Struktuuriisomeeride omadused. Mis on struktuursed isomeerid?

Loengud pediaatriateaduskonna üliõpilastele

Loeng2

Teema: Orgaaniliste ühendite ruumiline struktuur

Sihtmärk: orgaaniliste ühendite struktuurse ja ruumilise isomeeria tüüpidega tutvumine.

Plaan:

Isomeeria klassifikatsioon.

Struktuurne isomeeria.

Ruumiline isomeeria

Optiline isomeeria

Esimesed katsed mõista orgaaniliste molekulide struktuuri pärinevad 19. sajandi algusest. Isomeeria fenomeni avastas esmakordselt J. Berzelius ja A. M. Butlerov pakkus 1861. aastal välja orgaaniliste ühendite keemilise struktuuri teooria, mis selgitas isomeeria nähtust.

Isomerism on ühesuguse kvalitatiivse ja kvantitatiivse koostisega, kuid erineva struktuuri või ruumilise asukohaga ühendite olemasolu ning aineid endid nimetatakse isomeerideks.

Isomeeride klassifikatsioon

Struktuurne

(erinev aatomite ühendamise järjekord)

Stereoisomeeria

(aatomite erinev paigutus ruumis)

Mitmed ühenduse sätted

Funktsionaalsed rühmasätted

Seadistamine

Conforma-

Struktuurne isomeeria.

Struktuuriisomeerid on isomeerid, millel on sama kvalitatiivne ja kvantitatiivne koostis, kuid mis erinevad keemilise struktuuri poolest.

Struktuurne isomeeria põhjustab mitmekesisust orgaanilised ühendid, eriti alkaanid. Süsinikuaatomite arvu suurenemisega molekulides alkaanid, struktuursete isomeeride arv kasvab kiiresti. Seega on see heksaani (C 6 H 14) puhul 5, nonaani (C 9 H 20) puhul - 35.

Süsinikuaatomite asukoht on ahelas erinev. Ahela alguses olev süsinikuaatom on seotud ühe süsinikuaatomiga ja seda nimetatakse esmane. Süsinikuaatom, mis on seotud kahe süsinikuaatomiga - teisejärguline, kolmega – kolmanda taseme, neljaga – kvaternaar. Sirge ahelaga alkaanid sisaldavad ainult primaarseid ja sekundaarseid süsinikuaatomeid, hargnenud ahelaga alkaanid aga nii tertsiaarseid kui ka kvaternaarseid süsinikuaatomeid.

Struktuurse isomeeri tüübid.

Metameerid– ühendid, mis kuuluvad samasse ühendite klassi, kuid millel on erinevad radikaalid:

H 3 C – O – C 3 H 7 – metüülpropüüleeter,

H 5 C 2 – O – C 2 H 5 – dietüüleeter

Klassidevaheline isomeeria. Vaatamata molekulide samale kvalitatiivsele ja kvantitatiivsele koostisele on ainete struktuur erinev.

Näiteks: aldehüüdid on ketoonide suhtes isomeersed:

Alküünid – alkadieenid

H 2 C = CH – CH = CH 2 butadieen -1,3 HC = C - CH 2 – CH 3 – butiin-1

Struktuurne isomeeria määrab ka süsivesinikradikaalide mitmekesisuse. Radikaalide isomeeria saab alguse propaanist, mille puhul on võimalikud kaks radikaali. Kui primaarsest süsinikuaatomist lahutada vesinikuaatom, saadakse radikaal propüül (n-propüül). Kui vesinikuaatom lahutatakse sekundaarsest süsinikuaatomist, saadakse isopropüülradikaal.

-

isopropüül

CH 2 – CH 2 – CH 3 - lõigatud

Ruumiline isomeeria (stereoisomeeria)

See on isomeeride olemasolu, millel on sama koostis ja aatomite ühendamise järjekord, kuid mis erinevad aatomite või aatomirühmade ruumilise paigutuse olemuse poolest üksteise suhtes.

Seda tüüpi isomeeriat kirjeldasid L. Pasteur (1848), J. Van't Hoff, Le Bel (1874).

Reaalsetes tingimustes on molekul ise ja selle üksikud osad (aatomid, aatomite rühmad) vibratsiooni-pöörleva liikumise olekus ja see liikumine muudab suuresti aatomite suhtelist paigutust molekulis. Sel ajal on keemilised sidemed venitatud ja sidemete nurgad muutuvad ning seega tekivad erinevad molekulide konfiguratsioonid ja konformatsioonid.

Seetõttu jagunevad ruumilised isomeerid kahte tüüpi: konformatsioonilised ja konfiguratsioonilised.

Konfiguratsioonid on järjekord, milles aatomid on ruumis paigutatud, võtmata arvesse üksiksidemete ümber pöörlemisest tulenevaid erinevusi. Need isomeerid esinevad erinevates konformatsioonides.

Konformatsioonid on sama molekuli väga ebastabiilsed dünaamilised vormid, mis tekivad aatomite või aatomirühmade pöörlemisel üksiksidemete ümber, mille tulemusena aatomid asuvad erinevates ruumilistes positsioonides. Iga molekuli konformatsiooni iseloomustab konkreetne konfiguratsioon.

B-side võimaldab selle ümber pöörlemist, nii et ühel molekulil võib olla palju konformatsioone. Paljudest konformatsioonidest võetakse arvesse ainult kuus, sest Minimaalseks pöördenurgaks loetakse nurka, mis on võrdne 60°-ga, mida nimetatakse väändenurk.

On: varjutatud ja inhibeeritud konformatsioone.

Varjatud kehaehitus tekib siis, kui identsed asendajad asuvad üksteisest minimaalsel kaugusel ja nende vahel tekivad vastastikused tõukejõud ning selle konformatsiooni säilitamiseks peab molekulil olema suur energiavaru. See konformatsioon on energeetiliselt ebasoodne.

Inhibeeritud konformatsioon - tekib siis, kui identsed asendajad on üksteisest võimalikult kaugel ja molekulil on minimaalne energiavaru. See konformatsioon on energeetiliselt soodne.

P Esimene ühend, mille konformatsiooniliste isomeeride olemasolu on teada, on etaan. Selle struktuuri ruumis kujutab perspektiivvalem või Newmani valem:

KOOS 2 N 6

varjatud inhibeeritud

konformatsioon konformatsioon

Newmani projektsioonivalemid.

Meile lähim süsinikuaatom on tähistatud punktiga ringi keskel, ring tähistab kaugemat süsinikuaatomit. Iga aatomi kolm sidet on kujutatud joontena, mis lahknevad ringi keskpunktist - lähima süsinikuaatomi jaoks ja väikesed - kauge süsinikuaatomi jaoks.

Pikkades süsinikuahelates on pöörlemine võimalik mitme C-C sideme ümber. Seetõttu võib kogu kett võtta mitmesuguseid geomeetrilisi kujundeid. Röntgendifraktsiooni andmetel on küllastunud süsivesinike pikad ahelad siksakilise ja küünisekujulise konformatsiooniga. Näiteks: palmitiin- (C 15 H 31 COOH) ja steariinhape (C 17 H 35 COOH) siksakilises konformatsioonis on osa rakumembraanide lipiididest ja lahuses olevad monosahhariidimolekulid omandavad küünisekujulise konformatsiooni.

Tsükliliste ühendite konformatsioonid

Tsüklilisi ühendusi iseloomustab suletud tsükli olemasoluga seotud nurkpinge.

Kui lugeda tsükleid tasaseks, siis paljudel neist kalduvad sidemenurgad normaalsest oluliselt kõrvale. Nimetatakse pinget, mis tekib tsükli süsinikuaatomite vaheliste sidenurkade kõrvalekaldest normaalväärtusest nurk või Bayeri oma

Näiteks tsükloheksaanis on süsinikuaatomid sp 3 hübriidseisundis ja vastavalt peaks sideme nurk olema võrdne 109 o 28 /. Kui süsinikuaatomid paikneksid samal tasapinnal, siis tasapinnalises ringis oleksid sisemised sidenurgad 120° ja kõik vesinikuaatomid oleksid varjutatud konformatsioonis. Kuid tsükloheksaan ei saa tugevate nurk- ja väändepingete tõttu olla tasane. See arendab ϭ-sidemete ümber toimuva osalise pöörlemise tõttu väiksema pingega mittetasapinnalisi konformatsioone, mille hulgas on konformatsioonid stabiilsemad tugitoolid Ja vannid.

Tooli konformatsioon on energeetiliselt kõige soodsam, kuna sellel ei ole vesiniku- ja süsinikuaatomite ummistusi. Kõigi C-aatomite H-aatomite paigutus on sama, mis etaani inhibeeritud konformatsioonis. Selles konformatsioonis on kõik vesinikuaatomid avatud ja reaktsioonide jaoks kättesaadavad.

Vanni konformatsioon on energeetiliselt vähem soodne, kuna kahel C-aatomi paaril (C-2 ja C-3), (C-5 ja C-6) aluses on H-aatomid varjutatud konformatsioonis, mistõttu see konformatsioon on suur. energiavaru ja ebastabiilne.

C6H12tsükloheksaan

"Tooli" kuju on energeetiliselt kasulikum kui "vann".

Optiline isomeeria.

19. sajandi lõpus avastati, et paljud orgaanilised ühendid on võimelised pöörama polariseeritud kiire tasandit vasakule ja paremale. See tähendab, et molekulile langev valguskiir interakteerub selle molekuliga elektroonilised kestad, sel juhul toimub elektronide polarisatsioon, mis toob kaasa elektrivälja võnkesuuna muutumise. Kui aine pöörab vibratsioonitasapinda päripäeva, nimetatakse seda paremale pöörav(+), kui vastupäeva - vasakukäeline(-). Neid aineid nimetati optilisteks isomeerideks. Optiliselt aktiivsed isomeerid sisaldavad asümmeetrilist süsinikuaatomit (kiraalne) – see on nelja erinevat asendajat sisaldav aatom. Teine oluline tingimus on igat tüüpi sümmeetria (telg, tasapind) puudumine. Nende hulka kuuluvad paljud hüdroksü- ja aminohapped

Uuringud on näidanud, et sellised ühendid erinevad sp 3 hübridisatsioonis süsinikuaatomitel olevate asendajate järjestuse poolest.

P Lihtsaim ühend on piimhape (2-hüdroksüpropaanhape)

Stereoisomeerid, mille molekulid on omavahel seotud objekti ja kokkusobimatu peegelpildina või vasak- ja parem käsi kutsutakse enantiomeerid(optilised isomeerid, peegelisomeerid, antipoodid ja nähtust nimetatakse enantiomeeria. Kõik keemilised ja füüsikalised omadused enantiomeerid on samad, välja arvatud kaks: polariseeritud valguse tasandi pöörlemine (polarimeetri seadmes) ja bioloogiline aktiivsus.

Molekulide absoluutne konfiguratsioon määratakse keeruliste füüsikalis-keemiliste meetoditega.

Optiliselt aktiivsete ühendite suhteline konfiguratsioon määratakse glütseraldehüüdi standardiga võrdlemise teel. Optiliselt aktiivseid aineid, millel on paremale või vasakule pöörava glütseraldehüüdi konfiguratsioon (M. Rozanov, 1906), nimetatakse D- ja L-seeria aineteks. Ühe ühendi võrdset segu paremale ja vasakule pöörlevatest isomeeridest nimetatakse ratsemaadiks ja see on optiliselt inaktiivne.

Uuringud on näidanud, et valguse pöörlemise märki ei saa seostada aine D- ja L-seeria kuulumisega, seda määratakse ainult katseliselt instrumentides - polarimeetrites. Näiteks L-piimhappel on pöördenurk +3,8 o, D-piimhappel - 3,8 o.

Enantiomeerid on kujutatud Fischeri valemite abil.

Süsinikuahelat tähistab vertikaalne joon.

Vanem funktsionaalrühm on paigutatud ülaossa, noorem funktsionaalrühm alla.

Asümmeetrilist süsinikuaatomit tähistab horisontaaljoon, mille otstes on asendajad.

Isomeeride arv määratakse valemiga 2 n, n on asümmeetriliste süsinikuaatomite arv.

L-rida D-rida

Enantiomeeride hulgas võib olla sümmeetrilisi molekule, millel puudub optiline aktiivsus ja mida nimetatakse mesoisomeerid.

Näiteks: Veinimaja

D – (+) – rida L – (–) – rida

Mezovinnaja k-ta

Racemate – viinamarjamahl

Optilisi isomeere, mis ei ole peegelisomeerid, mis erinevad mitme, kuid mitte kõigi asümmeetriliste C-aatomite konfiguratsiooni poolest, millel on erinevad füüsikalised ja keemilised omadused, nimetatakse - di-A-stereoisomeerid.

-Diastereomeerid (geomeetrilised isomeerid) on stereomeerid, mille molekulis on  side. Neid leidub alkeenides, küllastumata kõrgemates süsiniku komplektid, küllastumata dikarbonaatühendid. Näiteks:

Cis-buteen-2 ​​Trans-buteen-2

Orgaaniliste ainete bioloogiline aktiivsus on seotud nende struktuuriga. Näiteks:

cis-buteenhape, trans-buteenhape,

maleiinhape - fumaarhape - mittetoksiline,

organismis leitud väga mürgine

Kõik looduslikud küllastumata kõrgema süsiniku ühendid on cis-isomeerid.

Selles artiklis räägime struktuuriisomeeridest, nende struktuuri omadustest ja isomeeria tüüpidest. Analüüsime üksikasjalikult isomerismi nähtust ennast ja toome ka näiteid nende kasutamisest elus.

Isomerismi nähtus

Isomerism on eriline nähtus, mis määrab kemikaalide olemasolu. ühendid, need samad isomeerid, identse aatomkoostise ja molekulmassiga ained, mis erinevad ainult aatomite ruumilise paigutuse või struktuuri poolest, mis toob kaasa erinevate, uute omaduste muutumise ja omandamise. Struktuursed isomeerid- need on ained, mis moodustuvad nende aatomite asukoha muutuse tagajärjel ruumis, millest räägitakse üksikasjalikumalt allpool.

Isomeeriast rääkides tasub meeles pidada sellise protsessi olemasolu nagu isomerisatsioon, mis on keemiliste reaktsioonide tulemusena ühe isomeeri ülemineku protsess teisele. teisendusi.

Isomerismi tüübid

Valentsisomeeria on isomeeride struktuuri tüüp, mille puhul on valentssidemete ümberjaotumise tulemusena võimalik isomeeride endi (üksteist) ülekandumine.

Positsiooniline isomeeria on ainetüüp, millel on identne süsiniku karkass, kuid funktsionaalrühmade positsioon on erinev. Ilmekas näide on klorobutaani 2- ja 4-happed.

Klassidevaheline isomeeria varjab oma erinevust isomeeride vahel funktsionaalrühmade olemuses.

Metamerism on süsinikuaatomite positsioonide jaotumine teatud arvu süsinikuradikaalide vahel, molekuli heteroaatom toimib eraldajana. Seda tüüpi isomeeria on tüüpiline amiinide, tioalkoholide ja eetrite jaoks, nii lihtsate kui ka keerukate ainete puhul.

Süsiniku skeleti isomeeria on süsinikuaatomite asukoha erinevus või õigemini nende järjestus. Näiteks: fenantreenil ja antratseenil on üldine valem C14H10, kuid erinevat tüüpi valentsvõlakirjade ümberjagamine.

Struktuursed isomeerid

Struktuuriisomeerid on ained, millel on sarnane aine struktuuri valem, kuid mis erinevad molekuli valemi poolest. Struktuursed isomeerid on need, mis on kvantitatiivselt ja kvalitatiivselt koostiselt üksteisega identsed, kuid aatomisideme järjekord (keemiline struktuur) on erinev.

Struktuuriisomeerid klassifitseeritakse isomeetrilise struktuuri tüübi järgi, mille tüübid on toodud ülal, isomeeri tüüpe käsitlevas lõigus.

Aine isomeeri struktuurivalemil on palju modifikatsioone. Mõned isomeeria näited on ained nagu butaanhape, 2-metüülpropaanhape, metüülpropionaat, dioksaan, etüülatsetaat, isopropüülformiaat, millel on aine kõigi kolme tüüpi aatomite koostis sama, kuid mis erinevad aatomite asukoha poolest. ühendis endas.

Teine särav eeskuju isomeeria on pentaani, neopentaani ja isopentaani olemasolu.

Isomeeride nimetused

Nagu varem mainitud, on struktuursed isomeerid ained, millel on aine struktuurilt sarnane valem, kuid mis erinevad molekuli valemi poolest. Sellistel ühenditel on klassifikatsioon, mis vastab nende omaduste tunnustele, aatomite struktuurile ja positsioonile isomeeri molekulis, funktsionaalrühmade arvu erinevustele, valentssidemetele, teatud elemendi aatomite olemasolule aines jne. Struktuursed isomeerid on nimetatud erinevatel viisidel. Vaatleme seda 3-metüülbutanooli 1 näitel alkoholide esindajana.

Alkoholide puhul algab alkoholide nimetuse saamisel kõik domineeriva süsinikuahela valikust ning viiakse läbi nummerdamine, mille eesmärk on omistada OH-rühmale võimalikult väike arv, võttes arvesse tellimust arvesse võtma. Nimi ise algab süsinikuahelas oleva asendajaga, seejärel järgneb peaahela nimi ja seejärel lisatakse järelliide -ol ning number näitab OH rühmaga seotud süsinikuaatomit.

Ja kreeka μέρος - osa, osa), nähtus, mis seisneb olemasolus keemilised ühendid koostiselt identne, sama molekulmassiga, kuid erineva struktuuriga. Selliseid ühendeid nimetatakse isomeerideks. Struktuurierinevused põhjustavad erinevaid vastastikune mõju aatomid molekulides ja määravad ette erinevad füüsikalised ja Keemilised omadused isomeerid. Isomerism on orgaanilises keemias ülimalt levinud ja on orgaaniliste ühendite mitmekesisuse ja rohkuse üks peamisi põhjuseid. IN anorgaaniline keemia isomeeria esineb peamiselt kompleksühendites.

Mõiste “isomeeria” võttis kasutusele J. Berzelius 1830. aastal, lõpetades J. Liebigi ja F. Wöhleri ​​vahelise debati kahe järsult erinevate omadustega ja sama koostisega aine AgCNO – hõbetsüanaadi ja hõbefulminaat – olemasolu üle ning mis põhineb viin- ja viinamarjahapete uurimistulemused. Isomeeria olemust selgitati hiljem keemilise struktuuri teooria põhjal.

Isomeeriat on kaks peamist tüüpi: struktuurne ja ruumiline (stereoisomeeria). Struktuuriisomeerid erinevad molekulis olevate aatomite sidemete järjestuse, st keemilise struktuuri poolest. Stereoisomeerid (ruumilised isomeerid), millel on molekulis sama aatomite side, on erinevad suhteline positsioon aatomid ruumis.

Struktuurne isomeeria jaguneb süsinikskeleti isomeeriks (skeleti isomerism), positsiooniisomeeriks (positsiooniisomeeria), metamerismiks ja muudeks tüüpideks. Süsiniku skeleti isomeeria on tingitud erinevas järjekorras süsinikuaatomite sidemed, mis moodustavad molekuli skeleti. Isomeeride struktuuriomaduste täpsustamiseks jagatakse skeleti isomeeria süsinikuahela isomeeriks, tsükliisomeeriks ja külgahela isomeeriks. Näiteks süsinikahela isomeeria on iseloomulik alkaanidele, mis algavad homoloogse seeria C 4 H 10 neljandast liikmest, millel on kaks struktuurset isomeeri: n-butaan CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 ja isobutaan (2-metüülpropaan). ) CH3-CH (CH3)-CH3. Alkaanide seeria viiendal liikmel C5H12 on kolm isomeeri: CH3-CH2-CH2-CH2-CH3-n-pentaan, CH3-CH(CH3)-CH2-CH3-. isopentaan (2-metüülbutaan) ja neopetaan (2,2-dimetüülpropaan) CH3-C(CH3)2-CH3. Ahela pikenedes suureneb võimalike isomeeride arv kiiresti. Seega on alkaanide koostisega C10H22 võimalikud 75 struktuurset isomeeri, C13H28-802 isomeeri, C20H42 puhul üle 366 tuhande isomeeri. Alitsüklilisi ühendeid iseloomustab tsükli isomeeria ja külgahela isomeeria. Näiteks skeleti isomeeride (valemid I-IV) hulgas on metüültsüklopentaan (I), tsükloheksaan (II) ja propüültsüklopropaan (III) tsüklilised isomeerid ning propüültsüklopropaan (III) ja isopropüültsüklopropaan (IV) kõrvalahela isomeerid. Skeleti isomeeride omaduste erinevus väljendub nende keemispunktide erinevuses (tavalise süsinikuahelaga isomeerid keevad kõrgemal kõrge temperatuur kui hargnenud ahelaga isomeerid), tihedus jne. Näiteks n-alkaanidel on erinevalt hargnenud ahelaga isomeeridest väiksem detonatsioonikindlus (vt artiklit Oktaanarv) ja nad moodustavad komplekse uureaga (klatraadid).

Positsiooniline isomeeria on põhjustatud funktsionaalrühmade, asendajate või mitmiksidemete erinevatest positsioonidest. Näiteks positsiooni isomeerid on 1-propanool CH3-CH2-CH2OH ja 2-propanool CH3-CH(OH)-CH3, 1-buteen CH2=CH-CH2-CH3 ja 2-buteen CH3-CH=CH-CH3. Funktsionaalrühma positsiooni muutmine võib põhjustada muutuse ühendi klassis. Näiteks positsiooniisomeerid atsetoon CH3-C(O)-CH3 ja propanaal CH3-CH2-CHO kuuluvad vastavalt ketoonide ja aldehüüdide hulka. Erinevate funktsionaalrühmadega struktuuriisomeerid erinevad suuresti keemiliste omaduste poolest.

Metameeria on põhjustatud heteroaatomi (O, N, S) erinevatest positsioonidest ahelas. Näiteks on metameerid metüülpropüüleeter CH3O-CH2-CH2-CH3 ja dietüüleeter CH3-CH2-O-CH2-CH3, dietüülamiin CH3-CH2-NH-CH2-CH3 ja CH3-NH-CH2-CH2-CH3-metüülpropüülamiin.

Sageli määravad isomeeride erinevused mitmed struktuurilised tunnused. Näiteks metüülisopropüülketoon (3-metüül-2-butanoon) CH3-C(O)-CH(CH3)2 ja valeraldehüüd (pentanaal) CH3-CH2-CH2-CH2-CHO erinevad üksteisest. muu kui süsinikskeleti struktuur ja funktsionaalrühma asend.

Struktuurse isomeeria eriliik on tautomeeria (tasakaalu dünaamiline isomeeria). Sel juhul muunduvad funktsionaalrühmade poolest erinevad isomeerid kergesti üksteiseks, kuni saavutatakse tasakaal, milles aine sisaldab samaaegselt tautomeerseid molekule teatud vahekorras.

Ruumiisomeeria jaguneb geomeetriliseks (cis, trans ja syn, antiisomeeria ehk E, Z-isomeeria) ja optiliseks (enantiomerism). Geomeetriline isomeeria on iseloomulik ühenditele, mis sisaldavad kaksiksidemeid või mittearomaatseid ringe, mis on struktuurselt jäigad molekulide fragmendid. Cis-isomeerides paiknevad kaks asendajat kaksiksideme või tsükli tasapinna ühel küljel, trans-isomeerides - mööda erinevad küljed. Näiteks geomeetrilisteks isomeerideks on cis-2-buteen (valem V) ja trans-2-buteen (VI), cis-1,2-diklorotsüklopropaan (VII) ja trans-1,2-diklorotsüklopropaan (VIII).

Iseloomulikud erinevused cisi-trans isomeeride vahel on suuremad madal temperatuur cis-isomeeride sulamine, oluliselt parem lahustuvus vees ja väljendunud dipoolmoment. Trans-isomeerid on tavaliselt stabiilsemad. Vaata näiteks artiklit Maleiin- ja fumaarhapped.

Kaksiksidemega C=N (oksiimid) ja N=N (aso-, asoksüühendid) ühendite puhul täheldatud geomeetrilist isomeeriat nimetatakse sageli sün-, anti-isomeeriaks. Näiteks geomeetrilisteks isomeerideks on anti-bensaldoksiim (valem IX) ja sün-bensaldoksiim (X); sün-asobenseen (XI) ja anti-asobenseen (XII).

IN üldine juhtum Kasutatakse Ε,Z-nomenklatuuri. Z-isomeeridel on vanemad asendajad (need, millel on suuremad aatomnumber) asuvad kaksiksideme või tsükli ühel küljel, E-isomeeride puhul - vastaskülgedel. Näiteks geomeetrilised isomeerid on (Z)-1-bromo-1-jodo-2-kloroetüleen (valem XIII) ja (E)-1-bromo-1-jodo-2-kloroetüleen (XIV).

Optiline isomeeria on iseloomulik ühenditele, mille molekulides on kiraalsuselemente, näiteks asümmeetriline (kiraalne) süsinikuaatom, mis on seotud nelja erineva asendajaga. Selle avastas esmakordselt L. Pasteur 1848. aastal viinhapete näitel ja J. H. Van't Hoff ja J. A. Le Bel selgitasid 1874. aastal ideede põhjal süsinikuaatomite tetraeedrilisest konfiguratsioonist küllastunud ühendites. Asümmeetrilist süsinikuaatomit sisaldavad molekulid võib kujutada kahe optilise isomeerina, mida ei saa ruumis kombineerida (st nad on üksteisega seotud nagu objekt oma peegelpildiga). Selliseid peegelisomeere, mis erinevad ainult samade asendajate vastupidise paigutuse poolest kiraalses tsentris, nimetatakse enantiomeerideks (kreeka keelest έναντίος - vastand ja μέρος - osa). Näiteks piimhappe enantiomeere (XV ja XVI) saab esitada kolmemõõtmeliselt või Fischeri valemite kujul (vt artiklit Keemiline nomenklatuur).

Enantiomeeridel on erinev bioloogiline aktiivsus; Neid iseloomustab ka optiline aktiivsus – võime mõjutada tasapinnaliselt polariseeritud valgust (pöörata polarisatsioonitasandit). Enantiomeerid pööravad polarisatsioonitasandit sama nurga all, kuid vastupidises suunas, mistõttu neid nimetatakse optilisteks antipoodideks.

Pikka aega määrati enantiomeeride konfiguratsioon võrreldes tuntud standardi konfiguratsiooniga, milleks olid glütseraldehüüdi enantiomeerid (D, L-steeriline seeria). Universaalsem on R, S-nomenklatuur (pakkusid R. Kahn, K. Ingold ja V. Prelog), mis määrab ruumiliste isomeeride absoluutse konfiguratsiooni. Vastavalt R, S-nomenklatuuri reeglitele on piimhappe (XV, XVI) enantiomeerideks vastavalt (R)-piimhape ja (S)-piimhape. Puuduvad reeglid D, L-nomenklatuuri teisendamiseks R, S-süsteemiks, kuna need nomenklatuurid kasutavad erinevad põhimõtted. Seost absoluutse konfiguratsiooni ja optilise pöörlemise parameetrite vahel pole samuti tuvastatud.

Ühendite puhul, mille molekulis on n kiraalset tsentrit, on võimalike stereoisomeeride arv 2". Kui aga n ≥2, on stereoisomeerid, mis erinevad üksteisest osa nendes sisalduvate kiraalsuselementide poolest. Sellised stereoisomeerid, mis ei ole enantiomeerid , nimetatakse diastereomeerideks (kreeka keelest δια ... - läbi, vahel, stereo... ja μέρος - osa).Näiteks kloromaalhappel, millel on kaks asümmeetrilist süsinikuaatomit, on neli stereoisomeeri (valemid XVII-XX ), sealhulgas paarid XVII ja XVIII, samuti XIX ja XX on enantiomeerid, ülejäänud paarid (XVII ja XIX, XVII ja XX, XVIII ja XIX, XVIII ja XX) on diastereomeerid.

Kui ilmuvad täiendavad sümmeetriaelemendid (tasand, telg või sümmeetriakese) koguarv stereoisomeerid, aga ka optiliste ainete arv aktiivsed vormid võib väheneda. Näiteks on viinhapetel kolm stereoisomeeri, millest kaks on optiliselt aktiivsed: D-viinhape ehk (2R,3R)-viinhape (valem XXI) ja L-viinhape ehk (2S,3S)-viinhape (XXII), mis on enantiomeerid. Nende diastereomeer - mesoviinhape ehk (2R,3S)-viinhape (valem XXIII või identne konfiguratsioon XXIV) on sümmeetriatasandi olemasolu tõttu (tähistatud punktiirjoonega) optiliselt inaktiivne - see on nii nimetatakse intramolekulaarseks ratsemaadiks.

Enantiomeeride vastastikuse muundamise protsessi nimetatakse ratsemiseerimiseks. Võrdsete optiliste antipoodide segul – ratseemilisel segul ehk ratsemaadil ei ole optilist aktiivsust. Stereoisomeeriale pööratakse palju tähelepanu looduslike ühendite ja bioloogilise sünteesi uurimisel. toimeaineid. Kiraalsuselemente sisaldavaid looduslikku päritolu aineid iseloomustab teatav stereokonfiguratsioon, aga ka optiline aktiivsus. Kui keemilise sünteesi tingimustes (välja arvatud asümmeetriline süntees) moodustub kiraalne tsenter, tekib ratsemaat; enantiomeeride eraldamiseks on vaja kasutada keerulised meetodid ratsemaadi eraldamine optiliselt aktiivseteks komponentideks.

Molekulide sisemise pöörlemise tulemusena tekivad konformatsioonilised isomeerid või konformeerid, mis erinevad molekulaarsete fragmentide pöörlemisastme poolest ühe või mitme lihtsa sideme suhtes. Mõnel juhul saab üksikuid konformeere eraldada, mõnikord nimetatakse neid ka pöörlevateks isomeerideks. Uurida teket, omaduste erinevusi ja reaktsioonivõime Konformeeride mõõtmiseks kasutatakse konformatsioonianalüüsi.

Isomeerid võivad isomeerimisreaktsioonide tulemusena muutuda üksteiseks.

Lit.: Potapov V. M. Stereokeemia. 2. väljaanne M., 1988; Traven V. F. Orgaaniline keemia. M., 2004. T. 1.

Artikli sisu

ISOMEERIA(Kreeka isos - identne, meros - osa) on keemias, peamiselt orgaanilises, üks olulisemaid mõisteid. Ainetel võib olla sama koostis ja molekulmass, kuid erinevaid struktuure ja ühendeid, mis sisaldavad samu elemente samas koguses, kuid erinevad aatomite või aatomirühmade ruumilise paigutuse poolest, nimetatakse isomeerideks. Isomerism on üks põhjusi, miks orgaanilised ühendid on nii arvukad ja mitmekesised.

Isomerismi avastas esmakordselt 1823. aastal J. Liebig, kes tegi kindlaks, et fulminaat- ja isotsüaanhapete hõbedasooladel: Ag-O-N=C ja Ag-N=C=O on sama koostis, kuid erinevad omadused. Mõiste “isomerism” võttis kasutusele 1830. aastal I. Berzelius, kes väitis, et sama koostisega ühendite omaduste erinevused tulenevad sellest, et aatomid on molekulis paigutatud erinevas järjekorras. Isomeeria idee tekkis lõpuks pärast seda, kui A. M. Butlerov lõi keemilise struktuuri teooria (1860. aastad). Sellele teooriale tuginedes pakkus ta välja, et peaks olema neli erinevat butanooli (joonis 1). Teooria loomise ajaks oli teada ainult üks butanool (CH 3) 2 CHCH 2 OH, mis on saadud taimsetest materjalidest.

Riis. 1. Butanooli isomeerid

Kõigi butanooli isomeeride järgnev süntees ja nende omaduste määramine sai teooria veenvaks kinnituseks.

Vastavalt kaasaegne määratlus kahte sama koostisega ühendit loetakse isomeerideks, kui nende molekule ei saa ruumis kombineerida nii, et need täielikult langevad kokku. Kombineerimine toimub tavaliselt vaimselt, sisse rasked juhtumid kasutada ruumimudeleid või arvutusmeetodeid.

Isomeerilisusel on mitu põhjust.

STRUKTUURILINE ISOMEERISM

Reeglina on selle põhjuseks erinevused süsivesiniku skeleti struktuuris või funktsionaalsete rühmade või mitmiksidemete ebavõrdne paigutus.

Süsivesiniku skeleti isomeeria.

Küllastunud süsivesinikel, mis sisaldavad ühte kuni kolme süsinikuaatomit (metaan, etaan, propaan), ei ole isomeere. Nelja süsinikuaatomiga ühendil C 4 H 10 (butaan) on võimalik kaks isomeeri, pentaanil C 5 H 12 - kolm isomeeri, heksaanil C 6 H 14 - viis (joonis 2):

Riis. 2. Lihtsamate süsivesinike isomeerid

Kui süsivesiniku molekulis süsinikuaatomite arv suureneb, suureneb võimalike isomeeride arv dramaatiliselt. Heptaanil C 7 H 16 on üheksa isomeeri, süsivesinikul C 14 H 30 on 1885 isomeeri, süsivesinikul C 20 H 42 on üle 366 000.

Keerulistel juhtudel lahendatakse küsimus, kas kaks ühendit on isomeerid, kasutades erinevaid pöörlemisi valentssidemete ümber (lihtsidemed võimaldavad seda, mis teatud määral vastab nende füüsikalistele omadustele). Pärast molekuli üksikute fragmentide liigutamist (sidemeid lõhkumata) asetatakse üks molekul teise peale (joonis 3). Kui kaks molekuli on täiesti identsed, pole need isomeerid, vaid sama ühend:

Skeleti struktuurilt erinevatel isomeeridel on tavaliselt erinevad füüsikalised omadused (sulamistemperatuur, keemistemperatuur jne), mis võimaldab üksteisest eraldada. Seda tüüpi isomeeria esineb ka aromaatsetes süsivesinikes (joonis 4):

Riis. 4. Aromaatsed isomeerid

Positsiooniline isomeeria.

Teist tüüpi struktuurne isomeeria, positsiooniline isomeeria, ilmneb siis, kui funktsionaalsed rühmad, paiknevad üksikud heteroaatomid või mitu sidet süsivesiniku skeleti erinevates kohtades. Struktuursed isomeerid võivad kuuluda erinevad klassid orgaanilised ühendid, mistõttu võivad need erineda mitte ainult füüsikaliste, vaid ka keemiliste omaduste poolest. Joonisel fig. Joonisel 5 on kujutatud ühendi C3H8O kolm isomeeri, millest kaks on alkoholid ja kolmas on eeter

Riis. 5. Positsioneerige isomeerid

Tihti on asendiisomeeride struktuurierinevused nii ilmsed, et neid pole vaja isegi mõtteliselt ruumis kombineerida, näiteks buteeni või diklorobenseeni isomeerid (joonis 6):

Riis. 6. Buteeni ja diklorobenseeni isomeerid

Mõnikord ühendavad struktuursed isomeerid süsivesiniku skeleti isomeeria ja positsiooniisomeeria tunnuseid (joonis 7).

Riis. 7. Kahe tüüpi struktuurse isomeeri kombinatsioon

Isomeeria küsimustes on teoreetilised kaalutlused ja eksperiment omavahel seotud. Kui kaalutlused näitavad, et isomeere ei saa eksisteerida, peaksid katsed näitama sama. Kui arvutused näitavad teatud arvu isomeere, siis on võimalik saada sama arv või vähem neid, kuid mitte rohkem - kõiki teoreetiliselt arvutatud isomeere pole võimalik saada, kuna aatomitevahelised kaugused või sideme nurgad kavandatud isomeeris võivad olla väljaspool lubatud piire . Kuut CH-rühma sisaldaval ainel (näiteks benseen) on teoreetiliselt võimalik 6 isomeeri (joonis 8).

Riis. 8. Benseeni isomeerid

Esimesed viis näidatud isomeeri on olemas (teine, kolmas, neljas ja viies isomeer saadi peaaegu 100 aastat pärast benseeni struktuuri kindlakstegemist). Viimast isomeeri ei saada suure tõenäosusega kunagi. Kuusnurgana kujutatuna on selle moodustumise tõenäosus kõige väiksem ja selle deformatsioonide tulemuseks on kaldprisma, kolmeharulise tähe, mittetäieliku püramiidi ja topeltpüramiidi (mittetäieliku oktaeedri) kujul. Kõik need valikud sisaldavad kas väga erineva suurusega S-S ühendused või tugevalt moonutatud sidemenurgad (joonis 9):

Keemilisi muundumisi, mille tulemusena struktuursed isomeerid muutuvad üksteiseks, nimetatakse isomerisatsiooniks.

Stereoisomeeria

tekib aatomite erineva paigutuse tõttu ruumis ja nendevaheliste sidemete järjestuses.

Üks stereoisomeeria tüüp on cis-trans-isomeeria (cis- lat. ühel küljel trans - lat. läbi, erinevatel külgedel) on täheldatud ühendites, mis sisaldavad mitut sidet või tasapinnalisi tsükleid. Erinevalt üksiksidemest ei lase mitmikside molekuli üksikutel fragmentidel selle ümber pöörleda. Isomeeri tüübi määramiseks tõmmatakse mõtteliselt tasapind läbi kaksiksideme ja seejärel analüüsitakse, kuidas asendajad selle tasandi suhtes asetsevad. Kui identsed rühmad asuvad samal pool tasapinda, siis see cis-isomeer, kui need on vastaskülgedel - transs-isomeer:

Füüsilised ja keemilised omadused cis- Ja transs-isomeerid on mõnikord märgatavalt erinevad; maleiinhappes on karboksüülrühmad –COOH ruumiliselt lähedal, nad võivad reageerida (joonis 11), moodustades maleiinhappe anhüdriidi (fumaarhappe puhul seda reaktsiooni ei toimu):

Riis. 11. Maleiinanhüdriidi teke

Lamedate tsükliliste molekulide puhul ei ole vaja tasandit mõtteliselt joonistada, kuna selle annab juba molekuli kuju, nagu näiteks tsükliliste siloksaanide puhul (joonis 12):

Riis. 12. Tsüklosiloksaani isomeerid

Keerulistes metalliühendites cis-isomeer on ühend, milles kaks identset metalli ümbritsevatest rühmadest asuvad läheduses, sees transs-isomeer, need on eraldatud teiste rühmadega (joonis 13):

Riis. 13. Koobaltikompleksi isomeerid

Teist tüüpi stereoisomeeria, optiline isomeeria, esineb juhtudel, kui kaks isomeeri (vastavalt varem sõnastatud definitsioonile on kaks molekuli, mis ruumis ei ühildu) peegli peegeldusüksteist. Seda omadust omavad molekulid, mida saab kujutada ühe süsinikuaatomina, millel on neli erinevat asendajat. Nelja asendajaga seotud keskse süsinikuaatomi valentsid on suunatud mentaalse tetraeedri tippude – korrapärase tetraeedri ( cm. ORBITAL) ja jäigalt fikseeritud. Neli ebavõrdset asendajat on näidatud joonisel fig. 14 nelja erineva värviga palli kujul:

Riis. 14. Süsinikuaatom nelja erineva asendajaga

Avastada võimalik haridus optiline isomeer (joonis 15) peab molekulist peegelduma peeglis, siis tuleks peegelpilti võtta kui reaalset molekuli, asetada see algse alla nii, et nende vertikaalteljed ühtiksid, ja teist molekuli pöörata ümber. vertikaalne telg nii et ülemise ja alumise molekuli punane pall on üksteise all. Selle tulemusena langeb kokku ainult kahe palli, beeži ja punase palli asukoht (tähistatud topeltnooltega). Kui pöörata alumist molekuli nii, et sinised pallid joonduksid, langeb jälle kokku ainult kahe palli asukoht - beež ja sinine (tähistatud ka topeltnooltega). Kõik saab ilmselgeks, kui need kaks molekuli ruumis vaimselt kombineerida, pannes üks teise sisse, nagu nuga ümbrises, punane ja roheline pall ei lange kokku:

Mis tahes vastastikuse orientatsiooni korral ruumis ei saa kaks sellist molekuli kombineerimisel täielikku kokkulangevust saavutada; definitsiooni kohaselt on need isomeerid. Oluline on märkida, et kui tsentraalsel süsinikuaatomil pole mitte nelja, vaid ainult kolm erinevat asendajat (st kaks neist on samad), siis sellise molekuli peegeldumisel peeglis optilist isomeeri ei moodustu, kuna molekuli ja selle peegeldust saab ruumis kombineerida (joonis 16):

Lisaks süsinikule võivad asümmeetriliste tsentritena toimida ka teised aatomid, milles kovalentsed sidemed suunatud tetraeedri nurkade poole, näiteks räni, tina, fosforit.

Optiline isomeeria ei esine ainult asümmeetrilise aatomi korral, see realiseerub ka mõnes karkassi molekulis teatud arvu erinevate asendajate juuresolekul. Näiteks raamistikul süsivesinikul adamantaan, millel on neli erinevat asendajat (joonis 17), võib olla optiline isomeer, kusjuures kogu molekul mängib asümmeetrilise tsentri rolli, mis ilmneb siis, kui adamantaani raamistik on vaimselt teatud punktini kokku tõmmatud. . Samamoodi muutub nelja erineva asendaja korral optiliselt aktiivseks ka siloksaan, millel on kuubikujuline struktuur (joonis 17):

Riis. 17. Optiliselt aktiivsed karkassimolekulid

Võimalused on võimalikud, kui molekul ei sisalda asümmeetrilist tsentrit isegi varjatud kujul, kuid võib ise olla üldiselt asümmeetriline, ja võimalikud on ka optilised isomeerid. Näiteks berülliumi kompleksühendis paiknevad kaks tsüklilist fragmenti üksteisega risti asetsevates tasandites, optilise isomeeri saamiseks piisab sel juhul kahest erinevast asendajast (joonis 18). Pentaeedrilise prisma kujuga ferrotseeni molekuli jaoks on samal eesmärgil vaja kolme asendajat, vesinikuaatom täidab sel juhul ühe asendaja rolli (joonis 18):

Riis. 18. Asümmeetriliste molekulide optiline isomeeria

Enamikel juhtudel struktuurvalemühendus võimaldab aru saada, mida selles täpselt muuta tuleb, et aine optiliselt aktiivseks muutuks.

Optiliselt aktiivsete stereoisomeeride süntees annab tavaliselt paremale ja vasakule pööravate ühendite segu. Isomeeride eraldamine toimub isomeeride segu reageerimisel asümmeetrilist reaktsioonitsentrit sisaldavate reagentidega (tavaliselt loodusliku päritoluga). Mõned elusorganismid, sealhulgas bakterid, metaboliseerivad eelistatavalt vasakule pööravaid isomeere.

Spetsiifilise optilise isomeeri tootmiseks on nüüdseks välja töötatud protsessid (nn asümmeetriline süntees).

On reaktsioone, mis võimaldavad teil muuta optilise isomeeri selle antipoodiks ( cm. WALDEN KONVERSIOON).

Mihhail Levitski

Käesolev trükis on adresseeritud 10.–11. klassi õpilastele ja keemiaeksamit sooritavatele soovijatele aadressil Ühtne riigieksami vorm. Koolitusülesanded võimaldavad teil teemat läbides süstemaatiliselt valmistuda eksamiks.
IN töövihik esitleti:
osade A, B ja C määramine kõigile Ühtse riigieksami teemad;
vastused kõikidele ülesannetele.
Raamat on kasulik keemiaõpetajatele, kuna see võimaldab õpilasi tõhusalt ette valmistada ühtne eksam otse klassiruumis, kõigi teemade õppimise käigus.

Näited.
Küllastunud süsivesinikke iseloomustavad reaktsioonid
1) asendamine
2) liitumised
3) dehüdrogeenimine
4) dehüdratsioon
5) isomerisatsioon
6) polümerisatsioon

Valige struktuuriisomeeridele iseloomulikud tunnused.
A) erinevad keemilised omadused
B) sarnased keemilised omadused
B) erinev struktuur
G) sama struktuur
E) sama kvantitatiivne koostis
G) erinevad füüsikalised omadused
3) identsed füüsikalised omadused

Valige homoloogidele iseloomulikud omadused.
A) samad füüsikalised omadused
B) erinevad füüsikalised omadused
B) samad ja erinevad keemilised omadused
D) sama kvantitatiivne koostis
D) erinev kvantitatiivne koostis
E) identne struktuur
G) sarnane struktuur
3) erinev struktuur

SISU
SISSEJUHATUS 3
KOOLITUSÜLESANDED TEEMADE KOHTA. 10. KLASS 5
Teema 1. Keemilise struktuuri teooria põhisätted ja arengusuunad orgaaniline aine OLEN. Butlerov. Küllastunud süsivesinikud 5
2. teema. Küllastumata süsivesinikud 10
3. teema. Aromaatsed süsivesinikud 14
4. teema. Looduslikud allikad süsivesinikud. Alkoholid. Fenoolid 18
Teema 5. Aldehüüdid ja karboksüülhapped 23
6. teema. Estrid. Rasvad. Süsivesikud 28
Teema 7. Amiinid. Aminohapped 33
Teema 8. Valgud. Aminohapped. Kõrge molekulmassiga ühendid 37
KOOLITUSÜLESANDED TEEMADE KOHTA. 11. KLASS 41
Teema 1. Perioodiline seadus Ja perioodilisustabel keemilised elemendid DI. Mendelejev. Aatomi struktuur 41
Teema 2. Aine struktuur (tüübid keemiline side, tüübid kristallvõred, oksüdatsiooniaste) 46
Teema 3. Mitmekesisus anorgaanilised ained, nende klassid ja omadused. Allotroopia 50
4. teema. Elektrolüütiline dissotsiatsioon soolad, happed, leelised. Ioonivahetusreaktsioonid. Soolade hüdrolüüs 55
Teema 5. Keemiliste reaktsioonide liigid. Redoksreaktsioonid. Kiiruse mõiste keemiline reaktsioon. Pöörduvad reaktsioonid 59
Teema 6. Metallid. Metallide saamise meetodid. Elektrolüüs 64
Teema 7. Mittemetallid 69
KOOLITUSÜLESANDE VASTUSED TEEMADE KOHTA. 10. KLASS 73
KOOLITUSÜLESANDE VASTUSED TEEMADE KOHTA. 11. KLASS 83
KIRJANDUS 94.

Tasuta allalaadimine e-raamat mugavas vormingus, vaadake ja lugege:
Lae alla raamat Ühtne riigieksam 2013, keemia, temaatilised koolitusülesanded, Sokolova I.A., 2012 - fileskachat.com, kiire ja tasuta allalaadimine.

Laadige alla pdf
Allpool saate osta seda raamatut parima hinnaga allahindlusega koos kohaletoimetamisega kogu Venemaal.