Egenskaper til strukturelle isomerer. Hva er strukturelle isomerer?

Forelesninger for studenter ved det pediatriske fakultet

Foredrag2

Tema: Romlig struktur av organiske forbindelser

Mål: kjennskap til typene strukturell og romlig isomerisme av organiske forbindelser.

Plan:

Klassifisering av isomeri.

Strukturell isomeri.

Romlig isomeri

Optisk isomeri

De første forsøkene på å forstå strukturen til organiske molekyler dateres tilbake til begynnelsen av 1800-tallet. For første gang ble fenomenet isomerisme oppdaget av J. Berzelius, og A. M. Butlerov i 1861 foreslo en teori om den kjemiske strukturen til organiske forbindelser, som forklarte fenomenet isomerisme.

Isomerisme - eksistensen av forbindelser med samme kvalitative og kvantitative sammensetning, men forskjellig struktur eller deres plassering i rommet, og selve stoffene kalles isomerer.

Klassifisering av isomerer

Strukturell

(forskjellig rekkefølge på tilkobling av atomer)

stereoisomerisme

(forskjellig arrangement av atomer i rommet)

Flere obligasjonsposisjoner

Funksjonelle gruppestillinger

Konfigurasjon

Samsvare-

Strukturell isomeri.

Strukturelle isomerer er isomerer som har samme kvalitative og kvantitative sammensetning, men som er forskjellige i kjemisk struktur.

Strukturell isomerisme forårsaker mangfold organiske forbindelser, spesielt alkaner. Med en økning i antall karbonatomer i molekyler alkaner øker raskt antallet strukturelle isomerer. Så for heksan (C 6 H 14) er det 5, for nonan (C 9 H 20) - 35.

Karbonatomer er forskjellige i deres plassering i kjeden. Karbonatomet i begynnelsen av kjeden er bundet til ett karbonatom og kalles hoved. Et karbonatom bundet til to karbonatomer sekundær, med tre tertiær, med fire Kvartær. Rettkjedede alkanmolekyler inneholder bare primære og sekundære karbonatomer, mens forgrenede alkanmolekyler inneholder både tertiære og kvaternære karbonatomer.

Typer av strukturell isomerisme.

Metamers- forbindelser som tilhører samme klasse av forbindelser, men som har forskjellige radikaler:

H 3 C - O - C 3 H 7 - metyl propyleter,

H 5 C 2 - O - C 2 H 5 - dietyleter

Interklasse-isomerisme. Med den samme kvalitative og kvantitative sammensetningen av molekyler er strukturen til stoffer annerledes.

For eksempel: aldehyder er isomere til ketoner:

Alkyner - alkadienam

H 2 C \u003d CH - CH \u003d CH 2 butadien -1,3 HC \u003d C - CH 2 - CH 3 - butin-1

Strukturell isomerisme bestemmer også mangfoldet av hydrokarbonradikaler. Radikal isomerisme begynner med propan, som to radikaler er mulige for. Hvis et hydrogenatom tas bort fra det primære karbonatomet, oppnås radikalet propyl (n-propyl). Hvis hydrogenatomet tas bort fra det sekundære karbonatomet, oppnås radikalet isopropyl

-

isopropyl

CH2-CH2-CH3-propyl

Romlig isomerisme (stereoisomerisme)

Dette er eksistensen av isomerer som har samme sammensetning og rekkefølge av forbindelse av atomer, men som er forskjellige i arten av arrangementet av atomer eller grupper av atomer i rommet i forhold til hverandre.

Denne typen isomerisme ble beskrevet av L. Pasteur (1848), J. van't Hoff, Le Bel (1874).

Under reelle forhold er selve molekylet og dets individuelle deler (atomer, grupper av atomer) i en tilstand av oscillerende-rotasjonsbevegelse, og denne bevegelsen endrer i stor grad det gjensidige arrangementet av atomer i molekylet. På dette tidspunktet strekkes kjemiske bindinger og bindingsvinkler endres, og dermed oppstår ulike konfigurasjoner og konformasjoner av molekyler.

Derfor er romlige isomerer delt inn i to typer: konformasjonelle og konfigurasjonsmessige.

Konfigurasjoner er arrangementet av atomer i rommet uten å ta hensyn til forskjellene som oppstår som følge av rotasjon rundt enkeltbindinger. Disse isomerene finnes i forskjellige konformasjoner.

Konformasjoner er svært ustabile dynamiske former av det samme molekylet som oppstår som et resultat av rotasjon av atomer eller grupper av atomer rundt enkeltbindinger, som et resultat av at atomene inntar forskjellige romlige posisjoner. Hver konformasjon av et molekyl er preget av en viss konfigurasjon.

B-bindingen tillater rotasjon rundt den, så ett molekyl kan ha mange konformasjoner. Av de mange konformasjonene er bare seks tatt i betraktning, siden minimumsrotasjonsvinkelen anses å være en vinkel lik 60 °, som kalles torsjonsvinkel.

Skille mellom formørket og hindret konformasjon.

Skjermet konformasjon oppstår hvis identiske substituenter er plassert i minimumsavstand fra hverandre og det oppstår gjensidige frastøtende krefter mellom dem, og molekylet må ha en stor energireserve for å opprettholde denne konformasjonen. Denne konformasjonen er energetisk ugunstig.

hindret konformasjon - oppstår når identiske substituenter er så langt fra hverandre som mulig og molekylet har en minimumsenergireserve. Denne konformasjonen er energisk gunstig.

P Den første forbindelsen som er kjent for å ha konformasjonsisomerer er etan. Strukturen i rommet er representert av en perspektivformel eller Newmans formel:

FRA 2 H 6

skjult hemmet

konformasjon konformasjon

Newmans projeksjonsformler.

Karbonatomet nærmest oss er indikert med en prikk i midten av sirkelen, sirkelen viser et fjernt karbonatom. De tre bindingene til hvert atom er avbildet som linjer som stråler ut fra sentrum av sirkelen - for det nærmeste karbonatomet og lite - for det fjerne karbonatomet.

I lange karbonkjeder er rotasjon mulig rundt flere C - C-bindinger. Derfor kan hele kjeden ta på seg en rekke geometriske former. I følge røntgendata har lange kjeder av mettede hydrokarboner sikksakk- og tangkonformasjoner. For eksempel: palmitinsyre (C 15 H 31 COOH) og stearinsyre (C 17 H 35 COOH) i sikksakk-konformasjoner er en del av lipidene til cellemembraner, og monosakkaridmolekyler i løsning har en klolignende konformasjon.

Konformasjoner av sykliske forbindelser

Sykliske forbindelser er preget av vinkelspenning assosiert med tilstedeværelsen av en lukket syklus.

Hvis vi anser syklusene som flate, vil bindingsvinklene for mange av dem avvike betydelig fra den normale. Spenningen forårsaket av avviket av bindingsvinkler mellom karbonatomer i en syklus fra en normalverdi kalles hjørne eller Bayer.

For eksempel, i cykloheksan, er karbonatomene i sp 3 - hybridtilstanden, og følgelig bør bindingsvinkelen være lik 109 omtrent 28 /. Hvis karbonatomene var i samme plan, ville de indre bindingsvinklene i en plan syklus være lik 120 o, og alle hydrogenatomene ville være i formørket konformasjon. Men sykloheksan kan ikke være plan på grunn av tilstedeværelsen av sterke vinkel- og torsjonsspenninger. Den har mindre anstrengte ikke-plane konformasjoner på grunn av delvis rotasjon rundt ϭ-bindinger, blant hvilke konformasjoner er mer stabile lenestoler og bad.

Stolkonformasjonen er den mest energimessig gunstige, siden den ikke inneholder formørkede posisjoner av hydrogen- og karbonatomer. Arrangementet av H-atomer for alle C-atomer er det samme som i den hindrede konformasjonen av etan. I denne konformasjonen er alle hydrogenatomer åpne og tilgjengelige for reaksjoner.

Badkonformasjonen er mindre energisk gunstig, siden 2 par C-atomer (C-2 og C-3), (C-5 og C-6) som ligger ved basen har H-atomer i en formørket konformasjon, derfor har denne konformasjonen en stor tilførsel av energi og ustabil.

C6H12 cykloheksan

Formen på "lenestolen" er mer energisk gunstig enn "badet".

Optisk isomeri.

På slutten av 1800-tallet ble det oppdaget at mange organiske forbindelser er i stand til å rotere planet til en polarisert stråle til venstre og høyre. Det vil si at en lysstråle som faller inn på et molekyl samhandler med dets elektronskjell, i dette tilfellet oppstår polariseringen av elektroner, noe som fører til en endring i retningen av oscillasjoner i det elektriske feltet. Hvis et stoff roterer svingningsplanet med klokken, kalles det høyredreiende(+) hvis mot klokken - levorotary(-). Disse stoffene ble kalt optiske isomerer. Optisk aktive isomerer inneholder et asymmetrisk karbonatom (kiralt) - dette er et atom som inneholder fire forskjellige substituenter. Den andre viktige betingelsen er fraværet av alle typer symmetri (akser, fly). Disse inkluderer mange hydroksy- og aminosyrer

Studier har vist at slike forbindelser er forskjellige i rekkefølgen av substituenter ved karbonatomer i sp 3 hybridisering.

P den enkleste forbindelsen er melkesyre (2-hydroksypropansyre)

Stereoisomerer, hvis molekyler er relatert til hverandre som et objekt og et uforenlig speilbilde eller som venstre og høyre høyre hånd kalt enantiomerer(optiske isomerer, speilisomerer, antipoder, og fenomenet kalles enantiomerer. Alle kjemikalier og fysiske egenskaper enantiomerer er de samme, bortsett fra to: rotasjonen av planet av polarisert lys (i polarimeterenheten) og biologisk aktivitet.

Den absolutte konfigurasjonen av molekyler bestemmes av komplekse fysisk-kjemiske metoder.

Den relative konfigurasjonen av optisk aktive forbindelser bestemmes ved sammenligning med en glyceraldehydstandard. Optisk aktive substanser med konfigurasjon av høyredreiende eller venstredreiende glyceraldehyd (M. Rozanov, 1906) kalles substanser i D- og L-serien. En lik blanding av høyre og venstre isomerer av en forbindelse kalles et racemat og er optisk inaktiv.

Studier har vist at tegnet på lysets rotasjon ikke kan assosieres med tilhørigheten til et stoff til D- og L-serien, det bestemmes bare eksperimentelt i enheter - polarimetre. For eksempel har L-melkesyre en rotasjonsvinkel på +3,8 o, D-melkesyre - 3,8 o.

Enantiomerer er avbildet ved å bruke Fishers formler.

Karbonkjeden er vist som en vertikal linje.

Den høyeste funksjonelle gruppen er plassert øverst, den yngste er plassert under.

Et asymmetrisk karbonatom er representert av en horisontal linje med substituenter i endene.

Antall isomerer bestemmes av formelen 2n, n er antall asymmetriske karbonatomer.

L-rad D-rad

Blant enantiomerene kan det være symmetriske molekyler som ikke har optisk aktivitet, og kalles mesoisomerer.

For eksempel: Vinkart

D - (+) - rad L - (-) - rad

Mezovinnaya til - det

Racemate - druesyre

Optiske isomerer som ikke er speilisomerer, som er forskjellige i konfigurasjonen av flere, men ikke alle, asymmetriske C-atomer, som har forskjellige fysiske og kjemiske egenskaper, kalles - di-en-stereoisomerer.

-Diastereomerer (geometriske isomerer) er stereomerer som har en -binding i molekylet. De finnes i alkener, umettede høyere karbonsett, umettet dikarboksylsyre til-t. For eksempel:

Cis-buten-2 Trans-buten-2

Den biologiske aktiviteten til organiske ting er relatert til deres struktur. For eksempel:

Cis-butendisyre, trans-butendisyre,

maleinsyre - fumarsyre - ikke-giftig,

svært giftig i kroppen

Alle naturlige umettede høyere karboksylsyrer er cis-isomerer.

I denne artikkelen vil vi snakke om strukturelle isomerer, deres strukturelle egenskaper og typer isomerisme. Vi vil analysere i detalj selve fenomenet isomerisme, og eksempler på deres bruk i livet vil også bli gitt.

Fenomenet isomerisme

Isomerisme er et spesielt fenomen som forhåndsbestemmer eksistensen av kjemikalier. forbindelser, de samme isomerene, stoffer med identiske atomsammensetninger og molekylvekter, som bare er forskjellige i deres atomarrangement i rommet eller i deres struktur, noe som fører til en endring og tilegnelse av forskjellige, nye egenskaper av dem. Strukturelle isomerer- dette er stoffer dannet som et resultat av en slik endring i posisjonen til atomene deres i rommet, som vil bli diskutert mer detaljert nedenfor.

Når vi snakker om isomerisme, er det verdt å huske eksistensen av en slik prosess som isomerisering, som er prosessen med overgang av en isomer til en annen som et resultat av en kjemisk reaksjon. transformasjoner.

Typer isomeri

Valensisomerisme er en type isomerstruktur der overføringen av selve isomerene (en til en annen) er mulig som et resultat av omfordeling av valensbindinger.

Posisjonell isomerisme er en type stoff med et identisk karbonskjelett, men en annen plassering av de funksjonelle gruppene. Et slående eksempel er 2- og 4-syrene av klorbutan.

Interklasse-isomerisme skjuler forskjellen mellom isomerer i egenskap av funksjonelle grupper.

Metamerisme er fordelingen av karbonatomers posisjon mellom et visst antall karbonradikaler, heteroatomet til molekylet fungerer som en separator. Denne typen isomerisme er typisk for aminer, tioalkoholer og etere, både enkle og komplekse.

Isomerismen til karbonskjelettet er forskjellen i posisjonen til karbonatomer, eller rettere sagt deres rekkefølge. For eksempel: fenantren og antracen har generell formel C14H10, men annen type omfordeling av valensbindinger.

Strukturelle isomerer

Strukturelle isomerer er stoffer som har en lignende formel for strukturen til et stoff, men som er forskjellige i formelen til molekylet. Strukturelle isomerer er de som er identiske med hverandre i kvantitative og kvalitative sammensetninger, men rekkefølgen på atombinding (kjemisk struktur) har forskjeller.

Strukturelle isomerer er klassifisert i henhold til typen isometrisk struktur, hvis typer er gitt ovenfor i avsnittet om typer isomerisme.

Strukturformelen til en isomer av et stoff har et bredt spekter av modifikasjoner. Noen eksempler på isomerisme er stoffer som butansyre, 2-metylpropansyre, metylpropionat, dioksan, etylacetat, isopropylformiat har samme sammensetning av alle tre typer atomer i sammensetningen av stoffet, men er forskjellige i atomposisjonen. i selve forbindelsen.

En annen et godt eksempel isomerisme er eksistensen av pentan, neopentan og isopentan.

Navn på isomerer

Som nevnt tidligere er strukturelle isomerer stoffer som har en lignende formel for strukturen til stoffet, men som er forskjellige i molekylets formel. Slike forbindelser har en klassifisering som tilsvarer egenskapene til deres egenskaper, strukturen og posisjonen til atomer i isomermolekylet, forskjeller i antall funksjonelle grupper, valensbindinger, tilstedeværelsen av atomer av et bestemt element i et stoff, etc. Navnene på de strukturelle isomerene er gitt forskjellige måter. La oss vurdere dette ved å bruke eksemplet med 3-metylbutanol 1 som en representant for alkoholer.

Når det gjelder alkoholer, når man får navnet på alkoholer, begynner alt med valget av karbonkjeden, som er dominerende, nummerering utføres, hvis formål er å tilordne et minst mulig nummer til OH-gruppen, under hensyntagen til ta hensyn til bestillingen. Selve navnet begynner med en substituent i karbonkjeden, deretter følger navnet på hovedkjeden, og etter det legges suffikset -ol til, og tallet indikerer karbonatomet knyttet til OH-gruppen.

Og det greske μέρος - dele, del), et fenomen som består i eksistensen kjemiske forbindelser identisk i sammensetning med samme molekylvekt, men forskjellig i struktur. Slike forbindelser kalles isomerer. Strukturelle forskjeller forårsaker forskjellige gjensidig påvirkning atomer i molekyler og forhåndsbestemme ulike fysiske og Kjemiske egenskaper isomerer. Isomerisme er ekstremt vanlig i organisk kjemi og er en av hovedårsakene til mangfoldet og overfloden av organiske forbindelser. PÅ uorganisk kjemi isomerisme forekommer hovedsakelig for komplekse forbindelser.

Begrepet "isomerisme" ble introdusert av J. Berzelius i 1830, og fullførte kontroversen mellom J. Liebig og F. Wöhler om eksistensen av to stoffer som avviker sterkt i egenskaper og har samme AgCNO-sammensetning - sølvcyanat og fulminat, og basert på om resultatene av forskning vinsyre og vinsyre. Essensen av isomerisme ble senere forklart på grunnlag av teorien om kjemisk struktur.

Det er to hovedtyper av isomerisme: strukturell og romlig (stereoisomerisme). Strukturelle isomerer er forskjellige i rekkefølgen av bindinger av atomer i et molekyl, det vil si i deres kjemiske struktur. Stereoisomerer (romlige isomerer) med samme rekkefølge av bindinger av atomer i et molekyl er forskjellige gjensidig ordning atomer i rommet.

Strukturell isomerisme er delt inn i karbonskjelettisomerisme (skjelettisomerisme), posisjonsisomeri (posisjonsisomerisme), metamerisme og andre typer. Karbonskjelettets isomerisme skyldes annen rekkefølge bindinger av karbonatomer som danner skjelettet til et molekyl. For å spesifisere de strukturelle egenskapene til isomerer, er skjelettisomerisme delt inn i karbonkjedeisomerisme, ringisomerisme og sidekjedeisomerisme. For eksempel er karbonkjedeisomerisme karakteristisk for alkaner som starter fra det fjerde medlemmet av den homologe C 4 H 10-serien, som har to strukturelle isomerer: n-butan CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 og isobutan (2-metylpropan). ) CH3-CH (CH3)-CH3. Det femte medlemmet av C 5 H 12-alkanserien har tre isomerer: CH 3 -CH 2 - CH 2 -CH 2 -CH 3 - n-pentan, CH 3 -CH (CH 3) -CH 2 -CH 3 - isopentan (2-metylbutan) og neopentan (2,2-dimetylpropan) CH3-C (CH3)2-CH3. Ettersom kjeden forlenges, øker antallet mulige isomerer raskt. Så, for alkaner med sammensetningen C 10 H 22, er 75 strukturelle isomerer mulige, for C 13 H 28 - 802 isomerer, for C 20 H 42 - mer enn 366 tusen isomerer. Alicykliske forbindelser er preget av ringisomerisme og sidekjedeisomerisme. For eksempel, blant skjelettisomerene (formlene I-IV), er metylcyklopentan (I), cykloheksan (II) og propylcyklopropan (III) sykliske isomerer, og propylcyklopropan (III) og isopropylcyklopropan (IV) er sidekjedeisomerer. Forskjeller i egenskapene til skjelettisomerer kommer til uttrykk i forskjellen i kokepunktene deres (isomerer med normal karbonkjede koker mer høy temperatur enn forgrenede isomerer), tettheter osv. n-alkaner har for eksempel, i motsetning til forgrenede isomerer, lavere detonasjonsmotstand (se artikkelen Oktantall), og danner komplekser med urea (klatrater).

Posisjonisomerisme skyldes de forskjellige posisjonene til funksjonelle grupper, substituenter eller multiple bindinger. For eksempel er posisjonsisomerer 1-propanol CH 3 -CH 2 -CH 2 OH og 2-propanol CH 3 -CH (OH) -CH 3, 1-buten CH 2 \u003d CH-CH 2 -CH 3 og 2- buten CH3-CH=CH-CH3. Endring av posisjonen til den funksjonelle gruppen kan føre til en endring i klassen av forbindelsen. For eksempel refererer posisjonsisomerene aceton CH3-C(O)-CH3 og propanal CH3-CH2-CHO til henholdsvis ketoner og aldehyder. Strukturelle isomerer med forskjellige funksjonelle grupper er svært forskjellige i kjemiske egenskaper.

Metamerisme skyldes de forskjellige posisjonene til heteroatomet (O, N, S) i kjeden. For eksempel er metamerer metylpropyleter CH3O-CH2-CH2-CH3 og dietyleter CH3-CH2-O-CH2-CH3, dietylamin CH3-CH2-NH-CH2-CH 3 og CH3-NH-CH2-CH2-CH3-metylpropylamin.

Ofte er forskjeller i isomerer bestemt av flere strukturelle trekk. For eksempel skiller metylisopropylketon (3-metyl-2-butanon) CH 3 -C (O) -CH (CH 3) 2 og valerianaldehyd (pentanal) CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CHO seg fra hver annet som strukturen til karbonskjelettet, og posisjonen til den funksjonelle gruppen.

En spesiell type strukturell isomerisme er tautomerisme (likevektsdynamisk isomerisme). I dette tilfellet passerer isomerer som er forskjellige i funksjonelle grupper lett inn i hverandre inntil en likevekt oppnås, hvor stoffet samtidig inneholder tautomermolekyler i et visst forhold.

Romlig isomerisme er delt inn i geometrisk (cis, trans og syn, anti-isomerisme eller E, Z-isomerisme) og optisk (enantiomerisme). Geometrisk isomeri er karakteristisk for forbindelser som inneholder dobbeltbindinger eller ikke-aromatiske ringer, som er strukturelt stive fragmenter av molekyler. For cis-isomerer er to substituenter plassert på den ene siden av planet til dobbeltbindingen eller syklusen, for trans-isomerer - langs forskjellige sider. For eksempel er geometriske isomerer cis-2-buten (formel V) og trans-2-buten (VI), cis-1,2-diklorcyklopropan (VII) og trans-1,2-diklorcyklopropan (VIII).

Karakteristiske forskjeller mellom cis- og transisomerer er flere lav temperatur smelting av cis-isomerer, betydelig bedre løselighet i vann og et uttalt dipolmoment. Trans-isomerer er vanligvis mer stabile. Se for eksempel artikkelen Malein- og fumarsyrer.

Den geometriske isomerismen observert for forbindelser med dobbeltbindinger C=N (oksimer) og N=N (azo-, azoksyforbindelser) kalles ofte syn, anti-isomerisme. For eksempel er geometriske isomerer anti-benzaldoksim (formel IX) og syn-benzaldoksim (X); syn-azobenzen (XI) og anti-azobenzen (XII).

PÅ generell sakΕ,Z-nomenklatur brukes. Z-isomerer har seniorsubstituenter (som har en større atomnummer) er plassert på den ene siden av dobbeltbindingen eller syklusen, i E-isomerer - på motsatte sider. For eksempel er geometriske isomerer (Z)-1-brom-1-jod-2-kloretylen (formel XIII) og (E)-1-brom-1-jod-2-kloretylen (XIV).

Optisk isomerisme er karakteristisk for forbindelser hvis molekyler har elementer av kiralitet, for eksempel et asymmetrisk (kiralt) karbonatom bundet til fire forskjellige substituenter. Det ble først oppdaget av L. Pasteur i 1848 ved å bruke eksemplet med vinsyre og forklart av J. H. van't Hoff og J. A. Le Bel i 1874 basert på konseptet om den tetraedriske konfigurasjonen av karbonatomer i mettede forbindelser. Molekyler som inneholder et asymmetrisk karbonatom kan representeres som to optiske isomerer som ikke kan kombineres i rommet (dvs. de forholder seg til hverandre som et objekt til speilbildet). Slike speilisomerer, som bare skiller seg i motsatt arrangement av de samme substituentene i det kirale senteret, kalles enantiomerer (fra gresk έναντίος - motsatt og μέρος - del). For eksempel kan melkesyreenantiomerer (XV og XVI) representeres i 3D eller som Fisher-formler (se Kjemisk nomenklatur).

Enantiomerer har forskjellige biologiske aktiviteter; de er også preget av optisk aktivitet - evnen til å virke på planpolarisert lys (rotere polariseringsplanet). Enantiomerer roterer polarisasjonsplanet med samme vinkel, men i motsatt retning, og det er derfor de kalles optiske antipoder.

I lang tid ble konfigurasjonen av enantiomerer bestemt i forhold til konfigurasjonen av en kjent standard, som var enantiomerene av glyseraldehyd (D, L-sterisk serie). Mer universell er R, S-nomenklaturen (foreslått av R. Kahn, K. Ingold og V. Prelog), som etablerer den absolutte konfigurasjonen av romlige isomerer. I samsvar med reglene i R, S-nomenklaturen er melkesyreenantiomerer (XV, XVI) henholdsvis (R)-melkesyre og (S)-melkesyre. Det er ingen regler for å oversette D, L-nomenklatur til R, S-system, siden disse nomenklaturene bruker ulike prinsipper. Det er ikke etablert noen forbindelse mellom parametere for absolutt konfigurasjon og optisk rotasjon.

For forbindelser som har n kirale sentre i molekylet, er antallet mulige stereoisomerer 2 ". Ved n ≥ 2 er det imidlertid stereoisomerer som skiller seg fra hverandre i deler av chiralitetselementene de inneholder. Slike stereoisomerer som ikke er enantiomerer er kalt diastereomerer (fra gresk δια ... - gjennom, mellom, stereo... og μέρος - del). og XX er enantiomerer, de gjenværende parene (XVII og XIX, XVII og XX, XVIII og XIX, XVIII og XX) er diastereomerer.

Når ytterligere symmetrielementer vises (plan, akse eller symmetrisenter) totalt antall stereoisomerer, samt antall optiske aktive former kan reduseres. For eksempel har vinsyre tre stereoisomerer, hvorav to er optisk aktive: D-vinsyre, eller (2R,3R)-vinsyre (formel XXI), og L-vinsyre, eller (2S,3S)-vinsyre (XXII), som er enantiomerer. Deres diastereomer - mesovinsyre, eller (2R,3S)-vinsyre (formel XXIII, eller identisk konfigurasjon XXIV), på grunn av tilstedeværelsen av et symmetriplan (angitt med en stiplet linje) er optisk inaktiv - er den s.k. intramolekylært racemat.

Prosessen med interkonvertering av enantiomerer kalles racemisering. En blanding av like mengder optiske antipoder - en racemisk blanding, eller racemat, har ikke optisk aktivitet. Stereoisomerisme er viet stor oppmerksomhet i studiet av naturlige forbindelser og syntese av biologisk aktive stoffer. Stoffer av naturlig opprinnelse som inneholder elementer av kiralitet har en viss stereokonfigurasjon, så vel som optisk aktivitet. Når et kiralt senter dannes under betingelsene for kjemisk syntese (med unntak av asymmetrisk syntese), dannes et racemat; isolering av enantiomerer krever bruk av komplekse metoder separasjon av racematet i optisk aktive komponenter.

Som et resultat av den indre rotasjonen av molekyler oppstår konformasjonsisomerer eller konformatorer som er forskjellige i graden av rotasjon av molekylære fragmenter om en eller flere enkle bindinger. I noen tilfeller kan individuelle konformere, noen ganger også kalt rotasjonsisomerer, isoleres. Å studere utdanning, forskjeller i egenskaper og reaktivitet konformatorer, brukes konformasjonsanalyse.

Isomerer kan omdannes til hverandre ved isomeriseringsreaksjoner.

Litt .: Potapov V. M. Stereokjemi. 2. utg. M., 1988; Traven V.F. Organisk kjemi. M., 2004. T. 1.

Innholdet i artikkelen

isomerisme(gr. isos - det samme, meros - del) er et av de viktigste begrepene i kjemi, hovedsakelig i organisk. Stoffer kan ha samme sammensetning og molekylær vekt, men en annen struktur og forbindelser som inneholder de samme elementene i samme mengde, men som er forskjellige i romlig arrangement av atomer eller grupper av atomer, kalles isomerer. Isomerisme er en av grunnene til at organiske forbindelser er så mange og varierte.

Isomerisme ble først oppdaget av J. Liebig i 1823, som fant ut at sølvsaltene av fulminant- og isocyansyrer: Ag-O-N=C og Ag-N=C=O har samme sammensetning, men forskjellige egenskaper. Begrepet "Isomerism" ble introdusert i 1830 av I. Berzelius, som foreslo at forskjeller i egenskapene til forbindelser med samme sammensetning oppstår på grunn av det faktum at atomene i molekylet er ordnet i ulik rekkefølge. Ideer om isomerisme ble til slutt dannet etter opprettelsen av teorien om kjemisk struktur av A.M. Butlerov (1860-tallet). Basert på bestemmelsene i denne teorien foreslo han at det måtte være fire forskjellige butanoler (fig. 1). Da teorien ble opprettet, var bare én butanol (CH 3) 2 CHCH 2 OH, hentet fra plantematerialer, kjent.

Ris. 1. Isomerer av butanol

Den påfølgende syntesen av alle isomerer av butanol og bestemmelsen av deres egenskaper ble en overbevisende bekreftelse av teorien.

I følge moderne definisjon to forbindelser med samme sammensetning regnes som isomerer hvis molekylene deres ikke kan kombineres i rommet slik at de faller helt sammen. Kombinasjonen gjøres som regel mentalt, i vanskelige saker bruke romlige modeller eller beregningsmetoder.

Det er flere årsaker til isomerisme.

STRUKTURELL ISOMERISME

Det er som regel forårsaket av forskjeller i strukturen til hydrokarbonskjelettet eller av et ulikt arrangement av funksjonelle grupper eller multiple bindinger.

Isomerisme av hydrokarbonskjelettet.

Mettede hydrokarboner som inneholder fra ett til tre karbonatomer (metan, etan, propan) har ikke isomerer. For en forbindelse med fire karbonatomer C 4 H 10 (butan) er to isomerer mulig, for pentan C 5 H 12 - tre isomerer, for heksan C 6 H 14 - fem (fig. 2):

Ris. 2. Isomerer av de enkleste hydrokarboner

Med en økning i antall karbonatomer i et hydrokarbonmolekyl, øker antallet mulige isomerer dramatisk. For heptan C 7 H 16 er det ni isomerer, for hydrokarbon C 14 H 30 - 1885 isomerer, for hydrokarbon C 20 H 42 - over 366.000.

I komplekse tilfeller avgjøres spørsmålet om to forbindelser er isomerer ved å bruke ulike rotasjoner rundt valensbindinger (enkle bindinger tillater dette, som til en viss grad samsvarer med deres fysiske egenskaper). Etter bevegelse av individuelle fragmenter av molekylet (uten å bryte bindinger), legges ett molekyl over et annet (fig. 3). Hvis to molekyler er nøyaktig like, så er disse ikke isomerer, men den samme forbindelsen:

Isomerer som er forskjellige i skjelettstruktur har vanligvis forskjellige fysiske egenskaper (smeltepunkt, kokepunkt, etc.), som gjør det mulig å skille den ene fra den andre. Isomerisme av denne typen finnes også i aromatiske hydrokarboner (fig. 4):

Ris. 4. Aromatiske isomerer

Posisjonsisomeri.

En annen type strukturell isomerisme, posisjonsisomeri, oppstår når funksjonelle grupper, separate heteroatomer eller multiple bindinger er lokalisert på forskjellige steder i hydrokarbonskjelettet. Strukturelle isomerer kan tilhøre ulike klasser organiske forbindelser, så de kan variere ikke bare i fysiske, men også i kjemiske egenskaper. På fig. 5 viser tre isomerer for forbindelsen C 3 H 8 O, to av dem er alkoholer, og den tredje er en eter

Ris. 5. Plasser isomerer

Ofte er forskjeller i strukturen til posisjonsisomerer så åpenbare at det ikke engang er nødvendig å kombinere dem mentalt i rommet, for eksempel isomerer av buten eller diklorbenzen (fig. 6):

Ris. 6. Isomerer av buten og diklorbenzen

Noen ganger kombinerer strukturelle isomerer trekk ved hydrokarbonskjelettisomerisme og posisjonsisomeri (fig. 7).

Ris. 7. Kombinasjon av to typer strukturell isomeri

I spørsmål om isomeri henger teoretiske betraktninger og eksperimenter sammen. Hvis hensyn viser at det ikke kan være isomerer, bør eksperimenter vise det samme. Hvis beregningene indikerer et visst antall isomerer, kan de oppnås like mye, eller mindre, men ikke mer - ikke alle teoretisk beregnede isomerer kan oppnås, siden interatomiske avstander eller bindingsvinkler i den foreslåtte isomeren kan være utenfor området. For et stoff som inneholder seks CH-grupper (for eksempel benzen) er 6 isomerer teoretisk mulig (fig. 8).

Ris. 8. Benzenisomerer

De første fem av de viste isomerene eksisterer (den andre, tredje, fjerde og femte isomeren ble oppnådd nesten 100 år etter at strukturen til benzen ble etablert). Den siste isomeren vil mest sannsynlig aldri bli oppnådd. Presentert som en sekskant, er den minst sannsynlig, dens deformasjoner fører til strukturer i form av et skrå prisme, en trestrålestjerne, en ufullstendig pyramide og en dobbelpyramide (en ufullstendig oktaeder). Hvert av disse alternativene inneholder enten svært forskjellige i størrelsesorden C-C tilkoblinger, eller sterkt forvrengte bindingsvinkler (fig. 9):

Kjemiske transformasjoner, som et resultat av at strukturelle isomerer omdannes til hverandre, kalles isomerisering.

stereoisomerisme

oppstår på grunn av forskjellig arrangement av atomer i rommet med samme rekkefølge av bindinger mellom dem.

En av typene stereoisomerisme er cis-trans-isomerisme (cis - lat. den ene siden, trans - lat. gjennom, på motsatte sider) observeres i forbindelser som inneholder flere bindinger eller flate sykluser. I motsetning til en enkeltbinding, tillater ikke en multippelbinding individuelle fragmenter av molekylet å rotere rundt det. For å bestemme typen isomer trekkes et plan mentalt gjennom dobbeltbindingen og deretter analyseres måten substituentene er plassert i forhold til dette planet. Hvis identiske grupper er på samme side av flyet, så dette cis-isomer, hvis på motsatte sider - transe-isomer:

Fysiske og kjemiske egenskaper cis- og transe-isomerer er noen ganger merkbart forskjellige, i maleinsyre er karboksylgruppene -COOH romlig nære, de kan reagere (fig. 11), og danne maleinsyreanhydrid (for fumarsyre forekommer ikke denne reaksjonen):

Ris. 11. Dannelse av maleinsyreanhydrid

Når det gjelder plane sykliske molekyler, er det ikke nødvendig å mentalt tegne et plan, siden det allerede er satt av formen på molekylet, som for eksempel i sykliske siloksaner (fig. 12):

Ris. 12. Isomerer av cyklosiloksan

I komplekse forbindelser av metaller cis En isomer er en forbindelse der to identiske grupper, av de som omgir metallet, er tilstøtende, i transe-isomer, de er atskilt av andre grupper (fig. 13):

Ris. 13. Isomerer av koboltkomplekset

Den andre typen stereoisomerisme - optisk isomerisme oppstår når to isomerer (i samsvar med definisjonen formulert tidligere, to molekyler som ikke er kompatible i rommet) er speilrefleksjon hverandre. Molekyler som kan representeres som et enkelt karbonatom med fire forskjellige substituenter har denne egenskapen. Valensene til det sentrale karbonatomet assosiert med fire substituenter er rettet mot toppunktene til det mentale tetraederet - et vanlig tetraeder ( cm. ORBITAL) og er stivt festet. Fire forskjellige substituenter er vist i fig. 14 i form av fire kuler med forskjellige farger:

Ris. 14. Et karbonatom med fire forskjellige substituenter

Å oppdage mulig utdanning optisk isomer, er det nødvendig (fig. 15) å reflektere molekylet i speilet, så skal speilbildet tas som et ekte molekyl, plasseres under det opprinnelige slik at deres vertikale akser faller sammen, og rotere det andre molekylet rundt vertikal akse slik at den røde kulen til de øvre og nedre molekylene er under hverandre. Som et resultat faller posisjonen til bare to baller, beige og rød, sammen (merket med doble piler). Hvis du roterer det nedre molekylet slik at de blå kulene er på linje, vil bare posisjonene til to kuler, beige og blå, falle sammen igjen (også markert med doble piler). Alt blir åpenbart hvis disse to molekylene er mentalt kombinert i verdensrommet, og setter det ene inn i det andre, som en kniv i en slire, den røde og grønne ballen passer ikke sammen:

For enhver gjensidig orientering i rommet av to slike molekyler er det umulig å oppnå fullstendig tilfeldighet når de kombineres, i henhold til definisjonen er disse isomerer. Det er viktig å merke seg at hvis det sentrale karbonatomet ikke har fire, men bare tre forskjellige substituenter (det vil si to av dem er like), så dannes det ikke en optisk isomer når et slikt molekyl reflekteres i speilet, siden molekylet og dets refleksjon kan kombineres i rommet (fig. 16):

I tillegg til karbon kan andre atomer fungere som asymmetriske sentre, der kovalente bindinger rettet til hjørnene av tetraederet, for eksempel silisium, tinn, fosfor.

Optisk isomerisme oppstår ikke bare når det gjelder et asymmetrisk atom, det realiseres også i noen rammemolekyler i nærvær av et visst antall forskjellige substituenter. For eksempel kan rammen hydrokarbon adamantan, som har fire forskjellige substituenter (fig. 17), ha en optisk isomer, mens hele molekylet spiller rollen som et asymmetrisk senter, noe som blir tydelig hvis rammen av adamantan er mentalt sammentrukket til en punkt. På samme måte blir siloksanet, som har en kubisk struktur (fig. 17), også optisk aktivt når det gjelder fire forskjellige substituenter:

Ris. 17. Optisk aktive rammeverkmolekyler

Varianter er mulige når molekylet ikke inneholder et asymmetrisk senter selv i en latent form, men kan i seg selv være generelt asymmetrisk, mens optiske isomerer også er mulige. For eksempel, i en kompleks forbindelse av beryllium, er to sykliske fragmenter lokalisert i gjensidig perpendikulære plan, i dette tilfellet er to forskjellige substituenter tilstrekkelig for å oppnå en optisk isomer (fig. 18). For ferrocenmolekylet, som har form som et femsidig prisme, trengs tre substituenter til samme formål, hydrogenatomet spiller i dette tilfellet rollen som en av substituentene (fig. 18):

Ris. 18. Optisk isomerisme av asymmetriske molekyler

I de fleste tilfeller strukturformel forbindelsen lar oss forstå hva som skal endres i den for å gjøre stoffet optisk aktivt.

Ved syntetisering av optisk aktive stereoisomerer oppnås vanligvis en blanding av høyredreiende og venstredreiende forbindelser. Separasjonen av isomerer utføres ved å reagere en blanding av isomerer med reagenser (ofte av naturlig opprinnelse) som inneholder et asymmetrisk reaksjonssenter. Noen levende organismer, inkludert bakterier, metaboliserer fortrinnsvis venstrehendte isomerer.

For tiden er det utviklet prosesser (kalt asymmetrisk syntese) som gjør det mulig å målrettet oppnå en spesifikk optisk isomer.

Det er reaksjoner som gjør det mulig å omdanne en optisk isomer til dens antipode ( cm. VALDENSAMTALE).

Mikhail Levitsky

Denne publikasjonen henvender seg til studenter på 10.–11. trinn og søkere som tar eksamen i kjemi kl. BRUK skjema. Opplæringsoppgaver vil tillate deg å systematisk forberede deg til eksamen mens du består emnet.
PÅ arbeidsbok presentert:
oppgaver i del A, B og C for alle BRUK emner;
svar på alle spørsmål.
Boken vil være nyttig for lærere i kjemi, da den gjør det mulig å effektivt organisere forberedelsene til elevene til enkelteksamen direkte i klasserommet, i ferd med å studere alle emner.

Eksempler.
Mettede hydrokarboner er preget av reaksjoner
1) substitusjon
2) tilkoblinger
3) dehydrogenering
4) dehydrering
5) isomerisering
6) polymerisasjon

Velg egenskaper som er karakteristiske for strukturelle isomerer.
a) ulike kjemiske egenskaper
B) lignende kjemiske egenskaper
B) annen struktur
G) samme struktur
E) samme kvantitative sammensetning
G) ulike fysiske egenskaper
3) de samme fysiske egenskapene

Velg funksjoner som er karakteristiske for homologer.
A) de samme fysiske egenskapene
B) ulike fysiske egenskaper
B) samme og forskjellige kjemiske egenskaper
D) samme kvantitative sammensetning
D) forskjellig kvantitativ sammensetning
E) samme struktur
G) lignende struktur
3) annen struktur

INNHOLD
INNLEDNING 3
TRENINGSOPPGAVER ETTER EMNER. 10. KLASSE 5
Emne 1. Hovedbestemmelser og retninger for utvikling av teorien om kjemisk struktur organisk materiale ER. Butlerov. Begrens hydrokarboner 5
Emne 2 Umettede hydrokarboner 10
Emne 3. aromatiske hydrokarboner 14
Emne 4. naturlige kilder hydrokarboner. Alkoholer. Fenoler 18
Emne 5. Aldehyder og karboksylsyrer 23
Emne 6. Estere. Fett. Karbohydrater 28
Emne 7. Aminer. Aminosyrer 33
Emne 8. Proteiner. Aminosyrer. Makromolekylære forbindelser 37
TRENINGSOPPGAVER ETTER EMNER. 11. KLASSE 41
Emne 1. Periodisk lov og periodisk system kjemiske elementer DI. Mendeleev. Strukturen til atomer 41
Emne 2. Stoffets struktur (typer kjemisk forbindelse, typer krystallgitter, oksidasjonstilstander) 46
Tema 3. Mangfold uorganiske stoffer, deres klasser og eiendommer. Allotropi 50
Emne 4. Elektrolytisk dissosiasjon salter, syrer, alkalier. Ionebytterreaksjoner. Salthydrolyse 55
Emne 5. Typer kjemiske reaksjoner. Redoksreaksjoner. Konseptet med hastighet kjemisk reaksjon. Reversible reaksjoner 59
Tema 6. Metaller. Metoder for å oppnå metaller. Elektrolyse 64
Emne 7. Ikke-metaller 69
SVAR PÅ TRENINGSOPPGAVER ETTER EMNER. 10. KLASSE 73
SVAR PÅ TRENINGSOPPGAVER ETTER EMNER. 11. KLASSE 83
LITTERATUR 94.

Gratis nedlasting e-bok i et praktisk format, se og les:
Last ned boken USE 2013, Chemistry, Thematic training tasks, Sokolova I.A., 2012 - fileskachat.com, rask og gratis nedlasting.

Last ned pdf
Nedenfor kan du kjøpe denne boken til den beste rabatterte prisen med levering i hele Russland.