Что такое структурные и пространственные изомеры. Структурная изомерия. История открытия изомерии

13.03.2024

CH3CH2CH2CH3 и изобутан (CH3)2СHCH3, этиловый спирт CH3CH2OH и диметиловый эфир CH3OCH3. Особый случай структурной изомерии - таутомерия .

. 2000 .

Смотреть что такое "СТРУКТУРНАЯ ИЗОМЕРИЯ" в других словарях:

СТРУКТУРНАЯ ИЗОМЕРИЯ - один из видов (см.) хим. соединений, имеющих одинаковый состав и молекулярную массу, но отличающихся строением молекул, физ. и хим. свойствами. Напр. формуле С2Н60 отвечают два вещества с различными свойствами этиловый спирт (а) и диметиловый… … Большая политехническая энциклопедия

Один из видов изомерии химических соединений. Обусловлена различиями в порядке расположения атомов в молекуле. Примеры: нормальный бутан СН3СН2СН2СН3 и изобутан (СН3)2СНСН3, этиловый спирт СН3СН2ОН и диметиловый эфир СН3ОСН3. Особый случай… … Энциклопедический словарь

Один из видов изомерии хим. соединений. Обусловлена различиями в порядке расположения атомов в молекуле. Примеры: нормальный бутан СН3СН2СН2СН3 и изобутан (СН3)2СНСН3, этиловый спирт СН3СН2ОН и диметиловый эфир СН3ОСН3. Особый случай С. и.… … Естествознание. Энциклопедический словарь

Явление, состоящее в существовании молекул, обладающих одинаковой мол. массой и составом, но различающихся по строению или расположению атомов в пр ве и, следовательно, по хим. и физ. св вам. Такие молекулы наз. и з о м е р а м и. Существуют два… … Физическая энциклопедия

- (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

Не следует путать с изомерией атомных ядер. Изомерия (от др. греч. ἴσος «равный», и μέρος «доля, часть») явление, заключающееся в существовании химических соединений (изомеров), одинаковых по составу и молекулярной массе, но… … Википедия

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

- (от изо... (см. ИЗО... (часть сложных слов)) и греч. meros доля, часть), существование молекул, (см. МОЛЕКУЛА) обладающих одинаковой молярной массой и составом, но различающихся по строению или расположению атомов в пространстве, и, следовательно … Энциклопедический словарь

Структурная химия раздел, область химии, изучающая связь различных физических и физико химических свойств различных веществ с их химическим строением и реакционной способностью. Структурная химия рассматривает не только геометрическое… … Википедия

Структурная формула это разновидность химической формулы, графически описывающая расположение и порядок связи атомов в соединении, выраженное на плоскости. Связи в структурных формулах обозначаются валентными черточками. Часто… … Википедия

И виноградная кислоты, после исследования которых Й. Берцелиус в ввел термин ИЗОМЕРИЯ и высказал предположение, что различия возникают из-за «различного распределения простых атомов в сложном атоме» (т. е. молекуле). Подлинное объяснение изомерия получила лишь во 2-й половине XIX в. на основе теории химического строения А. М. Бутлерова (структурная изомерия) и стереохимического учения Я. Г. Вант-Гоффа (пространственная изомерия).

Структурная изомерия

Структурная изомерия - результат различий в химическом строении. К этому типу относят:

Изомерия углеводородной цепи (углеродного скелета)

Изомерия углеродного скелета, обусловленная различным порядком связи атомов углерода. Простейший пример - бутан СН 3 -СН 2 -СН 2 -СН 3 и изобутан (СН 3) 3 СН. Др. примеры: антрацен и фенантрен (формулы I и II соответственно), циклобутан и метилциклопропан (III и IV).

Валентная изомерия

Валентная изомерия (особый вид структурной изомерии), при которой изомеры можно перевести друг в друга лишь за счет перераспределения связей. Например, валентными изомерами бензола (V) являются бициклогекса-2,5-диен(VI, «бензол Дьюара»), призман (VII, «бензол Ладенбурга»), бензвален (VIII).

Изомерия функциональной группы

Различается характером функциональной группы. Пример: Этанол (CH 3 -CH 2 -OH) и Диметиловый эфир (CH 3 -O-CH 3)

Изомерия положения

Тип структурной изомерии, характеризующийся различием положения одинаковых функциональных групп или двойных связей при одинаковом углеродном скелете. Пример: 2-хлорбутановая кислота и 4-хлорбутановая кислота.

Пространственная изомерия (стереоизомерия)

Энантиомерия (оптическая изомерия)

Пространственная изомерия (стереоизомерия) возникает в результате различий в пространственной конфигурации молекул, имеющих одинаковое химическое строение. Этот тип изомеров подразделяют на энантиомерию (оптическую изомерию) и диастереомерию .

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 др. оптически активными веществами и физических свойств в хиральной среде). Необходимая и достаточная причина возникновения оптических антиподов - отнесение молекулы и одной из следующих точечных групп симметрии C n , D n , T, O, I (Хиральность). Чаще всего речь идет об асимметрическом атоме углерода, то есть об атоме, связанном с четырьмя разными заместителями, например:

Асимметрическими могут быть и др. 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-дифенилаллен (XI), 6,6"-динитро-2,2"-дифеновая кислота (XII). Причина оптическое активности последнего соединения - атропоизомерия, то есть пространственная изомерия, вызванная отсутствием вращения вокруг простой связи. Энантиомерия также проявляется в спиральных конформациях белков , нуклеиновых кислот , гексагелицене (XIII).

(R)-, (S)- номенклатура оптических изомеров (правило наименования)

Четырём группам, присоединенным к ассиметрическому атому углерода C abcd , приписывается различное старшинство, отвечающее последовательности: a>b>c>d. В простейшем случае старшинство устанавливается по порядковому номеру атома, присоединенного к ассиметрическому атому углерода: Br(35), Cl(17), S(16), O(8), N(7), C(6), H(1).

Например, в бромхлоруксусной кислоте:

Старшинство заместителей при ассиметрическом атоме углерода следующее: Br(a), Cl(b), C группы COOH (c), H(d).

У бутанола-2 кислород является старшим заместителем (а), водород - младшим (d):

Требуется решить вопрос о заместителях CH 3 и CH 2 CH 3 . В этом случае старшинство определяется порядковым номером или номерами других атомов в группе. Первенство остается за этильной группой, так как в ней первый атом С связан с другим атомом С(6) и с другими атомами Н(1), тогда как в метильной группе углерод соединен с тремя атомами Н с порядковым номером 1. В более сложных случаях продлжают сравнивать все атомы, пока не доходят до атомов с различными порядковыми номерами. Если имеются двойная или тройная связи, то находящиеся при них атомы считаются соответственно за два и за три атома. Так, группу -COH рассматривают как С (O, O, H), а группу -COOH - как С(О, О, ОН); карбоксильная группа старше альдегидной, поскольку содержит три атома с порядковым номером 8.

В D-глицериновом альдегиде старшей является группа ОН(а), затем следует CHO(b), CH 2 OH(c) и Н(d):

Следующий этап заключается в определении, является ли расположение групп правым, R (лат. rectus), или левым, S (лат. sinister). Переходя к соответствующей модели, её ориентируют так, чтобы младшая группа (d) в перспективной формуле оказалась внизу, и затем рассматривают сверху вдоль оси, проходящей через заштрихованную грань тетраэдра и группу (d). В D-глицириновом альдегиде группы

расположены в направлении правого вращения, и следовательно, он имеет R-конфигурацию:

(R)-глицериновый альдегид

В отличие от D,L номенклатуры обозначения (R)- и (S)- изомеров заключают в скобки.

Диастереомерия

σ-диастереомерия

Диастереомерными считают любые комбинации пространственных изомеров, не составляющие пару оптических антиподов. Различают σ и π-диастереомеры. σ-диастериомеры отличаются друг от друга конфигурацией части имеющихся в них элементов хиральности. Так, диастериомеры являются (+)-винная кислота и мезо-винная кислота, D-глюкоза и D-манноза, например:

Для некоторых типов диастереомерия введены специальные обозначения, например трео- и эритро-изомеры - это диастереомерия с двумя асимметрическим атомами углерода и пространств, расположением заместителей у этих атомов, напоминающим соотвующую треозу (родственные заместители находятся по разные стороны в проекционных формулах Фишера) и эритрозу (заместители - по одну сторону):

Эритро-изомеры, которых асимметрические атомы связаны с одинаковыми заместителями, называются мезо-формами. Они, в отличие от остальных σ-диастереомеров, оптически неактивны из-за внутримолекулярной компенсации вкладов во вращение плоскости поляризации света двух одинаковых асимметрических центров противоположной конфигурации. Пары диастереомеров, различающиеся конфигурацией одного из нескольких асимметрических атомов, называются эпимерами, например:

Термин «аномеры» обозначает пару диастереомерных моносахаридов, различающихся конфигурацией гликозидного атома в циклической форме, например аномерны α-D- и β-D-глюкозы.

π-диастереомерия (геометрическая изомерия)

π-диастериомерами, 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).

Конформеры. Таутомеры

Явление неразрывно связано с температурными условиями его наблюдения. Так, например, хлорциклогексан при комнатной температуре существует в виде равновесной смеси двух конформеров - с экваториальной и аксиальной ориентацией атома хлора:

Однако при минус 150 °С можно выделить индивидуальную а-форму, которая ведет себя в этих условиях как устойчивый изомер.

С др. стороны, соединения, в обычных условиях являющиеся изомерами, при повышении температуры могут оказаться находящимися в равновесии таутомерами. Например, 1-бромпропан и 2-бромпропан - структурные изомеры, однако при повышении температуры до 250 °С между ними устанавливается равновесие, характерное для таутомеров.

Изомеры, превращающиеся друг в друга при температуре ниже комнатной, можно рассматривать как нежесткие молекулы.

Существование конформеров иногда обозначают термином «поворотная изомерия». Среди диенов различают s-цис- и s-транс - изомеры, которые, по существу, являются конформерами, возникающими в результате вращения вокруг простой (s-single) связи:

Изомерия также характерна для координационных соединений. Так, изомерны соединения, различающиеся по способу координации лигандов (ионизационная изомерия), например, изомерны:

SO 4 - и + Br -

Здесь, по существу, имеется аналогия со структурной изомерии органических соединений.

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 внутримолекулярной перегруппировки, из которых большое значение имеет, например, превращение оксима циклогексанона 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 - 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), пространств, изомеров здесь более 1500.

Лекция №5

Тема « Изомерия и ее виды»

Тип занятия: комбинированное

Цель: 1. Раскрыть основное положение теории строения на явлении изомерии. Дать общее представление о типах изомерии. Показать основные направления развития теории строения на примере стереоизомерии.

2. продолжить формировать умения строить формулы изомеров, давать названия веществам по формулам.

3. воспитывать познавательное отношение к учебе

Оборудование: модели молекул Стюарта –Бриглеба, цветной пластилин, спички, пара перчаток, семена тмина, мятная жевательная резинка, три пробирки.

План занятия

Приветствие, перекличка

Опрос опорных знаний

Изучение нового материала:

Теория строения и явление изомерии;

Типы изомерии;

Закрепление

Ход занятия

2. Опрос опорных знаний:фронтально

По каким признакам классифицируют органические соединения, объяснить используя схему.

Назовите основные классы органических соединений, особенность их строения

Выполнить упражнение №1 и2 §6. Один учащийся у доски, остальные в тетрадях

3. Изучение нового материала: Теория строения и явление изомерии

Вспомните определение изомерии и изомеры. Объясните причину их существования.

Явление изомерии(от греческого isos - разный и meros – доля, часть) было открыто в 1823г Ю.Либихом и Ф. Велером на примере солей двух неорганических кислот: циановой и гремучей. Н-О-С= N циановая; Н-О- N =С гремучая

В 1830г Ж.Дюма распространил представление об изомерии на органические соединения. Термин «Изомер» появился годом позже, и предположил его Й. Берцеллиус. Т.к в области строения как органических так и неорганических веществ в то время царил полный хаос, открытию не придали особого значения.

Научное объяснение явлению изомерии было дано А.М.Бутлеровым в рамках теории строения, в то время как ни теория типов, ни теория радикалов не раскрывали сути этого явления. А.М.Бутлеров усматривал причину изомерии в том, что атомы в молекулах изомеров связаны в различном порядке. Теория строения позволяла предсказать число возможных изомеров и их структуру, что было блестяще подтверждено на практике самим А.М.Бутлеровым и его последователями.

Типы изомерии: приведите пример изомеров и предложите признак, по которому можно было бы классифицировать изомеры? (очевидно, что основанием будет строение молекул изомеров). Объясняю материал используя схему:

Различают два типа изомерии: структурную и пространственную (стереоизомерию). Структурными называются изомеры, имеющие различный порядок связи атомов в молекуле. Пространственные изомеры имеют одинаковые заместители у каждого атома углерода, но отличаются их взаимным расположением в пространстве.

Структурная изомерия бывает трех видов: межклассовая изомерия, связанная со строением углеродного скелета, и изомерия положения функциональной группы или кратной связи.

Межклассовые изомеры содержат различные функциональные группы и принадлежат к разным классам органических соединений, а следовательно физические и химические свойства межклассовых изомеров значительно отличаются.

Изомерия углеродного скелета вам уже знакома, физические свойства различны, а химические – похожи, т.к эти вещества относятся к одному классу.

Изомерия положения функциональной группы или положения кратных связей. Физические свойства таких изомеров различны, а химические – похожи

Геометрическая изомерия: имеют различные физические константы, но похожие химические свойства

Оптические изомеры являются зеркальным изображением друг друга; подобно двум ладоням, их невозможно совместить, так чтобы они совпали.

4. Закрепление: распознать изомеры, определить тип изомерии у веществ формулы которых: выполнить упр 3 § 7

Свойства органических веществ зависят как от их состава, так и от порядка соединения атомов в молекуле. Изомеры – это вещества, имеющие одинаковый состав и молярную массу, но различные физические и химические свойства. Различают структурную и пространственную изомерию.

Структурная изомерия - результат различий в химическом строении. Согласно теории Бутлерова, в молекулах атомы соединены друг с другом в определенной последовательности, это и называется химическим строением. Атомы или группы атомов, образовавшие молекулу, взаимно влияют друг на друга, и свойства молекулы, зависит от ее строения. Выделяют:

1. Изомерия углеродного скелета (бутан - изобутан).

2. Изомерия функциональных групп или кратных связей (1-пропанол - 2-пропанол).

3. Межклассовая изомерия (этанол СН 3 -СН 2 -OH - диметиловый эфир СН 3 -O-СН 3).

Пространственная изомерия (стереоизомерия) - возникает в результате различий в пространственной конфигурации молекул, имеющих одинаковое химическое строение.

1. Оптическая изомерия (энантиомерия ) - пары оптических антиподов, т.е. веществ, характеризующихся противоположными вращениями плоскости поляризации света, являющихся полным отражением друг друга. При этом, другие физические и химические свойства их обычно идентичны (за исключением реакций с оптически активными веществами).

2. Диастеамерия - пространственная изомерия, не составляющая пару оптических изомеров.

Особо выделяют форму пространственной изомерии называемую цис-транс изомерия (геометрическая). Она возникает за счет изменения взаимного расположения заместителей относительно двойной связи или цикла. Характерна, например, и для диеновых углеводородов, при вращении сопряженных диенов вокруг s-связи (цис- и транс-1,3-бутадиен). В цис -изомерах заместители находятся по одну сторону от плоскости двойной связи или кольца, в транс -изомерах – по разные.

Так же выделяют таутомерию - быстрое, самопроизвольное взаимопревращение нескольких форм, относящихся к разным классам молекул, в друг в друга. Например, кето-енольная таутомерия - взаимопревращение кетонов (альдегидов) и енолов (СН 3 -СНO - СН 2 =СН-OH), кольчато-цепная таутомерия углеводов - наличие двух форм строения углеводов - циклической и цепной.

Электронное строение органических соединений. Гибридные орбитали. Образование и характеристика сигма и пи связей.

Свойства органических соединений определяются: химическим, электронным и пространственным строением молекул; типом химических связей; природой и электронным строением атомов; типом атомных орбиталей и характером их взаимодействия.

Электрон имеет двойственную природу, проявляя свойства, как частицы, так и волны. Движение электрона подчиняется законам квантовой механики.

Электронные облака (электронные орбитали)– это области наибольшей вероятности пребывания электрона. Различаются по форме, размерам, направленности в пространстве. Например, в атоме водорода единственный электрон при своем движении образует отрицательно заряженное облако сферической (шаровидной) формы. Такие электроны называются s-электроны . p-электроны образуют орбиталь в виде объемной восьмерки. s-, p-, d-, f- и др. орбитали различаются энергией, формой, размерами и пространственной направленностью.

Для органических веществ наиболее характерно нахождение валентных электронов на s- и p-атомных орбиталях.

Гибридизация – это взаимодействие разных по типу, но близких по энергии атомных орбиталей с образованием такого же числа гибридных орбиталей. Для атома углерода, образовавшиеся гибридные орбитали будут иметь одинаковую форму и энергию.

Гибридизация атома углерода сопровождается его возбуждением и переносом одного электрона с s на свободную p орбиталь, обеспечивая возможность образовывать четыре связи.

sp3-гибридизация образуется за счет одной s и трех p орбиталей. В результате оси гибридных орбиталей оказываются направлены к вершинам правильного тетраэдра, угол между ними составляет 109°28". Такие орбитали могут образовывать четыре -связи - ковалентные одинарные связи, образованные при максимальном перекрывании атомных орбиталей по одной оси. (метан CH 4)

sp2-гибридизация образуется за счет одной s и двух p орбиталей, образуя три гибридные орбитали расположенные в одной плоскости под углом 120°. Эти орбитали образуют три -связи. Третья р -орбиталь остается негибридизованной и ориентируется перпендикулярно плоскости расположения гибридных орбиталей, участвуя в образовании -связи - связи, образованные при боковом перекрывании негибридизированных p-орбиталей по обе стороны от оси соединяющей ядра атомов. (этилен C 2 H 4)

sp-гибридизация образуется за счет одной s и одной p орбиталей, образуя две гибридные орбитали расположенные на одной оси, т.е. под углом 180°. Эти орбитали образуют две -связи. Две р-орбитали остаются негибридизованными и располагаясь во взаимно перпендикулярных плоскостях, участвуют в образовании двух -связей. (ацетилен C 2 H 2)

Ещё одним примером послужили винная и виноградная кислоты, после исследования которых Й. Берцелиус в ввел термин ИЗОМЕРИЯ и высказал предположение, что различия возникают из-за «различного распределения простых атомов в сложном атоме» (т. е. молекуле). Подлинное объяснение изомерия получила лишь во 2-й половине XIX в. на основе теории химического строения А. М. Бутлерова (структурная изомерия) и стереохимического учения Я. Г. Вант-Гоффа (пространственная изомерия).