Isomerer adskiller sig i sammensætning og molekylær struktur. Isomerisme

1. Strukturel isomeri.

2. Konformationel isomeri.

3. Geometrisk isomeri.

4. Optisk isomeri.

Isomerer- det er stoffer, der har samme sammensætning og molekylvægt, men forskellige fysiske og kemiske egenskaber. Forskelle i isomers egenskaber skyldes forskelle i deres kemiske eller rumlige struktur. I denne henseende skelnes der mellem to typer isomerisme.

isomerisme

strukturel

rumlige

kulstofskelet

Konfiguration

Konformationel

Funktionel stilling

Optisk

Interklasse

Geometrisk

1. Strukturel isomeri

Strukturelle isomerer adskiller sig i kemisk struktur, dvs. arten og rækkefølgen af ​​bindinger mellem atomer i et molekyle. Strukturelle isomerer isoleres i ren form. De eksisterer som individuelle, stabile stoffer; deres gensidige transformation kræver høj energi - omkring 350 - 400 kJ/mol. Kun strukturelle isomerer - tautomerer - er i dynamisk ligevægt. Tautomerisme er et almindeligt fænomen i organisk kemi. Det er muligt gennem overførsel af et mobilt hydrogenatom i et molekyle (carbonylforbindelser, aminer, heterocykler osv.), intramolekylære interaktioner (kulhydrater).

Alle strukturelle isomerer præsenteres i form af strukturformler og navngives i henhold til IUPAC-nomenklaturen. For eksempel svarer sammensætningen C 4 H 8 O til strukturelle isomerer:

EN)med forskelligt kulstofskelet

uforgrenet C-kæde - CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH=O (butanal, aldehyd) og

forgrenet C-kæde -

(2-methylpropanal, aldehyd) eller

cyklus - (cyclobutanol, cyklisk alkohol);

b)med forskellig placering af den funktionelle gruppe

butanon-2, keton;

V)med forskellig sammensætning af den funktionelle gruppe

3-butenol-2, umættet alkohol;

G)metameri

En funktionel heteroatomgruppe kan være inkluderet i et kulstofskelet (cyklus eller kæde). En af de mulige isomerer af denne type isomerisme er CH3-O-CH2-CH=CH2 (3-methoxypropen-1, ether);

d)tautomerisme (keto-enol)

enol form keto form

Tautomerer er i dynamisk ligevægt, hvor den mere stabile form, ketoformen, dominerer i blandingen.

For aromatiske forbindelser betragtes strukturel isomerisme kun for sidekæden.

2. Rumlig isomerisme (stereoisomerisme)

Rumlige isomerer har den samme kemiske struktur og adskiller sig i det rumlige arrangement af atomer i molekylet. Denne forskel skaber en forskel i fysiske og kemiske egenskaber. Rumlige isomerer er afbildet i form af forskellige projektioner eller stereokemiske formler. Den gren af ​​kemi, der studerer den rumlige struktur og dens indflydelse på forbindelsers fysiske og kemiske egenskaber, på retningen og hastigheden af ​​deres reaktioner, kaldes stereokemi.

EN)Konformationel (rotations)isomerisme

Uden at ændre hverken bindingsvinkler eller bindingslængder, kan man forestille sig mange geometriske former (konformationer) af molekylet, der adskiller sig fra hinanden i den indbyrdes rotation af carbontetraedre omkring σ-C-C-bindingen, der forbinder dem. Som et resultat af denne rotation opstår roterende isomerer (konformere). Energien af ​​forskellige konformere er ikke den samme, men energibarrieren, der adskiller forskellige konformationelle isomerer, er lille for de fleste organiske forbindelser. Derfor er det under almindelige forhold som regel umuligt at fiksere molekyler i en strengt defineret konformation. Typisk forvandler flere konformationelle isomerer let til hinanden side om side i ligevægt.

Metoderne til afbildning og nomenklaturen af ​​isomerer kan overvejes ved at bruge eksemplet med ethanmolekylet. For det kan vi forudse eksistensen af ​​to konformationer, der adskiller sig maksimalt i energi, hvilket kan afbildes i formen perspektivfremskrivninger(1) ("savværksgeder") eller fremspring Ny mand(2):

hæmmet konformation formørket konformation

I perspektivprojektion (1) skal C-C forbindelsen forestilles gå i det fjerne; Kulstofatomet til venstre er tæt på observatøren, og kulstofatomet til højre er længere væk fra ham.

I Newman-projektionen (2) ses molekylet langs C-C-bindingen. Tre linjer, der divergerer i en vinkel på 120° fra midten af ​​cirklen, angiver bindingerne af carbonatomet tættest på observatøren; linjerne "stikker ud" bagved cirklen er bindingerne af det fjerne kulstofatom.

Konformationen vist til højre kaldes sløret . Dette navn minder os om, at hydrogenatomerne i begge CH 3-grupper er modsat hinanden. Den formørkede konformation har øget indre energi og er derfor ugunstig. Konformationen vist til venstre kaldes hæmmet , hvilket antyder, at fri rotation omkring C-C-bindingen er "hæmmet" i denne position, dvs. molekylet eksisterer overvejende i denne konformation.

Den minimale energi, der kræves for fuldstændig at rotere et molekyle omkring en bestemt binding, kaldes rotationsbarrieren for den binding. Rotationsbarrieren i et molekyle som ethan kan udtrykkes i form af ændringen i den potentielle energi af molekylet som en funktion af ændringen i den dihedrale (torsion - τ) vinkel af systemet. Energiprofilen for rotation omkring C-C-bindingen i ethan er vist i figur 1. Rotationsbarrieren, der adskiller de to former for ethan, er omkring 3 kcal/mol (12,6 kJ/mol). Minimaene for den potentielle energikurve svarer til hæmmede konformationer, og maksimaerne svarer til okkluderede konformationer. Da energien fra nogle molekylære kollisioner ved stuetemperatur kan nå 20 kcal/mol (ca. 80 kJ/mol), kan denne barriere på 12,6 kJ/mol let overvindes, og rotation i ethan anses for at være fri. I en blanding af alle mulige konformationer dominerer hæmmede konformationer.

Fig.1. Potentielt energidiagram af ethan-konformationer.

For mere komplekse molekyler stiger antallet af mulige konformationer. Ja, for n-butan kan allerede afbildes i seks konformationer, der opstår, når de roterer omkring den centrale C 2 - C 3 binding og adskiller sig i det indbyrdes arrangement af CH 3 grupper. De forskellige formørkede og hæmmede konformationer af butan er forskellige i energi. Hæmmede konformationer er energimæssigt mere gunstige.

Energiprofilen for rotation omkring C2-C3-bindingen i butan er vist i figur 2.

Fig.2. Potentielt energidiagram af n-butan konformationer.

For et molekyle med en lang kulstofkæde stiger antallet af konformationelle former.

Molekylet af alicykliske forbindelser er karakteriseret ved forskellige konformationelle former for cyklussen (f.eks. for cyclohexan lænestol, bad, vride-former).

Så konformationer er forskellige rumlige former for et molekyle, der har en bestemt konfiguration. Konformere er stereoisomere strukturer, der svarer til energiminima på det potentielle energidiagram, er i mobil ligevægt og er i stand til interkonvertering ved rotation omkring simple σ-bindinger.

Hvis barrieren for sådanne transformationer bliver høj nok, kan stereoisomere former adskilles (for eksempel optisk aktive biphenyler). I sådanne tilfælde taler vi ikke længere om konformere, men om faktisk eksisterende stereoisomerer.

b)Geometrisk isomeri

Geometriske isomerer opstår som følge af fraværet i molekylet af:

1. rotation af carbonatomer i forhold til hinanden er en konsekvens af stivheden af ​​C=C-dobbeltbindingen eller den cykliske struktur;

2. to identiske grupper ved et carbonatom i en dobbeltbinding eller ring.

Geometriske isomerer, i modsætning til konformere, kan isoleres i ren form og eksisterer som individuelle, stabile stoffer. Til deres gensidige transformation kræves højere energi - omkring 125-170 kJ/mol (30-40 kcal/mol).

Der er cis-trans-(Z,E)-isomerer; cis- former er geometriske isomerer, hvor identiske substituenter ligger på samme side af π-bindingens eller ringens plan, trance- former er geometriske isomerer, hvor identiske substituenter ligger på modsatte sider af π-bindingens eller ringens plan.

Det enkleste eksempel er isomererne af buten-2, som eksisterer i form af cis-, transgeometriske isomerer:


cis-buten-2-trans-buten-2

smeltetemperatur

138,9 0 C - 105,6 0 C

kogetemperatur

3,72 0 С 1,00 0 С

massefylde

1,2 – dichlorcyclopropan findes i form af cis-, trans-isomerer:


cis-1,2-dichlorcyclopropan trans-1,2-dichlorcyclopropan

I mere komplekse tilfælde bruges det Z,E-nomenklatur (Kanna, Ingold, Prelog nomenklatur - KIP, nomenklatur over anciennitet for deputerede). I forbindelse

1-brom-2-methyl-1-chlorbuten-1 (Br)(CI)C=C(CH3)-CH2-CH3 alle substituenter på carbonatomer med en dobbeltbinding er forskellige; derfor eksisterer denne forbindelse i form af Z-, E- geometriske isomerer:

E-1-brom-2-methyl-1-chlorbuten-1 Z-1-brom-2-methyl-1-chlorbuten-1.

Angiv for at angive isomerkonfigurationen arrangementet af seniorsubstituenter ved en dobbeltbinding (eller ring) er Z- (fra tysk Zusammen - sammen) eller E- (fra tysk Entgegen - modsat).

I Z,E-systemet betragtes substituenter med et stort atomnummer som senior. Hvis atomerne, der er direkte bundet til de umættede carbonatomer, er de samme, så gå videre til "det andet lag", om nødvendigt - til det "tredje lag" osv.

I den første fremskrivning er seniorgrupperne modsat hinanden i forhold til dobbeltbindingen, så det er en E-isomer. I den anden fremskrivning er seniorgrupperne på samme side af dobbeltbindingen (sammen), så det er en Z-isomer.

Geometriske isomerer er udbredt i naturen. For eksempel naturlige polymerer gummi (cis-isomer) og guttaperka (trans-isomer), naturlig fumarsyre (trans-butendisyre) og syntetisk maleinsyre (cis-butendisyre) i sammensætningen af ​​fedtstoffer - cis-oliesyre, linolsyre, linolensyre.

V)Optisk isomeri

Molekyler af organiske forbindelser kan være chirale og akirale. Kiralitet (fra det græske cheir - hånd) er et molekyles uforenelighed med dets spejlbillede.

Chirale stoffer er i stand til at rotere lysets polariseringsplan. Dette fænomen kaldes optisk aktivitet, og de tilsvarende stoffer er optisk aktiv. Optisk aktive stoffer forekommer i par optiske antipoder- isomerer, hvis fysiske og kemiske egenskaber er de samme under normale forhold, med undtagelse af én ting - tegnet på rotation af polarisationsplanet: en af ​​de optiske antipoder afbøjer polarisationsplanet til højre (+, højredrejende isomer), den anden - til venstre (-, venstredrejende). Konfigurationen af ​​optiske antipoder kan bestemmes eksperimentelt ved hjælp af en enhed - et polarimeter.

Optisk isomeri opstår, når molekylet indeholder asymmetrisk carbonatom(der er andre grunde til et molekyles chiralitet). Dette er navnet på carbonatomet i sp 3 - hybridisering og forbundet med fire forskellige substituenter. To tetraedriske arrangementer af substituenter omkring et asymmetrisk atom er mulige. I dette tilfælde kan to rumlige former ikke kombineres ved nogen rotation; en af ​​dem er et spejlbillede af den anden:

Begge spejlformer danner et par optiske antipoder el enantiomerer .

Optiske isomerer er afbildet i form af projektionsformler af E. Fischer. De opnås ved at projicere et molekyle med et asymmetrisk carbonatom. I dette tilfælde er selve det asymmetriske carbonatom på planet betegnet med en prik, og symbolerne for substituenterne, der rager frem foran tegningens plan, er angivet på den vandrette linje. Den lodrette linje (stiplet eller ubrudt) angiver substituenter, der er fjernet ud over tegningens plan. Nedenfor er der forskellige måder at skrive projektionsformlen svarende til venstre model i den foregående figur på:

I projektion er hovedkulstofkæden afbildet lodret; hovedfunktionen, hvis den er for enden af ​​kæden, er angivet i toppen af ​​fremspringet. For eksempel præsenteres de stereokemiske formler og projektionsformler for (+) og (-) alanin - CH 3 - * CH(NH 2)-COOH som følger:

En blanding med samme indhold af enantiomerer kaldes et racemat. Racematet har ikke optisk aktivitet og er karakteriseret ved fysiske egenskaber, der er forskellige fra enantiomererne.

Regler for transformation af projektionsformler.

1. Formler kan roteres 180° i tegneplanet uden at ændre deres stereokemiske betydning:

2. To (eller et hvilket som helst lige tal) omlejringer af substituenter på et asymmetrisk atom ændrer ikke den stereokemiske betydning af formlen:

3. En (eller et hvilket som helst ulige tal) omlejring af substituenter ved det asymmetriske centrum fører til formlen for den optiske antipode:

4. En 90° rotation i tegneplanet gør formlen til en antipode.

5. Rotation af tre substituenter med eller mod uret ændrer ikke den stereokemiske betydning af formlen:

6. Projektionsformler kan ikke udledes fra tegneplanet.

Optisk aktivitet er besat af organiske forbindelser, i hvis molekyler andre atomer, såsom silicium, fosfor, nitrogen og svovl, er chirale centre.

Forbindelser med flere asymmetriske carbonatomer findes i formen diastereomerer , dvs. rumlige isomerer, der ikke udgør optiske antipoder med hinanden.

Diastereomerer adskiller sig ikke kun fra hinanden i optisk rotation, men også i alle andre fysiske konstanter: de har forskellige smelte- og kogepunkter, forskellige opløseligheder osv.

Antallet af rumlige isomerer bestemmes af Fischer-formlen N=2 n, hvor n er antallet af asymmetriske carbonatomer. Antallet af stereoisomerer kan falde på grund af delvis symmetri, der forekommer i nogle strukturer. Optisk inaktive diastereomerer kaldes meso-former.

Nomenklatur af optiske isomerer:

a) D-, L- nomenklatur

For at bestemme D- eller L-serien af ​​en isomer sammenlignes konfigurationen (positionen af ​​OH-gruppen ved det asymmetriske carbonatom) med konfigurationerne af enantiomererne af glyceraldehyd (glycerolnøgle):

L-glyceraldehyd D-glyceraldehyd

Brugen af ​​D-, L-nomenklatur er i øjeblikket begrænset til tre klasser af optisk aktive stoffer: kulhydrater, aminosyrer og hydroxysyrer.

b) R -, S-nomenklatur (nomenklatur for Kahn, Ingold og Prelog)

For at bestemme R (højre) eller S (venstre) konfigurationen af ​​en optisk isomer, er det nødvendigt at arrangere substituenterne i tetraederet (stereokemisk formel) omkring det asymmetriske carbonatom på en sådan måde, at den yngste substituent (normalt hydrogen) har retningen "væk fra iagttageren". Hvis overgangen af ​​de tre resterende substituenter fra senior til mellem og junior i anciennitet sker med uret, er der tale om en R-isomer (faldet i anciennitet falder sammen med håndens bevægelse, når den øverste del af bogstavet R skrives). Hvis overgangen sker mod uret, er det S - isomer (faldende forrang falder sammen med håndens bevægelse, når man skriver toppen af ​​bogstavet S).

For at bestemme R- eller S-konfigurationen af ​​en optisk isomer ved hjælp af projektionsformlen er det nødvendigt at arrangere substituenterne ved et lige antal permutationer, således at den yngste af dem er nederst i projektionen. Faldet i anciennitet af de resterende tre substituenter med uret svarer til R-konfigurationen og mod uret til S-konfigurationen.

Optiske isomerer opnås ved følgende metoder:

a) isolering fra naturlige materialer indeholdende optisk aktive forbindelser, såsom proteiner og aminosyrer, kulhydrater, mange hydroxysyrer (vinsyre, æblesyre, mandel), terpenkulbrinter, terpenalkoholer og ketoner, steroider, alkaloider osv.

b) spaltning af racemater;

c) asymmetrisk syntese;

d) biokemisk produktion af optisk aktive stoffer.

VED DU DET

Fænomenet isomerisme (fra græsk - jegsos - anderledes og meros - andel, del) åbnet i 1823. J. Liebig og F. Wöhler ved at bruge eksemplet med salte af to uorganiske syrer: cyanisk H-O-C≡N og eksplosiv H-O-N= C.

I 1830 udvidede J. Dumas begrebet isomerisme til organiske forbindelser.

I 1831 udtrykket "isomer" for organiske forbindelser blev foreslået af J. Berzelius.

Stereoisomerer af naturlige forbindelser er karakteriseret ved forskellige biologiske aktiviteter (aminosyrer, kulhydrater, alkaloider, hormoner, feromoner, medicinske stoffer af naturlig oprindelse osv.).

Introduktion

Isomerisme ( græsk isos - identisk, meros - del) er et af de vigtigste begreber i kemi, hovedsageligt i organisk. Stoffer kan have samme sammensætning og molekylvægt, men forskellige strukturer og forbindelser, der indeholder de samme grundstoffer i samme mængde, men forskellige i det rumlige arrangement af atomer eller grupper af atomer, kaldes isomerer. Isomerisme er en af ​​grundene til, at organiske forbindelser er så mange og varierede.

Historien om opdagelsen af ​​isomerisme

Isomerisme blev først opdaget af J. Liebig i 1823, som fastslog, at sølvsalte af fulminat og isocyansyrer: Ag-O-N=C og Ag-N=C=O har samme sammensætning, men forskellige egenskaber. Udtrykket "Isomerism" blev introduceret i 1830 af I. Berzelius, som foreslog, at forskelle i egenskaberne af forbindelser af samme sammensætning opstår på grund af det faktum, at atomerne i molekylet er arrangeret i en anden rækkefølge. Begrebet isomerisme blev endelig dannet efter A. M. Butlerov skabte teorien om kemisk struktur (1860'erne). Isomerisme fik først en sand forklaring i 2. halvdel af det 19. århundrede. baseret på teorien om kemisk struktur af A.M. Butlerov (strukturel isomerisme) og stereokemisk lære af Ya.G. Van't Hoff (rumlig isomerisme). Ud fra denne teori foreslog han, at der skulle være fire forskellige butanoler (fig. 1). På det tidspunkt, hvor teorien blev skabt, var der kun kendt én butanol (CH 3) 2 CHCH 2 OH, opnået fra plantematerialer

Fig.1. Forskellige positioner af OH-gruppen i butanolmolekylet.

Den efterfølgende syntese af alle butanolisomerer og bestemmelse af deres egenskaber blev en overbevisende bekræftelse af teorien.

Ifølge den moderne definition betragtes to forbindelser af samme sammensætning som isomerer, hvis deres molekyler ikke kan kombineres i rummet, så de falder fuldstændig sammen. Kombination sker som regel mentalt, i komplekse tilfælde anvendes rumlige modeller eller beregningsmetoder.

Typer af isomeri

I isomerisme kan der skelnes mellem to hovedtyper: strukturel isomerisme og rumlig isomerisme, eller, som det også kaldes, stereoisomerisme.

Til gengæld er strukturelle opdelt i:

isomerisme af kulstofkæden (kulstofskelet)

valens isomerisme

funktionel gruppe isomerisme

positionel isomerisme.

Rumlig isomerisme (stereoisomerisme) er opdelt i:

diastereomerisme (cis, trans - isomerisme)

enantiomerisme (optisk isomerisme).

Strukturel isomeri

Som regel er det forårsaget af forskelle i strukturen af ​​carbonhydridskelettet eller ulige arrangement af funktionelle grupper eller multiple bindinger.

Isomerisme af kulbrinteskelettet

Mættede kulbrinter indeholdende fra et til tre kulstofatomer (methan, ethan, propan) har ingen isomerer. For en forbindelse med fire carbonatomer C 4 H 10 (butan) er to isomerer mulige, for pentan C 5 H 12 - tre isomerer, for hexan C 6 H 14 - fem (fig. 2):


Fig.2.

Når antallet af carbonatomer i et carbonhydridmolekyle stiger, stiger antallet af mulige isomerer dramatisk. For heptan C 7 H 16 er der ni isomerer, for carbonhydrid C 14 H 30 - 1885 isomerer, for carbonhydrid C 20 H 42 - over 366.000. I komplekse tilfælde løses spørgsmålet om to forbindelser er isomerer ved hjælp af forskellige drejninger omkring valens bindinger (enkle bindinger tillader dette, hvilket til en vis grad svarer til deres fysiske egenskaber). Efter at have flyttet individuelle fragmenter af molekylet (uden at bryde bindingerne), er et molekyle overlejret på et andet. Hvis to molekyler er fuldstændig identiske, så er disse ikke isomerer, men den samme forbindelse. Isomerer, der adskiller sig i skeletstruktur, har normalt forskellige fysiske egenskaber (smeltepunkt, kogepunkt osv.), hvilket gør det muligt at adskille den ene fra den anden. Denne type isomerisme findes også i aromatiske kulbrinter (fig. 4).

Foredrag nr. 5

Emne: "Isomerisme og dens typer"

Klassetype: kombineret

Formål: 1. At afsløre strukturteoriens hovedposition til fænomenet isomerisme. Giv en generel idé om typerne af isomerisme. Vis de vigtigste udviklingsretninger for strukturteorien ved at bruge stereoisomerisme som eksempel.

2. fortsætte med at udvikle evnen til at konstruere formler for isomerer, navngive stoffer ved hjælp af formler.

3. dyrke en kognitiv holdning til læring

Udstyr: modeller af Stewart-Brigleb-molekyler, farvet plasticine, tændstikker, et par handsker, kommenfrø, myntetyggegummi, tre reagensglas.

Lektionsplan

    Hilsen, navneopråb

    Kernevidenundersøgelse

    Lær nyt materiale:

    Teori om struktur og fænomenet isomerisme;

    Typer af isomeri;

    Konsolidering

Lektionens fremskridt

2. Kortlægning af grundlæggende viden: frontal

    Forklar efter hvilke kriterier organiske forbindelser klassificeres ved hjælp af et diagram.

    Nævn hovedklasserne af organiske forbindelser og deres strukturelle træk

    Gennemfør øvelser nr. 1 og 2 §6. En elev ved tavlen, resten i notesbøger

3. At lære nyt materiale: Teori om struktur og fænomenet isomerisme

Husk definitionen af ​​isomerisme og isomerer. Forklar årsagen til deres eksistens.

Fænomenet isomerisme (fra det græske isos - anderledes og meros - del, del) blev opdaget i 1823 af J. Liebig og F. Wöhler ved at bruge eksemplet med salte af to uorganiske syrer: cyanisk og eksplosiv. NÆSE = N-cyan; N-O-N = C klapperslange

I 1830 udvidede J. Dumas begrebet isomerisme til organiske forbindelser. Udtrykket "Isomer" dukkede op et år senere og blev foreslået af J. Bercellius. Da der herskede fuldstændig kaos inden for strukturen af ​​både organiske og uorganiske stoffer på det tidspunkt, tillagde de ikke opdagelsen den store betydning.

En videnskabelig forklaring på fænomenet isomerisme blev givet af A.M. Butlerov inden for rammerne af teorien om struktur, mens hverken teorien om typer eller teorien om radikale afslørede essensen af ​​dette fænomen. A.M. Butlerov så årsagen til isomerisme i det faktum, at atomerne i molekylerne af isomerer er forbundet i forskellige rækkefølger. Strukturteorien gjorde det muligt at forudsige antallet af mulige isomerer og deres struktur, hvilket blev glimrende bekræftet i praksis af A.M. Butlerov selv og hans tilhængere.

Typer af isomerisme: Giv et eksempel på isomerer og foreslå et tegn, som isomerer kan klassificeres efter?(naturligvis vil strukturen af ​​isomermolekylerne være grundlaget). Jeg forklarer materialet ved hjælp af diagrammet:

Der er to typer af isomerisme: strukturel og rumlig (stereoisomerisme). Strukturelle isomerer er dem, der har forskellige bindingsrækkefølger mellem atomerne i molekylet. Rumlige isomerer har de samme substituenter på hvert carbonatom, men adskiller sig i deres relative placering i rummet.

Strukturel isomerisme er af tre typer: interklasse-isomerisme forbundet med strukturen af ​​kulstofskelettet og isomerisme af positionen af ​​en funktionel gruppe eller multipelbinding.

Interklasse-isomerer indeholder forskellige funktionelle grupper og tilhører forskellige klasser af organiske forbindelser, og derfor er de fysiske og kemiske egenskaber af interklasse-isomerer væsentligt forskellige.

Kulstofskelettets isomerisme er allerede bekendt for dig; de fysiske egenskaber er forskellige, men de kemiske egenskaber ligner hinanden, fordi disse stoffer tilhører samme klasse.

Isomerisme af positionen af ​​en funktionel gruppe eller positionen af ​​multiple bindinger. De fysiske egenskaber af sådanne isomerer er forskellige, men de kemiske egenskaber er ens

Geometrisk isomeri: har forskellige fysiske konstanter, men lignende kemiske egenskaber

Optiske isomerer er spejlbilleder af hinanden; som to håndflader kan de ikke bringes sammen, så de falder sammen.

4. Konsolidering: genkend isomerer, bestem typen af ​​isomerisme i stoffer, hvis formel: udfør øvelse 3§ 7

Forelæsninger for studerende ved Det Pædiatriske Fakultet

Foredrag2

Emne: Rumlig struktur af organiske forbindelser

Mål: kendskab til typerne af strukturel og rumlig isomerisme af organiske forbindelser.

Plan:

    Klassificering af isomeri.

    Strukturel isomeri.

    Rumlig isomerisme

    Optisk isomeri

De første forsøg på at forstå strukturen af ​​organiske molekyler går tilbage til begyndelsen af ​​det 19. århundrede. Fænomenet isomerisme blev først opdaget af J. Berzelius, og A. M. Butlerov foreslog i 1861 en teori om den kemiske struktur af organiske forbindelser, som forklarede fænomenet isomerisme.

Isomerisme er eksistensen af ​​forbindelser med samme kvalitative og kvantitative sammensætning, men forskellig struktur eller placering i rummet, og selve stofferne kaldes isomerer.

    Klassificering af isomerer

Strukturel

(anden rækkefølge af forbindelse af atomer)

Stereoisomerisme

(forskelligt arrangement af atomer i rummet)

Flere tilslutningsbestemmelser

Funktionelle gruppebestemmelser

Konfiguration

Overensstemmelse-

    Strukturel isomeri.

Strukturelle isomerer er isomerer, der har samme kvalitative og kvantitative sammensætning, men adskiller sig i kemisk struktur.

Strukturel isomerisme bestemmer mangfoldigheden af ​​organiske forbindelser, især alkaner. Med en stigning i antallet af kulstofatomer i molekyler alkaner, stiger antallet af strukturelle isomerer hurtigt. Så for hexan (C 6 H 14) er det 5, for nonan (C 9 H 20) - 35.

Kulstofatomer varierer i placering i kæden. Kulstofatomet i begyndelsen af ​​kæden er bundet til et kulstofatom og kaldes primær. Et carbonatom bundet til to carbonatomer - sekundær, med tre – tertiære, med fire – kvartær. Ligekædede alkaner indeholder kun primære og sekundære carbonatomer, mens forgrenede alkaner indeholder både tertiære og kvaternære carbonatomer.

Typer af strukturel isomerisme.


    Metamere– forbindelser, der tilhører samme klasse af forbindelser, men med forskellige radikaler:

H 3 C – O – C 3 H 7 – methylpropylether,

H 5 C 2 – O – C 2 H 5 – diethylether

    Interklasse-isomerisme. På trods af den samme kvalitative og kvantitative sammensætning af molekyler er strukturen af ​​stoffer anderledes.

For eksempel: aldehyder er isomere for ketoner:

Alkyner – alkadiener

H 2 C = CH – CH = CH 2 butadien -1,3 HC = C - CH 2 – CH 3 – butin-1

Strukturel isomerisme bestemmer også mangfoldigheden af ​​kulbrinteradikaler. Radikalers isomerisme begynder med propan, for hvilket to radikaler er mulige. Hvis et hydrogenatom trækkes fra det primære carbonatom, opnås radikalet propyl (n-propyl). Hvis et hydrogenatom trækkes fra et sekundært carbonatom, opnås radikalet isopropyl.

-

isopropyl

CH 2 – CH 2 – CH 3 - skåret

    Rumlig isomerisme (stereoisomerisme)

Dette er eksistensen af ​​isomerer, der har samme sammensætning og rækkefølge af forbindelse af atomer, men adskiller sig i arten af ​​arrangementet af atomer eller grupper af atomer i rummet i forhold til hinanden.

Denne type isomeri blev beskrevet af L. Pasteur (1848), J. Van't Hoff, Le Bel (1874).

Under virkelige forhold er selve molekylet og dets individuelle dele (atomer, grupper af atomer) i en tilstand af vibrations-rotationsbevægelse, og denne bevægelse ændrer i høj grad det relative arrangement af atomer i molekylet. På dette tidspunkt strækkes kemiske bindinger, og bindingsvinkler ændres, og dermed opstår forskellige konfigurationer og konformationer af molekyler.

Derfor er rumlige isomerer opdelt i to typer: konformationelle og konfigurationelle.

Konfigurationer er den rækkefølge, hvori atomer er arrangeret i rummet uden at tage højde for de forskelle, der følger af rotation omkring enkeltbindinger. Disse isomerer findes i forskellige konformationer.

Konformationer er meget ustabile dynamiske former af det samme molekyle, der opstår som følge af rotation af atomer eller grupper af atomer omkring enkeltbindinger, som et resultat af, at atomerne indtager forskellige rumlige positioner. Hver konformation af et molekyle er karakteriseret ved en specifik konfiguration.

B-bindingen tillader rotation omkring den, så et molekyle kan have mange konformationer. Af de mange konformationer tages kun seks i betragtning, pga Den mindste rotationsvinkel anses for at være en vinkel lig med 60°, hvilket kaldes torsionsvinkel.

Der er: formørkede og hæmmede konformationer.

Formørket konformation opstår, når identiske substituenter er placeret i en minimal afstand fra hinanden, og der opstår gensidige frastødningskræfter mellem dem, og molekylet skal have en stor energiforsyning for at opretholde denne konformation. Denne konformation er energetisk ugunstig.

Hæmmet konformation – opstår, når identiske substituenter er så langt fra hinanden som muligt, og molekylet har en minimumsenergireserve. Denne konformation er energetisk gunstig.

P Den første forbindelse, for hvilken eksistensen af ​​konformationelle isomerer er kendt, er ethan. Dens struktur i rummet er afbildet af perspektivformlen eller Newmans formel:

MED 2 N 6

sløret hæmmet

konformation konformation

Newmans projektionsformler.

Kulstofatomet tættest på os er betegnet med en prik i midten af ​​cirklen, cirklen repræsenterer det fjerne kulstofatom. De tre bindinger af hvert atom er afbildet som linjer, der divergerer fra midten af ​​cirklen - for det nærmeste carbonatom og små - for det fjerne carbonatom.

I lange kulstofkæder er rotation mulig omkring flere C-C-bindinger. Derfor kan hele kæden antage en række geometriske former. Ifølge røntgendiffraktionsdata har lange kæder af mættede kulbrinter en zigzag og kloformet konformation. For eksempel: palmitinsyre (C 15 H 31 COOH) og stearinsyre (C 17 H 35 COOH) i zigzag-konformationer er en del af lipiderne i cellemembraner, og monosaccharidmolekyler i opløsning antager en kloformet konformation.

Konformationer af cykliske forbindelser

Cykliske forbindelser er karakteriseret ved vinkelspænding forbundet med tilstedeværelsen af ​​en lukket cyklus.

Hvis vi betragter cyklerne som værende flade, så vil bindingsvinklerne for mange af dem afvige væsentligt fra normalen. Spændingen forårsaget af afvigelsen af ​​bindingsvinkler mellem kulstofatomer i ringen fra normalværdien kaldes hjørne eller Bayers

For eksempel er carbonatomerne i cyclohexan i sp 3-hybridtilstanden, og bindingsvinklen bør derfor være lig med 109 o 28 /. Hvis kulstofatomerne lå i samme plan, ville de indre bindingsvinkler i den plane ring være lig med 120°, og alle brintatomerne ville være i en formørket konformation. Men cyclohexan kan ikke være flad på grund af tilstedeværelsen af ​​stærke vinkel- og vridningsspændinger. Det udvikler mindre stressede ikke-plane konformationer på grund af delvis rotation omkring ϭ-bindinger, blandt hvilke konformationerne er mere stabile lænestole Og bade.

Stolens konformation er den mest energimæssigt gunstige, da den ikke har okkluderede positioner af brint- og carbonatomer. Arrangementet af H-atomerne for alle C-atomer er det samme som i den hæmmede konformation af ethan. I denne konformation er alle hydrogenatomer åbne og tilgængelige for reaktioner.

Badets konformation er mindre energetisk gunstig, da 2 par C-atomer (C-2 og C-3), (C-5 og C-6) liggende ved bunden har H-atomer i en formørket konformation, derfor har denne konformation stor energireserve og ustabil.

C6H12-cyclohexan

"Stole"-formen er mere energimæssigt gavnlig end "badekarret".

    Optisk isomeri.

I slutningen af ​​det 19. århundrede blev det opdaget, at mange organiske forbindelser er i stand til at rotere planet af en polariseret stråle til venstre og højre. Det vil sige, at en lysstråle, der falder ind på et molekyle, interagerer med dets elektronskaller, og der opstår polarisering af elektronerne, hvilket fører til en ændring i retningen af ​​svingninger i det elektriske felt. Hvis et stof roterer vibrationsplanet med uret, kaldes det højredrejende(+) hvis mod uret - venstrehåndet(-). Disse stoffer blev kaldt optiske isomerer. Optisk aktive isomerer indeholder et asymmetrisk carbonatom (chiralt) - dette er et atom, der indeholder fire forskellige substituenter. Den anden vigtige betingelse er fraværet af alle typer symmetri (akse, plan). Disse omfatter mange hydroxy- og aminosyrer

Undersøgelser har vist, at sådanne forbindelser adskiller sig i rækkefølgen af ​​arrangementet af substituenter på carbonatomer i sp 3 hybridisering.

P Den enkleste forbindelse er mælkesyre (2-hydroxypropansyre)

Stereoisomerer, hvis molekyler er relateret til hinanden som et objekt og et inkompatibelt spejlbillede eller som en venstre og højre hånd kaldes enantiomerer(optiske isomerer, spejlisomerer, antipoder, og fænomenet kaldes enantiomerisme. Alle kemiske og fysiske egenskaber af enantiomerer er de samme, bortset fra to: rotation af planet af polariseret lys (i en polarimeteranordning) og biologisk aktivitet.

Den absolutte konfiguration af molekyler bestemmes af komplekse fysisk-kemiske metoder.

Den relative konfiguration af optisk aktive forbindelser bestemmes ved sammenligning med en glyceraldehydstandard. Optisk aktive stoffer med konfigurationen af ​​højredrejende eller venstredrejende glyceraldehyd (M. Rozanov, 1906) kaldes stoffer i D- og L-serien. En lige blanding af dextro- og levorotære isomerer af en forbindelse kaldes et racemat og er optisk inaktiv.

Forskning har vist, at tegnet på lysets rotation ikke kan forbindes med et stofs tilhørsforhold til D- og L-serien; det bestemmes kun eksperimentelt i instrumenter - polarimetre. For eksempel har L-mælkesyre en rotationsvinkel på +3,8 o, D-mælkesyre - 3,8 o.

Enantiomerer er afbildet ved hjælp af Fischers formler.

    Kulstofkæden er repræsenteret af en lodret linje.

    Seniorfunktionsgruppen placeres øverst, juniorfunktionsgruppen nederst.

    Et asymmetrisk carbonatom er repræsenteret af en vandret linje, i hvis ender der er substituenter.

    Antallet af isomerer bestemmes af formlen 2 n, n er antallet af asymmetriske carbonatomer.

L-række D-række

Blandt enantiomerer kan der være symmetriske molekyler, der ikke har optisk aktivitet, og kaldes mesoisomerer.

For eksempel: Vinhus

D – (+) – række L – (–) – række

Mezovinnaya k-ta

Racemate – druesaft

Optiske isomerer, der ikke er spejlisomerer, der adskiller sig i konfigurationen af ​​flere, men ikke alle asymmetriske C-atomer, med forskellige fysiske og kemiske egenskaber, kaldes - di-EN-stereoisomerer.

-Diastereomerer (geometriske isomerer) er stereomerer, der har en -binding i molekylet. De findes i alkener, umættede forbindelser med højere carbon, umættede dicarboniske forbindelser. For eksempel:

Cis-buten-2 Trans-buten-2

Organiske stoffers biologiske aktivitet er relateret til deres struktur. For eksempel:

Cis-butendisyre, trans-butendisyre,

maleinsyre - fumarsyre - ikke-giftig,

meget giftig fundet i kroppen

Alle naturlige umættede forbindelser med højere kulstof er cis-isomerer.

Artiklens indhold

ISOMERI(græsk isos - identisk, meros - del) er et af de vigtigste begreber i kemi, hovedsageligt i organisk. Stoffer kan have samme sammensætning og molekylvægt, men forskellige strukturer og forbindelser, der indeholder de samme grundstoffer i samme mængde, men forskellige i det rumlige arrangement af atomer eller grupper af atomer, kaldes isomerer. Isomerisme er en af ​​grundene til, at organiske forbindelser er så mange og varierede.

Isomerisme blev først opdaget af J. Liebig i 1823, som fastslog, at sølvsalte af fulminat og isocyansyrer: Ag-O-N=C og Ag-N=C=O har samme sammensætning, men forskellige egenskaber. Udtrykket "Isomerism" blev introduceret i 1830 af I. Berzelius, som foreslog, at forskelle i egenskaberne af forbindelser af samme sammensætning opstår på grund af det faktum, at atomerne i molekylet er arrangeret i en anden rækkefølge. Ideen om isomerisme blev endelig dannet efter A.M. Butlerov skabte teorien om kemisk struktur (1860'erne). Ud fra denne teori foreslog han, at der skulle være fire forskellige butanoler (fig. 1). På det tidspunkt, hvor teorien blev skabt, var der kun kendt én butanol (CH 3) 2 CHCH 2 OH, opnået fra plantematerialer.

Ris. 1. Butanolisomerer

Den efterfølgende syntese af alle butanolisomerer og bestemmelse af deres egenskaber blev en overbevisende bekræftelse af teorien.

Ifølge den moderne definition betragtes to forbindelser af samme sammensætning som isomerer, hvis deres molekyler ikke kan kombineres i rummet, så de falder fuldstændig sammen. Kombination sker som regel mentalt, i komplekse tilfælde anvendes rumlige modeller eller beregningsmetoder.

Der er flere årsager til isomerisme.

STRUKTUREL ISOMERISME

Som regel er det forårsaget af forskelle i strukturen af ​​carbonhydridskelettet eller ulige arrangement af funktionelle grupper eller multiple bindinger.

Isomerisme af kulbrinteskelettet.

Mættede kulbrinter indeholdende fra et til tre kulstofatomer (methan, ethan, propan) har ingen isomerer. For en forbindelse med fire carbonatomer C 4 H 10 (butan) er to isomerer mulige, for pentan C 5 H 12 - tre isomerer, for hexan C 6 H 14 - fem (fig. 2):

Ris. 2. Isomerer af de simpleste kulbrinter

Når antallet af carbonatomer i et carbonhydridmolekyle stiger, stiger antallet af mulige isomerer dramatisk. For heptan C 7 H 16 er der ni isomerer, for carbonhydrid C 14 H 30 er der 1885 isomerer, for carbonhydrid C 20 H 42 er der over 366.000.

I komplekse tilfælde løses spørgsmålet om to forbindelser er isomerer ved hjælp af forskellige rotationer omkring valensbindingerne (simple bindinger tillader dette, hvilket til en vis grad svarer til deres fysiske egenskaber). Efter at have flyttet individuelle fragmenter af molekylet (uden at bryde bindingerne), lægges et molekyle oven på et andet (fig. 3). Hvis to molekyler er fuldstændig identiske, så er disse ikke isomerer, men den samme forbindelse:

Isomerer, der adskiller sig i skeletstruktur, har normalt forskellige fysiske egenskaber (smeltepunkt, kogepunkt osv.), hvilket gør det muligt at adskille den ene fra den anden. Denne type isomerisme findes også i aromatiske kulbrinter (fig. 4):

Ris. 4. Aromatiske isomerer

Positionel isomeri.

En anden type strukturel isomerisme, positionel isomerisme, forekommer i tilfælde, hvor funktionelle grupper, individuelle heteroatomer eller multiple bindinger er placeret forskellige steder i kulbrinteskelettet. Strukturelle isomerer kan tilhøre forskellige klasser af organiske forbindelser, så de kan afvige ikke kun i fysiske, men også i kemiske egenskaber. I fig. Figur 5 viser tre isomerer for forbindelsen C 3 H 8 O, to af dem er alkoholer, og den tredje er en ether

Ris. 5. Positioner isomerer

Ofte er forskellene i strukturen af ​​positionelle isomerer så tydelige, at det ikke engang er nødvendigt at kombinere dem mentalt i rummet, for eksempel isomererne af buten eller dichlorbenzen (fig. 6):

Ris. 6. Isomerer af buten og dichlorbenzen

Nogle gange kombinerer strukturelle isomerer egenskaberne ved carbonhydridskelet-isomerisme og positionel isomerisme (fig. 7).

Ris. 7. Kombination af to typer af strukturel isomeri

I spørgsmål om isomeri hænger teoretiske overvejelser og eksperimenter sammen. Hvis overvejelser viser, at isomerer ikke kan eksistere, så burde forsøg vise det samme. Hvis beregninger indikerer et vist antal isomerer, så kan det samme antal eller færre af dem opnås, men ikke flere - ikke alle teoretisk beregnede isomerer kan opnås, da interatomare afstande eller bindingsvinkler i den foreslåede isomer kan være uden for de tilladte grænser . For et stof, der indeholder seks CH-grupper (f.eks. benzen), er 6 isomerer teoretisk mulige (fig. 8).

Ris. 8. Benzenisomerer

De første fem af de viste isomerer eksisterer (den anden, tredje, fjerde og femte isomer blev opnået næsten 100 år efter strukturen af ​​benzen blev etableret). Sidstnævnte isomer vil højst sandsynligt aldrig blive opnået. Repræsenteret som en sekskant, er den mindst tilbøjelige til at dannes, og dens deformationer resulterer i strukturer i form af et skrå prisme, en tretakket stjerne, en ufuldstændig pyramide og en dobbeltpyramide (et ufuldstændigt oktaeder). Hver af disse muligheder indeholder enten meget forskellige C-C-bindinger i størrelse eller stærkt forvrængede bindingsvinkler (fig. 9):

Kemiske transformationer, som resulterer i, at strukturelle isomerer omdannes til hinanden, kaldes isomerisering.

Stereoisomerisme

opstår på grund af det forskellige arrangement af atomer i rummet med samme rækkefølge af bindinger mellem dem.

En type stereoisomerisme er cis-trans-isomerisme (cis- lat. på den ene side, trans - lat. gennem, på forskellige sider) observeres i forbindelser, der indeholder flere bindinger eller plane cyklusser. I modsætning til en enkeltbinding tillader en multipelbinding ikke individuelle fragmenter af molekylet at rotere omkring det. For at bestemme typen af ​​isomer trækkes et plan mentalt gennem dobbeltbindingen, og derefter analyseres den måde, substituenterne er placeret i forhold til dette plan. Hvis identiske grupper er på samme side af flyet, så er dette cis-isomer, hvis på modsatte sider - trance-isomer:

Fysiske og kemiske egenskaber cis- Og trance-isomerer er nogle gange mærkbart forskellige; i maleinsyre er carboxylgrupperne –COOH rumligt tætte, de kan reagere (fig. 11) og danne maleinsyreanhydrid (denne reaktion forekommer ikke for fumarsyre):

Ris. 11. Dannelse af maleinsyreanhydrid

I tilfælde af flade cykliske molekyler er det ikke nødvendigt mentalt at tegne et plan, da det allerede er givet af molekylets form, som for eksempel i cykliske siloxaner (fig. 12):

Ris. 12. Isomerer af cyclosiloxan

I komplekse metalforbindelser cis-isomer er en forbindelse, hvor to identiske grupper, fra dem, der omgiver metallet, er placeret i nærheden, i trance-isomer, de er adskilt af andre grupper (fig. 13):

Ris. 13. Isomerer af koboltkompleks

Den anden type stereoisomerisme, optisk isomerisme, forekommer i tilfælde, hvor to isomerer (i overensstemmelse med definitionen formuleret tidligere, to molekyler, der ikke er kompatible i rummet) er spejlbilleder af hinanden. Denne egenskab besiddes af molekyler, der kan repræsenteres som et enkelt carbonatom med fire forskellige substituenter. Valenserne af det centrale carbonatom bundet til fire substituenter er rettet mod hjørnerne af et mentalt tetraeder - et regulært tetraeder ( cm. ORBITAL) og stift fastgjort. Fire ulige substituenter er vist i fig. 14 i form af fire kugler med forskellige farver:

Ris. 14. Kulstofatom med fire forskellige substituenter

For at detektere den mulige dannelse af en optisk isomer er det nødvendigt (fig. 15) at reflektere molekylet i et spejl, så skal spejlbilledet tages som et rigtigt molekyle, placeret under det originale, så deres lodrette akser falder sammen, og det andet molekyle skulle roteres rundt om den lodrette akse, så den røde kugle de øvre og nedre molekyler var placeret under hinanden. Som et resultat falder placeringen af ​​kun to bolde, beige og rød, sammen (markeret med dobbeltpile). Hvis du roterer det nederste molekyle, så de blå kugler flugter, så vil positionen af ​​kun to kugler igen falde sammen - beige og blå (også markeret med dobbeltpile). Alt bliver indlysende, hvis disse to molekyler er mentalt kombineret i rummet, idet de sætter det ene ind i det andet, som en kniv i en skede, den røde og grønne kugle falder ikke sammen:

For enhver gensidig orientering i rummet kan to sådanne molekyler ikke opnå fuldstændig sammenfald, når de kombineres; ifølge definitionen er disse isomerer. Det er vigtigt at bemærke, at hvis det centrale carbonatom ikke har fire, men kun tre forskellige substituenter (det vil sige to af dem er ens), så dannes der ikke en optisk isomer, når et sådant molekyle reflekteres i et spejl. da molekylet og dets refleksion kan kombineres i rummet (fig. 16):

Udover kulstof kan andre atomer, hvor kovalente bindinger er rettet mod hjørnerne af tetraederet, for eksempel silicium, tin, fosfor, fungere som asymmetriske centre.

Optisk isomerisme forekommer ikke kun i tilfælde af et asymmetrisk atom, det realiseres også i nogle rammemolekyler i nærvær af et vist antal forskellige substituenter. For eksempel kan rammen carbonhydrid adamantan, som har fire forskellige substituenter (fig. 17), have en optisk isomer, hvor hele molekylet spiller rollen som et asymmetrisk center, hvilket bliver tydeligt, hvis adamantan rammeværket er mentalt sammentrukket til et punkt . På samme måde bliver siloxan, som har en kubisk struktur (fig. 17), også optisk aktiv i tilfælde af fire forskellige substituenter:

Ris. 17. Optisk aktive stilladsmolekyler

Muligheder er mulige, når molekylet ikke indeholder et asymmetrisk center, selv i en skjult form, men i sig selv kan være generelt asymmetrisk, og optiske isomerer er også mulige. For eksempel i en berylliumkompleksforbindelse er to cykliske fragmenter placeret i indbyrdes vinkelrette planer, i dette tilfælde er to forskellige substituenter tilstrækkelige til at opnå en optisk isomer (fig. 18). For et ferrocenmolekyle, som har form som et pentaedrisk prisme, kræves der tre substituenter til samme formål, brintatomet spiller i dette tilfælde rollen som en af ​​substituenterne (fig. 18):

Ris. 18. Optisk isomerisme af asymmetriske molekyler

I de fleste tilfælde giver den strukturelle formel af en forbindelse os mulighed for at forstå, hvad der præcist skal ændres i det for at gøre stoffet optisk aktivt.

Synteser af optisk aktive stereoisomerer producerer sædvanligvis en blanding af dextro- og venstredrejende forbindelser. Adskillelsen af ​​isomerer udføres ved at omsætte en blanding af isomerer med reagenser (normalt af naturlig oprindelse), der indeholder et asymmetrisk reaktionscenter. Nogle levende organismer, herunder bakterier, metaboliserer fortrinsvis venstredrejende isomerer.

Processer (kaldet asymmetrisk syntese) er nu blevet udviklet til specifikt at producere en specifik optisk isomer.

Der er reaktioner, der giver dig mulighed for at omdanne en optisk isomer til dens antipode ( cm. WALDEN KONVERTERING).

Mikhail Levitsky