Явление изомерии было открыто в 1824 г. независимо друг от друга Юстусом Либихом и Фридрихом Вёлером. Проводя исследования, они обнаружили, что существуют два вещества одинакового состава, но с разными свойствами:
Термин изомер (от греч. изос - «равный» и мерос - «мера», «часть») был предложен позднее, в 1830 г., Якобом Берцелиусом.
В основе изомерии, как показал А.М. Бутлеров, лежит различие в строении молекул, состоящих из одинакового набора атомов. Таким образом, изомерия - это явление существования соединений, имеющих одинаковый качественный и количественный состав, но различное строение и, следовательно, разные свойства.
Например, при содержании в молекуле 4-х атомов углерода и 10-ти атомов водорода возможно существование 2-х изомерных соединений:
В зависимости от характера отличий в строении изомеров различают структурную и пространственную изомерию.
Структурные изомеры - соединения одинакового качественного и количественного состава, отличающиеся порядком связывания атомов, т.е химическим строением.
Следовательно, структурные изомеры имеют одну и ту же молекулярную формулу, но различные структурные формулы.
Типы структурной изомерии
- Изомерия углеродного скелета
Например, структурные изомеры C 5 H 12:
- Изомерия положения:
а) кратных связей
б) функциональной группы
- Межклассовая изомерия (изомерия функциональных групп)
Пространственная изомерия:
Пространственные изомеры (стереоизомеры) при одинаковом составе и одинаковом химическом строении различаются пространственным расположением атомов в молекуле.
Пространственными изомерами являются оптические и цис-транс изомеры (шарики разного цвета обозначают разные атомы или атомные группы):
Молекулы таких изомеров несовместимы в пространстве. Наглядное представление о пространственном строении молекул дают их трёхмерные модели. Для графического изображения стереоизомеров используются стереохимические и проекционные формулы. Стереоизомерия играет важную роль в органической химии. Подробнее эти вопросы рассматриваются при изучении соединений отдельных классов.
Цель: знакомство с видами структурной и пространственной изомерии органических соединений.
План:
Классификация изомерии.
Структурная изомерия.
Пространственная изомерия
Оптическая изомерия
Первые попытки понять строение органических молекул относятся к началу XIX в. Впервые явление изомерии открыл Й. Берцелиус, а А. М. Бутлеров в 1861 г. предложил теорию химического строения органических соединений, которая объяснила явление изомерии.
Изомерия – существование соединений с одинаковым качественным и количественным составом, но разным строением или расположением их в пространстве, а сами вещества называются изомерами.
Классификация изомеров
Структурная
(различный порядок соединения атомов)
Стереоизомерия
(различное расположение атомов в пространстве)
Положения кратной связи
Положения функциональной группы
Конфигура
Конформа-
Структурная изомерия.
Структурные изомеры – это изомеры, имеющие одинаковый качественный и количественный состав, но отличающиеся химическим строением.
Структурная изомерия обуславливает многообразие органических соединений, в частности алканов. С увеличением числа атомов углерода в молекулах алканов быстро возрастает количество структурных изомеров. Так, для гексана (С 6 Н 14) оно равно 5, для нонана (С 9 Н 20) – 35.
Атомы углерода различаются по месту положения в цепи. Атом углерода, стоящий в начале цепи, связан с одним атомом углерода и называется первичным. Атом углерода, связанный с двумя атомами углерода – вторичным , с тремя – третичным , с четырьмя – четвертичным . В молекулах алканов с неразветвленной цепью содержатся только первичные и вторичные атомы углерода, а в молекулах алканов с разветвлённой цепью и третичные и четвертичные.
Виды структурной изомерии.
Метамеры – соединения, относящиеся к одному классу соединений, но имеющие различные радикалы:
Н 3 С – О – С 3 Н 7 – метилпропиловый эфир,
Н 5 С 2 – О – С 2 Н 5 – диэтиловый эфир
Межклассовая изомерия. При одном и том же качественном и количественном составе молекул, строение веществ различное.
Например: альдегиды изомерны кетонам:
Алкины – алкадиенам
Н 2 С = СН – СН = СН 2 бутадиен -1,3 НС = С - СН 2 – СН 3 – бутин-1
Структурная изомерия обусловливает и многообразие углеводородных радикалов. Изомерия радикалов начинается с пропана, для которого возможны два радикала. Если атом водорода отнять от первичного атома углерода, то получится радикал пропил (н-пропил). Если атом водорода отнять от вторичного атома углерода, то получится радикал изопропил
В данной статье мы поговорим про структурные изомеры, особенности их строения и виды изомерии. Подробно разберем само явление изомерии, а также будут предоставлены примеры использования их в жизни.
Явление изомерии
Изомерия - особое явление, предопределяющее существование хим. соединений, тех самых - изомеров, веществ с идентичными составами атомов и молекулярными массами, имеющих различие лишь в атомном расположении в пространстве или по их строению, что ведет к изменению и приобретению ими различных, новых свойств. Структурные изомеры — это вещества, образовавшиеся вследствие подобного изменения положения своих атомов в пространстве, которые более детально будут рассмотрены ниже.
Говоря об изомерии, стоит помнить о существовании такого процесса, как изомеризация, который представляет собой процесс перехода одного изомера в другой в результате хим. превращений.
Виды изомерии
Изомерия валентности - это вид структуры изомеров, в котором перевод самих изомеров (одного в другой) возможен в результате перераспределения валентных связей.
Изомерия положения представляет собой тип веществ с идентичным углеродным скелетом, но отличающимся положением функциональных групп. Ярким примером служит 2- и 4-кислоты хлорбутана.
Межклассовая изомерия таит свое отличие между изомерами в характере функциональных групп.
Метамерия - это распределение положения атомов углерода между определенным количеством радикалов углерода, гетероатом молекулы служит разделителем. Такой вид изомерии характерен для аминов, тиоспиртов, эфиров как простых, так и сложных.
Изомерия углеродного скелета - это отличие положения атомов углерода, а точнее их порядка. Например: фенантрен и антрацен имеют общую формулу С14Н10, но разный тип перераспределения связей валентности.
Структурные изомеры
Структурные изомеры - это вещества имеющие сходную формулу структуры вещества, но отличаются по формуле молекулы. Структурные изомеры — это которые идентичны друг другу по количественному и качественному составам, но порядок атомного связывания (химического строения) имеет различия.
Структурные изомеры классифицируются по типу изометрической структуры, виды которой приведены выше, в пункте о видах изомерии.
Структурная формула изомера вещества имеет широкий спектр видоизменений. Некоторыми примерами изомерии могут служить такие вещества, как бутановая кислота, 2-метилпропановая кислота, метил пропионата, диоксан, этил ацетат, изопропиловый формиат имеют одинаковый состав всех трех типов атомов в составе вещества, но различаются по положению атомов в самом соединении.
Еще один яркий пример изомерии - это существование пентана, неопентана и изопентана.
Наименования изомеров
Как упоминалось ранее, структурные изомеры - это вещества, имеющие сходную формулу структуры вещества, но отличаются по формуле молекулы. Такие соединения имеют классификацию, которая соответствует особенностям их свойств, строения и положения атомов в молекуле изомера, отличия в количестве функциональных групп, валентных связях, наличии атомов определенного элемента в веществе и т.д. Названия структурных изомеров получают различными способами. Рассмотрим это на примере 3-метилбутанола 1, как представителя спиртов.
В случае со спиртами при получении названия спиртов все начинается с выбора цепи углерода, которая является главенствующей, проводят нумерацию, цель которой - это присвоение группе ОН наименьшего, возможного номера, с учетом порядка. Само название начинают составлять с заместителя в цепи углеродов, затем следует название главной цепи, а после добавляется суффикс -ол, а цифрой указывается углеродный атом, связанный с группой ОН.
Введение
Изомерия (греч. isos - одинаковый, meros - часть) - одно из важнейших понятий в химии, главным образом, в органической. Вещества могут иметь одинаковый состав и молекулярную массу, но различное строение и соединения, содержащие в своем составе одни и те же элементы в одинаковом количестве, но различающиеся пространственным расположением атомов или групп атомов, называют изомерами. Изомерия является одной из причин того, что органические соединения так многочисленны и разнообразны.
История открытия изомерии
Изомерия была впервые обнаружена Ю. Либихом в 1823, который установил, что серебряные соли гремучей и изоциановой кислот: Ag-О-N=C и Ag-N=C=O имеют одинаковый состав, но разные свойства. Термин "Изомерия" в 1830 ввел И. Берцелиус, предположивший, что различия в свойствах соединений одинакового состава возникают из-за того, что атомы в молекуле расположены в неодинаковом порядке. Представления об изомерии окончательно сформировались после создания A. M. Бутлеровым теории химического строения (1860-е). Подлинное объяснение изомерия получила лишь во 2-й половине XIX в. на основе теории химического строения А.М. Бутлерова (структурная изомерия) и стереохимического ученияЯ.Г. Вант-Гоффа (пространственная изомерия). Основываясь на положениях этой теории, он предположил, что должно существовать четыре различных бутанола (рис.1). К моменту создания теории был известен лишь один бутанол (СН 3) 2 СНСН 2 ОН, получаемый из растительного сырья
Рис.1. Различные положения группы OH - в молекуле бутанола.
Последовавший затем синтез всех изомеров бутанола и определение их свойств стали убедительным подтверждением теории.
Согласно современному определению два соединения одинакового состава считают изомерами, если их молекулы нельзя совместить в пространстве так, чтобы они полностью совпадали. Совмещение, как правило, проделывают мысленно, в сложных случаях используют пространственные модели, либо расчетные методы.
Виды изомерии
В изомерии можно выделить два основных вида: структурная изомерия и изомерия пространственная или, как её ещё называют, стереоизомерия.
В свою очередь структурная делится на:
изомерию углеродной цепи (углеродного скелета)
валентную изомерия
изомерию функциональной группы
изомерию положения.
Пространственная изомерия (стереоизомерия) делится на:
диастереомерию (цис, транс - изомерия)
энантиомерию (оптическая изомерия).
Структурная изомерия
Обусловлена, как правило, различиями в строении углеводородного скелета либо неодинаковым расположением функциональных групп или кратных связей.
Изомерия углеводородного скелета
Насыщенные углеводороды, содержащие от одного до трех атомов углерода (метан, этан, пропан), не имеют изомеров. Для соединения с четырьмя атомами углерода С 4 Н 10 (бутан) возможно существование двух изомеров, для пентана С 5 Н 12 - трех изомеров, для гексана С 6 Н 14 - пяти (рис.2):
Рис.2.
С увеличением числа атомов углерода в молекуле углеводорода количество возможных изомеров резко возрастает. Для гептана С 7 Н 16 существует девять изомеров, для углеводорода С 14 Н 30 - 1885 изомеров, для углеводорода С 20 Н 42 - свыше 366 000. В сложных случаях вопрос о том, являются ли два соединения изомерами, решают, используя различные повороты вокруг валентных связей (простые связи это допускают, что в определенной степени соответствует их физическим свойствам). После перемещения отдельных фрагментов молекулы (не допуская при этом разрыва связей) накладывают одну молекулу на другую. Если две молекулы полностью совпадают, то это не изомеры, а одно и то же соединение. Изомеры, отличающиеся структурой скелета, обычно имеют разные физические свойства (температура плавления, температура кипения и т.п.), что позволяет отделить один от другого. Изомерия такого типа существует и у ароматических углеводородов (рис.4).
Изомеры, изомерия
Изомеры – это вещества, имеющие одинаковый качественный и количественный состав, но различное строение и, следовательно, разные свойства
Явление существования изомеров называется изомерией
Например, вещество состава С 4 Н 10 имеет два изомерных соединения.
Физические свойства бутана и изобутана отличаются: изобутан имеет более низкие температуры плавления и кипения, чем н.бутан.
Шаростержневая модель молекулы бутана
Шаростержневая модель молекулы изобутана
Химические свойства данных изомеров различаются незначительно, т.к. они имеют одинаковые качественный состав и характер связи между атомами в молекуле.
По- другому определение изомеров можно дать так:
Изомеры – вещества, имеющие одинаковую молекулярную, но разную структурную формулу.
Виды изомерии
В зависимости от характера отличий в строении изомеров различают структурную и пространственную изомерию.
Структурные изомеры - соединения одинакового качественного и количественного состава, отличающиеся порядком связывания атомов, т.е химическим строением .
|
Структурная изомерия делится на: |
||
|
1.Изомерию углеродного скелета |
2.Изомерию положения (кратной связи, функциональной группы, заместителя) |
3.Межклассовую изомерию CH 3 -CH 2 -NO 2 нитроэтан HOOC-CH 2 -NH 2 аминоуксусная кислота (глицин) |
|
Изомерия положения |
||
|
кратной связи СН 2 = СН-СН= СН 2 СН 3 -СН= С= СН 2 |
функциональной группы СН 3 -СНОН -СН 3 СН 2 ОН -СН 2 -СН 3 |
Заместителя СН 3 -СНCI -СН 3 СН 2 CI -СН 2 -СН 3 |
Структурная изомерия
|
|
Изомерия положения кратной (двойной) связи: Бутен-1 и бутен -2 |
|
Изомерия углеродного скелета: Циклобутан и метилциклопропан |
|
|
Межклассовая изомерия: Бутен и циклобутан |
Пространственные изомеры (стереоизомеры) при одинаковом составе и одинаковом химическом строении различаются пространственным расположением атомов в молекуле
|
Пространственная изомерия делится на: |
|
|
|
Характерна для веществ, содержащих двойные связи или циклические. |
Оптические изомеры еще называют зеркальными или хиральными (как левая и правая рука)