Цель урока: расширить представление о явлении изомерия. Рассмотреть все типы структурной и пространственной изомерии.
Оборудование: шаростержневые модели молекул.
Ход урока
Организационный момент.
Мы познакомились с номенклатурой органических соединений. Выполним проверку знаний.
Выполнение задания по карточкам (см. Приложение 1).
Проверка выполнения задания. Оценивание.
Изучение нового материала.
Учитель: Что называют явлением изомерия?
Ученик: Изомерия – это явление существования разных веществ с одинаковым качественным и количественным составом, т.е. одинаковой молекулярной формулой.
Учитель: Явление изомерии было открыто Ю. Либихом и Ф. Вёлером в 1823г. Научное обоснование явлению изомерии было дано А. М. Бутлеровым в рамках теории строения.
Учитель: Существует два вида изомерии: структурная и пространственная.
Структурную изомерию различают на:
- Изомерия углеродного скелета.
- Изомерия положения кратной связи.
- Изомерия положения функциональной группы.
- Межклассовая изомерия.
1. Изомерия углеродного скелета.
Составим изомер
2 метилбутан
2. Изомерия положения кратной связи.
Пентен – 1
Составим изомер
Пентен – 2
3. Изомерия положения функциональной группы.
Пентанол – 2
Составим изомер
Пентанол – 3
4. Межклассовая изомерия.
Бутанон – 2
Составим изомер
Бутаналь
Пространственная изомерия подразделяется на:
- Геометрическая изомерия.
- Оптическая изомерия.
Рассмотрим примеры изомерии (учащиеся конспектируют примеры в тетради).
1. Геометрическая изомерия.
Бутен – 2
Заместители могут располагаться либо по одну строну плоскости двойной связи (цис-изомер), либо по разные (транс-изомер).
Составим изомеры
Бутен -2 (цис-изомер)
Бутен-2 (транс-изомер)
2. Оптическая изомерия.
Явление изомерии возникает, если молекула несовместима со своим изображением в зеркале.
Оптическая изомерия а-аминопропионовой кислоты.
Домашнее задание.
Учебник «Химия-10». § 7, стр. 41 вопросы 3,4. Автор О. С. Габриелян.
Список литературы:
- О. С. Габриелян. Учебник «Химия-10». М.: Дрофа, 2005
- О. С. Габриелян. Настольная книга учителя химии. 10 класс. М.: Блик и К, 2001.
- М. Ю. Горковенко. Поурочные разработки по химии. 10 класс. М.: ВАКО, 2005.
Образовывать 4 ковалентных связи не только с атомами углерода, но и с гетероатомами.
Все изомеры делят на:
- Структурные изомеры - изомеры, которые имеют различные структурные формулы, в которых порядок соединений атомов различен;
- Пространственные изомеры (стереоизомеры) - соединения, у которых одинаковый порядок соединения атомов, но различное расположение их в пространстве.
Структурные изомеры делят на 3 группы:
- соединения, в которых расположены различные функциональные группы и которые относятся к различным классам соединений:
- соединения, которые имеют различия в углеродном скелете:
- соединения, в которых есть отличие положения заместителя или кратной связи:
Пространственные изомеры делятся на геометрические и оптические изомеры.
Геометрическая изомерия характерна для соединений, в которых есть двойная связь или цикл. В таких молекулах можно провести условную плоскость, чтобы заместители оказались по одну или по разные стороны от нее. Если заместители находятся на одной стороне, то это цис- изомеры, если на противоположных концах - транс-изомеры.
Геометрические изомеры могут сильно разниться в химических свойствах. Например, поразному вести себя при нагревании, образовывать промежуточные состояния и т.д.
Оптические изомеры - молекулы, зеркальные изображения которых не совместимы друг с другом. Их делят на энантиомеры и диастереомеры.
Если в молекуле есть ассиметрический атом углерода (атом , соединенный с 4-мя различными атомами или группами атомов), то речь идет об энантиомерии . Такие соединения являются зеркальным изображением друг друга. Они имеют одинаковые физические и химические свойства, но отличаются знаком вращения поляризованного света.
Диастереомеры - пространственные изомеры, молекулы которого не являются зеркальным отображение друг друга.
Так как от строения и ориентации молекулы зависят ее свойства. Виды изомерии, а также особенность структуры веществ активно изучаются и по сегодняшний день.
Изомерия и изомеризация: что это такое?
Прежде чем рассматривать основные виды изомерии, необходимо выяснить, что означает этот термин. Принято считать, что изомерия представляет собой явление, когда химические соединения (или изомеры) различаются строением и расположением атомов, но вместе с тем характеризируются одинаковым составом и молекулярной массой.
На самом деле термин «изомеризация» появился в науке не так уж давно. Несколько столетий назад было замечено, что некоторые вещества с одинаковыми показателями и одним и тем же набором атомов различаются своими свойствами.
В качестве примера можно привести виноградную и Кроме того, в начале девятнадцатого века между учеными Ю. Либихом и Ф. Велером завязалась дискуссия. В ходе многочисленных экспериментов было определено, что существует две разновидности вещества с формулой AgCNO — гремучее и циановокислое серебро, которые, несмотря на один и тот же состав, обладают разными свойствами. Уже в 1830 году в науку было введено понятие изомеризации.
В дальнейшем благодаря работам А. Бутлерова и Я. Вант-Гоффа были объяснены явления пространственной и структурной изомерии.
Изомеризация — это специфическая реакция, во время которой наблюдается превращение структурных изомеров друг в друга. В качестве примера можно взять вещества из ряда алканов. Структурные виды изомерии алканов позволяют превращать некоторые вещества в изоалканы. Таким образом, в промышленности повышается топлива. Стоит упомянуть, что такие свойства имеют огромное значение для развития промышленности.
Виды изомерии принято делить на две большие группы.
Структурная изомерия и ее разновидности
Структурная изомерия — это явление, при котором изомеры различаются между собой Здесь выделяют несколько отдельных видов
1. Изомерия углеродного скелета. Такая форма характерна для углеродов и связана с различным порядком связей между атомами углерода.
2. Изомерия по положению функциональной группы. Это явление связано с различным положением функциональной группы или групп в молекуле. В качестве примера можно привести 4-хлорбутановую и 2-хлорбутановую кислоту.
3. Изомерия кратных связей. Кстати, сюда можно отнести самые распространенные виды изомерии алкенов. Изомеры различаются между собой положением ненасыщенной связи.
4. Изомерия функциональной группы. В этом случае общий состав вещества сохраняется, но свойства и характер самой функциональной группы изменяются. В качестве примера можно привести и этанол.
Пространственные виды изомерии
Стереоизомерия (пространственная) связана с различной ориентацией молекул одного и того же строения.
1. Оптическая изомерия (энантиомерия). Такая форма связана с вращением функциональных групп вокруг асимметрической связи. В большинстве случаев вещества имеет асимметрический атом углерода, который связан с четырьмя заместителями. Таким образом, происходит вращение плоскости В результате образуются так называемые зеркальные антиподы и изомеры. Интересно, что последние характеризируются практически одинаковыми свойствами.
2. Диастереомерия. Этим термином обозначают такую пространственную изомерию, в результате которой не образуются вещества-антиподы.
Стоит отметить, что наличие возможных изомеров в первую очередь связано с количеством углеродных связей. Чем длиннее углеродный скелет, тем большее число изомеров может образоваться.
В таких случаях говорят о координативной изомерии положения. У неорганических соединений изомерия положения наблюдалась до сих пор только в очень редких случаях, тогда как в органических веществах она встречается часто. Однако известны многочисленные неорганические комплексные соединения, у которых наблюдается цис-,транс-п ро-странственная изомерия или зеркальная изомерия. Многочисленные примеры этого приведены в т. II.
В данной главе обсуждается важный класс соединений, включающих переходные металлы. Помимо описания свойств координационных комплексных соединений и их роли в биологических системах в учебнике содержится материал по номенклатуре, типам изомерии, теории химической связи и равновесиям комплексообразования. Усвоение правил систематической номенклатуры и возможных проявлений изомерии в этих, по существу, неорганических соединениях должно помочь студентам в их последующем изучении органической химии. Материал по химической связи в координационных соединениях и равновесиям комплексообразования может рассматриваться как повторение, иллюстрация и расширение предшествующего прохождения этих тем.
Нужно отметить, что пространственная изомерия, как и структурная, характерна и для неорганических соединений, в частности комплексных соединений (см. стр. 215-216).
Особое признание координационная теория Вернера получила после открытия им оптической изомерии у неорганических соединений, т. е. способности их в растворах вращать плоскость поляризации.
Углерод способен в соединении с водородом, кислородом и азотом образовывать очень большое число веществ. Для соединений углерода характерно явление изомерии, что очень редко встречается среди неорганических соединений"
Аминолиз проводится в органических или водных средах, а также в смешанных растворителях (при контролируемом pH) . Аминолиз ангидрида можно проводить с высокой селективностью с преимущественным образованием а-изомера. С этой целью необходимо вести процесс при низкой температуре в избытке аминокислоты и в присутствии следующих добавок 1) уксусная кислота , ортофосфорная кислота, угольная кислота 2 смеси слабых кислот и низших алифатических спиртов 3) смеси сильных кислот и спиртов . На практике аминолиз ангидрида аспарагиновой кислоты проводят в водных растворах неорганических соединений .
Стереохимия неорганических соединений касается центральных атомов, имеющих координационное число от двух до девяти. В неорганических соединениях часто необходимо рассматривать не только 5- и р-орбиты, но также (1- и даже /-орбиты. Изомерия, обычная для комплексов металлов, в ряде случаев аналогична изомерии органических соединений, а иногда отличается от нее.
Хроматографические методы используют для аналитических целей, а также при исследовании механизмов реакций, получении чистых неорганических соединений, изучении свойств неорганических соединений в водных растворах и в решении проблем стереохимии. Разделение геометрических изомеров [Со(МНз)4 (N3)2 на окиси алюминия стимулировало применение хроматографии в химии координационных соединений (см. обзоры ). Ледерер и сотр. показали возможность использования хроматографии для изучения комплексов металлов.
В большой степени с первой работой совпадает по содержанию и вторая статья этих же авторов, напечатанная в Журнале Американского химического общества то, что все случаи изомерии, обусловленные присутствием двойной связи, могут быть объяснены различным направлением валентностей, не прибегая к представлению о различии пространственной конфигурации атомов. Говоря о том, что атомы в зависимости от условий могут иметь различные заряды, авторы ссылаются на Рамзая (см. стр. 78) и Нойеса, к которому они примыкают в трактовке гипотезы Томсона применительно к неорганическим соединениям.
В настоящее время экстракцию широко используют для концентрирования одного или нескольких компонентов, разделения близких по свойствам веществ и очистки вещества. Ее применяют в процессах переработки нефти для разделения ароматических и алифатических углеводородов, в химической технологии, в том числе для разделения изомеров, обезвоживания уксусной кислоты, при получении различных лекарственных препаратов, например антибиотиков, и др. Особенно успешно используется экстракция в гидрометаллургии в технологии урана, бериллия, меди, для разделения близких по свойствам металлов - редкоземельных элементов (циркония и гафния, тантала и ниобия), никеля и кобальта и т. д. Экстракционные методы применяют для опреснения воды, переработки промышленных сбросов с целью их обезвреживания, а также использования их полезных компонентов. Наконец, экстракция широко используется в аналитической химии и как метод физико-химического исследования. В настоящее время на основе химических и физико-химических представлений можно подобрать экстрагент для извлечения практически любого органического или неорганического соединения.
Со времени работ Коттона в изучении оптической активности неорганических соединений были достигнуты значительные успехи, в первую очередь благодаря работам Вернера, Егера, Лифшица, Куна и Матье. К числу наиболее существенных достижений последних 20 лет следует отнести, во-первых, разработку новых типов аппаратуры, во-вторых, возможность определения абсолютной конфигурации оптических изомеров опытным путем и, в-третьих, установление связи между оптической активностью и спектральными свойствами молекул.
Для окисления органического комплекса требуется 2 г селитры на 1 л маточника, а для выделения изомеров сульфокислоты антра-хинона - 30 3 селитры на 1 маточника. После суточного отстоя маточника его направляют на нутч-фильтр 3 для отделения органической массы от неорганических соединений ртути, содержащихся в фильтрате. Фильтрат маточника в реакторе 4 обрабатывают раствором сульфида натрия для выделения сульфида ртути. После этого избыток сероводорода отдувают и поглощают раствором едкого натра, а маточник направляют на центрифугу 5 для отделения сульфида ртути от жидкой фазы.
Однако применение идей теории химического строения в неорганической химии представляло определенные трудности. Во-первых, химики должны были оставить ошибочное понятие о постоянной атомности (валентности). Для развития теории строения неорганических соединений это было так же необходимо, как для успешного развития классической теории строения органических соединений было необходимо отказаться от ошибочной гипотезы различия единиц сродства. Во-вторых, в неорганической химии было несравнимо меньше материала по изомерии простых соединений и, следовательно, разработка учения об изомерии и взаимном влиянии атомов встречалась здесь с гораздо большими трудностями, чем в органической химии. В третьих, как мы знаем теперь, теория строения комплексных соединений возникла не только как логическое развитие классической теории химического строения, а еще в большей степени и стереохимии, но и в результате введения новых идей, а также отказа от некоторых положений, вполне справедливых для органических соединений.
Овладение научной терминологией - первый и непременный этап в изучении любой науки. Важнейшая часть профессионального языка химика- точные названия химических веществ. Чтобы дать точное название неорганическому соединению, достаточно указать, как правило, состав его молекулы. В органической же химии из-за широкого распространения явления изомерии этого недостаточно полностью однозначное название органического соединения должно выражать его структурную фор-му.11у.
Этот постулат дал возможность предсказывать структуры и структурные изменения многих новых, пока еще не изученных неорганических соединений. Самое поразительное подтверждение эта идея направленных валентностей получила в возможности объяснять с ее помощью различные изомерные соединения, известные в то время, и предсказывать новые изомеры, полученные в последние годы.
Теория Вернера впоследствии сыграла большую роль при изучении изомерии неорганических соединений, а также в других областях.
Применив представления Вант-Гоффа, А. Вернер в 1893 г. разработал координационную теорию, в основу которой легло представление о пространотвенном строении комплексных соединений. Тан рядом со стереохимией соединений углерода и соединений азота становится теперь стереохимия соединений кобальта и соединений платины, - писал Вернер в 1893 г. Оп показал, что оптической активностью могут обладать и неорганические соединения. Подлинным триумфом стереохимии явилось открытие А. Вернером оптической изомерии комплексных соединений.
В этом указателе перечислены все препараты. Принятая в указателе-система та же, что н в hemi al Abstra ts. Основные принципы ее состоят в следующем 1) все обозначения химических элементоп в формулах расположены в алфавитном порядке, за исключением того, что в органических соединениях на первом месте всегда стоят С, а непосредственно за ним И, если соединение содерл
Так при изменении структуры белка (белковая изомерия), меняется соотношение высоко- и низкоспиновых форм Ре(Ш)ПП. Ядами пероксидаз являются многие соединения особенно СЫ", Н8 , Р". Существует множество механизмов действия пероксидаз, так как они окисляют амины, фенолы, их производные, многие неорганические соединения. Однако из спектральных и кинетических данных следует , что любой механизм будет включать образование пероксидного комплекса (-1ш")(НОО)РеПП, в котором в качестве экстралигандов
Действительно, для большинства неорганических соединений, как известно, важнейшей характеристикой служит состав, выражаемый молекулярной формулой, например H l, H2SO4. В то же время для органических веществ состав и соответственно молекулярная формула не являются однозначными характеристиками, так как одному. и тому же составу может соответствовать значительное количество реально существующих соединений. Это явление было открыто более 150 лет назад и названо изомерией, а различные вещества с одинаковым составом - изомерами. В соответствии со взглядами А. М. Бутлерова различие между изомерами заключается в их различном химическом строении.
Научные исследования охватывают несколько областей химии. Исследовал (с 1870) производные, главным образом галоидные, ацетилена. Впервые получил и описал (1873) трибромэтилен и дииодэтн-лен. Детально изучил (1873) действие брома на ацетилен, азотистые производные ацетилена, действие цинковой пыли на галогенпроизводные алканов. Разработал (1881) метод получения дибром-ацетилена и смешанных галогенпроизводных ацетилена. Одним из первых исследовал изомерию производных гидразина, гидроксиламина и подобных неорганических соединений. Первым применил (1889-1893) и в дальнейшем широко использовал криоскопический метод определения молекулярных масс соединений в коллоидных растворах, в частности кремниевой кислоты и соединений белковой природы (альбумина, альбумозы, пептона и др.).
Исторические сведения. Координационная теория была создана Альфредом Вернером. Она возникла в связи с изучением соединений металлов с аммиаком, состав которых нельзя было объяснить на основании старой теории валентности, т. е. нри попытках отнести их к соединениям первого порядка. Вернер показал, что состав этих и многих других соединений можно объяснить без каких-либо вспомогательных допущений, если только за основу принять положение, что атомы после насыщения их обычных валентностей способны проявить еще дополнительные валентности. Это положение в большинстве случаев является непосредственным выводом из наблюдений так, в неоднократно упоминавшемся примере трехфтористого бора бор присоединяет еще один ион фтора. Для аммиакатов и их производных Вернер сумел также установить существование изомерных соединений с различными конфигурациями и пришел таким образом к установлению понятия о неорганической изожрии и к стереохимии неорганических соединений. Эти стереохимические представления получили поразительное подтверждение благодаря открытию предсказанной на их основе оптической изомерии комплексных соединений, например у комплексных соединений кобальта, хрома, платины (подробнее см. т. П). Основные поло-
В последнее время широко распространилось определение строения сложных неорганических молекул при помощи инфракрасных спектров. Наблюдаемый спектр сравнивают со спектром, рассчитанным для принятой модели с применением математически (на основании теории групп) выведенных правил отбора (т. е. это метод проб и ошибок, ср. с разд. 6.1-6.3). Метод инфракрасной спектроскопии применяли, в частности, для определения строения гидридов бора (разд. 2.5), окислов азота, межгалогенных соединений, изомеров координационных соединений и карбонилов металлов. Так, инфракрасный спектр диборана (ВгНб) состоит из восьми полос, причем все они, по-видимому, основные. Если в структуре имеются мостиковые атомы водорода, то правила отбора предсказывают восемь частот колебаний, активных в инфракрасной области. Аналогичные исследования подтвердили, что в некоторых полиядерных карбонилах имеется два типа групп СО концевые карбонильные группы, поглощающие примерно при 2000 и мостиковые карбонильные группы, которые поглощают при ---1800 сж" . На этом основании Ре2(С0)э - карбонил такого типа - имеет структуру, приведенную на рис. 6.17.
Все перечисленные соединенпя координацпонно изомерны между собой. Число подобных примеров могло бы быть сильно увеличено уже на основании имеющегося экспериментального материала. Нет никакого сомнения, что дальнейшие исследования дадут еще много примеров изомерии простых неорганических соединений.
В литературе опубликовано уже много теоретических работ, которые в рамках различных квантовохимических методов показали, что в ряде случаев изучаемая система представляет собой не химически индивидуальное соединение, но смесь двух или более изомерных структур с относительно близкими энергиями. Это, например, работы , проведенные на полуэмпирическом уровне, а также неэмпирические расчеты . Во всех случаях изучались только малоатомные системы, причем даже так ю изученную проблему, как изомерия озона , нельзя считать исчерпанной. В большинстве случаев была получена информация о структуре отдельных изомеров и глубинах соответствующих минимумов на гиперповерхности потенциальной энергии, а полных данных для термодинамического описания пока не хватает. Ряд результатов получен при теоретическом исследовании взаимосвязей между ротамерами - обзор этих результатов имеется в работе . Примеры квантовохимического исследования изомерии неорганических соединений можно найти в обзоре Лабарра . С целью использования в химии газофазных ионов были проведены квантовохимические исследования , которые продемонстрировали разнообразие изомерии
Для установления формул химического строения простейших неорганических соединений необходимо было такое же последовательное проведение принципов классической теории химического строения, какое имело место в органической химии. Но как раз эта последовательность в применении к более сложным неорганическим соединениям, известным тогда под названием молекулярных, а позднее комплексных, оказалась несостоятельной. Как мы уже говорили в первом разделе, для объяснения существования веществ, не возможных с точки зрения учения о постоянной атомности, Кекуле выдвинул гипотезу, что они представляют собой относительно лабильные соприлегания настоящих химических молекул. Однако вскоре обнаружилось, что эти соединения по всем своим физическим и химическим признакам подобны атомным соединениям, хотя и отличаются иногда некоторым своеобразием. Именно для молекулярных соединений известны были многочисленные случаи изомерии, которые требовали своего объяснения, как это было раньше в органической химии. Молекулярные соединения часто обладают настолько прочнылш связями, что на них, так же как на органические соединения, можно было распространить принцип наименьшего изменения строения во время реакций. Это делало возможным изучение их методами, вырабо-таннылш в органической химии.
Критикой учения об атомности, вернее тех ее сторон, которые этой критики заслуживали, приложением понятий теории пределов к неорганическим соединениям, многочисленными выводами из периодического закона Менделеев подготовил почву для введения в химию понятия о центральном атоме и других положений координационной теории. Необходимо отметить последовательную борьбу Менделеева против разделения неорганических соединений на атомные и молекулярные. Различие здесь количественное, а не качественное... Природа сил и качество явлений, происходящих при образовании прочнейших (т. е. так называемых атомных.-Г. Б.) тел и таких соединений, как кристаллизационные, одни и те же, хотя мора проявления этих сил и другая . Менделеев, кроме того, все время подчеркивал сходство между собой молекулярных соединений, считавшихся принципиально различными, например кристаллогидратов, амлшакатов и двойных солей. Несомненно, что такой единый взгляд на природу молекулярных соединений способствовал созданию теории строения, распространяющейся на все их классы. Возможность присоединения с различной прочностью одних и тех же паев (Л Нз и Н2О) привела Менделеева также к мысли о существовании изомерии молекулярных соединений, обусловленной этой причиной. Наконец, Менделеев способность элементов к образованию молекулярных соединений ставил в зависимость от их положения в периодической системе. Например, наиболее прочные аммиакаты дают, по Менделееву, элементы, находящиеся в середине больших периодов.
В связи с открытием изоморфизма и распространением электрохимической теории химики еш,е немного раньше подошли к вопросу о расположении атомов и их группировок в сложных атомах неорганических соединений. Открытие изомерии усилило интерес к этому вопросу, ибо данное явление, по тогдашним представлениям, касалось всех соединений, как неорганических, так и органических. Понятно, что с признанием изомерии возросло значение этериновой теории Дюма - первой попытки выразить внутреннее строение целой группы органических соединений. Сам Дюма в письме к Амперу с большой смелостью и убедительностью выступает в защиту этериновой теории, видя в ней ключ к решению вопросов изо- [ерии.
Для того чтобы понимать химический текст, иметь возможность научного общения, необходимо ориентироваться в специальных химических терминах. При изучении органической химии важнейшей задачей первичного познания оказывается освоение химического языка и, прежде всего, путей и способов построения названий органических соединений. Если для наименования ионного неорганического соединения достаточно во многих случаях просто перечислить входящие в состав вещества элементы и указать их валентность, то в органической химии, где связи между атомами в большинстве ковалентны, для веществ с одинаковым составом оказывается возможным явление изомерии и, следовательно, по элементарному составу вещества, как правило, невозможно получить сколько-нибудь однозйачное представ- ление о его строении и свойствах. Таким образом, при переходе от мира ионов к миру молекул с ковалентными связями на первый план выходит совокупность правил, позволяющих точно указывать последовательность связей атомов, в том числе и в трехмерном пространстве.
Другой род изомерии - метамерия так же свойственен неорганическим соединениям, как и органическим, хотя п встречается здесь гораздо реже, что зависит, между прочим, от особой природы углерода. К метамерам принадлежат, наиример, сернокнслая закись
Явление изомерии. При исследовании неорганических соединении молекулярная формула чаще всего служит точной визитной карточкой соединения. Формула H2SO4 несомненно является формулой серной кислоты, NaH Oa - бикарбоната натрия и т. д. Иное дело в органической химии одну и ту же молекулярную формулу могут иметь разные вещества. Так, формулу СгНеО имеют два вещества газ, называемый диметиловым эфиром, и жидкость - этиловый спирт. Формулу С4Н8О имеет 21 вещество
>> Химия: Изомерия и ее виды
Различают два вида изомерии: структурную и пространственную (стереоизомерию). Структурные изомеры отличаются друг от друга порядком связи атомов в молекуле, стерео-изомеры - расположением атомов в пространстве при одинаковом порядке связей между ними.
Выделяют следующие разновидности структурной изомерии: изомерию углеродного скелета, изомерию положения, изомерию различных классов органических соединений (межклассовую изомерию).
Структурная изомерия
Изомерия углеродного скелета обусловлена различным порядком связи между атомами углерода , образующими скелет молекулы. Как уже было показано, молекулярной формуле С4Н10 соответствуют два углеводорода: н-бутан и изобутан. Для углеводорода С5Н12 возможны три изомера: пентан, изо-пентан и неопентан.
С увеличением числа атомов углерода в молекуле число изомеров быстро растет. Для углеводорода С10Н22 их уже 75, а для углеводорода С20Н44 - 366 319.
Изомерия положения обусловлена различным положением кратной связи, заместителя, функциональной группы при одинаковом углеродном скелете молекулы:
Изомерия различных классов органических соединений (межклассовая изомерия) обусловлена различным положением и сочетанием атомов в молекулах веществ, имеющих одинаковую молекулярную формулу, но принадлежащих разным классам. Так, молекулярной формуле С6В12 соответствует ненасыщенный углеводород гексен-1 и циклический циклогексан:
Изомеры этого типа содержат различные функциональные группы и относятся к разным классам веществ. Поэтому они отличаются по физическим и химическим свойствам значительно больше, чем изомеры углеродного скелета или изомеры положения.
Пространственная изомерия
Пространственная изомерия подразделяется на два вида: геометрическую и оптическую.
Геометрическая изомерия характерна для соединений, содержащих двойные связи, и циклических соединений. Так как свободное вращение атомов вокруг двойной связи или в цикле невозможно, заместители могут располагаться либо по одну сторону плоскости двойной связи или цикла (цис-положение), либо по разные стороны (транс-положение). Обозначения цис- и транс- обычно относят к паре одинаковых заместителей.
Геометрические изомеры различаются по физическим и химическим свойствам.
Оптическая изомерия возникает, если молекула несовместима со своим изображением в зеркале. Это возможно, когда у атома углерода в молекуле четыре различных заместителя. Этот атом называют асимметрическим. Примером такой молекулы является молекула а-аминопропионовой кислоты (а-аланин) СН3СН(КН2)СООН.
Как видно, молекула а-аланина ни при каком перемещении не может совпасть со своим зеркальным отображением. Такие пространственные изомеры называются зеркальными, оптическими антиподами, или энантиомерами. Все физические и практически все химические свойства таких изомеров идентичны.
Изучение оптической изомерии необходимо при рассмотрении многих реакций, протекающих в организме. Большинство этих реакций идет под действием ферментов - биологических катализаторов. Молекулы этих веществ должны подходить к молекулам соединений, на которые они действуют, как ключ к замку, следовательно, пространственное строение, взаимное расположение участков молекул и другие пространственные факторы имеют для течения этих реакций большое значение. Такие реакции называют стереоселективными.
Большинство природных соединений являются индивидуальными энантиомерами, и их биологическое действие (начиная от вкуса и запаха и кончая лекарственным действием) резко отличается от свойств их оптических антиподов, полученных в лаборатории. Подобное различие в биологической активности имеет огромное значение, так как лежит в основе важнейшего свойства всех живых организмов - обмена веществ .
Какие виды изомерии вы знаете?
Чем отличается структурная изомерия от пространственной?
Какие из предлагаемых соединений являются:
а) изомерами;
б) гомологами?
Дайте всем веществам названия.
4. Возможна ли геометрическая (цис-, транс) изомерия для: а) алканов; б) алкенов; в) алкинов; г) циклоалканов?
Объясните, приведите примеры.