκλου.

Αν θεωρήσουμε ότι οι κύκλοι είναι επίπεδοι, τότε για πολλούς από αυτούς οι γωνίες δεσμού θα αποκλίνουν σημαντικά από το κανονικό. Η τάση που προκαλείται από την απόκλιση των γωνιών δεσμού μεταξύ των ατόμων άνθρακα στον δακτύλιο από την κανονική τιμή ονομάζεται γωνίαή της Bayer

Για παράδειγμα, στο κυκλοεξάνιο τα άτομα άνθρακα βρίσκονται στην υβριδική κατάσταση sp 3 και, κατά συνέπεια, η γωνία δεσμού πρέπει να είναι ίση με 109 o 28 /. Εάν τα άτομα άνθρακα βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο, τότε στον επίπεδο δακτύλιο οι εσωτερικές γωνίες δεσμού θα ήταν ίσες με 120° και όλα τα άτομα υδρογόνου θα ήταν σε διαμόρφωση έκλειψης. Αλλά το κυκλοεξάνιο δεν μπορεί να είναι επίπεδο λόγω της παρουσίας ισχυρών γωνιακών και στρεπτικών τάσεων. Αναπτύσσει λιγότερο καταπονημένες μη επίπεδες διαμορφώσεις λόγω μερικής περιστροφής γύρω από δεσμούς ϭ, μεταξύ των οποίων οι διαμορφώσεις είναι πιο σταθερές πολυθρόνες Και λουτρά.

Η διαμόρφωση της καρέκλας είναι η πιο ενεργειακά ευνοϊκή, καθώς δεν έχει κλειστές θέσεις ατόμων υδρογόνου και άνθρακα. Η διάταξη των ατόμων Η όλων των ατόμων C είναι η ίδια όπως στην ανασταλμένη διαμόρφωση του αιθανίου. Σε αυτή τη διαμόρφωση, όλα τα άτομα υδρογόνου είναι ανοιχτά και διαθέσιμα για αντιδράσεις.

Η διαμόρφωση του λουτρού είναι λιγότερο ευνοϊκή ενεργειακά, καθώς 2 ζεύγη ατόμων C (C-2 και C-3), (C-5 και C-6) που βρίσκονται στη βάση έχουν άτομα Η σε μια έκλειψη, επομένως αυτή η διαμόρφωση έχει μεγάλη απόθεμα ενέργειας και ασταθές.

C6H12 κυκλοεξάνιο

Το σχήμα της «καρέκλας» είναι πιο ενεργειακά ωφέλιμο από τη «μπανιέρα».

Οπτικός ισομερισμός.

Στα τέλη του 19ου αιώνα, ανακαλύφθηκε ότι πολλές οργανικές ενώσεις είναι ικανές να περιστρέφουν το επίπεδο μιας πολωμένης δέσμης αριστερά και δεξιά. Δηλαδή, μια δέσμη φωτός που προσπίπτει σε ένα μόριο αλληλεπιδρά με τα ηλεκτρονιακά κελύφη του και συμβαίνει πόλωση των ηλεκτρονίων, η οποία οδηγεί σε αλλαγή της κατεύθυνσης των ταλαντώσεων στο ηλεκτρικό πεδίο. Εάν μια ουσία περιστρέφει το επίπεδο δόνησης δεξιόστροφα, ονομάζεται δεξιόστροφος(+) εάν είναι αριστερόστροφα - αριστερόχειρας(-). Αυτές οι ουσίες ονομάστηκαν οπτικά ισομερή. Τα οπτικά ενεργά ισομερή περιέχουν ένα ασύμμετρο άτομο άνθρακα (χειρικό) - αυτό είναι ένα άτομο που περιέχει τέσσερις διαφορετικούς υποκαταστάτες. Η δεύτερη σημαντική προϋπόθεση είναι η απουσία όλων των τύπων συμμετρίας (άξονας, επίπεδο). Αυτά περιλαμβάνουν πολλά υδροξυ και αμινοξέα

Μελέτες έχουν δείξει ότι τέτοιες ενώσεις διαφέρουν ως προς τη σειρά διάταξης των υποκαταστατών στα άτομα άνθρακα στον υβριδισμό sp 3.

Π η απλούστερη ένωση είναι το γαλακτικό οξύ (2-υδροξυπροπανοϊκό οξύ)

Στερεοϊσομερή, τα μόρια των οποίων σχετίζονται μεταξύ τους ως αντικείμενο και ως ασυμβίβαστο κατοπτρικό είδωλο ή ως αριστερό και δεξί χέριλέγονται εναντιομερή(οπτικά ισομερή, κατοπτρικά ισομερή, αντίποδες, και το φαινόμενο ονομάζεται εναντιομερισμός.Όλες οι χημικές και φυσικές ιδιότητες των εναντιομερών είναι ίδιες, εκτός από δύο: την περιστροφή του επιπέδου του πολωμένου φωτός (σε μια συσκευή πολωσίμετρου) και τη βιολογική δραστηριότητα.

Η απόλυτη διαμόρφωση των μορίων προσδιορίζεται με πολύπλοκες φυσικοχημικές μεθόδους.

Η σχετική διαμόρφωση των οπτικά ενεργών ενώσεων προσδιορίζεται με σύγκριση με ένα πρότυπο γλυκεραλδεΰδης. Οπτικά δραστικές ουσίες, που έχουν τη διαμόρφωση της δεξιοστροφικής ή αριστερόστροφης γλυκεραλδεΰδης (M. Rozanov, 1906), ονομάζονται ουσίες της σειράς D- και L. Ένα ίσο μείγμα δεξτρο- και αριστερόστροφων ισομερών μιας ένωσης ονομάζεται ρακεμικό και είναι οπτικά ανενεργό.

Μελέτες έχουν δείξει ότι το πρόσημο της περιστροφής του φωτός δεν μπορεί να συσχετιστεί με την υπαγωγή μιας ουσίας στις σειρές D και L προσδιορίζεται μόνο πειραματικά σε όργανα - πολωσίμετρα. Για παράδειγμα, το L-γαλακτικό οξύ έχει γωνία περιστροφής +3,8 o, το D-γαλακτικό οξύ - 3,8 o.

Τα εναντιομερή απεικονίζονται χρησιμοποιώντας τύπους Fischer.

Η αλυσίδα άνθρακα αντιπροσωπεύεται από μια κάθετη γραμμή.

Ο μεγαλύτερος τοποθετείται στην κορυφή λειτουργική ομάδα, παρακάτω είναι ο νεότερος.

Ένα ασύμμετρο άτομο άνθρακα αντιπροσωπεύεται από μια οριζόντια γραμμή, στα άκρα της οποίας υπάρχουν υποκαταστάτες.

Ο αριθμός των ισομερών προσδιορίζεται από τον τύπο 2 n, n είναι ο αριθμός των ασύμμετρων ατόμων άνθρακα.

L-σειρά D-row

Μεταξύ των εναντιομερών μπορεί να υπάρχουν συμμετρικά μόρια που δεν έχουν οπτική δραστηριότητα και ονομάζονται μεσοϊσομερή.

Για παράδειγμα: Οινοποιείο

D – (+) – σειρά L – (–) – σειρά

Mezovinnaya k-ta

Racemate – χυμός σταφυλιού

Τα οπτικά ισομερή που δεν είναι κατοπτρικά ισομερή, που διαφέρουν στη διαμόρφωση πολλών, αλλά όχι όλων των ασύμμετρων ατόμων C, που έχουν διαφορετικές φυσικές και χημικές ιδιότητες, ονομάζονται - di-ΕΝΑ-στερεοϊσομερή.

-Διαστερεομερή (γεωμετρικά ισομερή) είναι στερεομερή που έχουν δεσμό  στο μόριο. Βρίσκονται σε αλκένια, ακόρεστα υψηλότερα κιτ άνθρακα, ακόρεστες διττανθρακικές ενώσεις. Για παράδειγμα:

Cis-butene-2 ​​Trans-butene-2

Η βιολογική δραστηριότητα των οργανικών ουσιών σχετίζεται με τη δομή τους. Για παράδειγμα:

Cis-βουτενεδιϊκό οξύ, Trans-βουτενεδιϊκό οξύ,

μηλεϊνικό οξύ - φουμαρικό οξύ - μη τοξικό,

πολύ τοξικό που βρίσκεται στο σώμα

Όλες οι φυσικές ακόρεστες ενώσεις υψηλότερου άνθρακα είναι cis-ισομερή.