Наприклад візьмемо вуглеводні граничного і ненасиченого ряду.
Визначення
Спочатку з'ясуємо, що є явище ізомерії. Залежно від того, яка кількість вуглецевих атомів знаходиться в молекулі, можливе утворення сполук, що відрізняються за будовою, фізичними та хімічними властивостями. Ізомерія – це явище, яке пояснює різноманітність органічних речовин.
Ізомерія насичених вуглеводнів
Як скласти ізомери, назвати представників цього класу органічних сполук? Для того, щоб впоратися з поставленим завданням, спочатку виділимо відмінні характеристики даного класу речовин. Граничні вуглеводні мають загальну формулу СпН2п+2, у молекулах присутні лише прості (одинарні) зв'язку. Ізомерія для представників ряду метану передбачає існування різних органічних речовин, які мають однаковий якісний і кількісний склад, але відрізняються послідовністю розташування атомів.
За наявності у складі граничних вуглеводнів від чотирьох і більше атомів вуглецю представникам даного класу спостерігається ізомерія вуглецевого скелета. Наприклад, можна скласти формулу речовин ізомерів складу С5Н12 у вигляді нормального пентану, 2-метилбутану, 2,2-диметилпропану.
Послідовність
Структурні ізомери, характерні для алканів, становлять, використовуючи певний алгоритм дій. Для того щоб зрозуміти, як скласти ізомери насичених вуглеводнів, зупинимося на цьому питанні докладніше. Спочатку розглядається прямий вуглецевий ланцюжок, що не має додаткових розгалужень. Наприклад, за наявності в молекулі шести вуглецевих атомів можна скласти формулу гексану. Оскільки у алканів усі зв'язки одинарні, для них можна записати лише структурні ізомери.
Структурні ізомери
Щоб скласти формули можливих ізомерів, вуглецевий скелет коротшає на один атом С, він перетворюється на активну частинку - радикал. Метильна група може розташовуватися у всіх атомів у ланцюжку, крім крайніх атомів, утворюючи при цьому різні органічні похідні алканів.
Наприклад, можна скласти формулу 2-метилпентану, 3-метилпентану. Потім кількість атомів вуглецю в основний (головний) ланцюга зменшується ще один, у результаті утворюється дві активні метильні групи. Їх можна розташовувати при одному або сусідніх атомах вуглецевих, отримуючи різні ізомерні сполуки.
Наприклад, можна скласти формули двох ізомерів: 2,2-диметилбутану, 2,3-диметилбутану, що відрізняються за фізичними характеристиками. При подальшому скорочення основного вуглецевого скелета можна отримати й інші структурні ізомери. Отже, для вуглеводнів граничного ряду явище ізомерії пояснюється наявністю у молекулах одинарних (простих) зв'язків.
Особливості ізомерії алкенів
Щоб зрозуміти, як скласти ізомери, необхідно відзначити специфічні особливості даного класу органічних речовин. Ми маємо загальну формулу СпН2п. У молекулах даних речовин, крім одинарного зв'язку, є і подвійний зв'язок, який впливає на кількість ізомерних сполук. Крім структурної ізомерії, характерної для алканів, для цього класу можна виділити ізомерію положення кратного зв'язку, міжкласову ізомерію.
Наприклад, для вуглеводню складу С4Н8 можна скласти формули двох речовин, які відрізнятимуться за розташуванням подвійного зв'язку: бутена-1 і бутена-2.
Щоб зрозуміти, як скласти ізомери із загальною формулою С4Н8, потрібно мати уявлення про те, що, крім алкенів, таку ж загальну формулу мають і циклічні вуглеводні. Як ізомери, що належать до циклічних сполук, можна представити циклобутан, а також метилциклопропан.
Крім того, у ненасичених сполук ряду етилену можна записати формули геометричних ізомерів: цис і транс форм. Для вуглеводнів, які мають подвійний зв'язок між вуглецевими атомами, характерно кілька видів ізомерії: структурна, міжкласова, геометрична.
Алкіни
У сполук, що належать до даного класу вуглеводнів, загальна формула - СПН2п-2. Серед характерних рис цього класу можна згадати наявність потрійного зв'язку в молекулі. Одна з них є простою, утвореною гібридними хмарами. Два зв'язку утворюються при перекриванні негібридних хмар, вони визначають особливості ізомерії цього класу.
Наприклад, для вуглеводню складу С5Н8 можна скласти формули речовин, що мають нерозгалужену вуглецеву ланцюжок. Оскільки у вихідному з'єднанні є кратний зв'язок, він може розташовуватися по-різному, утворюючи пентин-1, пентин-2. Наприклад, можна записати розгорнуту і скорочену формулу з'єднання із заданим якісним і кількісним складом, в якому вуглецевий ланцюжок буде скорочено на один атом, який буде представлений у з'єднанні у вигляді радикала. Крім того, для алкінів існують і міжкласові ізомери, як виступають дієнові вуглеводні.
Для вуглеводнів, які мають потрійний зв'язок, можна скласти ізомери вуглецевого скелета, написати формули дієнів, а також розглянути сполуки з різним розташуванням кратного зв'язку.
Висновок
При складанні структурних формул органічних речовин можна по-різному розташовувати атоми кисню, вуглецю, одержуючи речовини, які називаються ізомерами. Залежно від специфіки класу органічних сполук, кількість ізомерів може бути різною. Наприклад, для вуглеводнів граничного ряду, до яких належать сполуки ряду метану, характерна лише структурна ізомерія.
Для гомологів етилену, які характеризуються наявністю кратного (подвійного) зв'язку, крім структурних ізомерів, можна також розглянути ізомерію положення кратного зв'язку. Крім того, таку ж загальну формулу мають інші сполуки, які відносяться до класу циклоалканів, тобто можлива міжкласова ізомерія.
Для кисневмісних речовин, наприклад, для карбонових кислот, також можна записати формули оптичних ізомерів.
Розглянемо на прикладі алкану З 6 Н 14.
1. Спочатку зображаємо молекулу лінійного ізомеру (її вуглецевий скелет)
2. Потім ланцюг скорочуємо на 1 атом вуглецю і цей атом приєднуємо до якогось атома вуглецю ланцюга як відгалуження від нього, виключаючи крайні положення:
(2) або (3)
Якщо приєднати вуглецевий атом до одного з крайніх положень, то хімічна будова ланцюга не зміниться:
Крім того, слід стежити, щоб не було повторів. Так, структура
ідентична структурі (2).
3. Коли всі положення основного ланцюга вичерпано, скорочуємо ланцюг ще на 1 атом вуглецю:
Тепер у бічних відгалуженнях розмістяться 2 атоми вуглецю. Тут можливі такі поєднання атомів:
Бічний заступник може складатися з 2-х або більше послідовно з'єднаних атомів вуглецю, але для гексану ізомерів з такими бічними відгалуженнями не існує, і структура
ідентична структурі (3).
Бічний заступник - С-С можна розміщувати тільки в ланцюгу, що містить не менше 5-ти вуглецевих атомів і приєднувати його можна тільки до 3-го і далі атома від кінця ланцюга.
4. Після побудови вуглецевого скелета ізомеру необхідно доповнити всі вуглецеві атоми в молекулі зв'язками з воднем, враховуючи, що вуглець чотиривалентний.
Отже, складу З 6 Н 14відповідає 5 ізомерів:
2) 
3) 
4) 
5) 
Поворотна ізомерія алканів
Характерною особливістю s-зв'язків є те, що електронна щільність в них розподілена симетрично щодо осі, що з'єднує ядра атомів, що зв'язуються (циліндрична або обертальна симетрія). Тому обертання атомів навколо s-зв'язку не призводитиме до її розриву. В результаті внутрішньомолекулярного обертання по s-зв'язків С-С молекули алканів, починаючи з етану С 2 Н 6 можуть приймати різні геометричні форми.
Різні просторові форми молекули, що переходять одна в одну шляхом обертання навколо s-зв'язків С–С, називають конформаціями або поворотними ізомерами(Конформери).
Поворотні ізомери молекули є енергетично нерівноцінними її станами. Їхнє взаємоперетворення відбувається швидко і постійно в результаті теплового руху. Тому поворотні ізомери не вдається виділити в індивідуальному вигляді, але їхнє існування доведене фізичними методами. Деякі конформації більш стійкі (енергетично вигідні) і молекула перебуває у таких станах тривалий час.
Розглянемо поворотні ізомери з прикладу етану Н 3 С–СН 3:
При обертанні однієї групи СН 3 щодо іншої виникає безліч різних форм молекули, серед яких виділяють дві характерні конформації ( Аі Б), що відрізняються поворотом на 60°:
Ці поворотні ізомери етану відрізняються відстанями між атомами водню, з'єднаними з різними атомами вуглецю.
У конформації Аатоми водню зближені (затуляють один одного), їхнє відштовхування велике, енергія молекули максимальна. Така конформація називається "заслоненою", вона енергетично невигідна і молекула переходить у конформацію Б, Де відстані між атомами Н у різних атомів вуглецю найбільше і, відповідно, відштовхування мінімально. Ця конформація називається "загальмованою", т.к. вона енергетично вигідніша і молекула перебуває у цій формі більше часу.
З подовженням вуглецевого ланцюга кількість помітних конформацій збільшується. Так, обертання центрального зв'язку в н-бутані
призводить до чотирьох поворотних ізомерів:
Найбільш стійким є конформер IV, у якому групи СН 3 максимально віддалені друг від друга. Залежність потенційної енергії н-бутану від кута обертання збудувати з учнями на дошці.
Оптична ізомерія
Якщо атом вуглецю в молекулі пов'язаний із чотирма різними атомами або атомними групами, наприклад:
то можливе існування двох з'єднань з однаковою структурною формулою, але які відрізняються просторовою будовою. Молекули таких сполук відносяться одна до одної як предмет та його дзеркальне зображення і є просторовими ізомерами.
Ізомерія цього виду називається оптичною, ізомери – оптичними ізомерами або оптичними антиподами:
Молекули оптичних ізомерів несумісні у просторі (як ліва і права руки), у яких відсутня площина симетрії.
Таким чином, оптичними ізомерами називаються просторові ізомери, молекули яких відносяться між собою як предмет та несумісне з ним дзеркальне зображення.
Оптичні ізомери мають однакові фізичні та хімічні властивості, але відрізняються ставленням до поляризованого світла. Такі ізомери мають оптичну активність (один з них обертає площину поляризованого світла вліво, а інший - на такий самий кут вправо). Відмінності у хімічних властивостях спостерігаються лише у реакціях з оптично активними реагентами.
Оптична ізомерія проявляється в органічних речовин різних класів і відіграє дуже важливу роль у хімії природних сполук.
Є кілька видів структурної ізомерії:
ізомерію вуглецевого скелета;
ізомерія положення кратних зв'язків;
ізомерія становища функціональних груп.
Для виведення формул ізомерів, що відрізняються послідовністю зв'язків вуглецевих атомів у молекулі (ізомерію вуглецевого скелета):
а) скласти структурну формулу вуглецевого скелета нормальної будови із заданим числом вуглецевих атомів;
б) поступово вкорочуємо ланцюг (щоразу на один атом вуглецю) і робимо всі можливі перестановки одного або декількох атомів вуглецю і таким чином виводимо формули всіх можливих ізомерів.
ПРИКЛАД:Скласти структурні формули всіх ізомерних вуглеводнів складу 5 Н 12 .
1. Складемо формули вуглецевого скелета з нормальним ланцюгом із 5 вуглецевих атомів.
С – С – С – С – С
2. Укоротимо ланцюг на один атом вуглецю і здійснимо всі можливі перестановки.
С – С – С – С
4. Розставимо необхідну кількість атомів водню.
1. СН 3 - СН 2 - СН 2 - СН 2 - СН 3
2. СН 3 - СН - СН 2 - СН 3
3. СН 3 – С – СН 3
Для виведення структурних формул всіх ізомерів, обумовлених різним положенням кратних зв'язків, заступників (галогени) або функціональних груп (ОН, - СООН, NO 2 , NH 2) надходять таким чином:
виводять усі структурні ізомери, пов'язані з ізомерією вуглецевого скелета;
переміщують графічно кратний зв'язок або функціональну групу в ті положення, які це можливо з точки зору чотиривалентності вуглецю:
ПРИКЛАД:Написати структурні формули всіх пентенів (5Н10).
1. Складемо формули всіх ізомерів, що відрізняються будовою вуглецевого скелета:
а) С - С - С - С - С б) С - С - С - С в) С - С - С
2. Перемістимо кратний зв'язок для випадків а) та б)
С = С - С - С - С СН 2 = СН - СН 2 - СН 2 - СН 3
А) С - С - С - С - С С - С = С - С - С СН 3 - СН = СН - СН 2 - СН 3
Б) С - С - С - С С = С - С - С СН 2 = С - СН 2 - СН 3
С - С = С - СН 3 - С = СН - СН 3
С - С - С - С СН 3
С С - С - С = С СН 2 - СН - СН = СН 2
Таким чином для 5 Н 10 можливе п'ять ізомерів.
ПРИКЛАД:Скласти структурні формули всіх ароматичних вуглеводнів складу 8 Н 10 .
У разі ароматичних сполук можлива ізомерія скелета бічного ланцюга та ізомерія положення замісників в ароматичному кільці.
1. Складемо структурну формулу з нормальним бічним ланцюгом:
2. Укоротимо бічне коло на один атом вуглецю і зробимо можливі перестановки СН 3 в бензольному кільці.
Є 4 ізомери складу З 8 Н 10 .
1. При виконанні вправ необхідно звертати особливу увагу на правильність написання структурних формул органічних сполук. Найзручніше використовувати напіврозгорнуті (спрощені) структурні формули, у яких рисками вказуються зв'язки між атомами, крім зв'язків з атомами водню. Формули з горизонтально написаним вуглецевим ланцюгом вигідно по можливості писати так, щоб функціональні групи, що знаходяться на кінці ланцюгів, розташовувалися праворуч, а заступники у некінцевих атомів вуглецю - під або над вуглецевим ланцюгом:
СН 3 - СН - СН 2 - ВІН СН 3 - СН 2 - СН - СН 3
СН 2 - СН 2 - СН 3 - СН - СООН
2. У початкових вправах із формулами ароматичних сполук у бензольних ядрах краще писати всі С – та Н – атоми. При спрощеному зображенні бензольних кілець заміщувальні атоми та групи необхідно чітко з'єднувати з атомами бензольного ядра валентними рисками.
3. Неорганічні сполуки в рівняннях реакцій у більшості випадків доцільно писати, застосовуючи структурні або напіврозгорнуті структурні формули:
Наприклад: НОН замість Н2О,
НОSO 3 H замість H 2 SO 4 ,
НОНО 3 замість HNO 3
Це не є необхідним, якщо такі сполуки беруть участь в іонних реакціях, наприклад коли взаємодіють кислоти з амінами, утворюючи солі.
4. Органічні реакції можуть бути виражені рівняннями, в яких набирають коефіцієнти та зрівнюють кількість атомів у правій та лівій частинах. Проте, часто пишуть не рівняння, а схеми реакцій. Так роблять у тих випадках, коли процес протікає одночасно в декількох напрямках або через низку послідовних стадій, наприклад:
Cl 2 CH 3 - CH 2 - CH 2 - Cl + HCl
CH 3 - CH 2 - CH 3
світло CH 3 - CH - CH 3 + HCl
або NaOH, t 0 C Cu, t 0 C
CH 3 - CH 2 - Cl CH 3 - CH 2 - ОH CH 3 - CH = О
Як показано в наведених прикладах, схемах реагент, що діє, зображують над стрілкою. Для простоти коефіцієнти в правій або лівій частинах схеми не зрівнюють, а деякі речовини, такі як, наприклад, Н 2 , HCl, Н 2 Про, Na Cl і т.д. що утворюються при реакціях, у схемах або зовсім не показують, або вказують під стрілкою зі знаком мінус. Напрямок перетворень речовин у реакціях вказується стрілкою. Над стрілкою вказують реагенти та умови реакцій, каталізатор і.п.
Наприклад:
Н 2 Про H 2 SO 4 130 0 С
CH 3 - CH 2 - CH 2 - NO 2 CH 3 - CH 2 - COОН + NH 2 OН * H 2 SO 4
Іноді під стрілкою (краще у дужках) вказують вихідні речовини, які в результаті взаємодії між собою утворюють реагент (позначений над стрілкою). Наприклад:
R - NH 2 R - OH + N 2 + Н 2 О
Отже, у разі реагент – азотиста кислота – утворюється з взятих у реакцію нітриту натрію і соляної кислоти. Природно, що тут виходить також і хлорид натрію NaCl, але це з'єднання на схемі можна і не позначати, як не має безпосереднього відношення до процесу. Як правило, окислювально-відновні перетворення органічних речовин зображують спрощеними схемами реакцій, щоб звернути увагу на окислення або відновлення органічної сполуки; деталі перетворень, відповідно окислювача чи відновника у схемі можна не відображати.
Для цього окислювач зображують символом [O], а відновник символом [H] над стрілкою. При необхідності під стрілкою (краще у дужках) можна вказувати реагенти, що діють.
Наприклад:
СН 3 ВІН СН 2 = О + Н 2 О СН 3 ВІН СН 2 = О + Н 2 О
(K 2 Cr 2 O 7 + H 2 SO 4)
C 6 H 5 NO 2 C 6 H 5 – NH 2 + 2 H 2 O
В останні роки, у науковій, а також у навчальній хімічній літературі як систематична використовується переважно номенклатура органічних сполук, розроблена Міжнародною спілкою теоретичної та прикладної хімії, номенклатура ІРАС (ІЮПАК), зазвичай саме її називають «міжнародною систематичною номенклатурою». У навчальній літературі ще використовується раціональна номенклатура.
1. Приступаючи до виконання вправ з номенклатури, необхідно передусім вивчити це питання по підручнику, де детально розглянуті рекомендації даного класу номенклатурні системи. Тут же дано лише короткі характеристики номенклатур, що рекомендуються, і наведені приклади.
2. Необхідно звертати увагу на правильне написання назв. у назвах з міжнародної номенклатури цифри повинні відокремлюватися від слів рисками, а цифра від цифри – комою: 1,4 дібром – 2,3 – диметилбутен – 2.
Хоча складові назв прийнято писати разом, з дидактичних міркувань складні назви можна розділяти рисками.
Наприклад: назва
Метилетилпропилизобутилметан може бути написано і рекомендується писати так: метил – етил – пропил – ізобутил – метан.
У розчленованому на складові назви наочніше представляється будова сполуки та її формула.
ЗАВДАННЯ ДЛЯ КОНТРОЛЬНИХ РОБОТ
Ну гаразд, можливо і не так багато.
Щоб перебрати все, і жодного не пропустити, можна вигадати кілька підходів. Мені подобається ось такий: Беремо етен (етилен) СН2 = СН2. Він відрізняється від гептену на 5 атомів вуглецю (С5Н10). Щоб перебрати всі можливі ізомери, потрібно відібрати у етену один атом водню і віддати його фрагменту С5Н10. Вийде алкіл С5Н11, і його потрібно приєднати до залишку етену (етенил СН2=СН-) на місце відібраного водню.
1) Сам алкіл С5Н11 може мати кілька ізомерів. Найпростіший з прямим ланцюгом -СН2-СН2-СН2-СН2-СН3 (пентил, або аміл). З нього і етенілу утворюється гептен-1 (або 1-гептен, або гепт-1-ен), який називають просто гептен СН2=СН-СН2-СН2-СН2-СН2-СН3.
2а) Якщо в пентілі перемістимо один водень від атома С2 до атома С1, то отримаємо пентил-2 (або 2-пентил, або пент-2-іл) СН3-СН(-)-СН2-СН2-СН3. Рисочка у дужках означає, що паличку потрібно накреслити вгору чи вниз, і що тут неспарений електрон, і цим місцем пентил-2 приєднається до етенілу. Вийде СН2=СН-СН(СН3)-СН2-СН2-СН3 3-метилгексен-1 або 3-метил-1-гексен або 3-метилгекс-1-ен. Сподіваюся, Ви зрозуміли принцип утворення альтернативних назв, тому для згадуваних у подальшому з'єднань даватиму тільки одну назву.
2б) Якщо в пентілі перемістимо один водень від атома С3 до атома С1, то отримаємо пентил-3 СН3-СН2-СН(-)-СН2-СН3. З'єднуючи його з етенілом отримаємо СН2=СН-СН(СН2-СН3)-СН2-СН3 3-етилпентен-1
3а,б) Пентил ізомеризуємо в ланцюжок з 4 атомів вуглецю (бутил), що має одну метильну групу. Ця метильна група може бути приєднана до атома С2 або С3 бутил. Отримаємо відповідно 2-метилбутил-СН2-СН(СН3)-СН2-СН3 і 3-метилбутил-СН2-СН2-СН(СН3)-СН3, а приєднуючи їх до етенілу отримаємо ще два ізомери С7Н14 СН2=СН-СН2- СН3)-СН2-СН3 4-метилгексен-1 і СН2=СН-СН2-СН2-СН(СН3)-СН3 5-метилгексен-1.
4а,б) Тепер у бутилі перемістимо рису до атома С2, отримаємо 2-бутил СН3-СН(-)-СН2-СН3. Але нам потрібно додати ще один атом вуглецю (замінити Н СН3). Якщо ми додамо цей метил до одного з кінцевих атомів, отримаємо вже розглянуті пентил-3 і пентил-2. А ось, приєднання метилу до одного з середніх атомів дасть два нових алкілу СН3-С(СН3)(-)-СН2-СН3 2-метил-2-бутил- і СН3-СН(-)-СН(СН3)-СН3 2 -метил-2-бутил-.
Приєднуючи їх до етенілу отримаємо ще два ізомери С7Н14 СН2=СН-С(СН3)2-СН2-СН3 3,3-диметил-пентен-1 і СН2=СН-СН(СН3)-СН(СН3)-СН3 3,4 -Диметил-пентен-1.
5) Тепер при побудові алкілу залишимо ланцюжок із 3 атомів вуглецю -СН2-СН2-СН3. Відсутні 2 атоми вуглецю можна приєднати або у вигляді етилу, або у вигляді двох метилів. У разі приєднання як етила отримаємо вже розглянуті варіанти. А ось два метили можна приєднати або обидва до першого, або один до першого, один до другого атомів вуглецю, або обидва до другого. У першому та другому випадках отримаємо вже розглянуті варіанти, а в останньому - новий алкіл -СН2-С(СН3)2-СН3 2,2-диметилпропіл, а приєднуючи його до етенілу отримаємо СН2=СН-СН2-С(СН3)2- СН3 4,4-диметилпентен-1.
У такий спосіб вже отримали 8 ізомерів. Зазначимо, що у цих ізомерах подвійний зв'язок перебуває в кінці ланцюга, тобто. пов'язує атоми С1 та С2. Такі олефіни (з подвійним зв'язком на кінці називаються термінальними). У термінальних олефінів немає цис-транс-изомерии.
Далі фрагмент С5Н10 розділимо на два фрагменти. Це можна зробити двома способами СН2 + С4Н8 та С2Н4 + С3Н6. З фрагментів СН2 та С2Н4 можна побудувати тільки за одним варіантом алкілів (СН3 та СН2-СН3). З фрагмента С3Н6 можна утворити пропив-СН2-СН2-СН3 та ізопропіл СН3-СН(-)-СН3.
З фрагмента С4Н8 можна побудувати такі алкіли -СН2-СН2-СН2-СН3 - бутил-1, СН3-СН(-)-СН2-СН3 - бутил-2, -СН2-СН(СН3)-СН3 - ізобутил (2-метилпропіл ) і -С(СН3)2-СН3 - третбутил (2,2-диметилетил).
Для доповнення їх до алкілів з молекули етену відірву два атоми водню. Це можна зробити трьома способами: відірвати обидва атоми водню від одного і того ж атома вуглецю (тоді вийдуть термінальні олефіни) або по одному від кожного. У другому варіанті ці два атоми водню можна відірвати з одного й того ж боку щодо подвійного зв'язку (вийдуть цис ізомери), і з різних сторін (вийдуть трансізомери).
СН2=С(СН3)-СН2-СН2-СН2-СН3 - 2-метилгексен-1;
СН2=С(СН3)-СН(СН3)-СН2-СН3 - 2,3-диметилпентен-1;
СН2=С(СН3)-СН2-СН(СН3)-СН3 - 2,4-диметилпентен-1;
СН2 = С(СН3)-С(СН3)2-СН3 - 2,3,3-триметил бутен-1.
СН2=С(СН2СН3)-СН2-СН2-СН3 - 2-етилпентен-1 або 3-метиленгексан;
СН2=С(СН2СН3)-СН(СН3)-СН3 - 2-етил-3-метилбутен-1 або 2-метил-3-метиленпентан.
СН3-СН = СН-СН2-СН2-СН2-СН3 - гептен-2 (цис і транс ізомери);
СН3-СН=СН-СН(СН3)-СН2-СН3 - 4-метилгексен-2 (цис і транс ізомери);
СН3-СН=СН-СН2-СН(СН3)-СН3 - 5-метилгексен-2 (цис і транс ізомери);
СН3-СН=СН-С(СН3)2-СН3 - 4,4-диметилпентен-2 (цис і транс ізомери);
СН3-СН2-СН = СН-СН2-СН2-СН3 - гептен-3 (цис і транс ізомери);
СН3-СН2-СН = СН-СН(СН3)-СН3 - 2-метилгексен-3 (цис і транс ізомери).
Ну ось, з олефінами начебто нд. Залишилися циклоалкани.
У циклоалканах кілька атомів вуглецю утворюють цикл. Умовно його можна як плоский цикл. Тому якщо до циклу приєднані два замісники (у різних атомів вуглецю), то вони можуть бути розташовані по одну сторону (цис-ізомери) або по різні сторони (транс-ізомери) площини циклу.
Намалюйте семикутник. У кожній вершині поставте СН2. Вийшов циклогептан;
Тепер намалюйте шестикутник. У п'ятьох вершинах напишіть СН2, а в одній СН-СН3. Вийшов метилциклогексан;
Намалюйте п'ятикутник. У одній вершині намалюйте СН-СН2-СН3, а інших СН2. етилциклопентан;
Намалюйте п'ятикутник. У двох вершинах поспіль намалюйте СН-СН3, а інших СН2. Вийшов 1,2-диметилпентан (цис-і транс-ізомери);
Намалюйте п'ятикутник. У двох вершинах через одну намалюйте СН-СН3, а інших СН2. Вийшов 1,3-диметилпентан (цис-і транс-ізомери);
Намалюйте чотирикутник. У трьох вершинах намалюйте СН2, а в одній СН, і до нього приєднайте СН2-СН2-СН3. Вийшов пропілциклобутан;
Намалюйте чотирикутник. У трьох вершинах намалюйте СН2, а в одній СН і до нього приєднайте -СН(СН3)-СН3. Вийшов ізопропілциклобутан;
Намалюйте чотирикутник. У трьох вершинах намалюйте СН2, а однієї С, і до нього приєднайте групи СН3 і СН2-СН3. Вийшов 1-метил-1-етилциклобутан;
Намалюйте чотирикутник. У двох вершинах поспіль намалюйте СН2, а двох інших СН. До одного СН прималюйте СН3, а до іншого СН2-СН3. Вийшов 1-метил-2-етилциклобутан (цис-і транс-ізомери);
Намалюйте чотирикутник. У двох вершинах через одну намалюйте СН2, а двох інших СН. До одного СН прималюйте СН3, а до іншого СН2-СН3. Вийшов 1-метил-3-етилциклобутан (цис-і транс-ізомери);
Намалюйте чотирикутник. У двох вершинах поспіль намалюйте СН2, в одній СН, в одній С. До СН прималюйте СН3, а С дві групи СН3. Вийшов 1,1,2-диметилциклобутан;
Органічна хімія – не така вже й легка.
Щось можна здогадатися за допомогою логічних міркувань.
А десь логіка не допоможе, треба позубрити.
Як, наприклад, у цьому питанні.
Ось дивимося формули:
Вуглеводні, що відповідають формулі С17Н14, відносяться як до алкенів, так і до циклоалканів. Тому, як сказав Вам у коментарі Рафаїл, їх дуже багато. У алкенів (внутрішньокласова ізомерія) існують три види ізомерії: 1). ізомерія положення подвійного зв'язку; 2). ізомерію вуглецевого скелета; 3). а в деяких алкенів існують просторові цис-і транс-ізомери. А у циклоалканів усередині цього класу існує ізомерія замкнутого циклу, а в деяких циклоалканів є цис-і транс-ізомери. Необхідно визначитися із класом з'єднань.
Насправді, їх досить багато, тому не наводитиму їх усі:
Ось деякі їхні представники:
Але їх ще багато і чесно кажучи, запам'ятати всіх представників усіх ізомерів цього складу дуже важко.
Не дуже просте завдання, точніше не дуже швидке. Можу навести не всі, але більше 20 ізомерів для зазначеного складу:
Якщо завдання малюнки скласти, то я вам співчуваю, але ось виявив кілька зображень зі складеними ланцюгами ізомерів:
Кріпіться, загалом!
1. Структурна ізомерія.
2. Конформаційна ізомерія.
3. Геометрична ізомерія.
4. Оптична ізомерія.
Ізоміри- Це речовини, що мають однаковий склад і молекулярну масу, але різні фізичні та хімічні властивості. Відмінності у властивостях ізомерів обумовлені відмінностями у їхній хімічній чи просторовій будові. У зв'язку з цим розрізняють два види ізомерії.
ізомерія
структурна
просторова
Вуглецевого скелета
Конфігураційна
Конформаційна
Становище функціональне
Оптична
Міжкласова
Геометрична
1. Структурна ізомерія
Структурні ізомери відрізняються хімічним будовою, тобто. природою та послідовністю зв'язків між атомами в молекулі. Структурні ізомери виділяють у чистому вигляді. Вони є як індивідуальні, стійкі речовини, їхнього взаємного перетворення необхідна висока енергія - близько 350 - 400 кДж/моль. У динамічній рівновазі знаходяться лише структурні ізомери – таутомери. Таутомерія – поширене явище в органічній хімії. Вона можлива при перенесенні рухомого атома водню в молекулі (карбонільні сполуки, аміни, гетероцикли тощо), внутрішньомолекулярні взаємодії (вуглеводи).
Усі структурні ізомери представляють у вигляді структурних формул і називають за номенклатурою ІЮПАК. Наприклад, складу С 4 Н 8 Про відповідають структурні ізомери:
а)з різним вуглецевим скелетом
нерозгалужена С-ланцюг - СН 3 -СН 2 -СН 2 -СН=О (бутаналь, альдегід) та
розгалужена С-ланцюг -
(2-метилпропаналь, альдегід) або
цикл - 
(Циклобутанол, циклічний спирт);
б)з різним становищем функціональної групи
бутанон-2, кетон;
в)з різним складом функціональної групи
3-бутенол-2, ненасичений спирт;
г)метамерії
Гетероатом функціональної групи може бути включений у вуглецевий скелет (цикл або ланцюг). Один із можливих ізомерів цього виду ізомерії - СН 3 -О-СН 2 -СН=СН 2 (3-метоксипропен-1, простий ефір);
д)таутомерії (кето-енольної)
енольна форма кетоформа
Таутомери перебувають у динамічному рівновазі, причому у суміші переважає більш стійка форма – кетоформа.
Для ароматичних сполук структурну ізомерію розглядають лише для бічного ланцюга.
2. Просторова ізомерія (стереоізомерія)
Просторові ізомери мають однакову хімічну будову, розрізняються за просторовим розташуванням атомів у молекулі. Ця різниця і створює різницю у фізичних та хімічних властивостях. Просторові ізомери зображують у вигляді різних проекцій або стереохімічних формул. Розділ хімії, що вивчає просторову будову та її вплив на фізичні та хімічні властивості сполук, на напрямок та швидкість їх реакцій, називається стереохімією.
а)Конформаційна (поворотна) ізомерія
Не змінюючи ні валентних кутів, ні довжин зв'язків, можна уявити безліч геометричних форм (конформацій) молекули, що відрізняються один від одного взаємним поворотом вуглецевих тетраедрів навколо σ-С-С-зв'язку, що з'єднує їх. Внаслідок такого обертання виникають поворотні ізомери (конформери). Енергія різних конформерів неоднакова, але енергетичний бар'єр, що розділяє різні конформаційні ізомери, більшість органічних сполук невеликий. Тому за звичайних умов, як правило, не можна зафіксувати молекули в одній строго певній конформації. Зазвичай у рівновазі співіснують кілька конформаційних ізомерів, що легко переходять один в одного.
Способи зображення та номенклатуру ізомерів можна розглянути на прикладі молекули етану. Для неї можна передбачити існування двох конформацій, що максимально розрізняються по енергії, які можуть бути зображені у вигляді перспективних проекцій(1) («лісопильні козли») або проекцій Ньюмена(2):
загальмована конформація заслінна конформація
У перспективній проекції (1) зв'язок С-С треба уявити собі вдалину; вуглецевий атом, що стоїть зліва, наближений до спостерігача, стоїть праворуч - віддалений від нього.
У проекції Ньюмена (2) молекулу розглядають уздовж зв'язку С-С. Три лінії, що розходяться під кутом 120 про з центру кола, позначають зв'язки найближчого до спостерігача вуглецевого атома; лінії, що «висовуються» через коло - зв'язки віддаленого вуглецевого атома.
Зображену праворуч конформацію називають заслоненою . Ця назва нагадує, що атоми водню обох СН 3 -груп знаходяться один проти одного. Затулена конформація має підвищену внутрішню енергію і тому невигідна. Конформацію, зображену зліва, називають загальмованою , Маючи на увазі, що вільне обертання навколо зв'язку С-С «гальмується» у цьому становищі, тобто. молекула існує переважно у цій конформації.
Мінімум енергії, необхідний повного обертання молекули навколо певного зв'язку, називається бар'єром обертання цього зв'язку. Бар'єр обертання в молекулі, подібної до етану, може бути виражений через зміну потенційної енергії молекули як функції зміни двогранного (торсійного - τ) кута системи. Енергетичний профіль обертання навколо зв'язку С-С в етані показаний малюнку 1. Бар'єр обертання, що розділяє дві форми етану, становить близько 3 ккал/моль (12,6 кДж/моль). Мінімуми кривої потенційної енергії відповідають загальмованим конформаціям, максимуми – заслоненим. Оскільки при кімнатній температурі енергія деяких зіткнень молекул може досягати 20 ккал/моль (близько 80 кДж/моль), цей бар'єр в 12,6 кДж/моль легко долається і обертання в етані розглядають як вільне.
У суміші всіх можливих конформацій переважають загальмовані конформації.
Рис.1. Діаграма потенційної енергії конформацій етану. Для складніших молекул число можливих конформацій зростає. Так, длян
-бутану можна зобразити вже шість конформацій, що виникають при повороті навколо центрального зв'язку З 2 - З 3 і відрізняються взаємним розташуванням СН 3 -груп. Різні заслонені та загальмовані конформації бутану відрізняються за енергією. Енергетично вигідніші загальмовані конформації.
Енергетичний профіль обертання навколо зв'язку 2 -З 3 в бутані показаний на малюнку 2.
Рис.2. Діаграма потенційної енергії конформацій н-бутану.
Для молекули з довгим вуглецевим ланцюгом кількість конформаційних форм зростає. Для молекули аліциклічних сполук характерні різні конформаційні форми циклу (наприклад, циклогексану, крісло, ваннатвіст
-Форми).
Отже, конформації - це різні просторові форми молекули, що має певну конфігурацію. Конформерами є стереоізомерні структури, що відповідають енергетичним мінімумам на діаграмі потенційної енергії, що знаходяться в рухомій рівновазі та здатні до взаємоперетворення шляхом обертання навколо простих зв'язків.
б)Якщо бар'єр таких перетворень стає досить високим, можна розділити стереоизомерные форми (приклад - оптично активні дифеніли). У таких випадках говорять уже не про конформери, а про реально існуючі стереоізомери.
Геометрична ізомерія
Геометричні ізомери виникають внаслідок відсутності в молекулі:
2. двох однакових груп за одного атома вуглецю подвійного зв'язку або циклу.
Геометричні ізомери, на відміну конформерів, можуть бути виділені в чистому вигляді і існують як індивідуальні, стійкі речовини. Для їхнього взаємного перетворення необхідна більш висока енергія - близько 125-170 кДж/моль (30-40 ккал/моль).
Розрізняють цис-транс-(Z,E) ізомери; цис- формами називають геометричні ізомери, у яких однакові замісники лежать по одну сторону від площини π-зв'язку або циклу, транс- формами називають геометричні ізомери, у яких однакові замісники лежать по різні боки від площини π-зв'язку чи циклу.
Найпростішим прикладом можуть служити ізомери бутена-2, який існує у вигляді цис-, транс-геометричних ізомерів:
цис-бутен-2 транс-бутен-2
Температура плавлення
138,9 0 С - 105,6 0 С
Температура кипіння
3,72 0 С 1,00 0 С
густина
1,2 – дихлорциклопропан існує у вигляді цис-, транс-ізомерів:
цис-1,2-дихлорциклопропан транс-1,2-дихлорциклопропан
У складніших випадках застосовується Z,E-номенклатура (номенклатура Канна, Інгольда, Прелог - КВП, номенклатура старшинства заступників). У поєднанні
1-бром -2-метил-1-хлорбутене-1 (Br)(CI)С=С(СН 3) - СН 2 -СН 3 всі заступники при атомах вуглецю з подвійним зв'язком різні; тому дане з'єднання існує у вигляді Z-, E-геометричних ізомерів:
Е-1-бром-2-метил-1-хлорбутен-1 Z-1-бром-2-метил-1-хлорбутен-1.
Для позначення конфігурації ізомеру вказують розташування старших заступників при подвійному зв'язку (або циклі) - Z-(від німецької Zusammen - разом) або Е-(від німецької Entgegen - навпаки).
У Z,E-системі старшими вважаються заступники з великим порядковим (атомним) номером. Якщо атоми, безпосередньо пов'язані з ненасиченими атомами вуглецю, однакові, то переходять до "другого шару", у разі потреби - до "третього шару" тощо.
У першій проекції старші групи знаходяться один навпроти один одного щодо подвійного зв'язку, тому це Е-ізомер. У другій проекції старші групи розташовані з одного боку щодо подвійного зв'язку (разом), тому це Z-ізомер.
Геометричні ізомери широко поширені у природі. Наприклад, природні полімери каучук (цис-ізомер) і гуттаперча (транс-ізомер), природна фумарова (транс-бутендіова кислота) і синтетична малеїнова (цис-бутендіова кислота) кислоти, у складі жирів - цис-олеїнова, лінолева, лінолена.
в)Оптична ізомерія
Молекули органічних сполук можуть бути хіральними та ахіральними. Хіральність (від грец. сheir – рука) – несумісність молекули зі своїм дзеркальним відображенням.
Хіральні речовини здатні обертати площину поляризації світла. Це явище називають оптичною активністю, а відповідні речовини - оптично активними. Оптично активні речовини зустрічаються у вигляді пар оптичних антиподів- ізомерів, фізичні та хімічні властивості яких у звичайних умовах однакові, за винятком одного – знака обертання площини поляризації: один з оптичних антиподів відхиляє площину поляризації в право (+, правообертальний ізомер), інший – вліво (-, лівообертальний). Визначити конфігурацію оптичних антиподів можна експериментально за допомогою приладу – поляриметра.
Оптична ізомерія з'являється тоді, коли в молекулі є асиметричний атом вуглецю(Існують і інші причини хіральності молекули). Так називають атом вуглецю sр 3 - гібридизації і пов'язаний з чотирма різними заступниками. Можливі два тетраедричні розташування заступників навколо асиметричного атома. При цьому дві просторові форми не можна поєднати жодним обертанням; одна з них є дзеркальним зображенням іншої:
Обидві дзеркальні форми складають пару оптичних антиподів або енантіомерів .
Зображують оптичні ізомери у вигляді проекційних формул Е. Фішера. Їх одержують у результаті проектування молекули з асиметричним атомом вуглецю. При цьому сам асиметричний атом вуглецю на площині позначають точкою, горизонтальній лінії вказують символи замісників, що виступають перед площиною малюнка. На вертикальній лінії (переривчастій чи суцільній) вказують заступники, які видалені за площину малюнка. Нижче наведено різні способи запису проекційної формули, що відповідає лівій моделі на попередньому малюнку:
У проекції головний вуглецевий ланцюг зображують вертикально; головну функцію, якщо він знаходиться в кінці ланцюга, вказують у верхній частині проекції. Наприклад, стереохімічні та проекційні формули (+) і (-) аланіну - СН 3 - * СН(NН 2)-СООН представляють наступним чином:
Суміш із однаковим вмістом енантіомерів називається рацематом. Рацемат не має оптичної активності та характеризується відмінними від енантіомерів фізичними властивостями.
Правила перетворення проекційних формул.
1. Формули можна обертати у площині креслення на 180 о, не змінюючи їх стереохімічного сенсу:
2. Дві (чи будь-яке парне число) перестановки заступників в одного асиметричного атома не змінюють стереохімічного змісту формули:
3. Одна (або будь-яка непарна кількість) перестановка заступників у асиметричного центру призводить до формули оптичного антипода:
4. Поворот у площині креслення на 90 про перетворює формулу на антипод.
5. Обертання будь-яких трьох заступників за годинниковою стрілкою або проти не змінює стереохімічного змісту формули:
6. Проекційні формули не можна виводити із площини креслення.
Оптичну активність мають органічні сполуки, в молекулах яких хіральними центрами є й інші атоми, наприклад кремнію, фосфору, азоту, сірки.
Сполуки з кількома асиметричними атомами вуглецю існують у вигляді діастереомірів , тобто. просторових ізомерів, що не становлять один з одним оптичних антиподів.
Діастереомери відрізняються один від одного не тільки оптичним обертанням, а й усіма іншими фізичними константами: у них різні температури плавлення та кипіння, різні розчинності та ін.
Число просторових ізомерів визначають за формулою Фішера N = 2 n де n - число асиметричних атомів вуглецю. Число стереоізомерів може зменшуватися через часткову симетрію, що з'являється в деяких структурах. Оптично неактивні діастереомери називають мезо-Формами.
Номенклатура оптичних ізомерів:
а) D-, L-номенклатура
Для визначення D- або L-ряду ізомеру конфігурацію (положення ОН-групи у асиметричного атома вуглецю) порівнюють із конфігураціями енантіомерів гліцеринового альдегіду (гліцериновий ключ):
L-гліцериновий альдегід D-гліцериновий альдегід
Застосування D-, L-номенклатури нині обмежено трьома класами оптично активних речовин: вуглеводами, амінокислотами та оксикислотами.
б) R-, S-номенклатура (номенклатура Кана, Інгольда та Прелога)
Для визначення R(правий)- або S(лівий)-конфігурації оптичного ізомеру необхідно розташувати заступники в тетраедрі (стереохімічній формулі) навколо асиметричного вуглецевого атома таким чином, щоб наймолодший заступник (зазвичай це водень) мав напрямок від спостерігача. Якщо перехід трьох інших заступників від старшого до середнього та молодшого за старшинством відбувається за годинниковою стрілкою- це R-ізомер (падіння старшинства збігається з рухом руки при написанні верхньої частини літери R). Якщо перехід відбувається проти годинникової стрілки – це S - ізомер (падіння старшинства збігається з рухом руки під час написання верхньої частини літери S).
Для визначення R або S-конфігурації оптичного ізомеру за проекційною формулою необхідно шляхом парного числа перестановок розташувати заступники так, щоб наймолодший з них опинився внизу проекції. Падіння старшинства решти трьох заступників за годинниковою стрілкою відповідає R-конфігурації, проти годинникової стрілки - S-конфігурації.
Отримують оптичні ізомери такими методами:
а) виділення з природних матеріалів, що містять оптично активні сполуки, наприклад білки та амінокислоти, вуглеводи, багато оксикислоти (винна, яблучна, мигдальна), терпенові вуглеводні, терпенові спирти та кетони, стероїди, алкалоїди та ін.
б) розщеплення рацематів;
в) асиметричний синтез;
г) біохімічне одержання оптично активних речовин.
ЧИ ЗНАЄТЕ ВИ, ЩО
Явище ізомерії (від грец. isos - різний та meros - Частка, частина) відкрито в 1823р. Ю. Лібіхом та Ф. Велером на прикладі солей двох неорганічних кислот: ціанової Н-О-С≡N і гримучої Н-О-N= С.
У 1830 р. Ж.Дюма поширив уявлення про ізомерію на органічні сполуки.
У 1831р. термін "ізомер" для органічних сполук запропонував Й. Берцеліус.
Стереоізомери природних сполук характеризуються різною біологічною активністю (амінокислоти, вуглеводи, алкалоїди, гормони, феромони, лікарські речовини природного походження тощо).