Ізомерія була вперше виявлена Ю.Лібіхом в 1823, який встановив, що срібні солі гримучої та ізоціанової кислот: Ag-O-N=C та Ag-N=C=O мають однаковий склад, але різні властивості. Термін «Ізомерія» у 1830 році ввів
І.Берцеліус, Який припустив, що відмінності у властивостях сполук однакового складу виникають через те, що атоми в молекулі розташовані в неоднаковому порядку. Уявлення про ізомерію остаточно сформувалися після створенняA.M.Бутлеровимтеорії хімічної будови (1860-ті). Грунтуючись на положеннях цієї теорії, він припустив, що має існувати чотири різні бутаноли (рис.1). На момент створення теорії був відомий лише один бутанол (СН 3) 2 СНСП 2 ВІН, що отримується з рослинної сировини.Рис. 1. Ізоміри бутанолуПотім синтез всіх ізомерів бутанолу і визначення їх властивостей стали переконливим підтвердженням теорії.Згідно з сучасним визначенням дві сполуки однакового складу вважають ізомерами, якщо їх молекули не можна поєднати в просторі так, щоб вони повністю збігалися. Поєднання, зазвичай, роблять подумки, у складних випадках використовують просторові моделі, чи розрахункові методи.
Є кілька причин виникнення ізомерії.
СТРУКТУРНА ІЗОМЕРІЯ Зумовлена, як правило, відмінностями у будові вуглеводневого скелета або різним розташуванням функціональних груп або кратних зв'язків.Ізомерія вуглеводневого скелета. Насичені вуглеводні, що містять від одного до трьох атомів вуглецю (метан, етан, пропан) не мають ізомерів. Для з'єднання з чотирма атомами вуглецю 4 Н 10 (Бутан) можливе існування двох ізомерів, для пентану С 5 Н 12 трьох ізомерів, для гексану С 6 Н 14 п'яти (рис.2):
У складних випадках питання про те, чи є дві сполуки ізомерами, вирішують, використовуючи різні повороти навколо валентних зв'язків (прості зв'язки це припускають, що певною мірою відповідає їх фізичним властивостям). Після переміщення окремих фрагментів молекули (не допускаючи при цьому розриву зв'язків) накладають одну молекулу на іншу.
. 3). Якщо дві молекули повністю збігаються, то це не ізомери, а те саме з'єднання: Ізомери, що відрізняються структурою скелета, зазвичай мають різні фізичні властивості (температура плавлення, температура кипіння тощо), що дозволяє відокремити один від одного. Ізомерія такого типу існує і в ароматичних вуглеводнів(Рис. 4):
Рис. 4. Ароматичні ізомериІзомерія положення.
Інший вид структурної ізомерії - ізомерія положення
виникає у тих випадках, коли функціональні групи, окремі гетероатоми або кратні зв'язки розташовані у різних місцях вуглеводневого скелета. Структурні ізомери можуть належати до різних класів органічних сполук, тому можуть відрізнятися як фізичними, а й хімічними властивостями. На рис. 5 показано три ізомери для з'єднання 3 Н 8 О, два з них - спирти, а третєпростий ефір 
Рис. 5. Ізоміри положенняНерідко відмінності у будові ізомерів положення настільки очевидні, що не потрібно навіть подумки поєднувати їх у просторі, наприклад, ізомери бутену або дихлорбензолу (рис. 6):
Рис. 6. Ізомери бутену та дихлорбензолуІноді структурні ізомери поєднують ознаки ізомерії вуглеводневого скелета та ізомерії положення (рис. 7).
Рис. 8. Ізоміри бензолуПерші п'ять із показаних ізомерів існують (другий, третій, четвертий і п'ятий ізомери були отримані майже через 100 років, після того, як було встановлено будову бензолу). Останній ізомер, швидше за все, ніколи не буде отримано. Представлений у вигляді шестикутника, він найменш ймовірний, його деформації призводять до структур у формі скошеної призми, трипроменевої зірки, незавершеної піраміди та здвоєної піраміди (незавершеного октаедру). Кожен із цих варіантів містить або дуже різняться за величиною зв'язку С-С, або сильно спотворені валентні кути (рис. 9):
Хімічні перетворення, у яких структурні ізомери перетворюються, друг на друга, називають изомеризацией.Стереоізомерія виникає завдяки різному розташуванню атомів у просторі за однакового порядку зв'язків з-поміж них. Один із видів стереоізомерії цис-транс-ізомерію (цис
лат . по одну строну, транс |лат . через, по різні боки) спостерігається в з'єднаннях, що містять кратні зв'язки або плоскі цикли. На відміну від простого зв'язку, кратний зв'язок не дозволяє обертати навколо неї окремі фрагменти молекули. Щоб визначити тип ізомеру, через подвійний зв'язок подумки проводять площину і далі аналізують те, як розміщуються заступники щодо цієї площини. Якщо однакові групи знаходяться з одного боку площини, цецис -ізомер, якщо по різні боки |транс-ізомер:
Фізичні та хімічні властивості
цис- І транс -ізомерів іноді помітно відрізняються, в малеїновій кислоті карбоксильні групи СООН просторово близькі, вони можуть реагувати (рис. 11), утворюючи ангідрид малеїнової кислоти (для фумарової кислоти така реакція не йде):
Рис. 13. Ізоміри комплексу кобальтуДругий вид стереоізомерії оптична ізомерія виникає в тих випадках, коли два ізомери, (відповідно до визначення, сформульованого раніше, дві молекули, що не поєднуються в просторі) являють собою дзеркальне відображення один одного. Таку властивість мають молекули, які можуть бути представлені у вигляді одиночного атома вуглецю, що має чотири різних заступники. Валентності центрального атома вуглецю, пов'язаного з чотирма заступниками, спрямовані до вершин уявного тетраедра - правильного чотиригранника (див.ОРБІТАЛЬ) та жорстко закріплені. Чотири неоднакові заступники зображені на рис. 14 у вигляді чотирьох кульок з різним забарвленням:
Оптична ізомерія виникає у разі асиметричного атома, вона також реалізується у деяких каркасних молекулах за наявності певної кількості різних заступників. Наприклад, каркасний вуглеводень адамантан, що має чотири різних замісники (рис. 17), може мати оптичний ізомер, при цьому вся молекула грає роль асиметричного центру, що стає очевидним, якщо каркас адамантану подумки стягнути в крапку. Аналогічно силоксан, що має кубічну структуру (рис. 17), також стає оптично активним у разі чотирьох різних заступників:
Рис. 17. Оптично активні каркасні молекулиМожливі варіанти, коли молекула не містить асиметричного центру навіть у прихованому вигляді, але може бути сама загалом несиметрична, при цьому також можливі оптичні ізомери. Наприклад, у комплексному з'єднанні берилію два циклічні фрагменти розташовані у взаємоперпендикулярних площинах, у такому випадку достатньо двох різних замісників для отримання оптичного ізомеру (рис. 18). Для молекули ферроцена, що має форму п'ятигранної призми, для тієї ж мети потрібно три заступники, атом водню в цьому випадку відіграє роль одного із заступників (рис. 18):
Рис. 18. Оптична ізомерія несиметричних молекулУ більшості випадків структурна формула сполуки дозволяє зрозуміти, що саме слід у ній змінити, щоб зробити речовину оптично активною. При синтезах оптично активних стереоізомерів зазвичай отримують суміш право-і лівообертаючих сполук. Поділ ізомерів проводять шляхом взаємодії суміші ізомерів з реагентами (частіше за природне походження), що містять асиметричний реакційний центр. Деякі живі організми, у тому числі бактерії, переважно засвоюють лівообертаючі ізомери.
В даний час розроблені процеси (звані асиметричним синтезом), що дозволяють цілеспрямовано одержувати певний оптичний ізомер.
Існують реакції, що дозволяють перетворити оптичний ізомер на його антипод (
см . ВАЛЬДЕНІВСЬКИЙ ЗВЕРНЕННЯ). Михайло Левицький ЛІТЕРАТУРАСланіна 3. Теоретичні аспекти явища ізомерії у хімії , пров. з чеш., Москва, «Світ», 1984Гофман Р. Такий однаковий та різноманітний світ . Москва, Світ, 2001
Зміст статті
ІЗОМЕРІЯ(грец. isos – однаковий, meros – частина) – одне з найважливіших понять у хімії, головним чином, в органічній. Речовини можуть мати однаковий склад і молекулярну масу, але різну будову та сполуки, що містять у своєму складі одні й ті самі елементи в однаковій кількості, але такі, що відрізняються просторовим розташуванням атомів або груп атомів, називають ізомерами. Ізомерія є однією з причин того, що органічні сполуки такі численні та різноманітні.
Ізомерія була вперше виявлена Ю.Лібіхом в 1823, який встановив, що срібні солі гримучої та ізоціанової кислот: Ag-O-N=C та Ag-N=C=O мають однаковий склад, але різні властивості. Термін «Ізомерія» в 1830 ввів І. Берцеліус, який припустив, що відмінності у властивостях сполук однакового складу виникають через те, що атоми в молекулі розташовані в неоднаковому порядку. Уявлення про ізомерію остаточно сформувалися після створення A.M.Бутлеровим теорії хімічної будови (1860-ті). Грунтуючись на положеннях цієї теорії, він припустив, що має існувати чотири різні бутаноли (рис. 1). До моменту створення теорії був відомий лише один бутанол (СН 3) 2 СНСН 2 ОН, що отримується з рослинної сировини.
Рис. 1. Ізоміри бутанолу
Потім синтез всіх ізомерів бутанолу і визначення їх властивостей стали переконливим підтвердженням теорії.
Згідно з сучасним визначенням дві сполуки однакового складу вважають ізомерами, якщо їх молекули не можна поєднати в просторі так, щоб вони повністю збігалися. Поєднання, зазвичай, роблять подумки, у складних випадках використовують просторові моделі, чи розрахункові методи.
Є кілька причин виникнення ізомерії.
СТРУКТУРНА ІЗОМЕРІЯ
Зумовлена, як правило, відмінностями у будові вуглеводневого скелета або різним розташуванням функціональних груп або кратних зв'язків.
Ізомерія вуглеводневого скелета.
Насичені вуглеводні, що містять від одного до трьох атомів вуглецю (метан, етан, пропан) не мають ізомерів. Для з'єднання з чотирма атомами вуглецю С 4 Н 10 (бутан) можливе існування двох ізомерів, для пентану С 5 Н 12 – трьох ізомерів, для гексану С 6 Н 14 – п'яти (рис.2):
Рис. 2. Ізомери найпростіших вуглеводнів
Зі збільшенням числа атомів вуглецю в молекулі вуглеводню кількість можливих ізомерів різко зростає. Для гептану З 7 Н 16 існує дев'ять ізомерів, для вуглеводню З 14 Н 30 - 1885 ізомерів, для вуглеводню З 20 Н 42 - понад 366 000.
У складних випадках питання про те, чи є дві сполуки ізомерами, вирішують, використовуючи різні повороти навколо валентних зв'язків (прості зв'язки це припускають, що певною мірою відповідає їх фізичним властивостям). Після переміщення окремих фрагментів молекули (не допускаючи розриву зв'язків) накладають одну молекулу на іншу (рис. 3). Якщо дві молекули повністю збігаються, то це не ізомери, а те саме з'єднання:
Ізомери, що відрізняються структурою скелета, зазвичай мають різні фізичні властивості (температура плавлення, температура кипіння тощо), що дозволяє відокремити один від одного. Ізомерія такого типу існує і у ароматичних вуглеводнів (рис. 4):
Рис. 4. Ароматичні ізомери
Ізомерія положення.
Інший вид структурної ізомерії – ізомерія становища виникає у тому випадку, коли функціональні групи, окремі гетероатоми чи кратні зв'язку перебувають у різних місцях вуглеводневого скелета. Структурні ізомери можуть належати до різних класів органічних сполук, тому можуть відрізнятися як фізичними, а й хімічними властивостями. На рис. 5 показано три ізомери для з'єднання С 3 Н 8 Про, два з них - спирти, а третє - простий ефір
Рис. 5. Ізоміри положення
Нерідко відмінності у будові ізомерів положення настільки очевидні, що не потрібно навіть подумки поєднувати їх у просторі, наприклад, ізомери бутену або дихлорбензолу (рис. 6):
Рис. 6. Ізомери бутену та дихлорбензолу
Іноді структурні ізомери поєднують ознаки ізомерії вуглеводневого скелета та ізомерії положення (рис. 7).
Рис. 7. Поєднання двох видів структурної ізомерії
У питаннях ізомерії теоретичні розгляди та експеримент взаємопов'язані. Якщо розгляди показують, що ізомерів не може бути, то експерименти повинні показувати те саме. Якщо обчислення вказують на певну кількість ізомерів, їх може бути отримано стільки ж, або менше, але не більше – не всі теоретично розраховані ізомери можуть бути отримані, оскільки міжатомні відстані або валентні кути в передбачуваному ізомері можуть виходити за межі допустимого. Для речовини, що містить шість груп СН (наприклад, бензол), теоретично можливо 6 ізомерів (рис. 8).
Рис. 8. Ізоміри бензолу
Перші п'ять із показаних ізомерів існують (другий, третій, четвертий і п'ятий ізомери були отримані майже через 100 років, після того, як було встановлено будову бензолу). Останній ізомер, швидше за все, ніколи не буде отримано. Представлений у вигляді шестикутника, він найменш ймовірний, його деформації призводять до структур у формі скошеної призми, трипроменевої зірки, незавершеної піраміди та здвоєної піраміди (незавершеного октаедру). Кожен із цих варіантів містить або дуже різняться за величиною зв'язку С-С, або сильно спотворені валентні кути (рис. 9):
Хімічні перетворення, у яких структурні ізомери перетворюються, друг на друга, називають изомеризацией.
Стереоізомерія
виникає завдяки різному розташуванню атомів у просторі за однакового порядку зв'язків з-поміж них.
Один із видів стереоізомерії цис-транс-ізомерію (цис – лат. по одну строну, транс - лат. через, по різні боки) спостерігається у з'єднаннях, що містять кратні зв'язки або плоскі цикли. На відміну від простого зв'язку, кратний зв'язок не дозволяє обертати навколо неї окремі фрагменти молекули. Для того щоб визначити тип ізомеру, через подвійний зв'язок подумки проводять площину і далі аналізують, як розміщуються заступники щодо цієї площини. Якщо однакові групи знаходяться з одного боку площини, це цис-ізомер, якщо з різних боків – транс-ізомер:
Фізичні та хімічні властивості цис- І транс-ізомерів іноді помітно відрізняються, в малеїновій кислоті карбоксильні групи -СООН просторово близькі, вони можуть реагувати (рис. 11), утворюючи ангідрид малеїнової кислоти (для фумарової кислоти така реакція не йде):
Рис. 11. Утворення ангідриду малеїнової кислоти
У разі плоских циклічних молекул проводити подумки площину не потрібно, оскільки вона вже задана формою молекули, як, наприклад, циклічних силоксанах (рис. 12):
Рис. 12. Ізоміри циклосилоксану
У комплексних з'єднаннях металів цис-ізомером називають з'єднання, у якого дві однакові групи, з тих, що оточують метал, знаходяться поруч, транс-ізомер, вони розділені іншими групами (рис. 13):
Рис. 13. Ізоміри комплексу кобальту
Другий вид стереоізомерії – оптична ізомерія виникає у тих випадках, коли два ізомери, (відповідно до визначення, сформульованого раніше, дві молекули, що не поєднуються в просторі) є дзеркальним відображенням один одного. Таку властивість мають молекули, які можуть бути представлені у вигляді одиночного атома вуглецю, що має чотири різних заступники. Валентності центрального атома вуглецю, пов'язаного з чотирма заступниками, спрямовані до вершин уявного тетраедра – правильного чотиригранника ( див.ОРБІТАЛЬ) та жорстко закріплені. Чотири неоднакові заступники зображені на рис. 14 у вигляді чотирьох кульок з різним забарвленням:
Рис. 14. Атом вуглецю з чотирма різними заступниками
Щоб виявити можливе утворення оптичного ізомеру потрібно (мал. 15) відобразити молекулу в дзеркалі, потім дзеркальне зображення слід взяти як реальну молекулу, помістити під вихідну так, щоб їх вертикальні осі збіглися, і повернути другу молекулу навколо вертикальної осі так, щоб червона куля верхньої та нижньої молекули знаходилися один під одним. В результаті збігається положення лише двох куль, бежевого та червоного (відзначено здвоєними стрілками). Якщо повернути нижню молекулу таким чином, щоб поєдналися сині кулі, то знову збігається положення лише двох куль – бежевого та синього (також відзначено здвоєними стрілками). Все стає очевидним, якщо ці дві молекули подумки поєднати в просторі, вкладаючи одну в іншу, як ніж у піхви, червона і зелена куля не збігаються:
При будь-якій взаємній орієнтації у просторі двох таких молекул не можна досягти повного збігу при поєднанні, згідно з визначенням, це ізомери. Важливо, що й у центрального атома вуглецю не чотири, лише три розрізняються заступника (тобто, з них однакові), то при відображенні в дзеркалі такої молекули оптичний ізомер не утворюється, оскільки молекулу та її відбиток можна поєднати у просторі (рис 16):
Крім вуглецю, у ролі асиметричних центрів можуть виступати інші атоми, у яких ковалентні зв'язки спрямовані до кутів тетраедра, наприклад, кремній, олово, фосфор.
Оптична ізомерія виникає у разі асиметричного атома, вона також реалізується у деяких каркасних молекулах за наявності певної кількості різних заступників. Наприклад, каркасний вуглеводень адамантан, що має чотири різних замісники (рис. 17), може мати оптичний ізомер, при цьому вся молекула грає роль асиметричного центру, що стає очевидним, якщо каркас адамантану подумки стягнути в крапку. Аналогічно силоксан, що має кубічну структуру (рис. 17), також стає оптично активним у разі чотирьох різних заступників:
Рис. 17. Оптично активні каркасні молекули
Можливі варіанти, коли молекула не містить асиметричного центру навіть у прихованому вигляді, але може бути сама загалом несиметрична, при цьому також можливі оптичні ізомери. Наприклад, у комплексному з'єднанні берилію два циклічні фрагменти розташовані у взаємоперпендикулярних площинах, у такому випадку достатньо двох різних замісників для отримання оптичного ізомеру (рис. 18). Для молекули ферроцена, що має форму п'ятигранної призми, для тієї ж мети потрібно три заступники, атом водню в цьому випадку відіграє роль одного із заступників (рис. 18):
Рис. 18. Оптична ізомерія несиметричних молекул
У більшості випадків структурна формула сполуки дозволяє зрозуміти, що саме слід у ній змінити, щоб зробити речовину оптично активною.
При синтезах оптично активних стереоізомерів зазвичай отримують суміш право-і лівообертаючих сполук. Поділ ізомерів проводять шляхом взаємодії суміші ізомерів з реагентами (частіше за природне походження), що містять асиметричний реакційний центр. Деякі живі організми, у тому числі бактерії, переважно засвоюють лівообертаючі ізомери.
В даний час розроблені процеси (звані асиметричним синтезом), що дозволяють цілеспрямовано одержувати певний оптичний ізомер.
Існують реакції, що дозволяють перетворити оптичний ізомер на його антипод ( см. ВАЛЬДЕНІВСЬКИЙ ЗВЕРНЕННЯ).
Михайло Левицький
Таутомерія
« таутос" - той же самий, " Мерос» - частка, частина ( грец.).
Таутомерія- Явлення динамічного оборотного перетворення ізомерів, що протікає з розривом і утворенням зв'язків і супроводжується переміщенням атомів (найчастіше протона) і рідше груп атомів.
Ізомірні форми – таутомери.
На відміну від структурних ізомерів, таутомери, зазвичай, що неспроможні існувати окремо друг від друга. Незалежне їх здобуття неможливе.
Основною ознакою таутомерних речовин є їх двоїсте реагування – здатність до утворення двох рядів похідних як результат роздільного та самостійного реагування двох ізомерних форм однієї сполуки, що знаходяться в рівновазі.
Види таутомерії
Геометрична ізомерія
Різновид стереоізомерії, який визначається різницею просторового розташування в молекулах пари замісників щодо площини подвійного зв'язку або циклу.
Обумовлена тим, що у молекулах цих речовин вільне обертання атомів навколо σ-зв'язків (циклоалкани) і щодо π-зв'язків (алкени) виявляється неможливим.
Z,E-номенклатура (для три-і тетразаміщених алкенів).
Конфігурацію ізомеру визначають щодо відносного розташування старших заступників. З одного боку площини – Z-ізомер; по різні – Е-ізомер.
В основі визначення старшинства є атомний номер елемента. У разі однакових атомів старшинство групи визначає "друга оболонка" атомів:
СН 3< -СН 2 СН 3 < -СН(СН 3) 2 < -СН 2 NН 2 < -CH 2 OH< -CH 2 F
У випадках груп з різним типом зв'язку старшинство збільшується в рядах:
CH 2 OH< -COH < COR < COOH
CH 2 NH 2< -CH=NH < -CN
Е-ізомер Z-ізомер
Внаслідок того, що відстані між замісниками в молекулах ізомерів різні, останні суттєво відрізняються своїми хімічними та фізичними властивостями. Вони можуть бути розділені та існувати індивідуально.
Перехід одного ізомеру в інший – ізомеризація відбувається зазвичай при нагріванні або опроміненні.
Конформаційна ізомерія
Різновид стереоізомерії, що визначається різницею просторового розташування в молекулах замісників, що виникає в результаті вільного обертання навколо зв'язків σ.
Такі ізомери різняться між собою стабільністю. Більш стабільні конформації, що фіксуються фізико-хімічними методаминазиваються конформерами.
Зображення конформерів проекції Ньюмена:
Чим більша сила взаємного відштовхування атомів водню, тим вища енергія системи; тому загальмованої конформації відповідатиме мінімум потенційної енергії молекули.
Приймаючи різні конформації молекули залишаються хімічно однорідними; конформації є типовими ізомерами. Однак, у деяких випадках (при тісній упаковці молекул), можна розділити різні форми.
Конформації біоорганічних молекул (ферменти, вітаміни, білки, нуклеїнові кислоти) грають визначальну роль прояві останніми біологічної активності.
Коформації у ряді циклічних вуглеводнів:
Конфігураційна ізомерія
Об'ємні структури циклічних сполук містять різні за природою положення заступників:
Оптична ізомерія
Деякі органічні сполуки оптично активні. Вони здатні змінювати площину поляризації світла при проходженні його через зразок речовини (1815 Ж. Біо).
Світло - електромагнітні хвилі, коливання яких перпендикулярні до напряму їх поширення. У природному (сонячному) світлі ці коливання відбуваються у різних площинах.
Оптично активні сполуки повертають площину поляризації на певний кут вправо (правообертальні) або вліво (лівообертаючі).
Ізомери, що обертають площину поляризації в різні боки, але на той самий кут – антиподи (енантіомери).
Рацемічна суміш (рацемат) – суміш, що складається з рівних кількостей ліво- та правообертальних ізомерів. Рацемат оптично не активний.
Оптична активність характерна для сполук, що містять
sp 3 -гібридний атом (об'ємні молекули). Якщо такий атом пов'язаний із чотирма різними заступниками, то виникають ізомерні пари, в яких молекули ізомерів відносяться по своїй просторовій організації одна до одної так само, як співвідносяться між собою предмет та дзеркальне зображення.
Зображення енантіомерів
Щоб зв'язати будову з обертанням, було запропоновано вибрати з'єднання-стандарт і порівняти з ним всі інші сполуки, що містять хіральний центр. Як стандарт було обрано
2,3-діоксипропаналь (гліцериновий альдегід):
Для віднесення стереоізомеру необхідно визначити у ньому старшість заступників ( порядковий номерелемента – як у випадку Z, E-ізомерії). Погляд спостерігача спрямовується по осі С-молодший заступник (Н). Після такої орієнтації дивляться, як три заступники розташовуються в ряд у напрямку від старшого до молодшого. У разі конфігурації R цей порядок відповідає напрямку руху за годинниковою стрілкою, у випадку конфігурації S - проти годинникової стрілки.
Якщо молекулі є кілька хіральних центрів, то число ізомерів зростає і дорівнює 2 n де n - число хіральних центрів.
На відміну від структурних ізомерів, енантіомери ідентичні один одному в більшості своїх властивостей. Вони відрізняються лише за своєю взаємодією з плоскополяризованим світлом та взаємодією з речовинами, які також є хіральними.
В організмі реакції протікають за участю біокаталізаторів – ферментів. Ферменти побудовані з хіральних молекул -амінокислот. Тому вони відіграють роль хіральних реагентів, чутливих до хіральності субстратів, що взаємодіють з ними (стереоспецифічність біохімічних процесів). Це призводить до того, що хіральні природні сполуки представлені, як правило, лише однією стереоізомерною формою (D-вуглеводи, L-амінокислоти).
Стереоспецифічність лежить в основі прояву біологічної дії одним з енантіомерів, тоді як інший ізомер може бути неактивним, а іноді чинити іншу або навіть протилежну дію.
1.3 Хімічний зв'язок в органічних сполуках
При утворенні хімічного зв'язку виділяється енергія, тому поява двох нових валентних можливостей призводить до виділення додаткової енергії (1053,4 кДж/моль), яка перевищує енергію, витрачену на розпарювання 2s електронів (401 кДж/моль).
Різні формою орбіталі (s,p) при освіті зв'язку поєднуються, даючи нові рівноцінні гібридизовані орбіталі (теорія гібридизації, Л.Полінг, Д.Слетер, 1928-1931 рр.). Поняття гібридизації відноситься лише до молекул, але не до атомів, і в гібридизацію вступають лише орбіталі, а не електрони на них.
На відміну від негібридизованих s- та p-орбіталей гібридна орбіталь полярна (електронна щільність зміщена) і здатна утворювати міцніші зв'язки.
Ізоміри- Речовини з однаковою будовою молекули, але різними хімічною будовою та властивостями.
Види ізомерії
I. Структурна - полягає у різній послідовності з'єднання атомів у ланцюгу молекули:
1) Ізомерія ланцюга
Слід зазначити, що атоми вуглецю в розгалуженого ланцюгавідрізняються типом сполуки коїться з іншими вуглецевими атомами. Так, атом вуглецю, пов'язаний тільки з одним іншим вуглецевим атомом, називається первиннимз двома іншими атомами вуглецю - вторинним, з трьома - третинним, з чотирма - четвертинним.
2) Ізомерія становища
3) Ізомерія міжкласова
4) Таутомерія
Таутомерія(від грец. ταύτίς - той самий і μέρος - міра) - явище оборотної ізомерії, при якій два або більше ізомер легко переходять один в одного. При цьому встановлюється таутомерна рівновага, і речовина одночасно містить молекули всіх ізомерів у певному співвідношенні. Найчастіше при таутомеризації відбувається переміщення атомів водню від одного атома в молекулі до іншого і назад в тому самому з'єднанні.
ІІ. Просторова (стерео) - обумовлена різним становищем атомів чи груп щодо подвійного зв'язку чи циклу, що виключають вільне обертання з'єднаних атомів вуглецю
1. Геометрична (цис-, транс-ізомерія)
Якщо атом вуглецю в молекулі пов'язаний із чотирма різними атомами або атомними групами, наприклад:
то можливе існування двох з'єднань з однаковою структурною формулою, але які відрізняються просторовою будовою. Молекули таких сполук відносяться одна до одної як предмет та його дзеркальне зображення і є просторовими ізомерами.
Ізомерія цього виду називається оптичною, ізомери - оптичними ізомерами або оптичними антиподами:
Молекули оптичних ізомерів несумісні у просторі (як ліва та права руки), у них відсутня площина симетрії.
Таким чином,
- оптичними ізомераминазиваються просторові ізомери, молекули яких відносяться між собою як предмет і несумісне з ним дзеркальне зображення.
Оптичні ізомери амінокислоти
3. Конформаційна ізомерія
Слід зазначити, що атоми та групи атомів, пов'язані один з одним σ-зв'язком, постійно обертаються щодо осі зв'язку, займаючи різне положення у просторі один щодо одного.
Молекули, що мають однакову будову і відрізняються просторовим розташуванням атомів в результаті обертання навколо С-З зв'язківназиваються конформерами.
Для зображення конформаційних ізомерів зручно користуватися формулами - проекціями Ньюмена:
Явище конформаційної ізомерії можна розглянути на прикладі циклоалканів. Так, для циклогексану характерні конформери:
Розглянуті нами раніше види формул, що описують органічні речовини, показують, що однією молекулярною може відповідати кілька різних структурних формул.
Наприклад, молекулярною формулою C2H6Oвідповідають дві речовиниз різними структурними формулами - етиловий спирт та диметиловий ефір. Рис. 1.
Етиловий спирт - рідина, яка реагує з металевим натрієм із виділенням водню, кипить при +78,50С. За тих же умов диметиловий ефір - газ, що не реагує з натрієм, вирує при -230С.
Ці речовини відрізняються своєю будовою – різним речовинам відповідає однакова молекулярна формула.
Рис. 1. Міжкласова ізомерія
Явище існування речовин, що мають однаковий склад, але різну будову і тому різні властивості називають ізомерією (від грецьких слів «ізос» – «рівний» та «мерос» – «частина», «частка»).
Типи ізомерії
Існують різні типи ізомерії.
Структурна ізомерія пов'язані з різним порядком сполуки атомів у молекулі.
Етанол та диметиловий ефір - структурні ізомери. Оскільки вони відносяться до різних класів органічних сполук, такий вид структурної ізомерії називається ще й міжкласовий . Рис. 1.
Структурні ізомери можуть бути і всередині одного класу сполук, наприклад, формулі C5H12 відповідають три різних вуглеводні. Це ізомерія вуглецевого скелета. Рис. 2.
Рис. 2 Приклади речовин - структурних ізомерів
Існують структурні ізомери з однаковим вуглецевим скелетом, які відрізняються положенням кратних зв'язків (подвійних та потрійних) або атомів, що заміщують водень. Цей вид структурної ізомерії називається ізомерією положення.
Рис. 3. Структурна ізомерія становища
У молекулах, що містять лише одинарні зв'язки, при кімнатній температурі можливе майже вільне обертання фрагментів молекули навколо зв'язків, і, наприклад, усі зображення формул 1,2-дихлоретан рівноцінні. Рис. 4
Рис. 4. Положення атомів хлору навколо одинарного зв'язку
Якщо ж обертання утруднене, наприклад, у циклічній молекулі або за подвійного зв'язку, то виникає геометрична або цис-транс ізомерія.У цис-ізомерах замісники знаходяться по одну сторону площини циклу або подвійного зв'язку, у транс-ізомерах - по різні боки.
Цис-транс ізомери існують у тому випадку, коли з атомом вуглецю пов'язані два різнізаступника. Рис. 5.
Рис. 5. Цис- та транс-ізомери
Ще один тип ізомерії виникає у зв'язку з тим, що атом вуглецю з чотирма одинарними зв'язками утворює зі своїми заступниками просторову структуру – тетраедр. Якщо в молекулі є хоча б один вуглецевий атом, пов'язаний із чотирма різними замісниками, виникає оптична ізомерія. Такі молекули не збігаються зі своїм дзеркальним зображенням. Ця властивість називається хіральністю - від грецької зher- "Рука". Рис. 6. Оптична ізомерія характерна для багатьох молекул, що входять до складу живих організмів.
|
|
|
Рис. 6. Приклади оптичних ізомерів
Оптична ізомерія називається також енантіомерією (від грецької enantios- «протилежний» і meros- «Частина»), а оптичні ізомери - енантіомерами . Енантіомери оптично активні, вони обертають площину поляризації світла на той самий кут, але в протилежні сторони: d- , або (+)-ізомер, - вправо, l- , або (-)-ізомер, - ліворуч. Суміш рівних кількостей енантіомерів рацематом, оптично недіяльна та позначається символом d,l- або (±).
ДЖЕРЕЛА
джерело відео - http://www.youtube.com/watch?v=mGS8BUEvkpY
http://www.youtube.com/watch?t=7&v=XIikCzDD1YE
http://interneturok.ru/ru/school/chemistry/10-klass - конспект
джерело презентації - http://ppt4web.ru/khimija/tipy-izomerii.html
http://www.youtube.com/watch?t=2&v=ii30Pctj6Xs
http://www.youtube.com/watch?t=1&v=v1voBxeVmao
http://www.youtube.com/watch?t=2&v=a55MfdjCa5Q
http://www.youtube.com/watch?t=1&v=FtMA1IJtXCE
джерело презентації - http://mirhimii.ru/10class/174-izomeriya.html
Лекція №5
Тема «Ізомерія та її види»
Тип заняття: комбіноване
Мета: 1. Розкрити основне положення теорії будови на явищі ізомерії. Дати загальне уявлення про типи ізомерії. Показати основні напрями розвитку теорії будови на прикладі стереоізомерії.
2. продовжити формувати вміння будувати формули ізомерів, давати назви речовин за формулами.
3. виховувати пізнавальне ставлення до навчання
Обладнання: моделі молекул Стюарта-Бриглеба, кольоровий пластилін, сірники, пара рукавичок, насіння кмину, м'ятна жувальна гумка, три пробірки.
План заняття
Привітання, перекличка
Опитування опорних знань
Вивчення нового матеріалу:
Теорія будови та явище ізомерії;
Типи ізомерії;
Закріплення
Хід заняття
2. Опитування опорних знань: фронтально
За якими ознаками класифікують органічні сполуки, пояснити, використовуючи схему.
Назвіть основні класи органічних сполук, особливість їх будови
Виконати вправу №1 та 2 §6. Один учень біля дошки, інші в зошитах
3. Вивчення нового матеріалу: Теорія будови та явище ізомерії
Згадайте визначення ізомерії та ізомери. Поясніть причину їхнього існування.
Явление изомерии(от грецького isos - різний і meros – частка, частина) було відкрито 1823г Ю.Либихом і Ф. Велером з прикладу солей двох неорганічних кислот: ціанової і гримучої. Н-О-С = N ціанова; Н-О-N = З гримуча
У 1830 р. Ж.Дюма поширив уявлення про ізомерію на органічні сполуки. Термін «Ізомер» виник роком пізніше, і припустив його Й. Берцелліус. Так як в області будови як органічних так і неорганічних речовин на той час панував повний хаос, відкриття не надали особливого значення.
Наукове пояснення явищу ізомерії було дано А.М.Бутлеровим у межах теорії будівлі, тоді як теорія типів, ні теорія радикалів не розкривали суті цього явища. А.М.Бутлеров вбачав причину ізомерії у цьому, що атоми в молекулах ізомерів пов'язані у різному порядку. Теорія будови дозволяла передбачити число можливих ізомерів та його структуру, що було блискуче підтверджено практично самим А.М.Бутлеровым та її послідовниками.
Типи ізомерії: наведіть приклад ізомерів і запропонуйте ознаку, якою можна було б класифікувати ізомери?(Очевидно, що основою буде будова молекул ізомерів). Пояснюю матеріал, використовуючи схему:
Розрізняють два типи ізомерії: структурну та просторову (стереоізомерію). Структурними називаються ізомери, що мають різний порядок зв'язку атомів у молекулі. Просторові ізомери мають однакові замісники у кожного атома вуглецю, але відрізняються їх взаємним розташуваннямв просторі.
Структурна ізомерія буває трьох видів: міжкласова ізомерія, пов'язана з будовою вуглецевого скелета, та ізомерія положення функціональної групичи кратного зв'язку.
Міжкласові ізомери містять різні функціональні групи і належать до різних класів органічних сполук, а відтак фізичні та хімічні властивості міжкласових ізомерів значно відрізняються.
Ізомерія вуглецевого скелета вам вже знайома, фізичні властивості різні, а хімічні - схожі, тому що ці речовини відносяться до одного класу.
Ізомерія положення функціональної групи або положення кратних зв'язків. Фізичні властивостітаких ізомерів різні, а хімічні – схожі
Геометрична ізомерія: мають різні фізичні константи, але схожі хімічні властивості
Оптичні ізомери є дзеркальним зображенням один одного; подібно до двох долонь, їх неможливо поєднати, так щоб вони збіглися.
4. Закріплення: розпізнати ізомери, визначити тип ізомерії у речовин формули яких: виконати упр 3§ 7