Структурная и пространственная изомерия

Классификация

Изомерия бывает двух типов:

• структурная – соединения отличаются строением молекул;
• пространственная – одинаковые по составу и строению вещества различаются пространственным расположением атомов.

Описание каждого типа представлено в таблице.

Изомерия	Вид Читайте также: Как найти в Телеграмме группу по названию и другие способы	Определение
Структурная	Углеродного скелета Читайте также: Отслеживание посылок с Алиэкспресс по трек номеру	Изомеры отличаются положением метильной группы -СН3 в углеродной цепи (может присоединяться к любому атому углерода)
Положения	Изомеры отличаются по положению: кратных связей – разное положение двойных связей в молекуле: СН2=СН-СН2-СН3 (бутен-1) и СН3-СН=СН-СН3 (бутен-2); функциональной группы – присоединение группы к любому атому углерода в цепи: СН3-СН2-СН2-СН2ОН (бутанол-1) и СН3-СН2-СНОН-СН3 (бутанол-2); заместителя – перемещение радикала в углеродной цепи: CH3-CHCl-CH2-CH3 (2-хлорбутан) и CH2Cl-CH2-CH2-CH3 (1-хлорбутан)
Межклассовая	Из-за расположения функциональной группы образуется вещество другого класса: CH3-CH2-OH (этанол) и CH3-O-CH3 (диметиловый эфир)
Пространственная	Оптическая или зеркальная Читайте также: Где и как можно легко найти вертолет в ГТА (GTA) 5	Изомеры зеркально отражают друг друга
Геометрическая	Изомеры отличаются положением радикалов относительно плоскости. Характерна для классов веществ, содержащих двойные связи, а также для циклических соединений. Бывает двух типов: цис-изомерия – радикалы находятся по одну сторону плоскости; транс-изомерия – радикалы лежат по разным сторонам плоскости

Чем больше атомов углерода в молекуле, тем больше изомеров может образовывать соединение.

Стереоизомерия

В пространственных изомерах с одинаковой структурной формулой, атомы молекулы ориентированы в пространстве по-разному.

Чем же отличается структурная изомерия от пространственной: первая рассматривает порядок атомов в молекуле на плоскости, а вторая – в объеме.

Стереоизомерия делится на геометрическую (цис-транс) и оптическую.

Цис-транс — изомерия (геометрическая)

Геометрические изомеры присутствуют в веществах, имеющих двойные связи или циклы.

Подразделяют геометрические изомеры относительно плоскости, в которой расположена π-связь или закольцованный цикл.

Изомеры, у которых одинаковые заместители расположены по одну сторону от плоскости называют цис- изомерами.

Соединения, у которых заместители расположены по разные стороны от плоскости π-связь или кольца называют транс- изомерами.

Наглядной иллюстрацией могут служить простейшие геометрические изомеры — бутен-:

Оптическая изомерия

При исследовании веществ с одинаковой структурной формулой на поляриметре было выявлено явление вращения плоскости поляризованного света. Такие вещества получили название оптически активных веществ.

Исследования показали, что молекулы этих веществ хиральны, то есть несовместимы со своим отражением в зеркале. Хиральные вещества присутствуют в виде двух оптических антиподов (энантиомеров), один из которых правовращающий (+), а другой – левовращающий (-).

Определить знак оптического изомера можно с помощью поляриметра.

Причина хиральности состоит в присутствии ассиметрического атома углерода – связанного с четырьмя различными заместителями.

Хиральные молекулы невозможно совместить, так как они зеркально симметричны.

Пример пары стереоизомеров, представляющих зеркальные отражения:

(S)-(+)- Молочная кислота (слева) и (R)-(-)-Молочная кислота (справа).

Для изображения оптических изомеров используют проекционные формулы Э.Фишера.

Видео

Последовательность

Структурные изомеры, характерные для алканов, составляют, используя определенный алгоритм действий. Для того чтобы понять, как составить изомеры насыщенных углеводородов, остановимся на этом вопросе подробнее. Сначала рассматривается прямая углеродная цепочка, не имеющая дополнительных разветвлений. Например, при наличии в молекуле шести углеродных атомов, можно составить формулу гексана. Поскольку у алканов все связи одинарные, для них можно записать только структурные изомеры.

Изомеры гептана

Итак, как оставлять изомеры для вещества, имеющего состав C7H16? Для начала можно расположить все атомы углерода в одну длинную цепочку, добавить для каждого определенное число атомов С. Сколько? Учитывая, что валентность углерода равна четырем, у крайних атомов будет по три атома водорода, а у внутренних – по два. Полученная молекула имеет линейное строение, такой углеводород называют н – гептаном. Буква «н» подразумевает прямой углеродный скелет в данном углеводороде.

Теперь меняем расположение углеродных атомов, «укорачивая» при этом прямую углеродную цепочку в C7H16. Составить изомеры можно в развернутом либо сокращенном структурном виде. Рассмотрим второй вариант. Сначала один атом С расположим в виде радикала метил в разных положениях.

Данный изомер гептана имеет следующее химическое название: 2-метилгексан. Теперь «передвигаем» радикал к следующему углеродному атому. Полученный предельный углеводород называется: 3-метилгексан.

Если мы будем далее передвигать радикал, нумерация будет начинаться с правой стороны (ближе к началу располагается углеводородный радикал), то есть, мы получим такой изомер, который у нас уже есть. Поэтому думая над тем, как составлять формулы изомеров для исходного вещества, попробуем сделать скелет еще «короче».

Оставшиеся два углерода можно представить в виде двух свободных радикалов — метил.

Расположим сначала их у разных углеродов, входящих в главную цепь. Назовем полученный изомер -2,3 диметилпентан.

Теперь оставим один радикал на том же месте, а второй перенесем к следующему углеродному атому главной цепи. Данное вещество называется 2,4 диметилпентан.

Теперь расположим углеводородные радикалы у одного углеродного атома. Сначала у второго, получим 2,2 диметилпентан. Затем у третьего, получив 3,3 диметилпентан.

Теперь оставляем в основной цепи четыре атома углерода, оставшиеся три используем в качестве радикалов метил. Располагаем их следующим образом: два у второго атома С, один – у третьего углерода. Называем полученный изомер: 2,2, 3 триметилбутан.

На примере гептана мы разобрали, как правильно составлять изомеры для предельных углеводородов. На фото представлены примеры структурных изомеров для бутена6 его хлорпроизводных.

Структурная изомерия

Структурные изомеры – химические вещества, при одинаковом качественном и количественном составе различающиеся порядком расположения атомов – строением вещества.

Выделяют шесть видов структурной изомерии:

Изомерия положения кратной связи

При общей формуле пентен имеет два изомера, различающихся расположением двойной связи:

У изомеров положения кратной связи параллельно может быть изомерия углеродного скелета. Для пентена это:

Общее число структурных изомеров пентена равно пяти, из которого два изомера положения двойной связи и три изомера углеродного скелета.

 Изомерия положения функциональной группы

К функциональным группам относятся фрагменты органических соединений, определяющие их свойства.

Для примера: -ОН гидроксильная, -СООН карбоксильная, -NH2 аминогруппа, -CN цианогруппа и другие.

Как выглядит изомерия положения можно рассмотреть на примере пентана и -Cl в качестве функциональной группы:

Хлорпентан имеет 3 положения функциональной группы, которые различаются между собой местом расположения заместителя на углеродной цепи.

Валентная изомерия

Изомеры, которые можно перевести из одного в другой путем перераспределения внутренних связей называют валентными. Внутримолекулярная перегруппировка является не катализируемым и не зависящим от растворителя процессом.

На внутримолекулярные изменения, влияет температура, в случае с бензолом Хюккеля УФ-облучение.

Пример:

бензол – у этого простейшего ароматического углеводорода, известны три валентных изомера:

Бензол Дьюара трансформируется в обычный бензол при t 20°С за 48 часов, при t 90°С для изомеризации достаточно 30 минут.

Преобразование бензола в бензвален (бензол Хюккеля) происходит при его облучении УФ-светом с определенной длиной волны.

Призман – самый нестабильный из изомеров бензола.

 Межклассовая изомерия

Соединения, имеющие общую формулу, могут содержать функциональные группы, относящиеся к разным классам соединений.

Общую формулу имеют два вещества:

Алкины

У соединений, которые принадлежат к данному классу углеводородов, общая формула – СпН2п-2. Среди отличительных характеристик этого класса можно упомянуть наличие тройной связи в молекуле. Одна из них является простой, образованной гибридными облаками. Две связи образуются при перекрывании негибридных облаков, они определяют особенности изомерии данного класса.

Например, для углеводорода состава С5Н8 можно составить формулы веществ, имеющих неразветвленную углеродную цепочку. Поскольку в исходном соединении есть кратная связь, она может располагаться по-разному, образуя пентин-1, пентин-2. Например, можно записать развернутую и сокращенную формулу соединения с заданным качественным и количественным составом, в котором углеродная цепочка будет сокращена на один атом, который будет представлен в соединении в виде радикала. Кроме того, для алкинов существуют и межклассовые изомеры, в качестве которых выступают диеновые углеводороды.

Для углеводородов, которые имеют тройную связь, можно составить изомеры углеродного скелета, написать формулы диенов, а также рассмотреть соединения с разным расположением кратной связи.

Вопросы для самопроверки

1. Какая форма не относится к структурной изомерии?

1. Изомерия положения кратной связи.

2. Межклассовая.

3. Изомерия положения функциональной группы.

4. Оптическая.

2. К какому термину относится это определение: «Это явление существования веществ, у которых одинаковый качественный и количественный состав, но разное строение и свойства»?

1. Тривиальная номенклатура.

2. Гомологический ряд.

3. Изомерия.

3. Какие формы относятся к пространственной изомерии?

1. Цис- и транс-изомерия.

2. Изомерия углеродного скелета и межклассовая изомерия.

3. Изомерия положения функциональной группы и изомерия кратной связи.

4. Транс-изомерия и изомерия углеродного скелета.

4. Какая характеристика не описывает оптическую изомерию?

1. При наложении двух оптических изомеров предмет и его зеркальное отражение совпадают.

2. Наличие асимметрического атома углерода.

3. У атома углерода четыре разных заместителя.

4. Одинаковое химическое строение, но различное положение атомов в пространстве.

5. Как определить, являются ли вещества межклассовыми изомерами?

1. Они из одного класса.

2. По названию.

3. По одинаковой общей формуле.

4. Это невозможно определить.

6. Геометрическая изомерия и цис-транс-изомерия — это…

1. Разные виды.

2. Один и тот же вид.

Теги