Изомерия органических соединений. Как определить изомер


Строение органических соединений | Дистанционные уроки

28-Май-2013 | комментария 2 | Лолита Окольнова

Вопрос A13 ЕГЭ по химии —

 

Теория строения органических соединений: гомология и изомерия. Взаимное влияние атомов в молекулах. Типы связей в молекулах органических веществ. Гибридизация атомных орбиталей углерода. Радикал. Функциональная группа.

 

 

Темы, которые нужно знать:

 

Эти вопросы входят в анализ строения каждого класса веществ в органической химии, но в данном вопросе нам нужно свести все эти знания воедино. Давайте рассмотрим каждое определение, каждый пункт этого вопроса, исходя из знаний строения всех органических веществ.

 

Изомеры и гомологи

 

Не вдаваясь в сложные формулировки, давайте определим, что такое гомологи и  изомеры.

 

Гомологи — относятся к одному классу веществ (например, алканы). Это значит, что у них:

 

  1. Одинаковая общая формула (на примере алканов — (Сnh3n+2) и
  2. Схожие химические свойства, которые определяются одинаковым строением веществ.
  3. Гомологи отличаются друг от друга на одну или несколько -Ch3— групп

 

 

Обратите внимание, именно н-бутан и н-гексан будут относится к гомологам. Если мы возьмем н-алкан (линейная молекула) и разветвленный алкан, то, хотя у них будет одна и та же общая формула (Сnh3n+2), по химическим свойствам они будут несколько различаться, т.к. разветвленное строение этих органических соединений будет оказывать влияние на направление протекания реакций.

 

Изомеры —химические соединения, одинаковые по составу и молекулярной массе, но различающиеся по строению и свойствам (химическим и физическим)

 

Виды изомерии:

 

  • Структурная изомерия  — (изомерия углеродного скелета)

 

  • Межклассовая изомерия — характерна для соединений, имеющих одинаковую общую формулу, но принадлежащих к разным классам (и следовательно, иемющим разные химические и физические свойства)

 

 

  • Изомерия  положения кратной связи — вид изомерии, характерный для соединений с количеством атомов углерода больше 3-х и имеющих двойные или тройные связи:

 

 

  • Изомерия положения функциональной группы -вид изомерии, характерный для кислород- и азотсодержащих органических соединений:

 

 

  • Пространственная изомерия — в школьном курсе подготовки к ЕГЭ рассматривают пространственную цис-транс-изомерию алкенов. Этот вид изомерии характерен для симметричных относительно двойной связи алкенов:

 

 

Виды химической связи в органической химии

 

Т.к. органическая химия — это химия соединений углерода, то основным видом химической связи является ковалентная химическая связь.

 

  • В углеводородах эта связь — ковалентная малополярная;
  • В кислород-, азот- и серасодержащих органических соединениях — ковалентная полярная;
  • В случаях алкоголятов или солей органических кислот — ионная (Ch4COONa например).

 

Как и в неорганических соединениях, в органических вид химической связи определяют исходя из строения вещества.

 

Когда ковалентная связь -С-С- или -C-H разрывается, образуются частицы — радикалы. Это частицы, имеющие один электрон: (Сh4• — метил ). Называют их соответственно классу соединения с окончанием -ил.

 

Тип гибридизации атомов в органических соединениях

 

Как образуется гибридизация атомных орбиталей в молекуле мы подробно рассматривали при изучении каждого класса органических соединений, здесь мы рассмотрим практическое применение этих знаний.

 

На что нужно обратить внимание:

 

1) в молекуле, имеющей не только один вид связи, каждый атом имеет свой тип гибридизации:

 

 

2) если нужно посчитать суммы  s -и π-связей, то нужно учитывать не только связи -С-С-, но и -С-H:

 

 

итого: 10 сигма- и 3 π-связей

 

Давайте систематизируем все эти вопросы по классам углеводородов

 

Класс соединения Общая формула Тип гибридизации атомов С Виды изомерии
Алканы Сnh3n+2 Sp3

углеродного скелета

Алкены Сnh3n Sp3   и Sp2

углеродного скелета

положения кратной связи

пространственная изомерия

межклассовая(алкены изомерны циклоалканам)

Алкины Сnh3n-2 Sp  и Sp3

углеродного скелета

положения кратной связи

межклассовая(алкины изомерны алкадиенам)

Циклоалканы Сnh3n Sp3  углеродного скелета, межклассовая(циклоалкалканы изомерны алкенам)
Алкадиены Сnh3n-2 Sp2   и Sp3

углеродного скелета

положения кратной связи

межклассовая(алкадиены изомерны алкинам)

Бензол и его гомологи Сnh3n-6 Sp2   и (Sp3 — в боковой цепи) углеродного скелета(в боковых цепях)
Алифатические спирты Сnh3n+1OH Sp3 углеродного скелетаположения функциональной группымежклассовая —(спирты изомерны простым эфирам)
Ароматические спирты Сnh3n-7OH Sp2   и (Sp3 — в боковой цепи)

углеродного скелета

положения функциональной группы

межклассовая(спирты изомерны простым эфирам, толькоодин из радикалов будет ароматический)

Простые эфиры Сnh3n+1O Sp3 углеродного скелетамежклассовая(простыеэфиры изомерны спиртам)
Альдегиды и кетоны Сnh3nO Sp2   (-С=O) и Sp3 углеродного скелета — альдегиды изомерны кетонам
Кислоты Сnh3n+1COOH Sp2   (-С=O) и Sp3

углеродного скелета

положения функциональной группы

межклассовая(кислоты изомерны сложным эфирам)

Сложные эфиры Сnh3n+1COO Sp2   (-С=O) и Sp3

углеродного скелета

межклассовая(сложные эфиры изомерны кислотам)

 

Какое бы задание вам не попалось, все сводится к определению строения органического соединения, поэтому чтобы не ошибиться, рисуйте структурные формулы данных соединений, а уже из этого вы определите и тип связи, и гибридизацию, и виды изомерии.

 Кстати, ответы на наши примеры вопросов: А13 первый вариант: изомером гексена-2 не является гексадиен-1, 3 Ответ: 4) А 13 второй вариант: только  Sp2 гибридизация — в молекуле бутадиена  Ответ: 4) А 13 третий вариант: гомологами являются: пропан и пентан Ответ: 1) 

 

Еще на эту тему:

Обсуждение: "Строение органических соединений"

(Правила комментирования)

distant-lessons.ru

Изомерия органических соединений

В органической химии широко распространена изомерия, суть которой состоит в том, что существует несколько разных веществ, обладающих одинаковой молекулярной формулой, но имеющих различное строение и, вследствие этого, различные химические и физические свойства. В этом случае знание только молекулярной формулы не дает полного представления о свойствах вещества. Такое представление нам может дать знание структурной (графической) формулы вещества.

Различают структурную, позиционную, геометрическую (цис-, транс-) и оптическую виды изомерии органических соединений.

Структурная изомерия органических соединений

  1. Изомерия углеродного скелета
  2. Изомерия положения

А. Кратных связей

Б. Заместителей

В. Функциональных групп

  1. Межклассовая изомерия

Геометрическая изомерия органических соединений

В данном случае порядок соединения атомов в изомерных молекулах одинаков, а их пространственное расположение различается. Такие изомеры называют пространственными или стереоизомерами. В свою очередь, стереоизомеры, в которых стереогенной группой является кратная связь или малые циклы  называются геометрическими.

Существование геометрических изомеров возможно при наличии функциональных групп при кратной связи.  А различие изомеров заключается в пространственном расположении функциональных групп относительно плоскости двойной связи.

Названия таких изомеров строятся с использованием цис -, транс-обозначений:

В цис-изомере два идентичных заместителя при различных атомах углерода, связанных  двойной связью, находятся по одну сторону от двойной связи.

В транс-изомере одинаковые заместители лежат по разные стороны от двойной связи.

В случае, когда при кратной связи все заместители разные используют Е-, Z-обозначения («Е» от entgegen — напротив, «Z» от zusammen — вместе). Для определения типа конфигурации (Е— или, Z-) необходимо установление старшинства заместителей, т.е.  сравнение их атомных номеров.

Z— конфигурацию имеет изомер, у которого два старших заместителя расположены с одной стороны двойной связи, а Е-кофигурацию имеет изомер, у которого два старших заместителя расположены по разные стороны от двойной связи.

Например, определим тип конфигурации изомеров 1-бром-1-хлор-2-нитроэтилена, представленных на рисунке. Изомеры Этилена имеют следующие заместители H (атомный номер — 1), Br (атомный номер — 35), N (атомный номер — 7), Cl (атомный номер — 17).

а) у первого атома углерода старшим является заместитель Br (35), у второго атома углерода —  N (7). Эти заместители находятся по разные стороны от кратной связи. Следовательно, это Е – изомер.

б) у первого атома углерода старшим является заместитель Cl (17), у второго атома углерода — Br (35). Эти заместители находятся по одну сторону от кратной связи. Следовательно, это Z – изомер.

В случае, когда заместители, напрямую связанные с ненасыщенными атомами углерода («первого слоя»), одинаковы, то сравнивают заместители «второго слоя», «третьего слоя» и т. д.

В представленном примере все заместители «первого слоя» одинаковы – это С. Следовательно, необходимо рассмотрение «второго слоя». В этом слое у первого атома углерода, соединенного двойной связью старшим будет заместитель – Cl, у второго атома углерода – С. Два старших заместителя расположены по одну сторону двойной связи, значит изомер имеет 2Z конфигурацию.

 Оптическая изомерия органических соединений

Еще в начале 19 века было обнаружено, что некоторые вещества, при пропускании сквозь них поляризованного света, отклоняют плоскость поляризации на некий угол. Кроме этого, существует два соединения (изомера), отклоняющие плоскость поляризации на углы равные по величине, но отличающиеся по знаку (левовращающий и правовращающий). Такие вещества назвали оптическими изомерами (антиподами или энантиомерами).

Смесь, в которой содержится равное количество лево- и правовращающих изомеров оптически неактивно и называется рацемической смесью.

Оптическая активность характерна для веществ, в состав которых входит один или более асимметрических атомов углерода (т.е. углерод, связанный с четырьмя различными заместителями), например:

Два оптических изомера отличатся друг от друга как предмет и его зеркальное отражение. При совмещении они не совпадают как левая и правая руки при наложении друг на друга. Такие молекулы называют хиральными (греч. «хейрос» — рука). Если же молекула при наложении совпадает со своим зеркальным отражением, то она ахиральна.

В органических молекулах помимо углерода, связанного с четырьмя различными заместителями, хиральностью могут обладать соединения, содержащие такие атомы как кремний, азот и фосфор, а также имеющими стереогенную ось или плоскость.

 

На плоскости оптические изомеры изображают с помощью проекционных формул Фишера

Правила построения формул Фишера:
  1. Вертикальная пунктирная линия, показывает проекции связей, устремленные от наблюдателя
  2. Горизонтальная линия показывает проекции связей, устремленные к наблюдателю
  3. Центр пересечения вертикальной и горизонтальной линий отвечает хиральному центру, в роли которого чаще всего выступает асимметрический атом углерода. При этом символ самого асимметрического атома углерода С не изображается.
  4. Если же асимметрическим центром является не углерод, а другой атом, то в центре пересечения линий необходимо изобразить его символ.
  5. На концах вертикальных и горизонтальных линий изображают заместители, строго соблюдая их пространственное расположение.

 

zadachi-po-khimii.ru

ИЗОМЕРИЯ | Энциклопедия Кругосвет

Содержание статьи

ИЗОМЕРИЯ (греч. isos – одинаковый, meros – часть) – одно из важнейших понятий в химии, главным образом, в органической. Вещества могут иметь одинаковый состав и молекулярную массу, но различное строение и соединения, содержащие в своем составе одни и те же элементы в одинаковом количестве, но различающиеся пространственным расположением атомов или групп атомов, называют изомерами. Изомерия является одной из причин того, что органические соединения так многочисленны и разнообразны.

Изомерия была впервые обнаружена Ю.Либихом в 1823, который установил, что серебряные соли гремучей и изоциановой кислот: Ag-О-N=C и Ag-N=C=O имеют одинаковый состав, но разные свойства. Термин «Изомерия» в 1830 ввел И.Берцелиус, предположивший, что различия в свойствах соединений одинакового состава возникают из-за того, что атомы в молекуле расположены в неодинаковом порядке. Представления об изомерии окончательно сформировались после создания A.M.Бутлеровым теории химического строения (1860-е). Основываясь на положениях этой теории, он предположил, что должно существовать четыре различных бутанола (рис. 1). К моменту создания теории был известен лишь один бутанол (СН3)2СНСН2ОН, получаемый из растительного сырья.

Рис. 1. Изомеры бутанола

Последовавший затем синтез всех изомеров бутанола и определение их свойств стали убедительным подтверждением теории.

Согласно современному определению два соединения одинакового состава считают изомерами, если их молекулы нельзя совместить в пространстве так, чтобы они полностью совпадали. Совмещение, как правило, проделывают мысленно, в сложных случаях используют пространственные модели, либо расчетные методы.

Есть несколько причин возникновения изомерии.

СТРУКТУРНАЯ ИЗОМЕРИЯ

Обусловлена, как правило, различиями в строении углеводородного скелета либо неодинаковым расположением функциональных групп или кратных связей.

Изомерия углеводородного скелета.

Насыщенные углеводороды, содержащие от одного до трех атомов углерода (метан, этан, пропан), не имеют изомеров. Для соединения с четырьмя атомами углерода С4Н10 (бутан) возможно существование двух изомеров, для пентана С5Н12 – трех изомеров, для гексана С6Н14 – пяти (рис.2):

Рис. 2. Изомеры простейших углеводородов

С увеличением числа атомов углерода в молекуле углеводорода количество возможных изомеров резко возрастает. Для гептана С7Н16 существует девять изомеров, для углеводорода С14Н30 – 1885 изомеров, для углеводорода С20Н42 – свыше 366 000.

В сложных случаях вопрос о том, являются ли два соединения изомерами, решают, используя различные повороты вокруг валентных связей (простые связи это допускают, что в определенной степени соответствует их физическим свойствам). После перемещения отдельных фрагментов молекулы (не допуская при этом разрыва связей) накладывают одну молекулу на другую (рис. 3). Если две молекулы полностью совпадают, то это не изомеры, а одно и то же соединение:

Изомеры, отличающиеся структурой скелета, обычно имеют разные физические свойства (температура плавления, температура кипения и т.п.), что позволяет отделить один от другого. Изомерия такого типа существует и у ароматических углеводородов (рис. 4):

Рис. 4. Ароматические изомеры

Изомерия положения.

Другой вид структурной изомерии – изомерия положения возникает в тех случаях, когда функциональные группы, отдельные гетероатомы или кратные связи расположены в различных местах углеводородного скелета. Структурные изомеры могут принадлежать к разным классам органических соединений, поэтому они могут различаться не только физическими, но и химическими свойствами. На рис. 5 показаны три изомера для соединения С3Н8О, два из них – спирты, а третье – простой эфир

Рис. 5. Изомеры положения

Нередко различия в строении изомеров положения столь очевидны, что не требуется даже мысленно совмещать их в пространстве, например, изомеры бутена или дихлорбензола (рис. 6):

Рис. 6. Изомеры бутена и дихлорбензола

Иногда структурные изомеры сочетают признаки изомерии углеводородного скелета и изомерии положения (рис. 7).

Рис. 7. Сочетание двух видов структурной изомерии

В вопросах изомерии теоретические рассмотрения и эксперимент взаимосвязаны. Если рассмотрения показывают, что изомеров быть не может, то эксперименты должны показывать то же. Если вычисления указывают на определенное число изомеров, то их может быть получено столько же, или меньше, но не больше – не все теоретически рассчитанные изомеры могут быть получены, поскольку межатомные расстояния или валентные углы в предполагаемом изомере могут выходить за пределы допустимого. Для вещества, содержащего шесть групп СН (например, бензол), теоретически возможно 6 изомеров (рис. 8).

Рис. 8. Изомеры бензола

Первые пять из показанных изомеров существуют (второй, третий, четвертый и пятый изомеры были получены спустя почти 100 лет, после того, как было установлено строение бензола). Последний изомер, скорее всего, никогда не будут получен. Представленный в виде шестиугольника, он наименее вероятен, его деформации приводят к структурам в форме скошенной призмы, трехлучевой звезды, незавершенной пирамиды и сдвоенной пирамиды (незавершенному октаэдру). Каждый из этих вариантов содержит либо весьма различающиеся по величине связи С-С, либо сильно искаженные валентные углы (рис. 9):

Химические превращения, в результате которых структурные изомеры превращаются, друг в друга, называют изомеризацией.

Стереоизомерия

возникает благодаря различному расположению атомов в пространстве при одинаковом порядке связей между ними.

Один из видов стереоизомерии цис-транс-изомерия (цис – лат. по одну строну, транс – лат. через, по разные стороны) наблюдается в соединениях, содержащих кратные связи или плоские циклы. В отличие от простой связи, кратная связь не позволяет вращать вокруг нее отдельные фрагменты молекулы. Для того чтобы определить тип изомера, через двойную связь мысленно проводят плоскость и далее анализируют то, как размещаются заместители относительно этой плоскости. Если одинаковые группы находятся по одну сторону плоскости, то это цис-изомер, если по разные стороны – транс-изомер:

Рис. 10.

Физические и химические свойства цис- и транс-изомеров иногда заметно отличаются, в малеиновой кислоте карбоксильные группы –СООН пространственно близки, они могут реагировать (рис. 11), образуя ангидрид малеиновой кислоты (для фумаровой кислоты такая реакция не идет):

Рис. 11. Образование ангидрида малеиновой кислоты

В случае плоских циклических молекул проводить мысленно плоскость не требуется, так как она уже задана формой молекулы, как, например, в циклических силоксанах (рис. 12):

Рис. 12. Изомеры циклосилоксана

В комплексных соединениях металлов цис-изомером называют соединение, у которого две одинаковые группы, из тех, что окружают металл, находятся рядом, в транс-изомере, они разделены другими группами (рис. 13):

Рис. 13. Изомеры комплекса кобальта

Второй вид стереоизомерии – оптическая изомерия возникает в тех случаях, когда два изомера, (в соответствии с определением, сформулированным ранее, две молекулы, не совмещаемые в пространстве) представляют собой зеркальное отражение друг друга. Таким свойством обладают молекулы, которые могут быть представлены в виде одиночного атома углерода, имеющего четыре различных заместителя. Валентности центрального атома углерода, связанного с четырьмя заместителями, направлены к вершинам мысленного тетраэдра – правильного четырехгранника (см. ОРБИТАЛЬ) и жестко закреплены. Четыре неодинаковых заместителя изображены на рис. 14 в виде четырех шариков с различающейся окраской:

Рис. 14. Атом углерода с четырьмя различными заместителями

Чтобы обнаружить возможное образование оптического изомера нужно (рис. 15) отразить молекулу в зеркале, затем зеркальное изображение следует взять как реальную молекулу, поместить под исходной таким образом, чтобы их вертикальные оси совпали, и повернуть вторую молекулу вокруг вертикальной оси так, чтобы красный шар верхней и нижней молекулы находились друг под другом. В результате совпадает положение только двух шаров, бежевого и красного (отмечено сдвоенными стрелками). Если повернуть нижнюю молекулу таким образом, чтобы совместились синие шары, то вновь совпадет положение только двух шаров – бежевого и синего (также отмечено сдвоенными стрелками). Все становится очевидным, если эти две молекулы мысленно совместить в пространстве, вкладывая одну в другую, как нож в ножны, красный и зеленый шар не совпадают:

При любой взаимной ориентации в пространстве двух таких молекул нельзя добиться полного совпадения при совмещении, согласно определению, это изомеры. Важно отметить, что если у центрального атома углерода не четыре, а только три различающихся заместителя (то есть, два из них одинаковы), то при отражении в зеркале такой молекулы оптический изомер не образуется, поскольку молекулу и ее отражение можно совместить в пространстве (рис. 16):

Помимо углерода, в роли асимметрических центров могут выступать другие атомы, у которых ковалентные связи направлены к углам тетраэдра, например, кремний, олово, фосфор.

Оптическая изомерия возникает не только в случае асимметрического атома, она также реализуется в некоторых каркасных молекулах при наличии определенного количества различных заместителей. Например, каркасный углеводород адамантан, имеющий четыре различных заместителя (рис. 17), может иметь оптический изомер, при этом вся молекула играет роль асимметрического центра, что становится очевидным, если каркас адамантана мысленно стянуть в точку. Аналогично, силоксан, имеющий кубическую структуру (рис. 17), также становится оптически активным в случае четырех различных заместителей:

Рис. 17. Оптически активные каркасные молекулы

Возможны варианты, когда молекула не содержит асимметрического центра даже в скрытом виде, но может быть сама в целом несимметрична, при этом тоже возможны оптические изомеры. Например, в комплексном соединении бериллия два циклических фрагмента расположены во взаимоперпендикулярных плоскостях, в таком случае достаточно двух различных заместителей для получения оптического изомера (рис. 18). Для молекулы ферроцена, имеющего форму пятигранной призмы, для той же цели нужно три заместителя, атом водорода в этом случае играет роль одного из заместителей (рис. 18):

Рис. 18. Оптическая изомерия несимметричных молекул

В большинстве случаев структурная формула соединения позволяет понять, что именно следует в ней изменить, чтобы сделать вещество оптически активным.

При синтезах оптически активных стереоизомеров обычно получают смесь право- и левовращающих соединений. Разделение изомеров проводят путем взаимодействия смеси изомеров с реагентами (чаще природного происхождения), содержащих асимметрический реакционный центр. Некоторые живые организмы, в том числе бактерии, преимущественно усваивают левовращающие изомеры.

В настоящее время разработаны процессы (называемые асимметрическим синтезом), позволяющие целенаправленно получать определенный оптический изомер.

Существуют реакции, позволяющие превратить оптический изомер в его антипод (см. ВАЛЬДЕНОВСКОЕ ОБРАЩЕНИЕ).

Михаил Левицкий

www.krugosvet.ru

Гомология и изомерия. Подробное описание. Примеры. Гомологи. Изомеры

Для изучения гомологии и изомерии необходимо знать Теорию А.М. Бутлерова:

  1. Атомы в молекулах соединены друг с другом согласно их валентности, порядок распределения связей в молекуле называется химическим строением.
  2. Изменение этой последовательности приводит к образованию нового вещества с новыми свойствами.
  3. Свойства веществ зависят не только от их состава, но и от «химического строения», то есть от порядка соединения атомов в молекулах и характера их взаимного влияния. Наиболее сильно влияют друг на друга атомы, непосредственно связанные между собой.
  4. Атомы в молекулах оказывают влияние друг на друга и это влияние приводит к химическим изменениям поведения атома.
  5. Определить состав и строение химического вещества можно по продуктам химических превращений.

Гомологи - это соединения, которые сходны по строению и химическим свойствам, но отличаются по составу молекул на одну или несколько групп Ch3, которая называется гомологичной разницей.

Гомологи образуют гомологичные ряды. Гомологический ряд - это ряд соединений, сходных по своему строению и химическим свойствам, которые отличаются друг от друга по составу молекул на одну или несколько гомологичных разниц Ch3.

 

Изомерия- это явление существования веществ, имеющих одинаковый качественный и количественный состав, но различное строение и разные свойства.

В основе изомерии, как показал автор Теории, лежит различие в строении молекул, имеющих одинаковый набор атомов.

РАЗЛИЧАЮТ НЕСКОЛЬКО ВИДОВ ИЗОМЕРИИ:

Структурные изомеры- соединения одинакового состава, отличающиеся химическим строением.

Пространственная изомерия (стереоизомерия) обусловлена различным пространственным расположением атомов при одинаковом порядке их связывания.

Различают две формы.

1. Геометричекая (цис-, транс-изомерия)

малеиновая кислота                   фумаровая кислота

Наиболее устойчивы транс-изомеры, поэтому в природе они наиболее распространены.

         цис-форма                       транс-форма

Цис-форма – 2 заместителя расположены по одну сторону плоскости двойной связи.

Транс-форма – 2 заместителя расположены по разные стороны плоскости двойной связи.

 

himus.umi.ru

Структурные изомеры - это что

В данной статье мы поговорим про структурные изомеры, особенности их строения и виды изомерии. Подробно разберем само явление изомерии, а также будут предоставлены примеры использования их в жизни.

Явление изомерии

Изомерия – особое явление, предопределяющее существование хим. соединений, тех самых – изомеров, веществ с идентичными составами атомов и молекулярными массами, имеющих различие лишь в атомном расположении в пространстве или по их строению, что ведет к изменению и приобретению ими различных, новых свойств. Структурные изомеры — это вещества, образовавшиеся вследствие подобного изменения положения своих атомов в пространстве, которые более детально будут рассмотрены ниже.

Говоря об изомерии, стоит помнить о существовании такого процесса, как изомеризация, который представляет собой процесс перехода одного изомера в другой в результате хим. превращений.

Виды изомерии

Изомерия валентности – это вид структуры изомеров, в котором перевод самих изомеров (одного в другой) возможен в результате перераспределения валентных связей.

Изомерия положения представляет собой тип веществ с идентичным углеродным скелетом, но отличающимся положением функциональных групп. Ярким примером служит 2- и 4-кислоты хлорбутана.

Межклассовая изомерия таит свое отличие между изомерами в характере функциональных групп.

Метамерия – это распределение положения атомов углерода между определенным количеством радикалов углерода, гетероатом молекулы служит разделителем. Такой вид изомерии характерен для аминов, тиоспиртов, эфиров как простых, так и сложных.

Изомерия углеродного скелета – это отличие положения атомов углерода, а точнее их порядка. Например: фенантрен и антрацен имеют общую формулу С14Н10, но разный тип перераспределения связей валентности.

Структурные изомеры

Структурные изомеры – это вещества имеющие сходную формулу структуры вещества, но отличаются по формуле молекулы. Структурные изомеры — это тип веществ, которые идентичны друг другу по количественному и качественному составам, но порядок атомного связывания (химического строения) имеет различия.

Структурные изомеры классифицируются по типу изометрической структуры, виды которой приведены выше, в пункте о видах изомерии.

Структурная формула изомера вещества имеет широкий спектр видоизменений. Некоторыми примерами изомерии могут служить такие вещества, как бутановая кислота, 2-метилпропановая кислота, метил пропионата, диоксан, этил ацетат, изопропиловый формиат имеют одинаковый состав всех трех типов атомов в составе вещества, но различаются по положению атомов в самом соединении.

Еще один яркий пример изомерии - это существование пентана, неопентана и изопентана.

Наименования изомеров

Как упоминалось ранее, структурные изомеры – это вещества, имеющие сходную формулу структуры вещества, но отличаются по формуле молекулы. Такие соединения имеют классификацию, которая соответствует особенностям их свойств, строения и положения атомов в молекуле изомера, отличия в количестве функциональных групп, валентных связях, наличии атомов определенного элемента в веществе и т.д. Названия структурных изомеров получают различными способами. Рассмотрим это на примере 3-метилбутанола 1, как представителя спиртов.

В случае со спиртами при получении названия спиртов все начинается с выбора цепи углерода, которая является главенствующей, проводят нумерацию, цель которой – это присвоение группе ОН наименьшего, возможного номера, с учетом порядка. Само название начинают составлять с заместителя в цепи углеродов, затем следует название главной цепи, а после добавляется суффикс –ол, а цифрой указывается углеродный атом, связанный с группой ОН.

fb.ru

Изомерия

Лекции для студентов педиатрического факультета

Лекция 2

Тема: Пространственное строение органических соединений

Цель: знакомство с видами структурной и пространственной изомерии органических соединений.

План:

  1. Классификация изомерии.

  2. Структурная изомерия.

  3. Пространственная изомерия

  4. Оптическая изомерия

Первые попытки понять строение органических молекул относятся к началу XIX в. Впервые явление изомерии открыл Й. Берцелиус, а А. М. Бутлеров в 1861 г. предложил теорию химического строения органических соединений, которая объяснила явление изомерии.

Изомерия – существование соединений с одинаковым качественным и количественным составом, но разным строением или расположением их в пространстве, а сами вещества называются изомерами.

  1. Классификация изомеров

Изомеры

Структурная

(различный порядок соединения атомов)

Стереоизомерия

(различное расположение атомов в пространстве)

Цепи

Положения кратной связи

Положения функциональной группы

Конфигура

ционные

Конформа-

ционные

  1. Структурная изомерия.

Структурные изомеры – это изомеры, имеющие одинаковый качественный и количественный состав, но отличающиеся химическим строением.

Структурная изомерия обуславливает многообразие органических соединений, в частности алканов. С увеличением числа атомов углерода в молекулах алканов быстро возрастает количество структурных изомеров. Так, для гексана (С6Н14) оно равно 5, для нонана (С9Н20) – 35.

Атомы углерода различаются по месту положения в цепи. Атом углерода, стоящий в начале цепи, связан с одним атомом углерода и называется первичным. Атом углерода, связанный с двумя атомами углерода – вторичным, с тремя – третичным, с четырьмя – четвертичным. В молекулах алканов с неразветвленной цепью содержатся только первичные и вторичные атомы углерода, а в молекулах алканов с разветвлённой цепью и третичные и четвертичные.

Виды структурной изомерии.

  • Изомерия углеродной цепи:

    С4Н10

    СН3 – СН2 – СН2 – СН3

    н-бутан неразветвленная цепь

    2-метилпропан разветвленная цепь

  • Изомерия положения кратной связи

    С4Н8

    СН2 = СН – СН2 – СН3

    СН3 – СН = СН – СН3

    Бутен-1

    Бутен-2

  • Изомерия положения функциональной группы

С3Н7ОН

СН3 – СН2 – СН2 – ОН

Пропанол-1

Пропанол-2

  • Метамеры – соединения, относящиеся к одному классу соединений, но имеющие различные радикалы:

Н3С – О – С3Н7 – метилпропиловый эфир,

Н5С2 – О – С2Н5 – диэтиловый эфир

  • Межклассовая изомерия. При одном и том же качественном и количественном составе молекул, строение веществ различное.

Например: альдегиды изомерны кетонам:

С3Н6О

Пропаналь

Пропанон-2

Алкины – алкадиенам

Н2С = СН – СН = СН2 бутадиен -1,3 НС = С - СН2 – СН3 – бутин-1

Структурная изомерия обусловливает и многообразие углеводородных радикалов. Изомерия радикалов начинается с пропана, для которого возможны два радикала. Если атом водорода отнять от первичного атома углерода, то получится радикал пропил (н-пропил). Если атом водорода отнять от вторичного атома углерода, то получится радикал изопропил

-

изопропил

СН2 – СН2 – СН3 - пропил

  1. Пространственная изомерия (стереоизомерия)

Это существование изомеров, имеющих одинаковый состав и порядок соединения атомов, но отличающихся характером расположения атомов или групп атомов в пространстве относительно друг друга.

Этот вид изомерии описали Л. Пастер (1848), Я. Вант-Гофф, Ле Бель (1874).

В реальных условиях сама молекула и её отдельные части (атомы, группы атомов) находятся в состоянии колебательно – вращательного движения и это движение сильно изменяет взаимное расположение атомов в молекуле. В это время происходит растяжение химических связей и изменение валентных углов и таким образом возникают различные конфигурации и конформации молекул.

Поэтому пространственные изомеры делятся на два вида: конформационные и конфигурационные.

Конфигурации – это порядок расположения атомов в пространстве без учета различий, которые возникают в результате вращения вокруг одинарных связей. Эти изомеры существуют в виде различных конформаций.

Конформации – очень неустойчивые динамические формы одной и той же молекулы, которые возникают в резцльтате вращения атомов или групп атомов вокруг одинарных связей, в результате чего атомы занимают различное пространственное положение. Каждая конформация молекулы характеризуется определённой конфигурацией.

б-связь допускает вращение вокруг неё, поэтому одна молекула может иметь множество конформаций. Из множества конформаций во внимание принимают только шесть, т.к. за минимальный угол поворота считают угол равный 60о, который называется торсионным углом.

Различают: заслоненную и заторможенную конформации.

Заслонённая конформация возникает в том случае, если одинаковые заместители расположены на минимальном расстоянии друг от друга и между ними возникают силы взаимного отталкивания, и молекула должна обладать большим запасом энергии, чтобы сохранить эту конформацию. Эта конформация энергетически невыгодна.

Заторможенная конформация – возникает в том случае, если одинаковые заместители максимально удалены друг от друга и молекула обладает минимальным запасом энергии. Эта конформация энергетически выгодна.

Первое соединение, для которого известно существование конформационных изомеров, является этан. Его строение в пространстве изображается перспективной формулой или формулой Ньюмена:

С2Н6

заслонённая заторможенная

конформация конформация

Проекционные формулы Ньюмена.

Ближайший к нам атом углерода обозначают точкой в центре круга, круг изображает удаленный атом углерода. Три связи каждого атома изображают в виде линий, расходящихся из центра круга – для ближнего атома углерода и маленькие – для удаленного атома углерода.

Вдлинных углеродных цепях вращение возможно вокруг несколькихС – С связей. Поэтому вся цепь может принимать разнообразные геометрические формы. По рентгенографическим данным длинные цепи насыщенных углеводородов имеют зигзагообразную и клешневидную конформации. Например: пальмитиновая (С15Н31СООН) и стеариновая (С17Н35СООН) кислоты в зигзагообразных конформациях входят в состав липидов клеточных мембран, а молекулы моносахаридов в растворе принимают клешневидную конформацию.

.

Конформации циклических соединений

Для циклических соединений характерно угловое напряжение, связанное с наличием замкнутого цикла.

Если считать циклы плоскими, то для многих из них валентные углы будут значительно отклоняться от нормального. Напряжение, вызванное отклонением валентных углов между атомами углерода в цикле от нормального значения, называют угловым или байеровским.

Например, в циклогексане атомы углерода находятся в sp3- гибридном состоянии и соответственно валентный угол должен быть равным 109о28/. Если бы атомы углерода лежали бы в одной плоскости, то в плоском цикле внутренние валентные углы были бы равны 120о, а все атомы водороданаходились бы в заслоненной конформации. Но циклогексан не может быть плоским из-за наличия сильных углового и торсионного напряжений. У него возникают менее напряженные неплоские конформации за счет частичного поворота вокруг ϭ-связей, среди которых более устойчивыми являются конформации кресла и ванны.

Наиболее энергетически выгодной является конформация кресла, т.к в ней отсутствуют заслоненные положения атомов водорода и углерода. Расположение атомов Н у всех атомов С такое же, как в заторможенной конформации этана. В этой конформации все атомы водорода открыты и доступны для реакций.

Конформация ванны менее энергетически выгодная, так как у 2-х пар атомов С (С-2 и С-3), (С-5 и С-6), лежащих в основании, атомы Н находятся в заслонённой конформации, поэтому эта конформация обладает большим запасом энергии и неустойчива.

С6Н12 циклогексан

«Кресло»

«Ванна»

Форма «кресла» более энергетически выгодна, чем «ванна».

  1. Оптическая изомерия.

В конце XIX века было обнаружено, что многие органические соединения способны вращать плоскость поляризованного луча влево и вправо. Т. е. световой луч, падающий на молекулу вступает во взаимодействие с её электронными оболочками, при этом происходит поляризация электронов, что приводит к изменению направления колебаний в электрическом поле. Если вещество вращает плоскость колебаний по часовой стрелке, его называют правовращающим (+), если против часовой стрелки – левовращающим (-). Эти вещества были названы оптическими изомерами. Оптически активные изомеры содержат ассиметричный атом углерода (хиральный) – это атом, содержащий четыре разных заместителя. Вторым важным условием является отсутствие всех видов симметрии (оси, плоскости). К ним относятся многие окси- и аминокислоты

Исследования показали, что такие соединения отличаются порядком расположения заместителей у атомов углерода в sp3- гибридизации.

Простейшим соединением является молочная кислота (2-гидроксипропановая)

Молочная кислота

Эти соединения относятся друг к другу как левая и правая рука

Стереоизомеры, молекулы которых относятся между собой как предмет и несовместимое с ним зеркальное отображение или как левая и правая рука называются энантиомерами (оптические изомеры, зеркальные изомеры, антиподы, а явление называется энантиомерией. Все химические и физические свойства энантиомеров одинаковы, кроме двух: вращение плоскости поляризованного света (в приборе поляриметре) и биологическая активность.

Абсолютную конфигурацию молекул определяют сложными физико-химическими методами.

Относительную конфигурацию оптически активных соединений определяют путем сравнения со стандартом глицеринового альдегида. Оптически активные вещества, имеющие конфигурацию правовращающего или левовращающего глицеринового альдегида (М. Розанов, 1906), называются веществами D- и L-ряда. Равная смесь право- и левовращающих изомеров одного соединения называется рацематом и оптически неактивна.

Исследования показали, что знак вращения света нельзя связывать с принадлежностью вещества к D- и L-рядам, его определяют только экспериментально в приборах – поляриметрах. Например, L-молочная к-та имеет угол вращения +3,8 о, D- молочная к-та - 3,8 о.

Энантиомеры изображают с помощью формул Фишера.

  1. Углеродная цепь изображается вертикальной линией.

  2. Вверху ставится старшая функциональная группа, внизу младшая.

  3. Ассиметричный атом углерода изображается горизонтальной линией, на концах которой стоят заместители.

  4. Количество изомеров определяются по формуле 2n, n – число асимметрических атомов углерода.

L-ряд D-ряд

Среди энантиомеров могут быть симметричные молекулы, не обладающие оптической активностью, и называются мезоизомерами.

Например: Винная к-та

D – (+) – ряд L – (–) – ряд

Мезовинная к-та

Рацемат – виноградная к-та

Оптические изомеры, не являющиеся зеркальными изомерами, отличающиеся конфигурацией нескольких, но не всех асимметрических атомов С, обладающие различными физическими и химическими св-вами, наз-ся -ди-а-стереоизомерами.

-Диастереомеры (геометрические изомеры) – это стереомеры, имеющие в молекуле -связь. Они встречаются у алкенов, непредельных высших карбоновых к-т, непредельных дикарбоновых к-т. Например:

Цис-бутен-2 Транс-бутен-2

Биологическая активность органических вещ-в связана с их строением. Например:

Цис-бутендиовая к-та, Транс-бутендиовая к-та,

малеиновая к-та – фумаровая к-та – не ядовита,

очень ядовита содержится в организме

Все природные непредельные высшие карбоновые к-ты являются цис-изомерами.

7

studfiles.net

Как изобразить структурные формулы изомеров состава С5Н8? Как определить их название?

Так: НС≡С-СН2-СН2-СН3 - пентин-1 или 1-пентин или пент-1-ин или просто пентин, СН3-С≡С-СН2-СН3 - пентин-2 или 2-пентин или пент-2-ин, НС≡С-СН (СН3)-СН3 - 3-метилбутин-1 или 3-метил-1-бутин или 3-метилбут-1-ин, СН2=С=СН-СН2-СН3 - пентадиен-1,2 или 1,2-пентадиен или пента-1,2-диен, СН2=СН-СН=СН-СН3 - пентадиен-1,3 или 1,3-пентадиен или пента-1,3-диен или пиперилен, СН2=СН-СН2-СН=СН2 - пентадиен-1,4 или 1,4-пентадиен или пента-1,4-диен, СН2=СН-СН=СН-СН3 - пентадиен-1,3 или 1,3-пентадиен или пента-1,3-диен, СН2=С=С (СН3)-СН3 - 3-метилбутадиен-1,2 или 3-метил-1,2-бутадиен или 3-метилбута-1,2-диен, СН2=С (СН3)-СН=СН2 - 2-метилбутадиен-1,3 или 2-метил-1,3-бутадиен или 2-метилбута-1,2-диен или изопрен, Теперь нарисуй пятиугольник, между любыми двумя атомами углерода поставь двойную связь, присоедини к ним по 1 атому водорода. К остальным атомам углерода присоедини по 2 атома водорода. Получился циклопентен. Теперь нарисуй квадрат, между любыми двумя атомами углерода поставь двойную связь, присоедини к ним по 1 атому водорода. К остальным атомам углерода присоедини по 2 атома водорода. Получился циклобутен (не изомер С5Н8). Теперь замени один из атомов водорода в циклобутене на метильную группу. Получилось два изомера С5Н8. Если метил при углероде с двойной связью, то это 1-метилциклобутен, если метил при углероде с ординарной связью, то это 3-метилциклобутен. Теперь нарисуй квадрат, к одному из атомов углерода присоедини двойной связью группу =СН2, к остальным по 2 атома водорода, получился метиленциклобутен. Еще можешь по аналогии поэкспериментировать с треугольником, к которому можно присоединить этил или 2 метила и в разных положениях поставить двойную связь. Получится еще несколько изомеров. Я уже устал тыкать клавиши.

Это пентин, тройная связь. возможен один изомер 3 метил бутин. остальные перемещением тройной связи на положение 2 и 3

touch.otvet.mail.ru