Isomeerid, isomeeria

Isomeerid- need on ained, millel on sama kvalitatiivne ja kvantitatiivne koostis, kuid erinev struktuur ja seetõttu erinevad omadused

Isomeeride olemasolu nähtust nimetatakse isomeeria

Näiteks ainel koostisega C 4 H 10 on kaks isomeerset ühendit.

Butaani ja isobutaani füüsikalised omadused on erinevad: isobutaani sulamis- ja keemistemperatuur on madalam kui n.butaanil.

Butaani molekuli kuul-pulgamudel Isobutaani molekuli kuul-pulgamudel

Nende isomeeride keemilised omadused erinevad veidi, kuna neil on sama kvalitatiivne koostis ja molekulis olevate aatomite vaheliste sidemete olemus.

Teise isomeeride määratluse võib anda järgmiselt:

Isomeerid - ained, millel on samad molekulid, kuid erinevad struktuurivalemid.

Isomerismi tüübid

Sõltuvalt isomeeride struktuuri erinevuste olemusest on struktuurne Ja ruumiline isomeeria.

Struktuursed isomeerid- sama kvalitatiivse ja kvantitatiivse koostisega ühendid, mis erinevad aatomite sidumise järjekorra, st keemilise struktuuri poolest.

Struktuurne isomeeria jaguneb:
1.Süsiniku skeleti isomeeria	2.Positsiooniline isomeeria (mitmikside, funktsionaalne rühm, asendaja)	3.Klassidevaheline isomeeria CH3-CH2-NO2 nitroetaan HOOC-CH2-NH2 aminoäädikhape (glütsiin)

Positsiooniisomeeria
mitu ühendust CH2 = CH-CH = CH2 CH3-CH= C= CH2	funktsionaalne rühm CH3-CHON-CH3 CH20H-CH2-CH3	asetäitja CH3-CHCI-CH3 CH2CI-CH2-CH3

Struktuurne isomeeria

	Mitme (kaksik)sideme positsiooni isomeeria: Buteen-1 ja buteen-2
	Süsiniku skeleti isomeeria: Tsüklobutaan ja metüültsüklopropaan
	Klassidevaheline isomeeria: Buteen ja tsüklobutaan

Ruumilised isomeerid (stereoisomeerid)ühesuguse koostise ja sama keemilise struktuuriga erinevad nad molekulis aatomite ruumilise paigutuse poolest

Ruumiline isomeeria jaguneb:
	Iseloomulik kaksiksidet või tsüklilisi sidemeid sisaldavatele ainetele.

Optilisi isomeere nimetatakse ka peegel- või kiraalseteks (nagu vasak ja parem käsi)

Ja viinamarjahape, mille uurimise järel võttis selle termini kasutusele J. Berzelius ISOMEERIA ja pakkus, et erinevused tulenevad "lihtsate aatomite erinevast jaotusest keerulises aatomis" (st. molekulis). Isomerism sai tõese seletuse alles 19. sajandi 2. poolel. põhineb A. M. Butlerovi keemilise struktuuri teoorial (struktuurne isomeeria) ja J. G. Van’t Hoffi stereokeemilisel teoorial (ruumiline isomeeria).

Struktuurne isomeeria

Struktuurne isomeeria on keemilise struktuuri erinevuste tulemus. See tüüp sisaldab:

Süsivesinike ahela isomeeria (süsiniku skelett)

Süsiniku skeleti isomeeria, mis tuleneb süsinikuaatomite erinevast sidemejärjekorrast. Lihtsaim näide on butaan CH3-CH2-CH2-CH3 ja isobutaan (CH3)3CH. Dr. näited: antratseen ja fenantreen (vastavalt I ja II valemid), tsüklobutaan ja metüültsüklopropaan (III ja IV).

Valentsi isomeeria

Valentsisomeeria (struktuurse isomeeria eriliik), mille puhul saab isomeere üksteiseks muundada ainult sidemete ümberjaotamise teel. Näiteks benseeni (V) valentsisomeerid on bitsükloheksa-2,5-dieen (VI, “Dewari benseen”), prismane (VII, “Ladenburgi benseen”) ja bensvaleen (VIII).

Funktsionaalrühma isomeeria

See erineb funktsionaalse rühma olemuse poolest. Näide: etanool (CH3-CH2-OH) ja dimetüüleeter (CH3-O-CH3)

Positsiooniisomeeria

Struktuurse isomeeri tüüp, mida iseloomustavad erinevused identsete funktsionaalrühmade või kaksiksidemete positsioonides samal süsinikuskeletil. Näide: 2-klorobutaanhape ja 4-klorobutaanhape.

Ruumiline isomeeria (stereoisomeeria)

Enantiomeeria (optiline isomeeria)

Ruumiline isomeeria (stereoisomeeria) tekib sama keemilise struktuuriga molekulide ruumilise konfiguratsiooni erinevuste tulemusena. Seda tüüpi isomeerid jagunevad enantiomeeria(optiline isomeeria) ja diastereomeeria.

Enantiomeerid (optilised isomeerid, peegelisomeerid) on ainete optiliste antipoodide paarid, mida iseloomustavad vastupidine märk ja valguse polarisatsioonitasandi identsed pöörlemised koos kõigi muude füüsikaliste ja keemiliste omadustega (välja arvatud reaktsioonid teiste optiliselt aktiivsete ainetega ja füüsikalised omadused). omadused kiraalses keskkonnas). Optiliste antipoodide ilmnemise vajalik ja piisav põhjus on molekuli määramine ühte järgmistest sümmeetria C punktirühmadest n, D n, T, O, I (kiraalsus). Kõige sagedamini räägime asümmeetrilisest süsinikuaatomist, st aatomist, mis on ühendatud näiteks nelja erineva asendajaga:

Asümmeetrilised võivad olla ka teised aatomid, näiteks räni-, lämmastiku-, fosfori- ja väävliaatomid. Asümmeetrilise aatomi olemasolu ei ole enantiomeeria ainus põhjus. Seega on adamantaani (IX), ferrotseeni (X), 1,3-difenüülalleeni (XI) ja 6,6"-dinitro-2,2"-difeenhappe (XII) derivaatidel optilised antipoodid. Viimase ühendi optilise aktiivsuse põhjuseks on atropoisomeeria ehk ruumiline isomeeria, mis on põhjustatud lihtsideme ümber pöörlemise puudumisest. Enantiomeeria ilmneb ka valkude, nukleiinhapete ja heksagelitseeni (XIII) spiraalsetes konformatsioonides.

(R)-, (S)- optiliste isomeeride nomenklatuur (nimetamise reegel)

Asümmeetrilise süsinikuaatomiga C abcd seotud neljale rühmale on määratud erinev prioriteetsus, mis vastab järjestusele: a>b>c>d. Lihtsamal juhul määrab ülimuslikkuse asümmeetrilise süsinikuaatomiga seotud aatomi seerianumber: Br(35), Cl(17), S(16), O(8), N(7), C(6) ), H(1) .

Näiteks bromokloroäädikhappes:

Asümmeetrilise süsinikuaatomi juures olevate asendajate vanemus on järgmine: Br(a), Cl(b), C rühm COOH (c), H(d).

Butanool-2 puhul on hapnik vanem asendaja (a), vesinik on noorem asendaja (d):

Vajalik on lahendada asendajate CH3 ja CH2CH3 küsimus. Sel juhul määrab vanemuse rühma teiste aatomite aatomnumber või arvud. Primaar jääb etüülrühmale, kuna selles on esimene C-aatom seotud teise C(6)-aatomiga ja teiste H(1)-aatomitega, samas kui metüülrühmas on süsinik ühendatud kolme H-aatomiga järjekorranumbriga 1 Keerulisematel juhtudel jätkavad nad kõigi aatomite võrdlemist, kuni jõuavad erineva seerianumbriga aatomiteni. Kui on olemas kaksik- või kolmiksidemed, loetakse nende juures asuvad aatomid vastavalt kaheks ja kolmeks aatomiks. Seega loetakse -COH rühma C (O, O, H) ja -COOH rühma C (O, O, OH); Karboksüülrühm on vanem kui aldehüüdrühm, kuna see sisaldab kolme aatomit aatomnumbriga 8.

D-glütseraldehüüdis on vanim rühm OH(a), millele järgneb CHO(b), CH2OH(c) ja H(d):

Järgmine samm on kindlaks teha, kas rühma paigutus on paremkäeline, R (lat. rectus) või vasakukäeline, S (lat. sinister). Liikudes edasi vastava mudeli juurde, on see orienteeritud nii, et perspektiivvalemis olev alarühm (d) on allosas ja siis ülalt vaadatuna piki telge, mis läbib tetraeedri ja rühma (d) varjutatud tahku. D-glütseraldehüüdi rühmas

asuvad õiges pöörlemissuunas ja seetõttu on sellel R-konfiguratsioon:

(R)-glütseraldehüüd

Erinevalt D,L nomenklatuurist on (R)- ja (S)-isomeeride nimetused sulgudes.

Diastereomeeria

σ-diastereomeeria

Igasugune ruumiliste isomeeride kombinatsioon, mis ei moodusta optiliste antipoodide paari, loetakse diastereomeerseks. On olemas σ ja π diastereomeerid. σ-diasteriomeerid erinevad üksteisest mõne neis sisalduva kiraalse elemendi konfiguratsiooni poolest. Seega on diasteriomeerideks (+)-viinhape ja mesoviinhape, D-glükoos ja D-mannoos, näiteks:

Teatud tüüpi diastereomeeride jaoks on kasutusele võetud spetsiaalsed nimetused, näiteks treo- ja erütroisomeerid - see on diastereomeeria kahe asümmeetrilise süsinikuaatomi ja ruumiga, asendajate paigutus nendel aatomitel, mis meenutab vastavat treoosi (seotud asendajad on Fischeri projektsioonivalemites vastaskülgedel) ja erütroos (asendajad - ühel küljel):

Erütroisomeere, mille asümmeetrilised aatomid on seotud identsete asendajatega, nimetatakse mesovormideks. Erinevalt teistest σ-diastereomeeridest on nad optiliselt passiivsed, kuna molekulisiseselt kompenseeritakse kahest identsest vastupidise konfiguratsiooniga asümmeetrilise keskpunkti valguse polarisatsioonitasapinna pöörlemisest tingitud panus. Diastereomeeride paare, mis erinevad mitmest asümmeetrilisest aatomist ühe konfiguratsiooni poolest, nimetatakse epimeerideks, näiteks:

Termin "anomeerid" viitab diastereomeersete monosahhariidide paarile, mis erinevad tsüklilise vormi glükosiid-aatomi konfiguratsiooni poolest, näiteks α-D- ja β-D-glükoosi anomeerid.

π-diastereomeeria (geomeetriline isomeeria)

π-diasteriomeerid, mida nimetatakse ka geomeetrilisteks isomeerideks, erinevad üksteisest asendajate erineva ruumilise paigutuse poolest kaksiksideme (enamasti C=C ja C=N) või tsükli tasandi suhtes. Nende hulka kuuluvad näiteks maleiin- ja fumaarhapped (vastavalt XIV ja XV), (E)- ja (Z)-bensaldoksiimid (XVI ja XVII), cis- ja trans-1,2-dimetüültsüklopentaanid (XVIII ja XIX) .

Konformeerid. Tautomers

Nähtus on lahutamatult seotud selle vaatluse temperatuuritingimustega. Näiteks klorotsükloheksaan eksisteerib toatemperatuuril kahe konformeeri tasakaalulise seguna - klooriaatomi ekvatoriaalse ja aksiaalse orientatsiooniga:

Küll aga saab miinus 150 °C juures eraldada üksiku a-vormi, mis nendes tingimustes käitub stabiilse isomeerina.

Teisest küljest võivad ühendid, mis on normaalsetes tingimustes isomeerid, osutuda temperatuuri tõustes tasakaalus olevateks tautomeerideks. Näiteks 1-bromopropaan ja 2-bromopropaan on struktuursed isomeerid, kuid kui temperatuur tõuseb 250 °C-ni, tekib nende vahel tautomeeridele iseloomulik tasakaal.

Isomeere, mis muunduvad üksteiseks temperatuuril alla toatemperatuuri, võib pidada mittejäikadeks molekulideks.

Konformeeride olemasolu nimetatakse mõnikord "rotatsiooniisomeeriks". Dieenidest eristatakse s-cis- ja s-trans-isomeere, mis on sisuliselt konformeerid, mis tulenevad pöörlemisest ümber lihtsa (s-üksik) sideme:

Isomerism on iseloomulik ka koordinatsiooniühenditele. Seega on ühendid, mis erinevad ligandide koordineerimismeetodi (ionisatsiooniisomeeria) poolest, isomeersed, näiteks järgmised:

SO 4 - ja + Br -

Sisuliselt on siin analoogia orgaaniliste ühendite struktuurse isomeeriga.

Keemilisi muundumisi, mille tulemusena struktuursed isomeerid muutuvad üksteiseks, nimetatakse isomerisatsiooniks. Sellised protsessid on tööstuses olulised. Näiteks viiakse läbi normaalsete alkaanide isomeerimine isoalkaanideks mootorikütuste oktaanarvu suurendamiseks; pentaan isomeriseerub isopetaaniks, et seejärel dehüdrogeenida isopreeniks. Isomerisatsiooniga kaasnevad ka molekulisisesed ümberkorraldused, millest suur tähtsus on näiteks tsükloheksanoonoksiimi muundamine kaprolaktaamiks, kaproni tootmise tooraineks.

Enantiomeeride vastastikuse muundamise protsessi nimetatakse ratsemiseerimiseks: see viib optilise aktiivsuse kadumiseni (-)- ja (+)-vormide ekvimolaarse segu, st ratsemaadi moodustumise tulemusena. Diastereomeeride omavaheline muundamine viib segu moodustumiseni, milles domineerib termodünaamiliselt stabiilsem vorm. π-diastereomeeride puhul on see tavaliselt trans-vorm. Konformatsiooniliste isomeeride vastastikust muundumist nimetatakse konformatsiooniliseks tasakaaluks.

Isomeeria fenomen aitab suuresti kaasa teadaolevate (ja veelgi enam potentsiaalselt võimalike) ühendite arvu suurenemisele. Seega on struktuursete isomeersete detsüülalkoholide võimalik arv üle 500 (neist on teada umbes 70), tühikuid ja isomeerisid on üle 1500.

Teooria A.M. Butlerov

1. Molekulides olevad aatomid on omavahel teatud järjestuses keemiliste sidemetega seotud vastavalt nende valentsile. Aatomite sidemete järjestust nimetatakse nende keemiliseks struktuuriks. Süsinik kõigis orgaanilistes ühendites on neljavalentne.

2. Ainete omadusi ei määra mitte ainult molekulide kvalitatiivne ja kvantitatiivne koostis, vaid ka nende struktuur.

3. Aatomid või aatomirühmad mõjutavad üksteist vastastikku, mis määrab molekuli reaktsioonivõime.

4. Molekulide struktuuri saab kindlaks teha nende keemiliste omaduste uurimise põhjal.

Orgaanilistel ühenditel on mitmeid iseloomulikke tunnuseid, mis eristavad neid anorgaanilistest. Peaaegu kõik need (harvade eranditega) on tuleohtlikud; Enamik orgaanilisi ühendeid ei dissotsieeru ioonideks, mis on tingitud orgaaniliste ainete kovalentsete sidemete olemusest. Ioonilist tüüpi sidet teostatakse ainult orgaaniliste hapete soolades, näiteks CH3COONa.

Homoloogne seeria- see on lõputu hulk orgaanilisi ühendeid, millel on sarnane struktuur ja seetõttu sarnased keemilised omadused ning mis erinevad üksteisest suvalise arvu CH2-rühmade poolest (homoloogiline erinevus).

Juba enne struktuuriteooria loomist tunti ühesuguse elementaarse koostisega, kuid erinevate omadustega aineid. Selliseid aineid nimetati isomeerideks ja seda nähtust ennast isomeeriks.

Isomeeria alus, nagu näitas A.M. Butlerovi sõnul seisneb erinevus samast aatomite komplektist koosnevate molekulide struktuuris.

Isomerism- see on sama kvalitatiivse ja kvantitatiivse koostisega, kuid erineva struktuuriga ja seetõttu ka erinevate omadustega ühendite olemasolu.

Isomeeriat on kahte tüüpi: struktuurne isomeeria ja ruumiline isomeeria.

Struktuurne isomeeria

Struktuursed isomeerid– ühesuguse kvalitatiivse ja kvantitatiivse koostisega ühendid, mis erinevad aatomite sidumise järjekorra, s.o keemilise struktuuri poolest.

Ruumiline isomeeria

Ruumilised isomeerid(stereoisomeerid), millel on sama koostis ja sama keemiline struktuur, erinevad aatomite ruumilise paigutuse poolest molekulis.
Ruumiisomeerid on optilised ja cis-trans isomeerid (geomeetrilised).

Cis-trans isomeeria

See seisneb võimaluses paigutada asendajaid kaksiksideme või mittearomaatse tsükli tasapinna ühele või vastasküljele. cis-isomeerid asendajad on tsükli või kaksiksideme tasapinna ühel küljel, sisse trans-isomeerid- erinevatel viisidel.

Buteen-2 molekulis CH3–CH=CH–CH3 võivad CH3 rühmad paikneda kas kaksiksideme ühel küljel - cis-isomeeris või vastaskülgedel - trans-isomeeris.

Optiline isomeeria

Ilmub, kui süsinikul on neli erinevat asendajat.
Kui vahetate neist kaks, saate teise sama koostisega ruumilise isomeeri. Selliste isomeeride füüsikalis-keemilised omadused erinevad oluliselt. Seda tüüpi ühendeid eristab nende võime pöörata teatud koguse võrra läbi selliste ühendite lahuse edastatava polariseeritud valguse tasapinda. Sel juhul pöörab üks isomeer polariseeritud valguse tasapinda ühes suunas ja selle isomeer vastupidises suunas. Selliste optiliste efektide tõttu nimetatakse seda tüüpi isomeeriat optiliseks isomeeriks.

Isomeerid- ühesuguse molekulaarse koostisega, kuid erineva keemilise struktuuri ja omadustega ained.

Isomerismi tüübid

I. Struktuurne – seisneb molekuli ahelas olevate aatomite erinevate ühenduste järjestuses:

1) Ahelisomeeria

Tuleb märkida, et hargnenud ahela süsinikuaatomid erinevad teiste süsinikuaatomitega ühenduse tüübi poolest. Seega nimetatakse süsinikuaatomit, mis on seotud ainult ühe teise süsinikuaatomiga esmane, koos kahe teise süsinikuaatomiga – teisejärguline, kolmega – kolmanda taseme, neljaga – kvaternaar.

2) Positsiooniisomeeria

3) klassidevaheline isomeeria

4) Tautomeria

Tautomerism(kreeka keelest ταύτίς - sama ja μέρος - mõõt) on pöörduva isomeeria nähtus, mille puhul kaks või enam isomeeri muunduvad kergesti üksteiseks. Sel juhul luuakse tautomeerne tasakaal ja aine sisaldab samaaegselt kõigi isomeeride molekule teatud vahekorras. Kõige sagedamini hõlmab tautomerisatsioon vesinikuaatomite liikumist molekulis ühest aatomist teise ja tagasi samas ühendis.

Näiteks glükoosi tautomeersed vormid:

1. Glükoosi (aldehüüdalkohol) lineaarne vorm

2. Aatomite ümberpaigutamine ja üleminek glükoosi tsüklilistele vormidele (alha ja beeta)

II. Ruumiline (stereo) – tingitud aatomite või rühmade erinevatest positsioonidest kaksiksideme või tsükli suhtes, välja arvatud ühendatud süsinikuaatomite vaba pöörlemine

Kui süsinikuaatom molekulis on seotud nelja erineva aatomi või aatomirühmaga, näiteks:

siis on võimalik kahe ühesuguse struktuurivalemiga, kuid ruumilise struktuuri poolest erineva ühendi olemasolu. Selliste ühendite molekulid on omavahel seotud objekti ja selle peegelpildina ning on ruumilised isomeerid.

Seda tüüpi isomeeriat nimetatakse optiliseks; isomeere nimetatakse optilisteks isomeerideks või optilisteks antipoodideks:

Optiliste isomeeride molekulid on ruumis kokkusobimatud (nagu vasak ja parem käsi); neil puudub sümmeetriatasand.
Seega

• optilised isomeerid nimetatakse ruumilisteks isomeerideks, mille molekulid on omavahel seotud objektina ja kokkusobimatu peegelpildina.

Aminohapete optilised isomeerid

3. Konformatsiooniline isomeeria

Tuleb märkida, et σ sidemega üksteisega ühendatud aatomid ja aatomirühmad pöörlevad pidevalt sideme telje suhtes, hõivates üksteise suhtes ruumis erinevaid positsioone.