10 клас. Ізомерія.

Ізоміри - Речовини з однаковою будовою молекули, але різними хімічною будовою та властивостями.

Види ізомерії

I. Структурна – полягає у різній послідовності з'єднання атомів у ланцюгу молекули:

1) Ізомерія ланцюга

Слід зазначити, що атоми вуглецю в розгалуженому ланцюзі розрізняються типом з'єднання з іншими вуглецевими атомами. первинним, з двома іншими атомами вуглецю – вторинним, з трьома – третинним, з чотирма – четвертинним.

2) Ізомерія становища

• положення кратних зв'язків

• положення функціональних груп

3) Ізомерія міжкласова

4) Таутомерія

Таутомерія (від грец. ταύτίς - той самий і μέρος - міра) - явище оборотної ізомерії, при якій два або більше ізомер легко переходять один в одного При цьому встановлюється таутомерна рівновага, і речовина одночасно містить молекули всіх ізомерів в певному співвідношенні. Найчастіше при таутомеризації відбувається переміщення атомів водню від одного атома в молекулі до іншого і назад в тому самому з'єднанні.

II. Просторова (стерео) – обумовлена ​​різним становищем атомів чи груп щодо подвійного зв'язку чи циклу, що виключають вільне обертання з'єднаних атомів вуглецю

1. Геометрична (цис-, транс – 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 і несумісне з ним дзеркальне зображення.

Оптичні ізомери амінокислоти

3. Конформаційна ізомерія

Слід зазначити, що атоми та групи атомів, пов'язані один з одним σ-зв'язком, постійно обертаються щодо осі зв'язку, займаючи різне положення у просторі один щодо одного.

Молекули, що мають однакову будову і відрізняються просторовим розташуванням атомів в результаті обертання навколо С-З зв'язків, називаються конформерами.

Для зображення конформаційних ізомерів зручно користуватися формулами – проекціями Ньюмена:

Ізоміри органічних речовин

Органічні сполуки з однаковим якісним та кількісним складом – ізомери можуть відрізнятися за властивостями. Причиною є різна будова, яка визначає ставлення речовин до класу сполук.

Щоб визначити клас недостатньо оперувати молекулярною формулою речовини – необхідно знати графічну формулу, яка показує структурне та просторове розташування атомів у молекулі.

Визначення

Ізомери - це хімічні сполуки з ідентичним атомним складом, але різні за будовою або просторовим розташуванням атомів. Ізомери мають різні хімічні властивості.

Основні види ізомерії:

Структурна ізомерія

Структурні ізомери - хімічні речовини, при однаковому якісному і кількісному складі, що відрізняються порядком розташування атомів - будовою речовини.

Виділяють шість видів структурної ізомерії:

Ізомерія вуглецевого скелета

Пентан має три структурні формули ізомерів:

Ізомерія положення кратного зв'язку

При загальній формулі пентен має два ізомери, що відрізняються розташуванням подвійного зв'язку:

У ізомерів положення кратного зв'язку паралельно можливо ізомерію вуглецевого скелета. Для Пентена це:

Загальна кількість структурних ізомерів пентена дорівнює п'яти, з якого два ізомери положення подвійного зв'язку і три ізомери вуглецевого скелета.

Ізомерія положення функціональної групи

До функціональних груп відносяться фрагменти органічних сполук, що визначають їх властивості.

Для прикладу: -ОН гідроксильна, -СООН карбоксильна, -NH2 аміногрупа, -CN ціаногрупа та інші.

Як виглядає ізомерія положення можна розглянути на прикладі пентану і -Cl як функціональна група:

Хлорпентан має 3 положення функціональної групи, які різняться між собою місцем розташування замісника на вуглецевому ланцюзі.

Валентна ізомерія

Ізоміри, які можна перевести з одного в інший шляхом перерозподілу внутрішніх зв'язків, називають валентними. Внутрішньомолекулярне перегрупування є не каталізованим і не залежним від розчинника процесом.

На внутрішньомолекулярні зміни впливає температура у випадку з бензолом Хюккеля УФ-опромінення.

бензол – у цього найпростішого ароматичного вуглеводню, відомі три валентні ізомери:

Бензол Дьюара трансформується у звичайний бензол при t 20°З 48 годин, при t 90°З ізомеризації досить 30 хвилин.

Перетворення бензолу на бенвален (бензол Хюккеля) відбувається при його опроміненні УФ-світлом з певною довжиною хвилі.

Призман – найнестабільніший із ізомерів бензолу.

Міжкласова ізомерія

З'єднання, що мають загальну формулу, можуть містити функціональні групи, що належать до різних класів сполук.

Загальну формулу мають дві речовини:

Ізомерія статична та динамічна

Розрізняють типи ізомерії:

• статична – ізомери утворюються внаслідок хімічного процесу ізомеризації;
• динамічна - кілька ізомерів існують одномоментно і легко переходять одна в одну.

До статичної відносяться ізомерія вуглецевого скелета, положення кратного зв'язку, функціональної групи, міжкласова та валентна.

Приклад динамічної ізомерії – прототропна таутомерія, коли він оборотна ізомеризація відбувається з допомогою переходу протона водню всередині молекули.

Стереоізомерія

У просторових ізомерах з однаковою структурною формулою атоми молекули орієнтовані в просторі по-різному.

Чим відрізняється структурна ізомерія від просторової: перша розглядає порядок атомів у молекулі на площині, а друга – в обсязі.

Стереоізомерія ділиться на геометричну (цис-транс) та оптичну.

Цис-транс - ізомерія (геометрична)

Геометричні ізомери присутні у речовинах, що мають подвійні зв'язки чи цикли.

Поділяють геометричні ізомери щодо площини, в якій розташований π-зв'язок або закільцьований цикл.

Ізомери, у яких однакові замісники розташовані по одну сторону від площини, називають цис-ізомерами.

З'єднання, у яких заступники розташовані по різні боки від площини π-зв'язок або кільця, називають трансізомерами.

Наочною ілюстрацією можуть бути найпростіші геометричні ізомери — бутен- :

Оптична ізомерія

p align="justify"> При дослідженні речовин з однаковою структурною формулою на поляриметрі було виявлено явище обертання площини поляризованого світла. Такі речовини одержали назву оптично активних речовин.

Дослідження показали, що молекули цих речовин хіральні, тобто несумісні зі своїм відображенням у дзеркалі. Хіральні речовини присутні у вигляді двох оптичних антиподів (енантіомерів), один з яких правообертальний (+), а інший – лівообертальний (-).

Визначити оптичний ізомер можна за допомогою поляриметра.

Причина хіральності полягає у присутності асиметричного атома вуглецю – пов'язаного із чотирма різними заступниками.

Хіральні молекули неможливо поєднати, оскільки вони є дзеркально симетричними.

Приклад пари стереоізомерів, що мають дзеркальні відображення:

(S)-(+)- Молочна кислота (ліворуч) та (R)-(-)-Молочна кислота (праворуч).

Для зображення оптичних ізомерів використовують проекційні формули Е. Фішера.

Правила побудови формул Фішера

Зображують стереоізомери з асиметричним атомом вуглецю на площині як проекційних форм, запропонованих наприкінці ХІХ століття Э.Фишером.

Правила зображення проекції Фішера:

1. Вуглецевий скелет розташовується у просторі вертикально, нумерація атомів вуглецю йде зверху донизу.
2. Горизонтальні зв'язки у проекції спрямовані до спостерігача, а вертикальні – від нього.

Правила користування проекціями Фішера мають обмеження:

• проекція коректна лише у площині креслення;
• не можна розгортати креслення на 90° і 270°, оскільки вертикальні та горизонтальні лінії змінюються місцями;
• допускається розворот на 180 °.

Номенклатура стереоізомерів заснована на правилі послідовності замісників при асиметричному атомі вуглецю за старшинством (визначається як порядковий номер у Періодичній таблиці). Враховується напрямок зменшення старшинства: падіння за годинниковою стрілкою позначається як R, проти – як S.

Висновок

Усі види ізомерії органічних сполук ділять на частини – структурна ізомерія і просторова.

Ізомери, що належать до першої групи, розрізняються порядком з'єднання атомів, а до другої – лише їх просторовим розташуванням. Класифікація ізомерів спирається на різницю між ними. Вивчення безлічі структурних та просторових форм речовин стали можливі завдяки роботам А.М.Бутлерова та Я.Г.Вант-Гоффа.