просторни

јаглероден скелет

Конфигурација

Конформациски

Функционална положба

Оптички

Interclass

Геометриски

1. Структурна изомеризам

Структурните изомери се разликуваат по хемиската структура, т.е. природата и редоследот на врските помеѓу атомите во молекулата. Структурните изомери се изолирани во чиста форма. Тие постојат како поединечни, стабилни супстанции; нивната меѓусебна трансформација бара висока енергија - околу 350 - 400 kJ/mol. Само структурните изомери - тавтомери - се во динамична рамнотежа. Тавтомеризмот е чест феномен во органската хемија. Тоа е можно преку пренос на подвижен атом на водород во молекула (карбонилни соединенија, амини, хетероцикли итн.), интрамолекуларни интеракции (јаглехидрати).

Сите структурни изомери се претставени во форма на структурни формули и именувани според номенклатурата на IUPAC. На пример, составот C 4 H 8 O одговара на структурните изомери:

А)со различен јаглероден скелет

неразгранет C-синџир - CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH=O (бутанал, алдехид) и

разгранет C-синџир -

(2-метилпропанал, алдехид) или

циклус - (циклобутанол, цикличен алкохол);

б)со различна положба на функционалната група

бутанон-2, кетон;

V)со различен состав на функционалната група

3-бутенол-2, незаситен алкохол;

G)метамеризам

Функционална група на хетероатом може да биде вклучена во јаглеродниот скелет (циклус или синџир). Еден од можните изомери на овој тип на изомеризам е CH3-O-CH2-CH=CH2 (3-метоксипропен-1, етер);

г)тавтомеризам (кето-енол)

форма на енол кето форма

Тавтомерите се во динамична рамнотежа, со постабилна форма, кето форма, која преовладува во смесата.

За ароматичните соединенија, структурниот изомеризам се смета само за страничниот синџир.

2. Просторна изомеризам (стереоизомеризам)

Просторните изомери имаат иста хемиска структура и се разликуваат во просторниот распоред на атомите во молекулата. Оваа разлика создава разлика во физичките и хемиските својства. Просторните изомери се прикажани во форма на различни проекции или стереохемиски формули. Гранката на хемијата која ја проучува просторната структура и нејзиното влијание врз физичките и хемиските својства на соединенијата, врз насоката и брзината на нивните реакции, се нарекува стереохемија.

А)Конформациона (ротациона) изомеризам

Без промена на аглите или должината на врските, може да се замисли многу геометриски форми (конформации) на молекулата, кои се разликуваат една од друга во меѓусебната ротација на јаглеродните тетраедри околу врската σ-C-C што ги поврзува. Како резултат на оваа ротација, се појавуваат ротациони изомери (конформатори). Енергијата на различни конформатори не е иста, но енергетската бариера што одвојува различни конформациски изомери е мала за повеќето органски соединенија. Затоа, под обични услови, по правило, невозможно е да се поправат молекулите во една строго дефинирана конформација. Типично, неколку конформациски изомери лесно се трансформираат еден во друг коегзистираат во рамнотежа.

Методите на прикажување и номенклатурата на изомерите може да се разгледаат користејќи го примерот на молекулата на етанот. За него, можеме да предвидиме постоење на две конформации кои максимално се разликуваат по енергија, што може да се прикаже во форма перспективни проекции(1) („кози од пилана“) или проекции Нов човек(2):

инхибирана конформација помрачена конформација

Во перспективата проекција (1) врската C-C мора да се замисли како оди во далечина; Јаглеродниот атом лево е блиску до набљудувачот, а јаглеродниот атом од десната страна е подалеку од него.

Во Њумановата проекција (2), молекулата се гледа долж врската C-C. Три линии кои се разминуваат под агол од 120° од центарот на кругот ги означуваат врските на јаглеродниот атом најблиску до набљудувачот; линиите што „излегуваат“ од зад кругот се врските на далечниот јаглероден атом.

Конформацијата прикажана на десната страна се нарекува заматен . Ова име нè потсетува дека атомите на водородот на двете групи CH 3 се едни спроти други. Затемнетата конформација има зголемена внатрешна енергија и затоа е неповолна. Конформацијата прикажана лево се нарекува инхибирана , што значи дека слободната ротација околу врската C-C е „инхибирана“ во оваа позиција, т.е. молекулата постои претежно во оваа конформација.

Минималната енергија потребна за целосно ротирање на молекулата околу одредена врска се нарекува бариера на ротација за таа врска. Ротационата бариера во молекула како етанот може да се изрази во однос на промената на потенцијалната енергија на молекулата како функција од промената на диедралниот (торзија - τ) агол на системот. Енергетскиот профил на ротација околу врската C-C во етанот е прикажан на слика 1. Ротационата бариера што ги одвојува двете форми на етан е околу 3 kcal/mol (12,6 kJ/mol). Минимумите на кривата на потенцијалната енергија одговараат на инхибирани конформации, а максимумите одговараат на оклудираните конформации. Бидејќи на собна температура енергијата на некои молекуларни судири може да достигне 20 kcal/mol (околу 80 kJ/mol), оваа бариера од 12,6 kJ/mol лесно се надминува и ротацијата во етанот се смета за бесплатна. Во мешавина од сите можни конформации, преовладуваат инхибирани конформации.

Сл.1. Дијаграм на потенцијална енергија на етанските конформации.

За посложени молекули, бројот на можни конформации се зголемува. Да, за n-бутанот веќе може да се прикаже во шест конформации кои се појавуваат при ротирање околу централната врска C 2 - C 3 и се разликуваат во меѓусебното распоредување на CH 3 групите. Различните затемнети и инхибирани конформации на бутанот се разликуваат по енергија. Инхибираните конформации се енергетски поповолни.

Енергетскиот профил на ротација околу врската C 2 - C 3 во бутан е прикажан на Слика 2.

Сл.2. Дијаграм на потенцијална енергија на конформации на n-бутан.

За молекула со долг јаглероден ланец, бројот на конформациони форми се зголемува.

Молекулата на алицикличните соединенија се карактеризира со различни конформациски форми на циклусот (на пример, за циклохексан фотелја, бања, пресврт-форми).

Значи, конформациите се различни просторни форми на молекула која има одредена конфигурација. Конформерите се стереоизомерни структури кои одговараат на енергетските минимуми на дијаграмот за потенцијална енергија, се во мобилна рамнотежа и се способни за интерконверзија со ротација околу едноставни σ врски.

Ако бариерата за таквите трансформации стане доволно висока, тогаш стереоизомерните форми може да се одвојат (на пример, оптички активни бифенили). Во такви случаи, ние повеќе не зборуваме за конформери, туку за вистински постоечки стереоизомери.

б)Геометриски изомеризам

Геометриските изомери се јавуваат како резултат на отсуството во молекулата на:

1. ротацијата на атомите на јаглерод еден во однос на друг е последица на ригидноста на C=C двојната врска или цикличната структура;

2. две идентични групи на еден јаглероден атом на двојна врска или прстен.

Геометриските изомери, за разлика од конформерите, можат да се изолираат во чиста форма и да постојат како индивидуални, стабилни супстанции. За нивна меѓусебна трансформација потребна е поголема енергија - околу 125-170 kJ/mol (30-40 kcal/mol).

Постојат cis-trans-(Z,E) изомери; cis- формите се геометриски изомери во кои идентични супституенти лежат на истата страна од рамнината на π врската или прстенот, транс- формите се геометриски изомери во кои идентични супституенти лежат на спротивните страни од рамнината на π врската или прстенот.

Наједноставниот пример се изомерите на бутен-2, кој постои во форма на цис-, транс-геометриски изомери:

цис-бутен-2 транс-бутен-2

температура на топење

138,9 0 C - 105,6 0 C

температура на вриење

3,72 0 С 1,00 0 С

густина

1,2 - дихлороциклопропан постои во форма на цис-, транс-изомери:

cis-1,2-дихлороциклопропан транс-1,2-дихлороциклопропан

Во посложени случаи се користи З,Е-номенклатура (Кана, Инголд, Прелог номенклатура - КИП, номенклатура на стаж на пратениците). Во врска

1-бромо-2-метил-1-хлоробутен-1 (Br)(CI)C=C(CH3) - CH2-CH3 сите супституенти на јаглеродните атоми со двојна врска се различни; затоа, ова соединение постои во форма на Z-, E- геометриски изомери:

Е-1-бромо-2-метил-1-хлоробутен-1 Z-1-бромо-2-метил-1-хлоробутен-1.

За да ја покажете конфигурацијата на изомерот, означете распоредот на високи супституенти на двојна врска (или прстен) е Z- (од германскиот Zusammen - заедно) или E- (од германскиот Entgegen - спротивно).

Во системот Z,E, супституентите со голем атомски број се сметаат за постари. Ако атомите директно поврзани со незаситените јаглеродни атоми се исти, тогаш преминете на „вториот слој“, доколку е потребно - на „третиот слој“ итн.

Во првата проекција, постарите групи се една спроти друга во однос на двојната врска, па затоа е E изомер. Во втората проекција, постарите групи се на иста страна на двојната врска (заедно), така што тоа е Z-изомер.

Геометриските изомери се широко распространети во природата. На пример, природни полимери гума (цис-изомер) и гута-перка (транс-изомер), природна фумарна (транс-бутендиоична киселина) и синтетички малеинска (цис-бутенедиоична киселина) киселини, во составот на масти - цис-олеинска, линолова, линоленска киселина.

V)Оптички изомеризам

Молекулите на органските соединенија можат да бидат хирални и ахирални. Хиралноста (од грчкиот cheir - рака) е некомпатибилност на молекулата со нејзината огледална слика.

Хиралните супстанции се способни да ја ротираат рамнината на поларизација на светлината. Овој феномен се нарекува оптичка активност, а соодветните супстанции се оптички активни. Оптички активните супстанции се јавуваат во парови оптички антиподи- изомери, чии физички и хемиски својства се исти во нормални услови, со исклучок на една работа - знакот на ротација на рамнината на поларизација: еден од оптичките антиподи ја отклонува рамнината на поларизација надесно (+, декстроротаторен изомер), другиот - лево (-, леворотаторен). Конфигурацијата на оптичките антиподи може да се определи експериментално со помош на уред - полариметар.

Оптичкиот изомеризам се појавува кога молекулата содржи асиметричен јаглероден атом(постојат и други причини за хиралноста на молекулата). Ова е името дадено на јаглеродниот атом во sp 3 - хибридизација и поврзан со четири различни супституенти. Можни се два тетраедрални распореди на супституенти околу асиметричен атом. Во овој случај, две просторни форми не можат да се комбинираат со каква било ротација; еден од нив е огледална слика на другиот:

Двете огледални форми формираат пар оптички антиподи или енантиомери .

Оптичките изомери се прикажани во форма на формули за проекција од Е. Фишер. Тие се добиваат со проектирање на молекула со асиметричен јаглероден атом. Во овој случај, самиот асиметричен јаглероден атом на рамнината е означен со точка, а симболите на супституентите што штрчат пред рамнината на цртежот се означени на хоризонталната линија. Вертикалната линија (испрекината или цврста) означува супституенти кои се отстранети надвор од рамнината на цртежот. Подолу се дадени различни начини за пишување на формулата за проекција што одговара на левиот модел на претходната слика:

Во проекцијата, главниот јаглероден ланец е прикажан вертикално; главната функција, ако е на крајот од ланецот, е означена на врвот на проекцијата. На пример, стереохемиските и проекционите формули на (+) и (-) аланин - CH 3 - * CH(NH 2)-COOH се претставени на следниов начин:

Мешавината со иста содржина на енантиомери се нарекува рацемат. Рацематот нема оптичка активност и се карактеризира со физички својства различни од енантиомерите.

Правила за трансформација на формули за проекција.

1. Формулите може да се ротираат за 180° во рамнината на цртање без да се промени нивното стереохемиско значење:

2. Две (или кој било парен број) преуредување на супституентите на еден асиметричен атом не го менуваат стереохемиското значење на формулата:

3. Едно (или било кој непарен број) преуредување на супституентите во асиметричниот центар доведува до формулата за оптичкиот антипод:

4. Ротација од 90° во рамнината на цртање ја претвора формулата во антипод.

5. Ротацијата на кои било три супституенти во насока на стрелките на часовникот или спротивно од стрелките на часовникот не го менува стереохемиското значење на формулата:

6. Формулите за проекција не можат да се изведат од рамнината на цртање.

Оптичка активност ја поседуваат органските соединенија во чии молекули други атоми, како што се силициум, фосфор, азот и сулфур, се хирални центри.

Во форма постојат соединенија со неколку асиметрични јаглеродни атоми дијастереомери , т.е. просторни изомери кои не сочинуваат оптички антиподи меѓу себе.

Дијастереомерите се разликуваат едни од други не само во оптичката ротација, туку и во сите други физички константи: тие имаат различни точки на топење и вриење, различна растворливост итн.

Бројот на просторни изомери се одредува со фишеровата формула N=2 n, каде n е бројот на асиметрични јаглеродни атоми. Бројот на стереоизомери може да се намали поради делумната симетрија што се појавува во некои структури. Се нарекуваат оптички неактивни диастереомери мезо-форми.

Номенклатура на оптички изомери:

а) D-, L- номенклатура

За да се одреди D- или L-серијата на изомер, конфигурацијата (позицијата на групата OH на асиметричниот јаглероден атом) се споредува со конфигурациите на енантиомерите на глицералдехид (клуч за глицерол):

Л-глицералдехид Д-глицералдехид

Употребата на D-, L-номенклатура во моментов е ограничена на три класи оптички активни супстанции: јаглени хидрати, амино киселини и хидрокси киселини.

б) R -, S-номенклатура (номенклатура на Кан, Инголд и Прелог)

За да се одреди R (десно) или S (лево) конфигурација на оптички изомер, неопходно е да се подредат супституентите во тетраедарот (стереохемиска формула) околу асиметричниот јаглероден атом на таков начин што најмладиот супституент (обично водород) има насоката „далеку од набљудувачот“. Ако преминот на трите преостанати супституенти од сениор кон среден и помлад во стажот се случи во насока на стрелките на часовникот, ова е R-изомер (намалувањето на стажот се совпаѓа со движењето на раката при пишување на горниот дел од буквата R). Ако транзицијата се случи спротивно од стрелките на часовникот, тоа е S - изомер (опаѓачкото првенство се совпаѓа со движењето на раката при пишување на врвот на буквата S).

За да се одреди R- или S-конфигурацијата на оптичкиот изомер со помош на формулата за проекција, неопходно е да се подредат супституентите со парен број на пермутации така што најмладиот од нив е на дното на проекцијата. Намалувањето на стажот на преостанатите три супституенти во насока на стрелките на часовникот одговара на R-конфигурацијата, а спротивно на стрелките на часовникот на S-конфигурацијата.

Оптичките изомери се добиваат со следниве методи:

а) изолација од природни материјали кои содржат оптички активни соединенија, како што се протеини и амино киселини, јаглени хидрати, многу хидрокси киселини (винска, јаболкова, бадема), терпен јаглеводороди, терпен алкохоли и кетони, стероиди, алкалоиди итн.

б) разделување на рацемати;

в) асиметрична синтеза;

г) биохемиско производство на оптички активни супстанции.

ДАЛИ ЗНАЕШ ДЕКА

Феноменот на изомеризам (од грчки - јассос - различни и мерос - дел, дел) отворен во 1823 година. J. Liebig и F. Wöhler користејќи го примерот на соли на две неоргански киселини: цијанска H-O-C≡N и експлозив H-O-N= C.

Во 1830 година, Џ. Думас го проширил концептот на изомеризам на органски соединенија.

Во 1831 г терминот „изомер“ за органски соединенија беше предложен од J. Berzelius.

Стереоизомерите на природните соединенија се карактеризираат со различни биолошки активности (амино киселини, јаглени хидрати, алкалоиди, хормони, феромони, лековити материи од природно потекло итн.).

Вовед

изомеризам (грчки isos - идентично, meros - дел) е еден од најважните концепти во хемијата, главно во органската. Супстанциите може да имаат ист состав и молекуларна тежина, но различни структури и соединенија кои содржат исти елементи во иста количина, но се разликуваат во просторниот распоред на атомите или групите атоми, се нарекуваат изомери. Изомеризмот е една од причините што органските соединенија се толку многубројни и разновидни.

Историја на откривањето на изомеризмот

Изомеризмот првпат бил откриен од J. Liebig во 1823 година, кој утврдил дека сребрените соли на фулминатите и изоцијаните киселини: Ag-O-N=C и Ag-N=C=O имаат ист состав, но различни својства. Терминот „изомеризам“ бил воведен во 1830 година од И. Берзелиус, кој сугерирал дека разликите во својствата на соединенијата со ист состав се јавуваат поради фактот што атомите во молекулата се распоредени во различен редослед. Концептот на изомеризам конечно беше формиран откако А. М. Батлеров ја создаде теоријата за хемиска структура (1860-ти). Изомеризмот доби вистинско објаснување дури во втората половина на 19 век. врз основа на теоријата на хемиската структура на А.М. Батлеров (структурен изомеризам) и стереохемиски учења на Ја.Г. Ван'т Хоф (просторен изомеризам). Врз основа на оваа теорија, тој предложил да има четири различни бутаноли (сл. 1). До моментот кога била создадена теоријата, бил познат само еден бутанол (CH 3) 2 CHCH 2 OH, добиен од растителни материјали

Сл.1. Различни позиции на OH групата во молекулата на бутанол.

Последователната синтеза на сите изомери на бутанол и одредувањето на нивните својства станаа убедлива потврда на теоријата.

Според современата дефиниција, две соединенија со ист состав се сметаат за изомери ако нивните молекули не можат да се спојат во просторот така што целосно се совпаѓаат. Комбинацијата, по правило, се прави ментално, во сложени случаи се користат просторни модели или методи на пресметка.

Видови изомеризам

Во изомеризмот, може да се разликуваат два главни типа: структурен изомеризам и просторен изомеризам, или, како што исто така се нарекува, стереоизомеризам.

За возврат, структурните се поделени на:

изомеризам на јаглеродниот синџир (јаглероден скелет)

валентна изомеризам

изомеризам на функционална група

позиционен изомеризам.

Просторната изомеризам (стереоизомеризам) е поделена на:

диастереомеризам (цис, транс-изомеризам)

енантиомеризам (оптички изомеризам).

Структурен изомеризам

Како по правило, тоа е предизвикано од разлики во структурата на јаглеводородниот скелет или нееднаков распоред на функционални групи или повеќекратни врски.

Изомеризам на јаглеводородниот скелет

Заситените јаглеводороди кои содржат од еден до три јаглеродни атоми (метан, етан, пропан) немаат изомери. За соединение со четири јаглеродни атоми C 4 H 10 (бутан), можни се два изомери, за пентан C 5 H 12 - три изомери, за хексан C 6 H 14 - пет (слика 2):

Сл.2.

Како што се зголемува бројот на јаглеродни атоми во јаглеводородна молекула, бројот на можни изомери драстично се зголемува. За хептан C 7 H 16 има девет изомери, за јаглеводород C 14 H 30 - 1885 изомери, за јаглеводород C 20 H 42 - над 366.000. Во сложени случаи, прашањето дали две соединенија се изомери се решава со користење на различни вртења околу валентни врски (едноставните врски го дозволуваат тоа, што до одреден степен одговара на нивните физички својства). По поместување на поединечни фрагменти од молекулата (без раскинување на врските), една молекула е надредена на друга. Ако две молекули се целосно идентични, тогаш тоа не се изомери, туку исто соединение. Изомерите кои се разликуваат по структурата на скелетот обично имаат различни физички својства (точка на топење, точка на вриење, итн.), што овозможува да се оддели еден од друг. Овој тип на изомеризам постои и кај ароматичните јаглеводороди (сл. 4).

Предавање бр.5

Тема: „Изомеризмот и неговите видови“

Тип на класа: комбиниран

Цел: 1. Да се ​​открие главниот став на теоријата на структурата за феноменот на изомеризам. Дајте општа идеја за видовите изомеризам. Прикажете ги главните насоки на развој на теоријата на структура користејќи стереоизомеризам како пример.

2. продолжи да ја развива способноста за конструирање формули на изомери, именување на супстанции користејќи формули.

3. негувајте когнитивен став кон учењето

Опрема: модели на молекули Стјуарт-Бриглеб, пластелин во боја, кибрит, пар ракавици, ким, гума за џвакање од нане, три епрувети.

План за лекција

Поздрав, прозивка

Истражување на основни знаења

Учење нов материјал:

Теорија на структурата и феноменот на изомеризам;

Видови изомеризам;

Консолидација

Напредок на часот

2. Анкета на основни знаења: фронтална

Објаснете по кои критериуми органските соединенија се класифицираат со помош на дијаграм.

Наведете ги главните класи на органски соединенија и нивните структурни карактеристики

Завршете ги вежбите бр. 1 и 2 §6. Еден ученик на табла, останатите во тетратки

3. Учење нов материјал: Теорија на структурата и феноменот на изомеризам

Запомнете ја дефиницијата за изомеризам и изомери. Објаснете ја причината за нивното постоење.

Феноменот на изомеризам (од грчкиот isos - различен и meros - дел, дел) бил откриен во 1823 година од J. Liebig и F. Wöhler користејќи го примерот на соли на две неоргански киселини: цијанска и експлозивна. НОСОТ = N цијан; N-O-N = C ѕвечарка

Во 1830 година, Џ. Думас го проширил концептот на изомеризам на органски соединенија. Терминот „Изомер“ се појави една година подоцна и беше предложен од Ј. Берцелиус. Бидејќи во тоа време владеел целосен хаос на полето на структурата и на органските и на неорганските материи, тие не му придавале големо значење на откритието.

Научно објаснување за феноменот на изомеризам даде А.М.Батлеров во рамките на теоријата на структурата, додека ниту теоријата на типови ниту теоријата на радикали не ја открија суштината на овој феномен. А.М.Батлеров ја виде причината за изомеризмот во фактот што атомите во молекулите на изомерите се поврзани во различен редослед. Теоријата на структурата овозможи да се предвиди бројот на можни изомери и нивната структура, што беше брилијантно потврдено во пракса од самиот А.М.Батлеров и неговите следбеници.

Видови изомеризам: наведете пример за изомери и предложете знак според кој изомерите би можеле да се класифицираат?(очигледно, структурата на молекулите на изомерот ќе биде основа). Го објаснувам материјалот користејќи го дијаграмот:

Постојат два вида изомеризам: структурен и просторен (стереоизомеризам). Структурни изомери се оние кои имаат различни редови на поврзување помеѓу атомите во молекулата. Просторните изомери имаат исти супституенти на секој јаглероден атом, но се разликуваат по нивната релативна локација во вселената.

Структурниот изомеризам е од три вида: меѓукласна изомеризам поврзана со структурата на јаглеродниот скелет и изомеризам на позицијата на функционална група или повеќекратна врска.

Меѓукласните изомери содржат различни функционални групи и припаѓаат на различни класи на органски соединенија и затоа физичките и хемиските својства на меѓукласните изомери значително се разликуваат.

Изомеризмот на јаглеродниот скелет ви е веќе познат, физичките својства се различни, но хемиските својства се слични, бидејќи овие супстанции припаѓаат на иста класа.

Изомеризам на позиција на функционална група или позиција на повеќе врски. Физичките својства на таквите изомери се различни, но хемиските својства се слични

Геометриски изомеризам: имаат различни физички константи, но слични хемиски својства

Оптичките изомери се огледални слики едни на други; како две дланки, тие не можат да се соберат заедно за да се поклопат.

4. Консолидација: препознавање изомери, определување на видот на изомеризам кај супстанции чија формула: изведе вежба 3§ 7

Предавања за студенти на Педијатриски факултет

Предавање2

Тема: Просторна структура на органските соединенија

Цел:запознавање со видовите структурна и просторна изомерност на органските соединенија.

План:

Класификација на изомеризмот.

Структурна изомеризам.

Просторна изомеризам

Оптички изомеризам

Првите обиди да се разбере структурата на органските молекули датираат од почетокот на 19 век. Феноменот на изомеризам прв го открил Ј.

Изомеризам е постоење на соединенија со ист квалитативен и квантитативен состав, но различна структура или локација во просторот, а самите супстанции се нарекуваат изомери.

Класификација на изомери

Структурни

(различен редослед на поврзување на атомите)

Стереоизомеризам

(различно распоредување на атоми во вселената)

Повеќе одредби за поврзување

Одредби за функционална група