Има няколко вида структурна изомерия:
изомерия на въглероден скелет;
изомерия на позицията на множествените връзки;
изомерия на позицията на функционалните групи.
За извеждане на формули за изомери, които се различават по последователността на връзките на въглеродните атоми в молекулата (изомерия на въглероден скелет):
а) създайте структурна формула за въглероден скелет с нормална структура с даден брой въглеродни атоми;
б) постепенно скъсете веригата (всеки път с един въглероден атом) и извършете всички възможни пренареждания на един или повече въглеродни атоми и по този начин изведете формулите на всички възможни изомери.
ПРИМЕР:Съставете структурните формули на всички изомерни въглеводороди от състава C 5 H 12.
1. Нека създадем формули за въглероден скелет с нормална верига от 5 въглеродни атома.
S – S – S – S – S
2. Нека съкратим веригата с един въглероден атом и извършим всички възможни пренареждания.
S – S – S – S
4. Да се подредим необходимо количествоводородни атоми.
1. CH 3 – CH 2 – CH 2 – CH 2 – CH 3
2. CH 3 – CH – CH 2 – CH 3
3. CH 3 – C – CH 3
За да изведете структурните формули на всички изомери, дължащи се на различни позиции на множество връзки, заместители (халогени) или функционални групи (OH, - COOH, NO 2, NH 2), процедирайте както следва:
премахване на всички структурни изомери, свързани с изомерията на въглеродния скелет;
графично преместете множествена връзка или функционална група до онези позиции, до които това е възможно от гледна точка на четиривалентността на въглерода:
ПРИМЕР:Напишете структурните формули на всички пентени (C 5 H 10).
1. Нека създадем формулите на всички изомери, които се различават по структурата на въглеродния скелет:
а) С – С - С – С – С б) С – С - С – С в) С – С - С
2. Нека преместим множествената връзка за случаи a) и b)
C = C - C – C – C CH 2 = CH – CH 2 – CH 2 – CH 3
A) C – C - C – C – C C – C = C – C – C CH 3 – CH = CH – CH 2 – CH 3
B) C – C - C – C C = C - C – C CH 2 = C – CH 2 – CH 3
C - C = C – C CH 3 - C = CH – CH 3
C – C - C – C C CH 3
C C - C - C = C CH 2 - CH – CH = CH 2
Така за C5H10 са възможни пет изомера.
ПРИМЕР:Съставете структурните формули на всички ароматни въглеводороди от състава C 8 H 10.
В случая на ароматни съединения е възможна изомерия на скелета на страничната верига и изомерия на позицията на заместителите в ароматния пръстен.
1. Нека създадем структурна формула с нормална странична верига:
2. Нека съкратим страничната верига с един въглероден атом и направим възможни пренареждания на CH 3 в бензеновия пръстен.
Има 4 изомера на състава C 8 H 10.
1. Когато изпълнявате упражнения, трябва да обърнете специално внимание на правилното писане на структурните формули на органичните съединения. Най-удобно е да се използват полуразширени (опростени) структурни формули, в които връзките между атомите са обозначени с тирета, с изключение на връзките с водородни атоми. Изгодно е, ако е възможно, да се записват формули с хоризонтално написана въглеродна верига, така че функционалните групи, разположени в края на веригите, да са разположени отдясно, а заместителите при некрайните въглеродни атоми да са разположени под или над въглерода верига:
CH 3 - CH – CH 2 - OH CH 3 – CH 2 – CH - CH 3
CH 2 – CH 2 – C CH 3 - CH – COOH
2. В началните упражнения с формули на ароматни съединения в бензенови пръстени е по-добре да изпишете всички С и Н атоми. В опростено представяне на бензенови пръстени, заместващите атоми и групи трябва да бъдат ясно свързани с атомите на бензеновия пръстен чрез валентни линии.
3. В повечето случаи е препоръчително да се записват неорганични съединения в реакционни уравнения, като се използват структурни или полуразширени структурни формули:
Например: HON вместо H 2 O,
HOSO 3 H вместо H 2 SO 4,
HONO 3 вместо HNO 3
Това не е необходимо, ако такива съединения участват в йонни реакции, например когато киселините реагират с амини, за да образуват соли.
4. Органичните реакции могат да бъдат изразени чрез уравнения, в които се добавят коефициенти и броят на атомите от дясната и лявата страна се изравнява. Често обаче се пишат не уравнения, а реакционни схеми. Това се прави в случаите, когато процесът протича едновременно в няколко посоки или през няколко последователни етапа, например:
Cl 2 CH 3 – CH 2 – CH 2 – Cl + HCl
CH 3 – CH 2 – CH 3
светлина CH 3 – CH – CH 3 + HCl
или NaOH, t 0 C Cu, t 0 C
CH 3 – CH 2 - Cl CH 3 – CH 2 – OH CH 3 – CH = O
Както е показано в примерите, дадени в диаграмите, активният реагент е показан над стрелката. За простота коефициентите от дясната или лявата страна на диаграмата не са изравнени и някои вещества, като например H 2, HCl, H 2 O, Na Cl и др. образуваните по време на реакциите или изобщо не са показани на диаграмите, или са посочени под стрелката със знак минус. Посоката на трансформация на веществата в реакциите е обозначена със стрелка. Реагентите и условията на реакцията, катализаторът и т.н. са посочени над стрелката.
Например:
H 2 O, H 2 SO 4,130 0 C
CH 3 – CH 2 – CH 2 – NO 2 CH 3 – CH 2 – COOH + NH 2 OH* H 2 SO 4
Понякога под стрелката (за предпочитане в скоби) са посочени изходните вещества, които в резултат на взаимодействие помежду си образуват реагент (посочен над стрелката). Например:
R – NH 2 R – OH + N 2 + H 2 O
Следователно в този случай реагентът - азотиста киселина - се образува от натриев нитрит и солна киселина, взети в реакцията. Естествено тук се получава и натриев хлорид NaCl, но това съединение може да не е обозначено в диаграмата като несвързано пряко с процеса. По правило редокс трансформациите на органичните вещества се изобразяват с опростени реакционни схеми, за да се привлече вниманието към окисляването или редукцията на органично съединение; подробностите за трансформациите, съответно на окислителя или редуциращия агент, може да не бъдат отразени в диаграмата.
За тази цел окислителят е представен със символа [O], а редукторът със символа [H] над стрелката. Ако е необходимо, активните реагенти могат да бъдат посочени под стрелката (за предпочитане в скоби).
Например:
CH 3 OH CH 2 = O + H 2 O CH 3 OH CH 2 = O + H 2 O
(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
IN последните години, както в научната, така и в образователната химическа литература, номенклатурата на органичните съединения, разработена от Международния съюз за чиста и приложна химия, номенклатурата IRAS (IUPAC), се използва като систематична; тя обикновено се нарича „международна систематична номенклатура" В учебната литература се използва и рационална номенклатура.
1. Когато започнете да изпълнявате упражнения по номенклатура, първо трябва да проучите този въпрос в учебника, където препоръките за този клас номенклатурни системи са разгледани подробно. Тук са дадени само кратки характеристикидадени са препоръчителни номенклатури и примери.
2. Необходимо е да се обърне внимание на правилното изписване на имената. в наименованията съгласно международната номенклатура числата трябва да се отделят от думите с тирета, а числата от числата със запетаи: 1,4 дибромо – 2,3 – диметилбутен – 2.
Въпреки че е обичайно съставните части на имената да се пишат заедно, по дидактически причини сложните имена могат да бъдат разделени с тирета.
Например: Име
Метилетилпропил изобутилметан може да се напише и се препоръчва да се напише по следния начин: метил - етил - пропил - изобутил - метан.
Когато името се раздели на съставните части, структурата на съединението и неговата формула са по-ясно представени.
ЗАДАЧИ ЗА КОНТРОЛНА РАБОТА
Например, нека вземем въглеводородите от наситените и ненаситените серии.
Определение
Първо, нека разберем какво е явлението изомерия. В зависимост от броя на въглеродните атоми в молекулата е възможно образуването на съединения, които се различават по структура, физични и химични свойства. Изомерията е явление, което обяснява многообразието на органичните вещества.
Изомерия на наситени въглеводороди
Как да съставим изомери, именувайте представители на този клас органични съединения? За да се справим със задачата, нека първо подчертаем отличителните характеристики на този клас вещества. Наситените въглеводороди имат обща формула SpH2n+2, техните молекули съдържат само прости (единични) връзки. Изомерията за представители на метановата серия предполага съществуването на различни органични вещества, които имат еднакъв качествен и количествен състав, но се различават по последователността на подреждане на атомите.
Ако наситените въглеводороди съдържат четири или повече въглеродни атома, за представителите на този клас се наблюдава изомеризъм на въглеродния скелет. Например, можете да създадете формула за вещества на изомери от състава C5H12 под формата на нормален пентан, 2-метилбутан, 2,2-диметилпропан.
Последователност
Структурните изомери, характерни за алканите, се съставят с помощта на специфичен алгоритъм на действие. За да разберем как да съставим изомери на наситени въглеводороди, нека се спрем на този въпрос по-подробно. Първо, разглежда се права въглеродна верига без допълнителни разклонения. Например, ако има шест въглеродни атома в молекула, можете да създадете формулата за хексан. Тъй като всички алкани имат единични връзки, за тях могат да бъдат записани само структурни изомери.
Структурни изомери
За да се съставят формулите на възможните изомери, въглеродният скелет се скъсява с един С атом, той се превръща в активна частица - радикал. Метиловата група може да бъде разположена при всички атоми във веригата, с изключение на най-външните атоми, като по този начин образува различни органични производни на алкани.
Например, можете да формулирате формулата 2-метилпентан, 3-метилпентан. Тогава броят на въглеродните атоми в главната (основната) верига се намалява с още един, което води до две активни метилови групи. Те могат да бъдат поставени при едни и същи или съседни въглеродни атоми, което води до различни изомерни съединения.
Например, можете да създадете формули за два изомера: 2,2-диметилбутан, 2,3-диметилбутан, които се различават по физични характеристики. С последващо скъсяване на основния въглероден скелет могат да се получат други структурни изомери. И така, за въглеводородите от ограничителната серия феноменът на изомерията се обяснява с наличието на единични (прости) връзки в техните молекули.
Характеристики на изомерията на алкените
За да се разбере как се съставят изомери, е необходимо да се отбележат специфичните особености на този клас органични вещества. Имаме общата формула SpN2n. В молекулите на тези вещества, в допълнение към единичната връзка, има и двойна връзка, която влияе върху броя на изомерните съединения. В допълнение към структурната изомерия, характерна за алканите, за този клас може да се разграничи и изомерията на позицията на множествена връзка, междукласова изомерия.
Например за въглеводород със състав C4H8 можете да създадете формули за две вещества, които ще се различават по местоположението на двойната връзка: бутен-1 и бутен-2.
За да разберете как да образувате изомери с обща формула C4H8, трябва да разберете, че в допълнение към алкените, цикличните въглеводороди също имат същата обща формула. Примери за изомери, принадлежащи към циклични съединения, включват циклобутан и метилциклопропан.
В допълнение, за ненаситени съединения от етиленовата серия могат да бъдат написани формулите за геометрични изомери: цис и транс форми. Въглеводородите, които имат двойна връзка между въглеродните атоми, се характеризират с няколко вида изомерия: структурна, междукласова, геометрична.
Алкини
Съединенията, които принадлежат към този клас въглеводороди, имат обща формула - SpN2n-2. Сред отличителните характеристики на този клас е наличието на тройна връзка в молекулата. Една от тях е проста, образувана от хибридни облаци. При припокриване на нехибридни облаци се образуват две връзки, които определят характеристиките на изомерията на този клас.
Например за въглеводород със състав C5H8 можете да създадете формули за вещества, които имат неразклонена въглеродна верига. Тъй като в изходното съединение има множествена връзка, тя може да бъде позиционирана по различен начин, образувайки пентин-1, пентин-2. Например, можете да напишете разширена и съкратена формула за съединение с даден качествен и количествен състав, в който въглеродната верига ще бъде намалена с един атом, който ще бъде представен в съединението като радикал. Освен това за алкините има и междукласови изомери, които са диенови въглеводороди.
За въглеводороди, които имат тройна връзка, можете да създадете изомери на въглеродния скелет, да напишете формули за диени и също така да разгледате съединения с различно разположение на множествената връзка.
Заключение
При съставянето на структурните формули на органичните вещества кислородните и въглеродните атоми могат да бъдат подредени по различни начини, като се получават вещества, наречени изомери. В зависимост от конкретния клас органични съединения броят на изомерите може да варира. Например, въглеводородите от ограничителната серия, които включват съединения от метановата серия, се характеризират само със структурна изомерия.
За етиленовите хомолози, които се характеризират с наличието на множествена (двойна) връзка, в допълнение към структурните изомери е възможно също така да се разгледа изомерията на позицията на множествената връзка. В допълнение, други съединения, които принадлежат към класа на циклоалканите, имат същата обща формула, т.е. възможна е междукласова изомерия.
За кислородсъдържащи вещества, например за карбоксилни киселини, могат да бъдат написани и формулите на оптичните изомери.
Нека да разгледаме примера с алкан C 6 H 14.
1. Първо изобразяваме линейната изомерна молекула (нейния въглероден скелет)
2. След това скъсяваме веригата с 1 въглероден атом и прикрепяме този атом към който и да е въглероден атом на веригата като клон от него, с изключение на крайните позиции:
(2) или (3)
Ако прикрепите въглероден атом към една от крайните позиции, химическата структура на веригата не се променя:
Освен това трябва да се уверите, че няма повторения. Да, структурата
идентичен на структурата (2).
3. Когато всички позиции на основната верига са изчерпани, съкращаваме веригата с още 1 въглероден атом:
Сега ще има 2 въглеродни атома в страничните разклонения. Тук са възможни следните комбинации от атоми:
Страничен заместител може да се състои от 2 или повече въглеродни атома, свързани последователно, но за хексана няма изомери с такива странични разклонения и структурата
идентичен на структурата (3).
Страничен заместител - C-C може да бъде поставен само във верига, съдържаща най-малко 5 въглеродни атома и може да бъде прикрепен само към 3-тия и следващ атом от края на веригата.
4. След изграждането на въглеродния скелет на изомера е необходимо да се допълнят всички въглеродни атоми в молекулата с водородни връзки, като се има предвид, че въглеродът е четиривалентен.
И така, композицията C 6 H 14съответства на 5 изомера:
2) 
3) 
4) 
5) 
Ротационна изомерия на алкани
Характерна особеност s-връзки е, че електронната плътност в тях е разпределена симетрично спрямо оста, свързваща ядрата на свързаните атоми (цилиндрична или ротационна симетрия). Следователно въртенето на атомите около s-връзката няма да доведе до нейното разкъсване. В резултат на вътремолекулно въртене по протежение на C-C s-връзки, молекулите на алкани, започвайки с етан C 2 H 6, могат да приемат различни геометрични форми.
Различни пространствени форми на молекула, които се трансформират една в друга чрез въртене около C–C s-връзки, се наричат конформации или ротационни изомери(конформатори).
Ротационните изомери на една молекула са нейните енергийно неравностойни състояния. Тяхното взаимно преобразуване става бързо и постоянно в резултат на термично движение. Следователно ротационните изомери не могат да бъдат изолирани в индивидуална форма, но съществуването им е доказано с физични методи. Някои конформации са по-стабилни (енергийно изгодни) и молекулата остава в такива състояния за по-дълго време.
Нека разгледаме въртящите се изомери, използвайки етан H 3 C–CH 3 като пример:
Когато една CH 3 група се върти спрямо друга, възникват много различни форми на молекулата, сред които се разграничават две характерни конформации ( АИ б), характеризиращ се с въртене от 60°:
Тези ротационни изомери на етан се различават по разстоянията между водородните атоми, свързани с различни въглеродни атоми.
В конформация АВодородните атоми са близо един до друг (закриват се един друг), отблъскването им е голямо, енергията на молекулата е максимална. Тази конформация се нарича "затъмнена"; тя е енергийно неизгодна и молекулата преминава в конформация б, където разстоянията между Н атомите на различните въглеродни атоми са най-големи и съответно отблъскването е минимално. Тази конформация се нарича "инхибирана", защото тя е енергийно по-благоприятна и молекулата остава в тази форма повече време.
Тъй като въглеродната верига се удължава, броят на различимите конформации се увеличава. По този начин, въртене по централната връзка в n-бутан
води до четири ротационни изомера:
Най-стабилен от тях е конформер IV, в който СН3 групите са максимално отдалечени една от друга. Конструирайте зависимостта на потенциалната енергия на n-бутан от ъгъла на завъртане с ученици на дъската.
Оптична изомерия
Ако въглероден атом в молекула е свързан с четири различни атома или атомни групи, например:
тогава е възможно съществуването на две съединения с еднаква структурна формула, но различни по пространствена структура. Молекулите на такива съединения се отнасят една към друга като обект и негов огледален образ и са пространствени изомери.
Този тип изомерия се нарича оптична; изомерите се наричат оптични изомери или оптични антиподи:
Молекулите на оптичните изомери са несъвместими в пространството (като лявата и дясната ръка); липсва им равнина на симетрия.
По този начин оптичните изомери са пространствени изомери, чиито молекули са свързани една с друга като обект и огледален образ, несъвместим с него.
Оптичните изомери имат еднакви физични и химични свойства, но се различават по връзката си с поляризираната светлина. Такива изомери имат оптична активност (единият от тях завърта равнината на поляризирана светлина наляво, а другият под същия ъгъл надясно). Разлики в химични свойстванаблюдава се само при реакции с оптически активни реагенти.
Оптичната изомерия се проявява в органична материяразлични класове и играе много важна роля в химията на природните съединения.
1. Структурна изомерия.
2. Конформационна изомерия.
3. Геометрична изомерия.
4. Оптична изомерия.
Изомери- това са вещества, които имат еднакъв състав и молекулно тегло, но различни физични и химични свойства. Разликите в свойствата на изомерите се дължат на разликите в тяхната химична или пространствена структура. В тази връзка се разграничават два вида изомерия.
изомерия
структурен
пространствен
въглероден скелет
Конфигурация
Конформационни
Функционална позиция
Оптичен
Междукласни
Геометричен
1. Структурна изомерия
Структурните изомери се различават по химична структура, т.е. природата и последователността на връзките между атомите в молекулата. Структурните изомери се изолират в чист вид. Те съществуват като индивидуални, устойчиви вещества, взаимното им преобразуване изисква голяма енергия - около 350 - 400 kJ/mol. IN динамично равновесиеИма само структурни изомери - тавтомери. Тавтомерията е често срещано явление в органичната химия. Възможно е чрез пренасяне на подвижен водороден атом в молекула (карбонилни съединения, амини, хетероцикли и др.), вътрешномолекулни взаимодействия (въглехидрати).
Всички структурни изомери са представени под формата на структурни формули и са наименувани съгласно номенклатурата на IUPAC. Например, съставът C 4 H 8 O съответства на структурни изомери:
а)с различен въглероден скелет
неразклонена С-верига - CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH=O (бутанал, алдехид) и
разклонена C-верига -
(2-метилпропанал, алдехид) или
цикъл - 
(циклобутанол, цикличен алкохол);
б)с различна позиция на функционалната група
бутанон-2, кетон;
V)с различен състав на функционалната група
3-бутенол-2, ненаситен алкохол;
G)метамеризъм
Хетероатомна функционална група може да бъде включена във въглероден скелет (цикъл или верига). Един от възможните изомери на този тип изомерия е CH3-O-CH2-CH=CH2 (3-метоксипропен-1, етер);
д)тавтомерия (кето-енол)
енолна форма кето форма
Тавтомерите са в динамично равновесие, като в сместа преобладава по-стабилната форма, кетоформата.
За ароматните съединения структурната изомерия се разглежда само за страничната верига.
2. Пространствена изомерия (стереоизомерия)
Пространствените изомери имат еднаква химическа структура и се различават по пространственото разположение на атомите в молекулата. Тази разлика създава разлика във физичните и химичните свойства. Пространствените изомери се изобразяват под формата на различни проекции или стереохимични формули. Разделът от химията, който изучава пространствената структура и нейното влияние върху физичните и химичните свойства на съединенията, върху посоката и скоростта на техните реакции, се нарича стереохимия.
а)Конформационна (ротационна) изомерия
Без да се променят нито ъглите на връзката, нито дължините на връзката, човек може да си представи много геометрични форми (конформации) на молекулата, различаващи се една от друга във взаимното въртене на въглеродните тетраедри около връзката σ-C-C, която ги свързва. В резултат на това въртене възникват ротационни изомери (конформери). Енергията на различните конформери не е еднаква, но енергийната бариера, разделяща различните конформационни изомери, е малка за повечето органични съединения. Следователно, при обикновени условия, като правило, е невъзможно да се фиксират молекули в една строго определена конформация. Обикновено няколко конформационни изомера лесно се трансформират един в друг, съжителстват в равновесие.
Методите за изобразяване и номенклатурата на изомерите могат да бъдат разгледани на примера на молекулата на етана. За него можем да предвидим съществуването на две конформации, които се различават максимално по енергия, което може да се изобрази във формата перспективни проекции(1) („кози за дъскорезница“) или проекции Нов мъж(2):
инхибирана конформация засенчена конформация
В перспективна проекция (1) C-C връзката трябва да си представим отиваща в далечината; Въглеродният атом отляво е близо до наблюдателя, а въглеродният атом отдясно е по-далеч от него.
В проекцията на Нюман (2) молекулата се разглежда заедно S-S връзки. Три линии, отклоняващи се под ъгъл 120° от центъра на кръга, показват връзките на въглеродния атом, който е най-близо до наблюдателя; линиите, които „стърчат“ зад кръга, са връзките на отдалечения въглероден атом.
Показаната вдясно конформация се нарича затъмнен . Това име ни напомня, че водородните атоми на двете СН3 групи са един срещу друг. Затъмнената конформация има повишена вътрешна енергия и следователно е неблагоприятна. Показаната вляво конформация се нарича инхибиран , което означава, че свободното въртене около C-C връзката е „инхибирано“ в тази позиция, т.е. молекулата съществува предимно в тази конформация.
Минималната енергия, необходима за пълно завъртане на молекула около определена връзка, се нарича ротационна бариера за тази връзка. Ротационната бариера в молекула като етан може да се изрази чрез промяната в потенциалната енергия на молекулата като функция от промяната в двустенния (усукващ - τ) ъгъл на системата. Енергийният профил на въртене около C-C връзката в етан е показан на фигура 1. Ротационната бариера, разделяща двете форми на етан, е около 3 kcal/mol (12,6 kJ/mol). Минимумите на кривата на потенциалната енергия съответстват на инхибирани конформации, а максимумите съответстват на оклудирани конформации. Тъй като при стайна температура енергията на някои молекулярни сблъсъци може да достигне 20 kcal/mol (около 80 kJ/mol), тази бариера от 12,6 kJ/mol се преодолява лесно и въртенето в етан се счита за свободно. В смес от всички възможни конформации преобладават инхибираните конформации.
Фиг. 1. Диаграма на потенциалната енергия на конформациите на етана.
За по-сложни молекули броят на възможните конформации се увеличава. Да, за н-бутанът вече може да бъде изобразен в шест конформации, които възникват при въртене около централната C 2 - C 3 връзка и се различават във взаимното разположение на CH 3 групите. Различните затъмнени и инхибирани конформации на бутан се различават по енергия. Инхибираните конформации са енергийно по-благоприятни.
Енергийният профил на въртене около C 2 -C 3 връзката в бутан е показан на фигура 2.
Фиг.2. Диаграма на потенциалната енергия на конформациите на n-бутан.
За молекула с дълга въглеродна верига броят на конформационните форми се увеличава.
Молекулата на алицикличните съединения се характеризира с различни конформационни форми на цикъла (например за циклохексан фотьойл, баня, усукване-форми).
И така, конформациите са различни пространствени форми на молекула, която има определена конфигурация. Конформерите са стереоизомерни структури, които съответстват на енергийните минимуми на диаграмата на потенциалната енергия, намират се в подвижно равновесие и са способни на взаимно преобразуване чрез въртене около прости σ връзки.
Ако бариерата за такива трансформации стане достатъчно висока, тогава стереоизомерните форми могат да бъдат разделени (например оптично активни бифенили). В такива случаи вече не говорим за конформери, а за реално съществуващи стереоизомери.
б)Геометрична изомерия
Геометричните изомери възникват в резултат на отсъствието в молекулата на:
1. въртенето на въглеродните атоми един спрямо друг е следствие от твърдостта на двойната връзка C=C или цикличната структура;
2. две еднакви групи при един въглероден атом на двойна връзка или пръстен.
Геометричните изомери, за разлика от конформерите, могат да бъдат изолирани в чиста форма и да съществуват като отделни, стабилни вещества. За взаимното им преобразуване е необходима по-висока енергия - около 125-170 kJ/mol (30-40 kcal/mol).
Има цис-транс-(Z,E) изомери; цис- формите са геометрични изомери, в които идентични заместители лежат от една и съща страна на равнината на π връзката или пръстена, транс- форми са геометрични изомери, в които идентични заместители лежат от противоположните страни на равнината на π връзката или пръстена.
Най-простият пример са изомерите на бутен-2, който съществува под формата на цис-, транс-геометрични изомери:
цис-бутен-2 транс-бутен-2
температура на топене
138,9°C - 105,6°C
температура на кипене
3.72 0 С 1.00 0 С
плътност
1,2 – дихлорциклопропан съществува под формата на цис-, транс-изомери:
цис-1,2-дихлороциклопропан транс-1,2-дихлороциклопропан
В по-сложни случаи се използва З,Е-номенклатура (номенклатура Канна, Инголд, Прелог - KIP, номенклатура на старшинството на заместниците). Във връзка
1-бромо-2-метил-1-хлоробутен-1 (Br)(CI)C=C(CH3)-CH2-CH3 всички заместители при въглеродните атоми с двойна връзка са различни; следователно това съединение съществува под формата на Z-, E- геометрични изомери:
E-1-бромо-2-метил-1-хлоробутен-1 Z-1-бромо-2-метил-1-хлоробутен-1.
За да посочите конфигурацията на изомера, посочете разположението на старшите заместители при двойна връзка (или пръстен) е Z- (от немското Zusammen - заедно) или Е- (от немското Entgegen - срещуположно).
В системата Z,E заместителите с голям атомен номер се считат за старши. Ако атомите, директно свързани с ненаситените въглеродни атоми, са еднакви, тогава преминете към „втория слой“, ако е необходимо - към „третия слой“ и т.н.
В първата проекция старшите групи са една срещу друга по отношение на двойната връзка, така че това е Е изомер. Във втората проекция, старшите групи са от една и съща страна на двойната връзка (заедно), така че това е Z-изомер.
Геометричните изомери са широко разпространени в природата. Например естествени полимери каучук (цис-изомер) и гутаперча (транс-изомер), естествена фумарова (транс-бутендиова киселина) и синтетична малеинова (цис-бутендиова киселина) киселини, в състава на мазнините - цис-олеинова, линолова, линоленова киселини.
V)Оптична изомерия
Молекулите на органичните съединения могат да бъдат хирални и ахирални. Хиралността (от гръцки cheir - ръка) е несъвместимостта на молекулата с нейния огледален образ.
Хиралните вещества са способни да въртят равнината на поляризация на светлината. Това явление се нарича оптична активност, а съответните вещества са оптически активен. Оптично активните вещества се срещат по двойки оптични антиподи- изомери, чиито физични и химични свойства са еднакви при нормални условия, с изключение на едно нещо - знакът на въртене на равнината на поляризация: един от оптичните антиподи отклонява равнината на поляризация надясно (+, дясновъртящ изомер), другият - наляво (-, лявовъртящ). Конфигурацията на оптичните антиподи може да се определи експериментално с помощта на устройство - поляриметър.
Оптичната изомерия се появява, когато молекулата съдържа асиметричен въглероден атом(има и други причини за хиралността на една молекула). Това е името, дадено на въглеродния атом в sp 3 - хибридизация и свързано с четири различни заместителя. Възможни са две тетраедрични подредби на заместители около асиметричен атом. В този случай две пространствени форми не могат да бъдат комбинирани чрез ротация; единият от тях е огледален образ на другия:
И двете огледални форми образуват двойка оптични антиподи или енантиомери .
Оптичните изомери са изобразени под формата на проекционни формули от Е. Фишер. Те се получават чрез проектиране на молекула с асиметричен въглероден атом. В този случай самият асиметричен въглероден атом в равнината е обозначен с точка, а символите на заместителите, изпъкнали пред равнината на чертежа, са посочени на хоризонталната линия. Вертикалната линия (пунктирана или плътна) показва заместители, които са отстранени извън равнината на чертежа. По-долу са различни начинизаписване на формулата на проекцията, съответстваща на левия модел на предишната фигура:
В проекция основната въглеродна верига е изобразена вертикално; основната функция, ако е в края на веригата, се посочва в горната част на проекцията. Например, стереохимичните и проекционни формули на (+) и (-) аланин - CH 3 - * CH(NH 2) -COOH са представени, както следва:
Смес с еднакво съдържание на енантиомери се нарича рацемат. Рацематът няма оптична активност и се характеризира с физични свойства, различни от енантиомерите.
Правила за трансформиране на проекционни формули.
1. Формулите могат да се завъртат на 180° в чертожната равнина, без да се променя тяхното стереохимично значение:
2. Две (или произволни четен брой) пренареждането на заместителите на един асиметричен атом не променя стереохимичния смисъл на формулата:
3. Едно (или който и да е нечетен брой) пренареждане на заместителите в асиметричния център води до формулата за оптичния антипод:
4. Завъртане на 90° в чертожната равнина превръща формулата в антипод.
5. Въртенето на всеки три заместителя по или обратно на часовниковата стрелка не променя стереохимичния смисъл на формулата:
6. Проекционните формули не могат да бъдат изведени от чертожната равнина.
Оптична активност притежават органични съединения, в чиито молекули други атоми, като силиций, фосфор, азот и сяра, са хирални центрове.
Във формата съществуват съединения с няколко асиметрични въглеродни атома диастереомери , т.е. пространствени изомери, които не представляват оптични антиподи помежду си.
Диастереомерите се различават един от друг не само по оптично въртене, но и по всички други физични константи: имат различни точки на топене и кипене, различна разтворимост и т.н.
Броят на пространствените изомери се определя от формулата на Фишер N=2 n, където n е броят на асиметричните въглеродни атоми. Броят на стереоизомерите може да намалее поради частична симетрия, появяваща се в някои структури. Оптично неактивните диастереомери се наричат мезо-форми.
Номенклатура на оптичните изомери:
а) D-, L- номенклатура
За да се определи D- или L-серията на изомер, конфигурацията (позицията на ОН групата при асиметричния въглероден атом) се сравнява с конфигурациите на енантиомерите на глицералдехид (глицеролов ключ):
L-глицералдехид D-глицералдехид
Използването на D-, L-номенклатурата понастоящем е ограничено до три класа оптически активни вещества: въглехидрати, аминокиселини и хидрокси киселини.
б) R -, S-номенклатура (номенклатура на Кан, Инголд и Прелог)
За да се определи R (дясна) или S (лява) конфигурация на оптичен изомер, е необходимо да се подредят заместителите в тетраедъра (стереохимична формула) около асиметричния въглероден атом по такъв начин, че най-младият заместител (обикновено водород) да има посоката „далече от наблюдателя“. Ако преходът на трите останали заместителя от старши към среден и младши по старшинство се извършва по посока на часовниковата стрелка, това е R-изомер (намаляването на старшинството съвпада с движението на ръката при писане на горната част на буквата R). Ако преходът се случи обратно на часовниковата стрелка, това е S - изомер (намаляващият приоритет съвпада с движението на ръката при писане на върха на буквата S).
За да се определи R- или S-конфигурацията на оптичен изомер с помощта на проекционната формула, е необходимо да се подредят заместителите с четен брой пермутации, така че най-младият от тях да е в долната част на проекцията. Намаляването на старшинството на останалите три заместителя по посока на часовниковата стрелка съответства на R-конфигурацията, а обратно на часовниковата стрелка на S-конфигурацията.
Оптичните изомери се получават по следните методи:
а) изолиране от естествени материали, съдържащи оптически активни съединения, като протеини и аминокиселини, въглехидрати, много хидрокси киселини (винена, ябълчена, бадемова), терпенови въглеводороди, терпенови алкохоли и кетони, стероиди, алкалоиди и др.
б) разделяне на рацемати;
в) асиметричен синтез;
г) биохимично производство на оптически активни вещества.
ЗНАЕШ ЛИ ТОВА
Феноменът на изомерията (от гръцки - азsos - различни и meros - дял, част) открит през 1823 г. J. Liebig и F. Wöhler, използвайки примера на соли на две неорганични киселини: цианова H-O-C≡N и експлозивна H-O-N= C.
През 1830 г. J. Dumas разшири концепцията за изомерията до органичните съединения.
През 1831г терминът "изомер" за органични съединения е предложен от J. Berzelius.
Стереоизомерите на природните съединения се характеризират с различна биологична активност (аминокиселини, въглехидрати, алкалоиди, хормони, феромони, лечебни вещества от естествен произход и др.).
Добре, може би не толкова.
За да преминете през всичко и да не пропуснете нито едно, можете да измислите няколко подхода. Харесвам този: Вземете етен (етилен) CH2 = CH2. Различава се от хептена с 5 въглеродни атома (C5H10). За да сортирате всички възможни изомери, трябва да вземете един водороден атом от етена и да го дадете на фрагмента C5H10. Резултатът е алкил C5H11 и той трябва да бъде добавен към етеновия остатък (етенил CH2=CH-) на мястото на отстранения водород.
1) Самият C5H11 алкил може да има няколко изомера. Най-простият с права верига е CH2-CH2-CH2-CH2-CH3 (пентил или амил). От него и етенила се образува хептен-1 (или 1-хептен, или хепт-1-ен), който просто се нарича хептен CH2=CH-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3.
2a) Ако в пентил преместим един водород от атома C2 към атома C1, получаваме пентил-2 (или 2-пентил, или пент-2-ил) CH3-CH(-)-CH2-CH2-CH3. Тиренцето в скобите означава, че пръчката трябва да бъде изтеглена нагоре или надолу и че тук има несдвоен електрон и това е мястото, където пентил-2 ще се прикрепи към етенила. Резултатът е CH2=CH-CH(CH3)-CH2-CH2-CH3 3-метилхексен-1 или 3-метил-1-хексен или 3-метилхекс-1-ен. Надявам се, че разбирате принципа на образуване на алтернативни имена, така че за съединенията, споменати по-долу, ще дам само едно име.
2b) Ако в пентил преместим един водород от атома C3 към атома C1, получаваме пентил-3 CH3-CH2-CH(-)-CH2-CH3. Комбинирайки го с етенил, получаваме CH2=CH-CH(CH2-CH3)-CH2-CH3 3-етилпентен-1
3a, b) Пентилът е изомеризиран във верига от 4 въглеродни атома (бутил), имаща една метилова група. Тази метилова група може да бъде прикрепена към С2 или С3 атома на бутила. Получаваме съответно 2-метилбутил -CH2-CH(CH3)-CH2-CH3 и 3-метилбутил -CH2-CH2-CH(CH3)-CH3 и добавяйки ги към етенил, получаваме още два изомера C7H14 CH2=CH- CH2-CH(CH3)-CH2-CH3 4-метилхексен-1 и CH2=CH-CH2-CH2-CH(CH3)-CH3 5-метилхексен-1.
4a, b) Сега в бутил преместваме линията към С2 атома, получаваме 2-бутил CH3-CH(-)-CH2-CH3. Но трябва да добавим още един въглероден атом (заменете H с CH3). Ако добавим този метил към един от крайните атоми, получаваме вече обсъдените пентил-3 и пентил-2. Но добавянето на метил към един от средните атоми ще даде два нови алкила CH3-C(CH3)(-)-CH2-CH3 2-метил-2-бутил- и CH3-CH(-)-CH(CH3)- СН3 2-метил-2-бутил-.
Добавяйки ги към етенил, получаваме още два изомера C7H14 CH2=CH-C(CH3)2-CH2-CH3 3,3-диметилпентен-1 и CH2=CH-CH(CH3)-CH(CH3)-CH3 3.4 -диметил -пентен-1.
5) Сега, когато изграждаме алкил, ще оставим верига от 3 въглеродни атома -CH2-CH2-CH3. Липсващите 2 въглеродни атома могат да бъдат добавени или като етил, или като два метила. В случай на добавяне под формата на етил, получаваме вече разгледаните опции. Но два метила могат да бъдат прикрепени или към първия, или един към първия, един към втория въглероден атом, или и двата към втория. В първия и втория случай получаваме вече разгледаните варианти, а в последния получаваме нов алкил -CH2-C(CH3)2-CH3 2,2-диметилпропил и добавяйки го към етенил получаваме CH2=CH-CH2 -C(CH3)2-CH3 4,4-диметилпентен-1.
Така вече са получени 8 изомера. Имайте предвид, че в тези изомери двойната връзка е в края на веригата, т.е. свързва атомите C1 и C2. Такива олефини (с двойна връзка в края се наричат крайни). Терминалните олефини не проявяват цис-транс изомерия.
След това разделяме фрагмента C5H10 на два фрагмента. Това може да стане по два начина: CH2 + C4H8 и C2H4 + C3H6. От фрагментите CH2 и C2H4 може да се конструира само един вариант на алкили (CH3 и CH2-CH3). От C3H6 фрагмента могат да се образуват пропил -CH2-CH2-CH3 и изопропил CH3-CH(-)-CH3.
От C4H8 фрагмента могат да бъдат конструирани следните алкили -CH2-CH2-CH2-CH3 - бутил-1, CH3-CH(-)-CH2-CH3 - бутил-2, -CH2-CH(CH3)-CH3 - изобутил (2-метилпропил) и -C(CH3)2-CH3-трет-бутил (2,2-диметилетил).
За да ги добавим към алкилите, премахваме два водородни атома от молекулата на етена. Това може да стане по три начина: чрез отстраняване на двата водородни атома от един и същ въглероден атом (това ще произведе крайни олефини) или чрез премахване на един от всеки. Във втория вариант тези два водородни атома могат да бъдат отстранени от една и съща страна на двойната връзка (получават се цис изомери) и от различни страни (получават се транс изомери).
CH2=C(CH3)-CH2-CH2-CH2-CH3-2-метилхексен-1;
CH2=C(CH3)-CH(CH3)-CH2-CH3-2,3-диметилпентен-1;
CH2=C(CH3)-CH2-CH(CH3)-CH3-2,4-диметилпентен-1;
CH2=C(CH3)-C(CH3)2-CH3 - 2,3,3-триметил бутен-1.
СН2=С(СН2СН3)-СН2-СН2-СН3-2-етилпентен-1 или 3-метиленхексан;
СН2=С(СН2СН3)-СН(СН3)-СН3-2-етил-3-метилбутен-1 или 2-метил-3-метиленпентан.
CH3-CH=CH-CH2-CH2-CH2-CH3 - хептен-2 (цис и транс изомери);
CH3-CH=CH-CH(CH3)-CH2-CH3 - 4-метилхексен-2 (цис и транс изомери);
CH3-CH=CH-CH2-CH(CH3)-CH3 - 5-метилхексен-2 (цис и транс изомери);
CH3-CH=CH-C(CH3)2-CH3 - 4,4-диметилпентен-2 (цис и транс изомери);
CH3-CH2-CH=CH-CH2-CH2-CH3 - хептен-3 (цис и транс изомери);
CH3-CH2-CH=CH-CH(CH3)-CH3 - 2-метилхексен-3 (цис и транс изомери).
Е, с олефините изглежда всичко. Това, което остава, са циклоалканите.
В циклоалканите няколко въглеродни атома образуват пръстен. Условно може да се разглежда като плосък цикъл. Следователно, ако два заместителя са прикрепени към пръстена (при различни въглеродни атоми), тогава те могат да бъдат разположени от една и съща страна (цис-изомери) или от противоположни страни (транс-изомери) на равнината на пръстена.
Начертайте седмоъгълник. Поставете CH2 във всеки връх. Резултатът беше циклохептан;
Сега начертайте шестоъгълник. Напишете CH2 в пет върха и CH-CH3 в един. Резултатът беше метилциклохексан;
Начертайте петоъгълник. Начертайте CH-CH2-CH3 в единия връх и CH2 в другите върхове. етилциклопентан;
Начертайте петоъгълник. Начертайте CH-CH3 в два върха подред и CH2 в останалите върхове. Резултатът беше 1,2-диметилпентан (цис- и транс-изомери);
Начертайте петоъгълник. В два върха начертайте CH-CH3 през един и CH2 в останалите върхове. Резултатът беше 1,3-диметилпентан (цис- и транс-изомери);
Начертайте четириъгълник. Начертайте CH2 в три върха и CH в един и прикрепете -CH2-CH2-CH3 към него. Резултатът беше пропилциклобутан;
Начертайте четириъгълник. Начертайте CH2 в три върха и CH в един и прикрепете -CH(CH3)-CH3 към него. Резултатът е изопропилциклобутан;
Начертайте четириъгълник. Начертайте CH2 в три върха и C в един и прикрепете към него групите CH3 и CH2-CH3. Резултатът е 1-метил-1-етилциклобутан;
Начертайте четириъгълник. Начертайте CH2 в два върха подред и CH в другите два. Добавете CH3 към единия CH и CH2-CH3 към другия. Резултатът беше 1-метил-2-етилциклобутан (цис и транс изомери);
Начертайте четириъгълник. В два върха начертайте CH2 през единия, а в другите два CH. Добавете CH3 към единия CH и CH2-CH3 към другия. Резултатът беше 1-метил-3-етилциклобутан (цис- и транс-изомери);
Начертайте четириъгълник. На два върха в един ред начертайте CH2, на един CH, на един C. Начертайте CH3 на CH и на C две групи от CH3. Резултатът е 1,1,2-диметилциклобутан;
Органичната химия не е толкова лесна.
Можете да познаете нещо с помощта на логически разсъждения.
И някъде логиката няма да помогне, трябва да се тъпчете.
Както например в този въпрос.
Ето един поглед към формулите:
Въглеводородите, съответстващи на формула C17H14, принадлежат както към алкени, така и към циклоалкани. Следователно, както ви каза Рафаил в коментара, има много от тях. При алкените (вътрешнокласова изомерия) има три вида изомерия: 1). изомерия на позицията на двойната връзка; 2). изомерия на въглероден скелет; 3). и някои алкени имат пространствени цис- и транс-изомери. И циклоалканите в този клас имат изомерия със затворен пръстен, а някои циклоалкани имат цис и транс изомери. Необходимо е да се вземе решение за класа на връзките.
Всъщност има доста от тях, така че няма да ги изброявам всички:
Ето някои от техните представители:
Но все още има много от тях и, честно казано, е много трудно да се запомнят всички представители на всички изомери на този състав.
Не много проста задача или по-скоро не много бърза. Не мога да ви дам всички, но повече от 20 изомера за посочения състав:
Ако задачата ви е да композирате рисунки, тогава ви съчувствам, но намерих няколко изображения с компилирани изомерни вериги:
Като цяло, бъдете силни!
