Химическое строение изомеров. Структурные изомеры

Лекции для студентов педиатрического факультета

Лекция 2

Тема: Пространственное строение органических соединений

Цель: знакомство с видами структурной и пространственной изомерии органических соединений.

План:

Классификация изомерии.

Структурная изомерия.

Пространственная изомерия

Оптическая изомерия

Первые попытки понять строение органических молекул относятся к началу XIX в. Впервые явление изомерии открыл Й. Берцелиус, а А. М. Бутлеров в 1861 г. предложил теорию химического строения органических соединений, которая объяснила явление изомерии.

Изомерия – существование соединений с одинаковым качественным и количественным составом, но разным строением или расположением их в пространстве, а сами вещества называются изомерами.

Классификация изомеров

Структурная

(различный порядок соединения атомов)

Стереоизомерия

(различное расположение атомов в пространстве)

Положения кратной связи

Положения функциональной группы

Конфигура

Конформа-

Структурная изомерия .

Структурные изомеры – это изомеры, имеющие одинаковый качественный и количественный состав, но отличающиеся химическим строением.

Структурная изомерия обуславливает многообразие органических соединений, в частности алканов. С увеличением числа атомов углерода в молекулах алканов быстро возрастает количество структурных изомеров. Так, для гексана (С 6 Н 14) оно равно 5, для нонана (С 9 Н 20) – 35.

Атомы углерода различаются по месту положения в цепи. Атом углерода, стоящий в начале цепи, связан с одним атомом углерода и называется первичным. Атом углерода, связанный с двумя атомами углерода – вторичным , с тремя – третичным , с четырьмя – четвертичным . В молекулах алканов с неразветвленной цепью содержатся только первичные и вторичные атомы углерода, а в молекулах алканов с разветвлённой цепью и третичные и четвертичные.

Виды структурной изомерии.

Метамеры – соединения, относящиеся к одному классу соединений, но имеющие различные радикалы:

Н 3 С – О – С 3 Н 7 – метилпропиловый эфир,

Н 5 С 2 – О – С 2 Н 5 – диэтиловый эфир

Межклассовая изомерия. При одном и том же качественном и количественном составе молекул, строение веществ различное.

Например: альдегиды изомерны кетонам:

Алкины – алкадиенам

Н 2 С = СН – СН = СН 2 бутадиен -1,3 НС = С - СН 2 – СН 3 – бутин-1

Структурная изомерия обусловливает и многообразие углеводородных радикалов. Изомерия радикалов начинается с пропана, для которого возможны два радикала. Если атом водорода отнять от первичного атома углерода, то получится радикал пропил (н-пропил). Если атом водорода отнять от вторичного атома углерода, то получится радикал изопропил

изопропил

СН 2 – СН 2 – СН 3 - пропил

Пространственная изомерия (стереоизомерия)

Это существование изомеров, имеющих одинаковый состав и порядок соединения атомов, но отличающихся характером расположения атомов или групп атомов в пространстве относительно друг друга.

Этот вид изомерии описали Л. Пастер (1848), Я. Вант-Гофф, Ле Бель (1874).

В реальных условиях сама молекула и её отдельные части (атомы, группы атомов) находятся в состоянии колебательно – вращательного движения и это движение сильно изменяет взаимное расположение атомов в молекуле. В это время происходит растяжение химических связей и изменение валентных углов и таким образом возникают различные конфигурации и конформации молекул.

Поэтому пространственные изомеры делятся на два вида: конформационные и конфигурационные.

Конфигурации – это порядок расположения атомов в пространстве без учета различий, которые возникают в результате вращения вокруг одинарных связей. Эти изомеры существуют в виде различных конформаций.

Конформации – очень неустойчивые динамические формы одной и той же молекулы, которые возникают в резцльтате вращения атомов или групп атомов вокруг одинарных связей, в результате чего атомы занимают различное пространственное положение. Каждая конформация молекулы характеризуется определённой конфигурацией.

б-связь допускает вращение вокруг неё, поэтому одна молекула может иметь множество конформаций. Из множества конформаций во внимание принимают только шесть, т.к. за минимальный угол поворота считают угол равный 60 о, который называется торсионным углом.

Различают: заслоненную и заторможенную конформации.

Заслонённая конформация возникает в том случае, если одинаковые заместители расположены на минимальном расстоянии друг от друга и между ними возникают силы взаимного отталкивания, и молекула должна обладать большим запасом энергии, чтобы сохранить эту конформацию. Эта конформация энергетически невыгодна.

Заторможенная конформация – возникает в том случае, если одинаковые заместители максимально удалены друг от друга и молекула обладает минимальным запасом энергии. Эта конформация энергетически выгодна.

Первое соединение, для которого известно существование конформационных изомеров, является этан. Его строение в пространстве изображается перспективной формулой или формулой Ньюмена:

С 2 Н 6

заслонённая заторможенная

конформация конформация

Проекционные формулы Ньюмена.

Ближайший к нам атом углерода обозначают точкой в центре круга, круг изображает удаленный атом углерода. Три связи каждого атома изображают в виде линий, расходящихся из центра круга – для ближнего атома углерода и маленькие – для удаленного атома углерода.

Вдлинных углеродных цепях вращение возможно вокруг несколькихС – С связей. Поэтому вся цепь может принимать разнообразные геометрические формы. По рентгенографическим данным длинные цепи насыщенных углеводородов имеют зигзагообразную и клешневидную конформации. Например: пальмитиновая (С 15 Н 31 СООН) и стеариновая (С 17 Н 35 СООН) кислоты в зигзагообразных конформациях входят в состав липидов клеточных мембран, а молекулы моносахаридов в растворе принимают клешневидную конформацию.

Конформации циклических соединений

Для циклических соединений характерно угловое напряжение, связанное с наличием замкнутого цикла.

Если считать циклы плоскими, то для многих из них валентные углы будут значительно отклоняться от нормального. Напряжение, вызванное отклонением валентных углов между атомами углерода в цикле от нормального значения, называют угловым или байеровским.

Например, в циклогексане атомы углерода находятся в sp 3 - гибридном состоянии и соответственно валентный угол должен быть равным 109 о 28 / . Если бы атомы углерода лежали бы в одной плоскости, то в плоском цикле внутренние валентные углы были бы равны 120 о, а все атомы водороданаходились бы в заслоненной конформации. Но циклогексан не может быть плоским из-за наличия сильных углового и торсионного напряжений. У него возникают менее напряженные неплоские конформации за счет частичного поворота вокруг ϭ-связей, среди которых более устойчивыми являются конформации кресла и ванны.

Наиболее энергетически выгодной является конформация кресла, т.к в ней отсутствуют заслоненные положения атомов водорода и углерода. Расположение атомов Н у всех атомов С такое же, как в заторможенной конформации этана. В этой конформации все атомы водорода открыты и доступны для реакций.

Конформация ванны менее энергетически выгодная, так как у 2-х пар атомов С (С-2 и С-3), (С-5 и С-6), лежащих в основании, атомы Н находятся в заслонённой конформации, поэтому эта конформация обладает большим запасом энергии и неустойчива.

С 6 Н 12 циклогексан

Форма «кресла» более энергетически выгодна, чем «ванна».

Оптическая изомерия.

В конце XIX века было обнаружено, что многие органические соединения способны вращать плоскость поляризованного луча влево и вправо. Т. е. световой луч, падающий на молекулу вступает во взаимодействие с её электронными оболочками, при этом происходит поляризация электронов, что приводит к изменению направления колебаний в электрическом поле. Если вещество вращает плоскость колебаний по часовой стрелке, его называют правовращающим (+), если против часовой стрелки – левовращающим (-). Эти вещества были названы оптическими изомерами. Оптически активные изомеры содержат ассиметричный атом углерода (хиральный) – это атом, содержащий четыре разных заместителя. Вторым важным условием является отсутствие всех видов симметрии (оси, плоскости). К ним относятся многие окси- и аминокислоты

Исследования показали, что такие соединения отличаются порядком расположения заместителей у атомов углерода в sp 3 - гибридизации.

Простейшим соединением является молочная кислота (2-гидроксипропановая)

Стереоизомеры, молекулы которых относятся между собой как предмет и несовместимое с ним зеркальное отображение или как левая и правая рука называются энантиомерами (оптические изомеры, зеркальные изомеры, антиподы, а явление называется энантиомерией. Все химические и физические свойства энантиомеров одинаковы, кроме двух: вращение плоскости поляризованного света (в приборе поляриметре) и биологическая активность.

Абсолютную конфигурацию молекул определяют сложными физико-химическими методами.

Относительную конфигурацию оптически активных соединений определяют путем сравнения со стандартом глицеринового альдегида. Оптически активные вещества, имеющие конфигурацию правовращающего или левовращающего глицеринового альдегида (М. Розанов, 1906), называются веществами D- и L-ряда. Равная смесь право- и левовращающих изомеров одного соединения называется рацематом и оптически неактивна.

Исследования показали, что знак вращения света нельзя связывать с принадлежностью вещества к D- и L-рядам, его определяют только экспериментально в приборах – поляриметрах. Например, L-молочная к-та имеет угол вращения +3,8 о, D- молочная к-та - 3,8 о.

Энантиомеры изображают с помощью формул Фишера.

Углеродная цепь изображается вертикальной линией.

Вверху ставится старшая функциональная группа, внизу младшая.

Ассиметричный атом углерода изображается горизонтальной линией, на концах которой стоят заместители.

Количество изомеров определяются по формуле 2 n , n – число асимметрических атомов углерода.

L-ряд D-ряд

Среди энантиомеров могут быть симметричные молекулы, не обладающие оптической активностью, и называются мезоизомерами.

Например: Винная к-та

D – (+) – ряд L – (–) – ряд

Мезовинная к-та

Рацемат – виноградная к-та

Оптические изомеры, не являющиеся зеркальными изомерами, отличающиеся конфигурацией нескольких, но не всех асимметрических атомов С, обладающие различными физическими и химическими св-вами, наз-ся -ди -а -стереоизомерами.

-Диастереомеры (геометрические изомеры) – это стереомеры, имеющие в молекуле -связь. Они встречаются у алкенов, непредельных высших карбоновых к-т, непредельных дикарбоновых к-т. Например:

Цис-бутен-2 Транс-бутен-2

Биологическая активность органических вещ-в связана с их строением. Например:

Цис-бутендиовая к-та, Транс-бутендиовая к-та,

малеиновая к-та – фумаровая к-та – не ядовита,

очень ядовита содержится в организме

Все природные непредельные высшие карбоновые к-ты являются цис-изомерами.

). Изомеризация приводит к получению соединения с иным расположением атомов или групп, но при этом не происходит изменение состава и молекулярной массы соединения. В литературе изомеризацию часто называют перегруппировкой, в некоторых случаях, в соответствии с традицией, это именные реакции.

Наиболее известный катализатор перестройки углеводородного скелета – AlCl 3 , в присутствии этого катализатора осуществляют превращение линейных углеводородов в разветвленные (см . рис. 1, реакция 1), проводят перестройку циклических углеводородов (см . рис. 1, реакция 2), получают из полициклических соединений углеводородные каркасы (см . рис. 1, реакция 3). Этот же катализатор приводит к перемещению функциональных групп в молекуле (см . рис. 1, реакция 4)

Рис. 1. Изомеризация углеводородного скелета и перемещение функциональных групп

Изменение положения кратных связей проходит при нагревании, часто в присутствии щелочи (см . рис. 2, реакции 1, 2), возможно также перераспределение кратных связей, когда тройная связь переходит в две двойные связи – реакция Фаворского (см . рис. 2, реакция 3). У галогенированных ненасыщенных соединений происходит одновременное перемещение кратной связи и атома галогена (см . рис. 2, реакция 4).

Рис. 2. Перемещение кратных связей и атомов галогена

Изомеризация кислородсодержащих соединений часто приводят к изменению природы функциональной группы, например, превращение простой эфирной связи в альдегидную группу (см . рис. 3, реакция 1), или в гидроксильную (см . рис. 3, реакция 2).

Рис. 3. Изомеризация О-содержащих соединений.

Существуют примеры изомеризации N- и Р-содержащих соединений, проходящей обычно с участием атома кислорода. В подобных перестройках молекул помимо перемещения O, N и P-атомов происходит изменение положения некоторых атомов водорода или органических групп.

При перегруппировке Бекмана (см . рис. 4, реакция 1) гидроксильная группа превращается в карбонильную. Другой вариант перегруппировки Бекмана (см . рис. 4, реакция 2) сопровождается расширением цикла.

При бензидиновой перегруппировке происходит миграция атомов азота и водорода (см . рис. 4, реакция 3)

Реакция Арбузова превращает трехвалентный атом фосфора в пятивалентный, одновременно происходит образование Р-С – связи (см . рис. 4, реакция 4).

Рис. 4. Изомеризация O, N и Р-содержащих соединений

Изомеризация обычно идет в том направлении, которое приводит к соединению, более стабильному в условиях данного опыта. Некоторые изомеризационные процессы при изменении типа катализатора или условий опыта обратимы.

Применение изомеризации.

Переработка нефтяных продуктов (пиролиз, крекинг) обычно сопровождается изомеризацией линейных углеводородов в соединения с разветвленной цепью, которые имеют более высокое октановое число. Из продукта изомеризации хлорированного бутена (см . рис. 2, реакция 4) получают бензостойкий каучук хлоропрен.

Перегруппировку Бекмана применяют для промышленного синтеза капролактама (см . рис. 4, реакция 2), из которого получают поликапролактам (капрон). Бензидиновую перегруппировку (см . рис. 4, реакция 3) используют для получения соединений, применяемых в производстве азокрасителей. Реакция Арбузова (см . рис. 4, реакция 4) позволяет получать соединения со связью С-Р, на основе которых производят пестициды.

Михаил Левицкий

И греческий μέρος - доля, часть), явление, заключающееся в существовании химических соединений одинаковых по составу с одинаковой молекулярной массой, но различающихся по структуре. Такие соединения называются изомерами. Структурные различия обусловливают различное взаимное влияние атомов в молекулах и предопределяют разные физические и химические свойства изомеров. Изомерия чрезвычайно распространена в органической химии и является одной из основных причин разнообразия и многочисленности органических соединений. В неорганической химии изомерия встречается в основном для комплексных соединений.

Термин «изомерия» ввёл Й. Берцелиус в 1830 году, завершая полемику между Ю. Либихом и Ф. Вёлером по вопросу существования двух резко отличающихся по свойствам веществ, имеющих один и тот же состав AgCNO, - цианата и фульмината серебра и опираясь на результаты исследований винной и виноградной кислот. Сущность изомерии была объяснена позднее на основе теории химического строения.

Выделяют два основных вида изомерии: структурную и пространственную (стереоизомерию). Структурные изомеры различаются порядком связей атомов в молекуле, то есть химическим строением. Стереоизомеры (пространственные изомеры) при одинаковом порядке связей атомов в молекуле различаются взаимным расположением атомов в пространстве.

Структурная изомерия подразделяется на изомерию углеродного скелета (скелетную изомерию), изомерию положения (позиционную изомерию), метамерию и другие виды. Изомерия углеродного скелета обусловлена различным порядком связей углеродных атомов, образующих скелет молекулы. Для конкретизации структурных особенностей изомеров скелетная изомерия подразделяется на изомерию углеродной цепи, изомерию цикла и изомерию боковой цепи. Например, изомерия углеродной цепи характерна для алканов начиная с четвёртого члена гомологического ряда С 4 Н 10 , который имеет два структурных изомера: н-бутан СН 3 -СН 2 -СН 2 -СН 3 и изобутан (2-метилпропан) СН 3 -СН(СН 3)-СН 3 . Пятый член ряда алканов С 5 Н 12 имеет три изомера: СН 3 -СН 2 -СН 2 -СН 2 -СН 3 - н-пентан, СН 3 -СН(СН 3)-СН 2 -СН 3 - изопентан (2-метилбутан) и неопентан (2,2-диметилпропан) СН 3 -С(СН 3) 2 -СН 3 . С удлинением цепи число возможных изомеров быстро возрастает. Так, для алканов состава С 10 Н 22 возможно существование 75 структурных изомеров, для С 13 Н 28 - 802 изомеров, для С 20 Н 42 - более 366 тысяч изомеров. Для алициклических соединений характерны изомерия цикла и изомерия боковой цепи. Например, среди скелетных изомеров (формулы I-IV) метилциклопентан (I), циклогексан (II) и пропилциклопропан (III) являются циклическими изомерами, а пропилциклопропан (III) и изопропилциклопропан (IV) - изомерами боковой цепи. Различия в свойствах скелетных изомеров проявляются в разнице их температур кипения (изомеры с нормальной углеродной цепью кипят при более высокой температуре, чем изомеры с разветвлённой цепью), плотности и др. н-Алканы, например, в отличие от разветвлённых изомеров обладают меньшей детонационной стойкостью (смотри в статье Октановое число), образуют комплексы с мочевиной (клатраты).

Изомерия положения обусловлена различным положением функциональных групп, заместителей или кратных связей. Например, изомерами положения являются 1-пропанол СН 3 -СН 2 -СН 2 ОН и 2-пропанол СН 3 -СН(ОН)-СН 3 , 1-бутен СН 2 =СН-СН 2 -СН 3 и 2-бутен СН 3 -СН=СН-СН 3 . Изменение положения функциональной группы может приводить к изменению класса соединения. Например, изомеры положения ацетон СН 3 -С(О)-СН 3 и пропаналь СН 3 -СН 2 -СНО относятся соответственно к кетонам и альдегидам. Структурные изомеры с разными функциональными группами сильно различаются по химическим свойствам.

Метамерия обусловлена различным положением гетероатома (О, N, S) в цепи. Например, метамерами являются метилпропиловый эфир СН 3 О-СН 2 -СН 2 -СН 3 и диэтиловый эфир СН 3 -СН 2 -О-СН 2 -СН 3 , диэтиламин СН 3 -СН 2 -NH-СН 2 -СН 3 и СН 3 -NH-СН 2 -СН 2 -СН 3 - метилпропиламин.

Часто различия в изомерах определяют несколько структурных признаков. Например, метилизопропилкетон (3-метил-2-бутанон) СН 3 -С(О)-СН(СН 3) 2 и валериановый альдегид (пентаналь) СН 3 -СН 2 -СН 2 -СН 2 -СНО отличаются друг от друга как структурой углеродного скелета, так и положением функциональной группы.

Особым видом структурной изомерии является таутомерия (равновесная динамическая изомерия). В этом случае изомеры, различающиеся функциональными группами, легко переходят друг в друга до достижения равновесия, при котором вещество одновременно содержит молекулы таутомеров в определённом соотношении.

Пространственная изомерия подразделяется на геометрическую (цис,транс и син,анти-изомерию, или Е,Z-изомерию) и оптическую (энантиомерию). Геометрическая изомерия характерна для соединений, содержащих двойные связи или неароматические циклы, являющиеся структурно жёсткими фрагментами молекул. У цис-изомеров два заместителя расположены по одну сторону плоскости двойной связи или цикла, у транс-изомеров - по разные стороны. Например, геометрическими изомерами являются цис-2-бутен (формула V) и транс-2-бутен (VI), цис-1, 2-дихлорциклопропан (VII) и транс-1,2-дихлорциклопропан (VIII).

Характерными различиями между циси транс-изомерами являются более низкая температура плавления цис-изомеров, значительно лучшая растворимость в воде и явно выраженный дипольный момент. Транс-изомеры обычно более стабильны. Смотри, например, в статье Малеиновая и фумаровая кислоты.

Геометрическую изомерию, наблюдаемую для соединений с двойными связями С=N (оксимы) и N=N (азо-, азоксисоединения), часто называют син,анти-изомерия. Например, геометрическими изомерами являются анти-бензальдоксим (формула IX) и син-бензальдоксим (Х); син-азобензол (XI) и анти-азобензол (XII).

В общем случае используется Ε,Z-номенклатура. У Z-изомеров старшие заместители (имеющие больший атомный номер) расположены по одну сторону двойной связи или цикла, у Е-изомеров - по разные стороны. Например, геометрическими изомерами являются (Z)-1-бром1-иод-2-хлорэтилен (формула XIII) и (Е)-1 -бром-1 -иод-2-хлорэтилен (XIV).

Оптическая изомерия характерна для соединений, молекулы которых имеют элементы хиральности, например асимметрический (хиральный) атом углерода, связанный с четырьмя разными заместителями. Впервые обнаружена Л. Пастером в 1848 на примере винных кислот и объяснена Я. Х. Вант-Гоффом и Ж. А. Лe Белем в 1874 году на основе представлений о тетраэдрической конфигурации углеродных атомов в насыщенных соединениях. Молекулы, содержащие асимметрический атом углерода, могут быть представлены в виде двух оптических изомеров, которые не могут быть совмещены в пространстве (т. е. относятся друг к другу как предмет к своему зеркальному изображению). Такие зеркальные изомеры, отличающиеся лишь противоположным расположением одних и тех же заместителей у хирального центра, называются энантиомерами (от греческого έναντίος - противоположный и μέρος - часть). Например, энантиомеры молочной кислоты (XV и XVI) можно представить в трёхмерном изображении или в виде формул Фишера (смотри в статье Химическая номенклатура).

Энантиомеры имеют различную биологическую активность; для них характерна также оптическая активность - способность воздействовать на плоскополяризованный свет (вращать плоскость поляризации). Энантиомеры вращают плоскость поляризации на один и тот же угол, но в противоположном направлении, поэтому их называют оптическими антиподами.

Длительное время конфигурацию энантиомеров определяли относительно конфигурации известного стандарта, которым служили энантиомеры глицеринового альдегида (D, L-стерические ряды). Более универсальной является R, S-номенклатура (предложена Р. Каном, К. Ингольдом и В. Прелогом), устанавливающая абсолютную конфигурацию пространственных изомеров. В соответствии с правилами R, S-номенклатуры энантиомеры молочной кислоты (XV, XVI) являются соответственно (R)-молочной и (S)-молочной кислотами. Правил перевода D, L-номенклатуры в R, S-систему не существует, так как в этих номенклатурах используются разные принципы. Не установлено также связи между абсолютной конфигурацией и параметрами оптического вращения.

Для соединений, имеющих n хиральных центров в молекуле, количество возможных стереоизомеров составляет 2". Однако при n ≥2 существуют стереоизомеры, которые отличаются друг от друга частью имеющихся в них элементов хиральности. Такие стереоизомеры, не являющиеся энантиомерами, называют диастереомерами (от греческого δια... - через, между, стерео... и μέρος - часть). Например, для хлоряблочной кислоты, имеющей два асимметрических атома углерода, существуют четыре стереоизомера (формулы XVII-XX), среди которых пары XVII и XVIII, а также XIX и XX являются энантиомерами, остальные пары (XVII и XIX, XVII и XX, XVIII и XIX, XVIII и XX) - диастереомеры.

При появлении дополнительных элементов симметрии (плоскости, оси или центра симметрии) общее число стереоизомеров, а также количество оптически активных форм может уменьшаться. Например, винные кислоты имеют три стереоизомера, из них два оптически активные: D-винная кислота, или (2R,3R)-винная кислота (формула XXI), и L-винная кислота, или (2S,3S)-винная кислота (XXII), являющиеся энантиомерами. Их диастереомер - мезовинная кислота, или (2R,3S)-винная кислота (формула XXIII, или идентичная конфигурация XXIV), вследствие наличия плоскости симметрии (обозначена пунктиром) оптически недеятельна - является так называемым внутримолекулярным рацематом.

Процесс взаимопревращения энантиомеров называется рацемизацией. Смесь равных количеств оптических антиподов - рацемическая смесь, или рацемат, не обладает оптической активностью. Стереоизомерии уделяется большое внимание при изучении природных соединений и синтезе биологически активных веществ. Веществам природного происхождения, содержащим элементы хиральности, присуща определённая стереоконфигурация, а также оптическая активность. При формировании хирального центра в условиях химического синтеза (за исключением асимметрического синтеза) образуется рацемат; для выделения энантиомеров требуется применение сложных методов разделения рацемата на оптически активные компоненты.

В результате внутреннего вращения молекул возникают конформационные изомеры, или конформеры, различающиеся степенью поворота фрагментов молекулы относительно одной или нескольких простых связей. В некоторых случаях можно выделить отдельные конформеры, иногда называемые также поворотными изомерами. Для изучения образования, различия в свойствах и реакционной способности конформеров используется конформационный анализ.

Изомеры могут превращаться друг в друга в результате реакций изомеризации.

Лит.: Потапов В. М. Стереохимия. 2-е изд. М., 1988; Травень В. Ф. Органическая химия. М., 2004. Т. 1.

Изомерия

Этот тип изомерии подразделяют на энантиомерию (оптическую изомерию) и диастереомерию .

Энантиомерия (оптическая изомерия)

Энантиомерами (оптическими изомерами, зеркальными изомерами) являются пары оптических антиподов - веществ, характеризующихся противоположными по знаку и одинаковыми по величине вращениями плоскости поляризации света при идентичности всех других физических и химических свойств (за исключением реакций с другими оптически активными веществами и физических свойств в хиральной среде). Необходимая и достаточная причина возникновения оптических антиподов - принадлежность молекулы к одной из следующих точечных групп симметрии : C n , D n , T, O или I (хиральность). Чаще всего речь идет об асимметрическом атоме углерода, то есть об атоме, связанном с четырьмя разными заместителями.

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

Диастереомерия

Диастереомерными считают любые комбинации пространственных изомеров, не составляющие пару оптических антиподов. Различают σ- и π-диастереомеры.

σ-диастереомерия

σ-диастереомеры отличаются друг от друга конфигурацией части имеющихся в них элементов хиральности. Так, диастереомерами являются (+)-винная кислота и мезо-винная кислота, D-глюкоза и D-манноза, например:

π-диастереомерия (геометрическая изомерия)

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

Изомеризация

Химические превращения, в результате которых структурные изомеры превращаются друг в друга, называется изомеризацией . Такие процессы имеют важное значение в промышленности. Так, например, проводят изомеризацию нормальных алканов в изоалканы для повышения октанового числа моторных топлив; изомеризуют пентан в изопентан для последующего дегидрирования в изопрен . Изомеризацией являются и внутримолекулярные перегруппировки, из которых большое значение имеет, например, перегруппировка Бекмана - превращение циклогексаноноксима в капролактам (сырье для производства капрона).

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

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

При теоретическом рассмотрении проблем изомерии все большее распространение получают топологические методы; для подсчёта числа изомеров выведены математические формулы.

Литература

Физер Л., Физер М., Органическая химия. Углубленный курс. т. 1. пер с англ., Под ред. д.х.н. Н. С. Вульфсона. Изд. «Химия». М., 1969.
Пальм В. А., Введение в теоретическую органическую химию, М., 1974;
Соколов В И., Введение в теоретическую стереохимию, М., 1979;
Сланина 3., Теоретические аспекты явления изомерии в химии, пер. с чеш., М., 1984;
Потапов В М., Стереохимия М., 1988.
Большой энциклопедический словарь. Химия. Изд.: Большая Российская энциклопедия, 2003, ISBN 5-85270-253-6

См. также

Модели орбиталей

Структурная химия
Химическая связь :	Ароматичность \| Ковалентная связь \| Ионная связь \| Металлическая связь \| Водородная связь \| Донорно-акцепторная связь \| Таутомерия \| Ван-дер-Ваальсова связь
Отображение структуры:	Функциональная группа \| Структурная формула \| Скелетная формула органических соединений \| Химическая формула \| Лиганд \| Координационная геометрия \| Координационная сфера
Электронные свойства:	Электроотрицательность \| Сродство к электрону \| Энергия ионизации \| Полярность химических связей \| Правило октета
Стереохимия :	Асимметрический атом \| Изомерия \| Конфигурация \| Хиральность \| Конформация

Wikimedia Foundation . 2010 .

Синонимы :

Звёздные войны (значения)
Климов, Элем Германович

Смотреть что такое "Изомерия" в других словарях:

изомерия - изомерия … Орфографический словарь-справочник

ИЗОМЕРИЯ - Свойство изомерных тел. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. ИЗОМЕРИЯ греч., от isos, одинаковый, и meros, часть. Особое свойство, по которому тела, имеющие одни и те же составные части, отличаются по… … Словарь иностранных слов русского языка

ИЗОМЕРИЯ - (от изо... и греч. meros доля часть) химических соединений, явление, заключающееся в существовании изомеров соединений, одинаковых по составу и молекулярной массе, но различающихся по строению (структурная изомерия) или расположению атомов в… … Большой Энциклопедический словарь

ИЗОМЕРИЯ - (от греч. isomeros составленный из равных частей), явление, состоящее в том, что вещества, имеющие одинаковую молекулярную формулу, различаются между собой физ. и хим. свойствами. Первый подобного рода случай описал Либих (Liebig) в 1823 г., а… … Большая медицинская энциклопедия

изомерия - метамерия, энантиомерия Словарь русских синонимов. изомерия сущ., кол во синонимов: 4 метамерия (3) … Словарь синонимов

Изомерия - (хим.). В 1824 г. Либихом и Гей Люссаком был установленсостав гремуче кислого серебра, причем, на основании полученных данных,они признали безводную гремучую кислоту за соединение циана с кислородомC4N2O2 (C=6, 0=8, N=14). В том же году Веллер… … Энциклопедия Брокгауза и Ефрона

Изомерия - (химическое), существование химических соединений в нескольких формах изомерах, одинаковых по составу и молекулярной массе, но различающихся по строению или расположению атомов в пространстве. Например, изомерны этанол C2H5OH и диметиловый эфир… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

Изомерия - * ізамерыя * isomery явление, при котором каждый из множества эквивалентных, однозначно действующих генов в отдельности может обусловить один и тот же фенотипический эффект, а вместе они либо усиливают проявление данного признака (кумулятивная И … Генетика. Энциклопедический словарь

ИЗОМЕРИЯ - явление в химии, главным образом органической, при котором соединения, имеющие один и тот же качественный и количественный состав, отличаются по своим физ. и хим. свойствам. Такие вещества называют (см.). И. одна из причин разнообразия и… … Большая политехническая энциклопедия

изомерия - и; ж. Хим. Явление, заключающееся в существовании химических соединений с одинаковым составом и молекулярной массой, но различающихся по строению, физическим и химическим свойствам. Заниматься изомерией. Структурная, пространственная, поворотная… … Энциклопедический словарь

Книги

Основы органической химии для самостоятельного изучения. Учебное пособие , И. А. Пресс , В учебном пособии рассмотрены основные теоретические положения современной органической химии, вопросы номенклатуры органических соединений, классификация и механизм органических реакций.… Категория: Органическая химия Серия: Учебники для вузов. Специальная литература Издатель:

Содержание статьи

ИЗОМЕРИЯ (греч. isos – одинаковый, meros – часть) – одно из важнейших понятий в химии, главным образом, в органической. Вещества могут иметь одинаковый состав и молекулярную массу, но различное строение и соединения, содержащие в своем составе одни и те же элементы в одинаковом количестве, но различающиеся пространственным расположением атомов или групп атомов, называют изомерами. Изомерия является одной из причин того, что органические соединения так многочисленны и разнообразны.

Изомерия была впервые обнаружена Ю.Либихом в 1823, который установил, что серебряные соли гремучей и изоциановой кислот: Ag-О-N=C и Ag-N=C=O имеют одинаковый состав, но разные свойства. Термин «Изомерия» в 1830 ввел И.Берцелиус , предположивший, что различия в свойствах соединений одинакового состава возникают из-за того, что атомы в молекуле расположены в неодинаковом порядке. Представления об изомерии окончательно сформировались после создания A.M.Бутлеровым теории химического строения (1860-е). Основываясь на положениях этой теории, он предположил, что должно существовать четыре различных бутанола (рис. 1). К моменту создания теории был известен лишь один бутанол (СН 3) 2 СНСН 2 ОН, получаемый из растительного сырья.

Рис. 1. Изомеры бутанола

Последовавший затем синтез всех изомеров бутанола и определение их свойств стали убедительным подтверждением теории.

Согласно современному определению два соединения одинакового состава считают изомерами, если их молекулы нельзя совместить в пространстве так, чтобы они полностью совпадали. Совмещение, как правило, проделывают мысленно, в сложных случаях используют пространственные модели, либо расчетные методы.

Есть несколько причин возникновения изомерии.

СТРУКТУРНАЯ ИЗОМЕРИЯ

Обусловлена, как правило, различиями в строении углеводородного скелета либо неодинаковым расположением функциональных групп или кратных связей.

Изомерия углеводородного скелета.

Насыщенные углеводороды, содержащие от одного до трех атомов углерода (метан, этан, пропан), не имеют изомеров. Для соединения с четырьмя атомами углерода С 4 Н 10 (бутан) возможно существование двух изомеров, для пентана С 5 Н 12 – трех изомеров, для гексана С 6 Н 14 – пяти (рис.2):

Рис. 2. Изомеры простейших углеводородов

С увеличением числа атомов углерода в молекуле углеводорода количество возможных изомеров резко возрастает. Для гептана С 7 Н 16 существует девять изомеров, для углеводорода С 14 Н 30 – 1885 изомеров, для углеводорода С 20 Н 42 – свыше 366 000.

В сложных случаях вопрос о том, являются ли два соединения изомерами, решают, используя различные повороты вокруг валентных связей (простые связи это допускают, что в определенной степени соответствует их физическим свойствам). После перемещения отдельных фрагментов молекулы (не допуская при этом разрыва связей) накладывают одну молекулу на другую (рис. 3). Если две молекулы полностью совпадают, то это не изомеры, а одно и то же соединение:

Изомеры, отличающиеся структурой скелета, обычно имеют разные физические свойства (температура плавления, температура кипения и т.п.), что позволяет отделить один от другого. Изомерия такого типа существует и у ароматических углеводородов (рис. 4):

Рис. 4. Ароматические изомеры

Изомерия положения.

Другой вид структурной изомерии – изомерия положениявозникает в тех случаях, когда функциональные группы, отдельные гетероатомы или кратные связи расположены в различных местах углеводородного скелета. Структурные изомеры могут принадлежать к разным классам органических соединений, поэтому они могут различаться не только физическими, но и химическими свойствами. На рис. 5 показаны три изомера для соединения С 3 Н 8 О, два из них – спирты, а третье – простой эфир

Рис. 5. Изомеры положения

Нередко различия в строении изомеров положения столь очевидны, что не требуется даже мысленно совмещать их в пространстве, например, изомеры бутена или дихлорбензола (рис. 6):

Рис. 6. Изомеры бутена и дихлорбензола

Иногда структурные изомеры сочетают признаки изомерии углеводородного скелета и изомерии положения (рис. 7).

Рис. 7. Сочетание двух видов структурной изомерии

В вопросах изомерии теоретические рассмотрения и эксперимент взаимосвязаны. Если рассмотрения показывают, что изомеров быть не может, то эксперименты должны показывать то же. Если вычисления указывают на определенное число изомеров, то их может быть получено столько же, или меньше, но не больше – не все теоретически рассчитанные изомеры могут быть получены, поскольку межатомные расстояния или валентные углы в предполагаемом изомере могут выходить за пределы допустимого. Для вещества, содержащего шесть групп СН (например, бензол), теоретически возможно 6 изомеров (рис. 8).

Рис. 8. Изомеры бензола

Первые пять из показанных изомеров существуют (второй, третий, четвертый и пятый изомеры были получены спустя почти 100 лет, после того, как было установлено строение бензола). Последний изомер, скорее всего, никогда не будут получен. Представленный в виде шестиугольника, он наименее вероятен, его деформации приводят к структурам в форме скошенной призмы, трехлучевой звезды, незавершенной пирамиды и сдвоенной пирамиды (незавершенному октаэдру). Каждый из этих вариантов содержит либо весьма различающиеся по величине связи С-С, либо сильно искаженные валентные углы (рис. 9):

Химические превращения, в результате которых структурные изомеры превращаются, друг в друга, называют изомеризацией.

Стереоизомерия

возникает благодаря различному расположению атомов в пространстве при одинаковом порядке связей между ними.

Один из видов стереоизомерии цис-транс-изомерия (цис – лат . по одну строну, транс – лат . через, по разные стороны) наблюдается в соединениях, содержащих кратные связи или плоские циклы. В отличие от простой связи, кратная связь не позволяет вращать вокруг нее отдельные фрагменты молекулы. Для того чтобы определить тип изомера, через двойную связь мысленно проводят плоскость и далее анализируют то, как размещаются заместители относительно этой плоскости. Если одинаковые группы находятся по одну сторону плоскости, то это цис -изомер, если по разные стороны – транс -изомер:

Физические и химические свойства цис - и транс -изомеров иногда заметно отличаются, в малеиновой кислоте карбоксильные группы –СООН пространственно близки, они могут реагировать (рис. 11), образуя ангидрид малеиновой кислоты (для фумаровой кислоты такая реакция не идет):

Рис. 11. Образование ангидрида малеиновой кислоты

В случае плоских циклических молекул проводить мысленно плоскость не требуется, так как она уже задана формой молекулы, как, например, в циклических силоксанах (рис. 12):

Рис. 12. Изомеры циклосилоксана

В комплексных соединениях металлов цис -изомером называют соединение, у которого две одинаковые группы, из тех, что окружают металл, находятся рядом, в транс -изомере, они разделены другими группами (рис. 13):

Рис. 13. Изомеры комплекса кобальта

Второй вид стереоизомерии – оптическая изомерия возникает в тех случаях, когда два изомера, (в соответствии с определением, сформулированным ранее, две молекулы, не совмещаемые в пространстве) представляют собой зеркальное отражение друг друга. Таким свойством обладают молекулы, которые могут быть представлены в виде одиночного атома углерода, имеющего четыре различных заместителя. Валентности центрального атома углерода, связанного с четырьмя заместителями, направлены к вершинам мысленного тетраэдра – правильного четырехгранника (см. ОРБИТАЛЬ) и жестко закреплены. Четыре неодинаковых заместителя изображены на рис. 14 в виде четырех шариков с различающейся окраской:

Рис. 14. Атом углерода с четырьмя различными заместителями

Чтобы обнаружить возможное образование оптического изомера нужно (рис. 15) отразить молекулу в зеркале, затем зеркальное изображение следует взять как реальную молекулу, поместить под исходной таким образом, чтобы их вертикальные оси совпали, и повернуть вторую молекулу вокруг вертикальной оси так, чтобы красный шар верхней и нижней молекулы находились друг под другом. В результате совпадает положение только двух шаров, бежевого и красного (отмечено сдвоенными стрелками). Если повернуть нижнюю молекулу таким образом, чтобы совместились синие шары, то вновь совпадет положение только двух шаров – бежевого и синего (также отмечено сдвоенными стрелками). Все становится очевидным, если эти две молекулы мысленно совместить в пространстве, вкладывая одну в другую, как нож в ножны, красный и зеленый шар не совпадают:

При любой взаимной ориентации в пространстве двух таких молекул нельзя добиться полного совпадения при совмещении, согласно определению, это изомеры. Важно отметить, что если у центрального атома углерода не четыре, а только три различающихся заместителя (то есть, два из них одинаковы), то при отражении в зеркале такой молекулы оптический изомер не образуется, поскольку молекулу и ее отражение можно совместить в пространстве (рис. 16):

Помимо углерода, в роли асимметрических центров могут выступать другие атомы, у которых ковалентные связи направлены к углам тетраэдра, например, кремний, олово, фосфор.

Оптическая изомерия возникает не только в случае асимметрического атома, она также реализуется в некоторых каркасных молекулах при наличии определенного количества различных заместителей. Например, каркасный углеводород адамантан, имеющий четыре различных заместителя (рис. 17), может иметь оптический изомер, при этом вся молекула играет роль асимметрического центра, что становится очевидным, если каркас адамантана мысленно стянуть в точку. Аналогично, силоксан, имеющий кубическую структуру (рис. 17), также становится оптически активным в случае четырех различных заместителей:

Рис. 17. Оптически активные каркасные молекулы

Возможны варианты, когда молекула не содержит асимметрического центра даже в скрытом виде, но может быть сама в целом несимметрична, при этом тоже возможны оптические изомеры. Например, в комплексном соединении бериллия два циклических фрагмента расположены во взаимоперпендикулярных плоскостях, в таком случае достаточно двух различных заместителей для получения оптического изомера (рис. 18). Для молекулы ферроцена, имеющего форму пятигранной призмы, для той же цели нужно три заместителя, атом водорода в этом случае играет роль одного из заместителей (рис. 18):

Рис. 18. Оптическая изомерия несимметричных молекул

В большинстве случаев структурная формула соединения позволяет понять, что именно следует в ней изменить, чтобы сделать вещество оптически активным.

При синтезах оптически активных стереоизомеров обычно получают смесь право- и левовращающих соединений. Разделение изомеров проводят путем взаимодействия смеси изомеров с реагентами (чаще природного происхождения), содержащих асимметрический реакционный центр. Некоторые живые организмы, в том числе бактерии, преимущественно усваивают левовращающие изомеры.

В настоящее время разработаны процессы (называемые асимметрическим синтезом), позволяющие целенаправленно получать определенный оптический изомер.

Существуют реакции, позволяющие превратить оптический изомер в его антипод (см . ВАЛЬДЕНОВСКОЕ ОБРАЩЕНИЕ).

Михаил Левицкий