Что называют изомерией и изомерами

10.04.202214.04.2022 admin 0 Comments

Изомер

Содержание

Исторические сведения

В итоге полемики Ю. Либиха и Ф. Вёлера было установлено (1823), что существуют два резко различных по свойствам вещества состава AgCNO — циановокислое (AgNCO) и гремучее (AgONC) серебро. Ещё одним примером послужили винная и виноградная кислоты, после исследования которых Й. Берцелиус в 1830 ввел термин ИЗОМЕРИЯ и высказал предположение, что различия возникают из-за «различного распределения простых атомов в сложном атоме» (т. е. молекуле). Подлинное объяснение изомерия получила лишь во 2-й половине XIX в. на основе теории химического строения А. М. Бутлерова (структурная изомерия) и стереохимического учения Я. Г. Вант-Гоффа (пространственная изомерия).

Структурная изомерия

Структурная изомерия — результат различий в химическом строении. К этому типу относят:

Изомерия углеводородной цепи (углеродного скелета)

Изомерия углеродного скелета, обусловленная различным порядком связи атомов углерода. Простейший пример — бутан СН₃-СН₂-СН₂-СН₃ и изобутан (СН₃)₃СН. Др. примеры: антрацен и фенантрен (формулы I и II соответственно), циклобутан и метилциклопропан (III и IV).

Валентная изомерия

Валентная изомерия (особый вид структурной изомерии), при которой изомеры можно перевести друг в друга лишь за счет перераспределения связей. Например, валентными изомерами бензола (V) являются бицикло[2.2.0]гекса-2,5-диен(VI, «бензол Дьюара»), призман (VII, «бензол Ладенбурга»), бензвален (VIII).

Изомерия функциональной группы

Различается характером функциональной группы. Пример: Этанол (CH₃-CH₂-OH) и Диметиловый эфир (CH₃-O-CH₃)

Изомерия положения

Тип структурной изомерии, характеризующийся различием положения одинаковых функциональных групп или двойных связей при одинаковом углеродном скелете. Пример: 2-хлорбутановая кислота и 4-хлорбутановая кислота.

Пространственная изомерия (стереоизомерия)

Энантиомерия (оптическая изомерия)

Пространственная изомерия (стереоизомерия) возникает в результате различий в пространственной конфигурации молекул, имеющих одинаковое химическое строение. Этот тип изомеров подразделяют на энантиомерию (оптическую изомерию) и диастереомерию.

Асимметрическими могут быть и др. атомы, например атомы кремния, азота, фосфора, серы. Наличие асимметрического атома не единственная причина энантиомерии. Так, имеют оптические антиподы производные адамантана (IX), ферроцена (X), 1,3-дифенилаллен (XI), 6,6′-динитро-2,2′-дифеновая кислота (XII). Причина оптическое активности последнего соединения — атропоизомерия, то есть пространственная изомерия, вызванная отсутствием вращения вокруг простой связи. Энантиомерия также проявляется в спиральных конформациях белков, нуклеиновых кислот, гексагелицене (XIII).

(R)-, (S)- номенклатура оптических изомеров (правило наименования)

Четырём группам, присоединенным к ассиметрическому атому углерода C_abcd, приписывается различное старшинство, отвечающее последовательности: a>b>c>d. В простейшем случае старшинство устанавливается по порядковому номеру атома, присоединенного к ассиметрическому атому углерода: Br(35), Cl(17), S(16), O(8), N(7), C(6), H(1).

Например, в бромхлоруксусной кислоте:

Старшинство заместителей при ассиметрическом атоме углерода следующее: Br(a), Cl(b), C группы COOH (c), H(d).

У бутанола-2 кислород является старшим заместителем (а), водород — младшим (d):

Требуется решить вопрос о заместителях CH₃ и CH₂CH₃. В этом случае старшинство определяется порядковым номером или номерами других атомов в группе. Первенство остается за этильной группой, так как в ней первый атом С связан с другим атомом С(6) и с другими атомами Н(1), тогда как в метильной группе углерод соединен с тремя атомами Н с порядковым номером 1. В более сложных случаях продлжают сравнивать все атомы, пока не доходят до атомов с различными порядковыми номерами. Если имеются двойная или тройная связи, то находящиеся при них атомы считаются соответственно за два и за три атома. Так, группу —COH рассматривают как С (O, O, H), а группу —COOH — как С(О, О, ОН); карбоксильная группа старше альдегидной, поскольку содержит три атома с порядковым номером 8.

В D-глицериновом альдегиде старшей является группа ОН(а), затем следует CHO(b), CH₂OH(c) и Н(d):

Следующий этап заключается в определении, является ли расположение групп правым, R (лат. rectus), или левым, S (лат. sinister). Переходя к соответствующей модели, её ориентируют так, чтобы младшая группа (d) в перспективной формуле оказалась внизу, и затем рассматривают сверху вдоль оси, проходящей через заштрихованную грань тетраэдра и группу (d). В D-глицириновом альдегиде группы

расположены в направлении правого вращения, и следовательно, он имеет R-конфигурацию:

В отличие от D,L номенклатуры обозначения (R)- и (S)- изомеров заключают в скобки.

Диастереомерия

σ—диастереомерия

Диастереомерными считают любые комбинации пространственных изомеров, не составляющие пару оптических антиподов. Различают σ и π-диастереомеры. σ-диастериомеры отличаются друг от друга конфигурацией части имеющихся в них элементов хиральности. Так, диастериомеры являются (+)-винная кислота и мезо-винная кислота, D-глюкоза и D-манноза, например:

Для некоторых типов диастереомерия введены специальные обозначения, например трео- и эритро-изомеры — это диастереомерия с двумя асимметрическим атомами углерода и пространств, расположением заместителей у этих атомов, напоминающим соотвующую треозу (родственные заместители находятся по разные стороны в проекционных формулах Фишера) и эритрозу (заместители — по одну сторону):

Эритро-изомеры, которых асимметрические атомы связаны с одинаковыми заместителями, называются мезо-формами. Они, в отличие от остальных σ-диастереомеров, оптически неактивны из-за внутримолекулярной компенсации вкладов во вращение плоскости поляризации света двух одинаковых асимметрических центров противоположной конфигурации. Пары диастереомеров, различающиеся конфигурацией одного из нескольких асимметрических атомов, называются эпимерами, например:

Термин «аномеры» обозначает пару диастереомерных моносахаридов, различающихся конфигурацией гликозидного атома в циклической форме, например аномерны α-D- и β-D-глюкозы.

π—диастереомерия (геометрическая изомерия)

π-диастериомерами, называемые также геометрическими изомерами, отличаются друг от друга различным пространственным расположением заместителей относительно плоскости двойной связи (чаще всего С=С и С=N) или цикла. К ним относятся, например, малеиновая и фумаровая кислоты (формулы XIV и XV соответственно), (Е)- и (Z)-бензальдоксимы (XVI и XVII), цис- и транс-1,2-диметилциклопентаны (XVIII и XIX).

Конформеры. Таутомеры

Явление неразрывно связано с температурными условиями его наблюдения. Так, например, хлорциклогексан при комнатной температуре существует в виде равновесной смеси двух конформеров — с экваториальной и аксиальной ориентацией атома хлора:

Однако при минус 150 °С можно выделить индивидуальную а-форму, которая ведет себя в этих условиях как устойчивый изомер.

С др. стороны, соединения, в обычных условиях являющиеся изомерами, при повышении температуры могут оказаться находящимися в равновесии таутомерами. Например, 1-бромпропан и 2-бромпропан — структурные изомеры, однако при повышении температуры до 250 °С между ними устанавливается равновесие, характерное для таутомеров.

Изомеры, превращающиеся друг в друга при температуре ниже комнатной, можно рассматривать как нежесткие молекулы.

Существование конформеров иногда обозначают термином «поворотная изомерия». Среди диенов различают s-цис- и s-транс — изомеры, которые, по существу, являются конформерами, возникающими в результате вращения вокруг простой (s-single) связи:

Изомерия также характерна для координационных соединений. Так, изомерны соединения, различающиеся по способу координации лигандов (ионизационная изомерия), например, изомерны:

Здесь, по существу, имеется аналогия со структурной изомерии органических соединений.

Процесс взаимопревращения энантиомеров называется рацемизацией: она приводит к исчезновению оптической активности в результате образования эквимолярной смеси (—)- и (+)-форм, то есть рацемата. Взаимопревращение диастереомеров приводит к образованию смеси, в которой преобладает термодинамически более устойчивая форма. В случае π-диастереомеров — обычно транс-форма. Взаимопревращение конформационных изомеров называется конформационным равновесием.

Явление изомерии в огромной степени способствует росту числа известных (и ещё в большей степени числа потенциально возможных) соединений. Так, возможное число структурно-изомерных дециловых спиртов более 500 (известно из них около 70), пространств, изомеров здесь более 1500.

При теоретическом рассмотрении проблем изомерии все большее распространение получают топологические методы; для подсчёта числа изомеров выведены математические формулы. Для обозначения пространств, изомеров разных типов разработана номенклатура стереохимическая, собранная в разделе Е Номенклатурных правил ИЮПАК по химии.

Источник

Определение понятия

В 1823 году завязался спор между учеными Ф. Велером и Ю. Либихом из-за разных свойств одного вещества — AgCNO. Эта формула соответствовала и гремучему, и циановокислому серебру. Второй подобный случай произошел с Й. Берцелиусом. Он исследовал виноградную и винную кислоты и в 1830 году впервые использовал термин «изомерия». Это явление ученый объяснил тем, что простые атомы таблицы Менделеева по-разному распределяются в молекуле.

И лишь во второй половине XIX века появилось подлинное определение термина. В его основание легли стереохимическое учение Я. Вант-Гоффа и теории строения А. Бутлерова. Первый выявил пространственную изомерию, второй — структурную. Сегодня это название носит явление, которое заключается в существовании соединений с одинаковой массой и атомным составом, но разным расположением в пространстве и строением.

Структурный тип

Существует несколько типов изомерии. Структурным является тот, при котором различия наблюдаются в химическом строении молекулы. Сюда можно отнести несколько видов:

Разный порядок связи атомов обуславливает изомерию углеродного скелета. Самые простые примеры для этого случая: бутан и изобутан. Формула первого — СН3-СН2-СН2-СН3, а второго — (СН3)3СН. Сюда же можно отнести такие вещества, как фенантрен и антрацен, метилциклопропан и циклобутан. А также структурная изомерия характерна для гомологического ряда алканов.

Валентной изомерией называется вид структурной, при котором атомы переходят из одного в другой только благодаря перераспределению связей. То есть у каждого вещества есть свои изомеры: у бензола это призман, бензол Дьюара и бензвален.

Если отличается характер функциональной группы, то говорят о межклассовом типе. К нему относят диметиловый эфир и этанол: СН3-О-СН3 и СН3-СН2-ОН. Отличия в положении одних и тех же кратных связей или функциональных групп при общем углеродном скелете — характерные черты одноименной изомерии. Основные примеры: 4-хлорбутановая кислота или 2-хлорбутановая кислота.

Метамерия — еще один вид изомерии органических соединений. Его особенности заключаются в том, что атомы углерода по-разному распределяются между углеводородными радикалами, которые разделены гетероатомом. Известен этот тип в числе простых и сложных эфиров, аминов и тиоспиртов. Но сегодня это понятие редко используется. А. Бутлеров называл явление изомерией нецельных структур, а наглядными примерами служат диэтиловый и метилпропиловый эфир: СН3СН2ОСН2СН3 и СН3ОСН2СН2СН3.

Особенности стереоизомерии

Причина возникновения пространственной или стереоизомерии — молекулы различаются в пространственной конфигурации, но имеют абсолютно одинаковое химическое строение. Их обозначают с помощью специальной стереохимической номенклатуры, собранной в разделе Е правил ИЮПАК.

Эту группу делят на несколько видов:

Если комбинация пространственных изомеров не составляет пару антиподов, то их относят к диастереомерам. Такие молекулы имеют различную конфигурацию элементов хиральности.

Геометрический вид

Геометрическая классификация характеризуется одинаковым порядком соединения атомов при разном их расположении. В таких изомерах стереогенная группа — это малые циклы или кратная связь. Но они могут существовать только при наличии функциональных соединений. Названия такого явления могут отличаться — транс и цис изомерия.

В первом случае отличающиеся заместители находятся по разные стороны от двойной связи. А во втором одинаковые элементы при разных углеродных атомах имеют общее место расположения. Разные заместители обозначают латинскими буквами E — entgegen или Z — zusammen. Если необходимо установить тип конфигурации, то определяют старшинство атомов, сравнивают их порядковые числа.

Пометку буквой Z имеют изомеры, в которых оба старших заместителя расположены на одной стороне связи. А у E-молекул они находятся по разным бокам. Пример расчетов: вещество с формулой 1-бром-1-хлор-2-нитроэтилена, старшие заместители — Н с номером 1, Br (35), N (7) и Cl (17). В первом атоме углерода главнее бром (35), во втором — азот (7). Они находятся по разным сторонам, поэтому изомер относится к группе E. А если старший заместитель у первого атома Cl (17), а у второго Br (35), то это Z-изомер.

Иногда элементы одинаковы, они связаны с ненасыщенными атомами углерода, тогда необходимо сравнивать второй и третий слой молекулы. Если в конкретном примере заместители одинаковы, то нужно рассматривать следующие группы.

Оптическая группа

В 19 веке ученые выявили, что при пропускании поляризованных лучей через некоторые виды веществ, они отклоняют плоскость света на определенный угол. Есть также два соединения, которые искажают поляризацию на углы, одинаковые по величине, но разные по знаку. Эти молекулы получили название оптических изомеров — энантиомеров или антиподов.

Если в составе смеси содержится одинаковое количество изомеров, которые вращаются в разные стороны, то ее называют рацемической. Вещества, содержащие один и более асимметричных атомов углерода, считаются оптически активными. Два таких изомера отличаются, как какой-либо предмет и его отражение в зеркале. Если их наложить друг на друга, то они не совпадут — хиральные молекулы. Но иногда они полностью идентичны — ахиральные вещества.

К хиральным, кроме углерода, относятся соединения с атомами кремния, фосфора, азота. У них есть общая черта — стереогенная плоскость или ось. Изобразить такие изомеры можно с помощью уравнений Фишера. Ключевые моменты построения:

В этой схеме не нужно рисовать символ атома углерода. Но если центром является другая частица, то ее необходимо подписать. При изображении заместителей строго соблюдают их пространственное расположение.

Химические превращения

Явление, при котором структурные изомеры превращаются один в другой, называют изомеризацией. Эти процессы особенно важны в промышленности. Есть особая технология превращения алканов в изоалканы, что повышает октановое число моторного топлива. Пентан изомеризуется в изопентан, затем его дегидрируют и создают изопрен.

Перегруппировки внутри молекул также считаются изомеризацией. Большое значение в промышленности имеет явление Бекмана — циклогексаноноксим переходит в капролактам, так называется сырье для изготовления капрона.

Рацемизацией является процесс взаимного превращения энантиомеров. Следствие этого явления — исчезновение оптической активности из-за появления эквимолярной смеси отрицательных и положительных форм. Диастереомеры при взаимопревращении образуют тремодинамически устойчивую смесь. А процесс с конформационными изомерами называется одноименным равновесием.

Изомерия приводит к увеличению известных и потенциально возможных соединений. Ученые выявили более 500 видов структурных дециловых спиртов, 1500 пространственных изомеров. Для подсчетов используются специальные математические формулы, а при рассмотрении проблем химического явления применяют топологические методы.

Источник

Изомерия

Изомерия (от др.-греч. ἴσος — «равный», и μέρος — «доля, часть») — явление, заключающееся в существовании химических соединений (изомеров), одинаковых по составу и молекулярной массе, но различающихся по строению или расположению атомов в пространстве и, вследствие этого, по свойствам.

Содержание

Исторические сведения

В итоге дискуссии Ю. Либиха и Ф. Вёлера в 1823 году было установлено, что существуют два резко различных по свойствам вещества состава AgCNO — циановокислое (AgNCO (англ.) русск. ) и гремучее (AgONC) серебро. Ещё одним примером послужили винная и виноградная кислоты, после исследования которых Й. Берцелиус в 1830 году ввёл термин «изомерия» и высказал предположение, что различия возникают из-за «различного распределения простых атомов в сложном атоме» (то есть, в современных терминах, молекуле).

Подлинное объяснение изомерия получила лишь во 2-й половине XIX в. на основе теории химического строения А. М. Бутлерова (структурная изомерия) и стереохимического учения Я. Г. Вант-Гоффа (пространственная изомерия).

Структурная изомерия

Структурная изомерия — результат различий в химическом строении. К этому типу относят:

Изомерия углеводородной цепи (углеродного скелета)

Изомерия углеродного скелета, обусловленная различным порядком связи атомов углерода. Простейший пример — бутан СН₃—СН₂—СН₂—СН₃ и изобутан (СН₃)₃СН. Другие примеры: антрацен и фенантрен (формулы I и II, соответственно), циклобутан и метилциклопропан (III и IV).