Előadások a Gyermekgyógyászati ​​Kar hallgatóinak

Előadás2

Témakör: Szerves vegyületek térszerkezete

Cél: megismerkedés a szerves vegyületek szerkezeti és térbeli izomériáinak típusaival.

Terv:

Az izoméria osztályozása.

Strukturális izoméria.

Térbeli izoméria

Optikai izoméria

Az első kísérletek a szerves molekulák szerkezetének megértésére a 19. század elejére nyúlnak vissza. Az izoméria jelenségét először J. Berzelius fedezte fel, A. M. Butlerov pedig 1861-ben javasolta a szerves vegyületek kémiai szerkezetének elméletét, amely megmagyarázza az izoméria jelenségét.

Az izomerizmus az azonos minőségi és mennyiségi összetételű, de eltérő szerkezetű vagy térbeli elhelyezkedésű vegyületek létezése, és magukat az anyagokat izomereknek nevezzük.

Az izomerek osztályozása

Szerkezeti

(az atomok kapcsolódási sorrendje eltérő)

Sztereoizoméria

(az atomok eltérő elrendezése a térben)

Több csatlakozási rendelkezés

Funkcionális csoport rendelkezések

Konfiguráció

Conforma-

Strukturális izoméria.

A szerkezeti izomerek olyan izomerek, amelyek minőségi és mennyiségi összetétele azonos, de kémiai szerkezetükben különböznek.

A szerkezeti izoméria meghatározza a szerves vegyületek sokféleségét, különösen az alkánok. A molekulák szénatomszámának növekedésével alkánok, a szerkezeti izomerek száma gyorsan növekszik. Tehát hexánnál (C 6 H 14) ez 5, nonánnál (C 9 H 20) - 35.

A szénatomok elhelyezkedése a láncban változó. A lánc elején lévő szénatom egy szénatomhoz kötődik, és ún elsődleges. Egy szénatom, amely két szénatomhoz kapcsolódik - másodlagos, hárommal – harmadlagos, négy- negyedidőszak. Az egyenes láncú alkánok csak primer és szekunder szénatomokat tartalmaznak, míg az elágazó láncú alkánok tercier és kvaterner szénatomokat is tartalmaznak.

A szerkezeti izoméria típusai.

Metamerek– azonos vegyületosztályba tartozó, de különböző gyököket tartalmazó vegyületek:

H 3 C – O – C 3 H 7 – metilpropil-éter,

H 5 C 2 – O – C 2 H 5 – dietil-éter

Interclass izoméria. Annak ellenére, hogy a molekulák minőségi és mennyiségi összetétele azonos, az anyagok szerkezete eltérő.

Például: az aldehidek izomerek a ketonokra:

Alkinek - alkadiének

H 2 C = CH – CH = CH 2 butadién -1,3 HC = C - CH 2 – CH 3 – butin-1

A szerkezeti izoméria a szénhidrogén gyökök diverzitását is meghatározza. A gyökök izomériája a propánnal kezdődik, amelyre két gyök lehetséges. Ha egy hidrogénatomot levonunk az elsődleges szénatomból, akkor a propil-csoportot (n-propil) kapjuk. Ha egy hidrogénatomot kivonunk egy szekunder szénatomból, akkor az izopropilcsoportot kapjuk.

-

izopropil

CH 2 – CH 2 – CH 3 - vágott

Téri izoméria (sztereoizoméria)

Ez olyan izomerek létezése, amelyek összetétele és az atomok kapcsolódási sorrendje azonos, de különböznek egymástól az atomok vagy atomcsoportok térbeli elrendezésének természetében.

Az izomerizmusnak ezt a típusát L. Pasteur (1848), J. Van' Hoff, Le Bel (1874) írta le.

Valós körülmények között maga a molekula és egyes részei (atomok, atomcsoportok) rezgő-forgó mozgás állapotában vannak, és ez a mozgás nagymértékben megváltoztatja az atomok egymáshoz viszonyított elrendezését a molekulában. Ekkor a kémiai kötések megnyúlnak és a kötésszögek megváltoznak, így a molekulák eltérő konfigurációi és konformációi jönnek létre.

Ezért a térbeli izomereket két típusra osztják: konformációs és konfigurációs.

A konfigurációk azt a sorrendet jelentik, amelyben az atomok elrendeződnek a térben anélkül, hogy figyelembe vennék az egyes kötések körüli forgásból adódó különbségeket. Ezek az izomerek különböző konformációkban léteznek.

A konformációk ugyanannak a molekulának nagyon instabil dinamikus formái, amelyek az atomok vagy atomcsoportok egyes kötések körüli forgása következtében jönnek létre, aminek következtében az atomok különböző térbeli pozíciókat foglalnak el. Egy molekula minden konformációját egy meghatározott konfiguráció jellemzi.

A b-kötés lehetővé teszi körülötte a forgást, így egy molekulának sok konformációja lehet. A sok konformáció közül csak hatot vesznek figyelembe, mert A minimális forgásszögnek egy 60°-os szöget tekintünk, amelyet ún torziós szög.

Vannak: elhomályosított és gátolt konformációk.

Elhomályosult felépítés akkor fordul elő, ha az azonos szubsztituensek egymástól minimális távolságra helyezkednek el, és kölcsönös taszító erők lépnek fel közöttük, és a molekulának nagy energiaellátással kell rendelkeznie, hogy fenntartsa ezt a konformációt. Ez a felépítés energetikailag kedvezőtlen.

gátolt konformáció - akkor fordul elő, ha az azonos szubsztituensek a lehető legtávolabb vannak egymástól, és a molekula minimális energiatartalékkal rendelkezik. Ez a felépítés energetikailag kedvező.

P Az első olyan vegyület, amelyről ismert a konformációs izomerek létezése, az etán. Térbeli szerkezetét a perspektivikus képlet vagy a Newman-képlet ábrázolja:

VEL 2 N 6

eltakarva gátolt

felépítés konformáció

Newman vetületi képletei.

A hozzánk legközelebb eső szénatomot egy pont jelöli a kör közepén, a kör a távoli szénatomot jelöli. Az egyes atomok három kötése a kör középpontjától eltérõ vonalként van ábrázolva - a legközelebbi szénatomhoz, és kicsik - a távoli szénatomhoz.

A hosszú szénláncokban több C-C kötés körül is lehetséges a forgás. Ezért az egész lánc különféle geometriai formákat ölthet. A röntgendiffrakciós adatok szerint a telített szénhidrogének hosszú láncai cikkcakkos és karmos alakúak. Például: a palmitinsav (C 15 H 31 COOH) és a sztearinsav (C 17 H 35 COOH) cikk-cakk konformációban a sejtmembránok lipidjeinek részét képezi, az oldatban lévő monoszacharid molekulák pedig karom alakú konformációt vesznek fel.

Ciklikus vegyületek konformációi

A ciklikus kapcsolatokat a zárt ciklus jelenlétéhez kapcsolódó szögfeszültség jellemzi.

Ha a ciklusokat laposnak tekintjük, akkor sokuknál a kötési szögek jelentősen eltérnek a normáltól. Azt a feszültséget, amelyet a gyűrű szénatomjai közötti kötésszögek normálértéktől való eltérése okoz, ún sarok vagy Bayernél

Például a ciklohexánban a szénatomok sp 3 hibrid állapotban vannak, és ennek megfelelően a kötési szögnek 109 o 28 /-nak kell lennie. Ha a szénatomok ugyanabban a síkban lennének, akkor a síkgyűrűben a belső kötésszögek 120°-kal egyenlőek, és az összes hidrogénatom elhomályosult konformációban lenne. De a ciklohexán nem lehet lapos az erős szög- és torziós feszültségek jelenléte miatt. A ϭ-kötések körüli részleges forgás következtében kisebb feszültségű, nem síkbeli konformációk alakulnak ki, amelyek között a konformációk stabilabbak fotelek És fürdők.

A szék felépítése energetikailag a legkedvezőbb, mivel nincs benne elzárt hidrogén- és szénatom. Az összes szénatom H atomjainak elrendezése megegyezik az etán gátolt konformációjával. Ebben a konformációban minden hidrogénatom nyitott és elérhető a reakciókhoz.

A fürdő konformációja energetikailag kevésbé kedvező, mivel 2 pár C-atom (C-2 és C-3), (C-5 és C-6) a bázison H-atomot tartalmaz elhomályosított konformációban, ezért ez a konformáció nagy. energiatartalék és instabil.

C6H12ciklohexán

A „szék” forma energetikailag előnyösebb, mint a „fürdőkád”.

Optikai izoméria.

A 19. század végén felfedezték, hogy sok szerves vegyület képes a polarizált nyaláb síkját jobbra-balra forgatni. Vagyis a molekulára eső fénysugár kölcsönhatásba lép az elektronhéjaival, és az elektronok polarizációja következik be, ami az elektromos térben az oszcilláció irányának megváltozásához vezet. Ha egy anyag az óramutató járásával megegyező irányba forgatja a rezgéssíkot, akkor ún jobbra forgató(+), ha az óramutató járásával ellentétes – balkezes(-). Ezeket az anyagokat optikai izomereknek nevezték. Az optikailag aktív izomerek aszimmetrikus szénatomot (királis) tartalmaznak - ez egy négy különböző szubsztituenst tartalmazó atom. A második fontos feltétel az összes szimmetriatípus (tengely, sík) hiánya. Ezek közé tartozik számos hidroxi- és aminosav

Tanulmányok kimutatták, hogy az ilyen vegyületek az sp 3 hibridizációban a szénatomokon lévő szubsztituensek elrendezési sorrendjében különböznek.

P a legegyszerűbb vegyület a tejsav (2-hidroxi-propánsav)

Az olyan sztereoizomereket, amelyek molekulái tárgyként és inkompatibilis tükörképként vagy bal és jobb kézként kapcsolódnak egymáshoz, ún. enantiomerek(optikai izomerek, tükörizomerek, antipódok, és a jelenséget ún enantiomerizmus. Az enantiomerek minden kémiai és fizikai tulajdonsága megegyezik, kivéve kettőt: a polarizált fény síkjának forgását (polariméterben) és a biológiai aktivitást.

A molekulák abszolút konfigurációját összetett fizikai-kémiai módszerekkel határozzák meg.

Az optikailag aktív vegyületek relatív konfigurációját glicerinaldehid standarddal való összehasonlítással határozzuk meg. A jobbra vagy balra forgató glicerinaldehid konfigurációjú optikailag aktív anyagokat (M. Rozanov, 1906) D- és L-sorozatú anyagoknak nevezzük. Egy vegyület jobbra és balra forgató izomereinek egyenlő keverékét racemátnak nevezzük, és optikailag inaktív.

A kutatások kimutatták, hogy a fény forgásának előjele nem köthető egy anyag D- és L-sorozathoz való tartozásához, ezt csak kísérletileg határozzák meg műszerekben - polariméterekben. Például az L-tejsav forgási szöge +3,8 o, a D-tejsav - 3,8 o.

Az enantiomereket Fischer-képletekkel ábrázoltuk.

A szénláncot függőleges vonal jelöli.

A szenior funkcionális csoport felül, a junior funkcionális csoport alul található.

Az aszimmetrikus szénatomot vízszintes vonal jelöli, amelynek végein szubsztituensek vannak.

Az izomerek számát a 2 n képlet határozza meg, n az aszimmetrikus szénatomok száma.

L-sor D-sor

Az enantiomerek között lehetnek szimmetrikus molekulák, amelyek nem rendelkeznek optikai aktivitással, és ún mezoizomerek.

Például: Borház

D – (+) – L sor – (–) – sor

Mezovinnaya k-ta

Racemate – szőlőlé

Az olyan optikai izomereket, amelyek nem tükörizomerek, és több, de nem minden aszimmetrikus szénatom konfigurációjában különböznek egymástól, és eltérő fizikai és kémiai tulajdonságokkal rendelkeznek, - di-A-sztereoizomerek.

A -diasztereomerek (geometriai izomerek) olyan sztereomerek, amelyek  kötést tartalmaznak a molekulában. Alkénekben, telítetlen, magasabb szénatomszámú vegyületekben, telítetlen dikarbonvegyületekben találhatók. Például:

Cisz-butén-2 Transz-butén-2

A szerves anyagok biológiai aktivitása a szerkezetükkel függ össze. Például:

cisz-buténsav, transz-buténsav,

maleinsav - fumársav - nem mérgező,

nagyon mérgező a szervezetben

Minden természetes telítetlen, magasabb szénatomszámú vegyület cisz-izomer.

Ebben a cikkben a szerkezeti izomerekről, szerkezetük jellemzőiről és az izoméria típusairól fogunk beszélni. Részletesen elemezzük magát az izoméria jelenségét, és példákat hozunk az életben való felhasználásukra is.

Az izoméria jelensége

Az izoméria egy speciális jelenség, amely előre meghatározza a vegyi anyagok létezését. vegyületek, ugyanazok az izomerek, azonos atomi összetételű és molekulatömegű anyagok, amelyek csak az atomok térbeli elrendezésében vagy szerkezetükben különböznek egymástól, ami eltérő, új tulajdonságok megváltozásához, megszerzéséhez vezet. A szerkezeti izomerek olyan anyagok, amelyek atomjaik térbeli helyzetének ilyen változása következtében keletkeznek, amelyet az alábbiakban részletesebben tárgyalunk.

Ha az izomerizmusról beszélünk, érdemes megjegyezni egy olyan folyamat létezését, mint az izomerizáció, amely az egyik izomer átmenete a másikba kémiai reakciók eredményeként. átalakulások.

Az izoméria típusai

A vegyértékizoméria az izomerek egy olyan szerkezete, amelyben a vegyértékkötések újraeloszlása ​​következtében maguknak az izomereknek (egymásnak) átvitele lehetséges.

A helyzeti izoméria egy olyan anyagtípus, amelynek szénváza azonos, de a funkciós csoportok eltérőek. Feltűnő példa erre a klórbután 2- és 4-savai.

Az interclass izoméria elrejti az izomerek közötti különbséget a funkciós csoportok természetében.

A metamerizmus a szénatomok helyzetének megoszlása ​​bizonyos számú széngyök között, a molekula heteroatomja szeparátorként szolgál. Ez a fajta izoméria jellemző az egyszerű és összetett aminokra, tioalkoholokra és éterekre.

A szénváz izomerizmusa a szénatomok helyzetének, vagy inkább sorrendjének különbsége. Például: a fenantrének és az antracénnek közös a C14H10 képlete, de a vegyértékkötések másfajta újraelosztása.

Szerkezeti izomerek

A szerkezeti izomerek olyan anyagok, amelyeknek hasonló az anyag szerkezete, de különböznek a molekula képletében. A szerkezeti izomerek azok, amelyek mennyiségi és minőségi összetételükben azonosak egymással, de az atomi kötés sorrendje (kémiai szerkezete) eltérő.

A szerkezeti izomereket az izometrikus szerkezet típusa szerint osztályozzuk, amelyek típusait fentebb, az izoméria típusairól szóló bekezdésben adjuk meg.

Az anyag izomerjének szerkezeti képlete számos módosítással rendelkezik. Az izoméria néhány példája az olyan anyagok, mint a butánsav, a 2-metil-propánsav, a metil-propionát, a dioxán, az etil-acetát, az izopropil-formiát, amelyeknek mindhárom típusú atomja azonos összetételű, de az atomok helyzetében különböznek. magában a vegyületben.

Az izoméria másik szembetűnő példája a pentán, a neopentán és az izopentán létezése.

Az izomerek nevei

Amint azt korábban említettük, a szerkezeti izomerek olyan anyagok, amelyek az anyag szerkezetében hasonló képlettel rendelkeznek, de különböznek a molekula képletében. Az ilyen vegyületek osztályozása megfelel tulajdonságaik jellemzőinek, az atomok szerkezetének és helyzetének az izomer molekulában, a funkciós csoportok számának különbségei, vegyértékkötések, egy bizonyos elem atomjainak jelenléte az anyagban stb. A szerkezeti izomerek nevét többféleképpen kapjuk. Tekintsük ezt a 3-metil-butanol 1 példáján, mint az alkoholok képviselőjeként.

Az alkoholok esetében az alkoholok nevének megszerzésekor minden a domináns szénlánc kiválasztásával kezdődik, és sorszámozás történik, melynek célja, hogy az OH csoporthoz a lehető legkisebb számot hozzárendeljük, figyelembe véve elszámolni a rendelést. Maga a név egy szubsztituenssel kezdődik a szénláncban, majd a főlánc neve következik, majd az -ol utótag kerül hozzáadásra, a szám pedig az OH csoporthoz tartozó szénatomot jelöli.

Tautomeria

« tautos"- ugyanaz," meros" - megosztás, rész ( görög).

Tautomeria- az izomerek dinamikus reverzibilis átalakulásának jelensége, amely kötések felszakadásával és képződésével jár, és atomok (leggyakrabban proton) és ritkábban atomcsoportok mozgásával jár együtt.

Az izomer formák tautomerek.

A szerkezeti izomerekkel ellentétben a tautomerek általában nem létezhetnek egymástól külön. Önállóan lehetetlen megszerezni őket.

A tautomer anyagok fő jellemzője kettős reakciójuk - az a képesség, hogy két származéksorozatot képezzenek egy vegyület két izomer formájának különálló és független reakciója eredményeként, amelyek egyensúlyban vannak.

A tautoméria típusai

Geometriai izoméria

A sztereoizoméria egy fajtája, amelyet a szubsztituenspárok molekuláiban a kettős kötés vagy gyűrű síkjához viszonyított térbeli elrendeződésének különbsége határoz meg.

Ennek az az oka, hogy ezen anyagok molekuláiban az atomok szabad forgása a σ-kötések körül (cikloalkánok) és a π-kötésekhez (alkének) nem lehetséges.

Z,E-nómenklatúra (tri- és tetraszubsztituált alkénekhez).

Az izomer konfigurációját a vezető szubsztituensek relatív helyzete határozza meg. A sík egyik oldalán a Z-izomer; különböző – E-izomer.

A prioritás meghatározásának alapja az elem rendszáma. Azonos atomok esetén a csoport rangját az atomok „második héja” határozza meg:

CH 3< -СН 2 СН 3 < -СН(СН 3) 2 < -СН 2 NН 2 < -CH 2 OH< -CH 2 F

Különböző típusú kapcsolatokkal rendelkező csoportok esetében a ranglétrán növekszik a ranglétrán:

CH2OH< -COH < COR < COOH

CH2NH2< -CH=NH < -CN

E-izomer Z-izomer

Tekintettel arra, hogy az izomer molekulákban a szubsztituensek távolsága eltérő, az utóbbiak kémiai és fizikai tulajdonságaikban jelentősen eltérnek egymástól. Elválaszthatók és külön-külön is létezhetnek.

Az egyik izomer átmenete a másikba - az izomerizáció általában melegítéssel vagy besugárzással történik.

Konformációs izoméria

A sztereoizoméria egy fajtája, amelyet a molekulákban lévő szubsztituensek térbeli elrendeződésének különbsége határoz meg, amely a σ kötések körüli szabad forgás eredménye.

Ezek az izomerek stabilitásukban különböznek egymástól. A fiziko-kémiai módszerekkel rögzített stabilabb konformációkat konformereknek nevezzük.

A konformerek képe – Newman előrejelzései:

Minél nagyobb a hidrogénatomok kölcsönös taszító ereje, annál nagyobb a rendszer energiája; ezért a gátolt konformáció a molekula minimális potenciális energiájának felel meg.

A különböző konformációk elfogadásával a molekulák kémiailag homogének maradnak; a konformációk nem tipikus izomerek. Bizonyos esetekben azonban (amikor a molekulák szorosan egymásra vannak csomagolva) lehetséges a különböző formák elkülönítése.

A bioorganikus molekulák (enzimek, vitaminok, fehérjék, nukleinsavak) konformációi döntő szerepet játszanak biológiai aktivitásuk megnyilvánulásában.

Koformációk a ciklikus szénhidrogének sorozatában:

Konfigurációs izoméria

A gyűrűs vegyületek háromdimenziós szerkezete különböző helyzetű szubsztituenseket tartalmaz:

Optikai izoméria

Egyes szerves vegyületek optikailag aktívak. Képesek megváltoztatni a fény polarizációs síkját, amikor áthalad egy anyagmintán (1815 J. Biot).

A fény elektromágneses hullámok, amelyek rezgései merőlegesek terjedésük irányára. Természetes (napfény) fényben ezek a rezgések különböző síkokban fordulnak elő.

Az optikailag aktív vegyületek a polarizációs síkot bizonyos szöggel jobbra (jobbkezes) vagy balra (balkezesek) forgatják.

Azok az izomerek, amelyek a polarizációs síkot különböző irányban, de azonos szögben forgatják, antipódok (enantiomerek).

A racém keverék (racemát) egyenlő mennyiségű bal- és jobbkezes izomerekből álló keverék. A racemát optikailag nem aktív.

Az optikai aktivitás jellemző a tartalmazó vegyületekre
sp 3 -hibrid atom (tömb molekulák). Ha egy ilyen atomhoz négy különböző szubsztituens kapcsolódik, akkor olyan izomerpárok keletkeznek, amelyekben az izomer molekulák térbeli szerveződésükben ugyanúgy viszonyulnak egymáshoz, mint egy tárgy és egy tükörkép egymáshoz.

Az enantiomerek képe

Annak érdekében, hogy a szerkezetet a rotációhoz viszonyítsuk, azt javasolták, hogy válasszunk ki egy standard vegyületet, és hasonlítsuk össze az összes többi királis centrumot tartalmazó vegyületet. A szabványt választották
2,3-dihidroxi-propanál (gliceraldehid):

R,S - nómenklatúra

Egy sztereoizomer hozzárendeléséhez meg kell határozni a benne lévő szubsztituensek rangját (az elem sorszáma - mint a Z,E izoméria esetében). A megfigyelő tekintete a C-junior alárendelt (H) tengely mentén irányul. E tájékozódás után nézze meg, hogy a három szubsztituens hogyan helyezkedik el egy sorban az idősebbtől a fiatalabbig. Az R-konfigurációnál ez a sorrend az óramutató járásával megegyező, az S-konfigurációnál - az óramutató járásával ellentétes irányban haladó mozgási iránynak felel meg.

Ha egy molekulának több királis centruma van, akkor az izomerek száma nő, és egyenlő 2n-nel, ahol n a királis centrumok száma.

A szerkezeti izomerekkel ellentétben az enantiomerek tulajdonságaik többségében azonosak egymással. Csak a síkpolarizált fénnyel való kölcsönhatásukban és a szintén királis anyagokkal való kölcsönhatásukban különböznek egymástól.

A szervezetben a reakciók biokatalizátorok - enzimek - részvételével mennek végbe. Az enzimek királis α-aminosav molekulákból épülnek fel. Ezért a királis reagensek szerepét töltik be, érzékenyek a velük kölcsönhatásba lépő szubsztrátok kiralitására (biokémiai folyamatok sztereospecifitása). Ez ahhoz a tényhez vezet, hogy a királis természetes vegyületeket általában csak egy sztereoizomer forma (D-szénhidrátok, L-aminosavak) képviseli.

A sztereospecifitás az egyik enantiomer biológiai hatásának megnyilvánulásának hátterében, míg a másik izomer inaktív lehet, és néha eltérő vagy éppen ellenkező hatást fejt ki.

1.3 Kémiai kötés szerves vegyületekben

Kémiai kötés kialakulásakor energia szabadul fel, így két új vegyértéklehetőség megjelenése többletenergia felszabadulásához vezet (1053,4 kJ/mol), amely meghaladja a 2s elektronok párosítására fordított energiát (401 kJ/mol) .

Különböző alakú (s, p) pályák keverednek, amikor kötést képeznek, új ekvivalens hibridizált pályákat adva (hibridizációs elmélet, L. Pauling, D. Slater, 1928-1931). A hibridizáció fogalma csak a molekulákra vonatkozik, az atomokra nem, és csak a pályák lépnek be a hibridizációba, a rajtuk lévő elektronok nem.

Ellentétben a nem hibridizált s- és p-pályákkal, a hibrid pálya poláris (az elektronsűrűség eltolódik), és erősebb kötések kialakítására képes.

És a görög μέρος - részesedés, rész), olyan jelenség, amely azonos összetételű, azonos molekulatömegű, de szerkezetükben eltérő kémiai vegyületek létezéséből áll. Az ilyen vegyületeket izomereknek nevezzük. A szerkezeti különbségek meghatározzák az atomok eltérő kölcsönös hatását a molekulákban, és meghatározzák az izomerek eltérő fizikai és kémiai tulajdonságait. Az izomerizmus rendkívül gyakori a szerves kémiában, és ez az egyik fő oka a szerves vegyületek sokféleségének és bőségének. A szervetlen kémiában az izoméria főleg összetett vegyületekben fordul elő.

Az „izoméria” kifejezést J. Berzelius vezette be 1830-ban, lezárva J. Liebig és F. Wöhler vitáját két élesen eltérő tulajdonságú és azonos összetételű anyag, az AgCNO - ezüst-cianát és ezüst-fulminát - létezéséről. kutatási eredmények borkő- és szőlősavak. Az izoméria lényegét később a kémiai szerkezet elmélete alapján fejtették ki.

Az izoméria két fő típusa van: a szerkezeti és a térbeli (sztereoizoméria). A szerkezeti izomerek a molekulában lévő atomok kötéseinek sorrendjében, azaz kémiai szerkezetükben különböznek. A sztereoizomerek (térbeli izomerek), amelyek az atomok kötéseinek sorrendje megegyezik a molekulában, különböznek az atomok térbeli kölcsönös elrendezésében.

A szerkezeti izoméria szénvázizomériára (vázizoméria), helyzeti izomériára (helyzeti izoméria), metamerizmusra és más típusokra oszlik. A szénváz izomerizmusa a molekula vázát alkotó szénatomok eltérő kötési sorrendjéből adódik. Az izomerek szerkezeti jellemzőinek meghatározására a vázizomériát szénlánc izomériára, gyűrűizomériára és oldallánc izomériára osztják. Például a szénlánc izoméria jellemző az alkánokra, kezdve a C 4 H 10 homológ sorozat negyedik tagjával, amelynek két szerkezeti izomerje van: n-bután CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 és izobután (2-metilpropán). ) CH3-CH(CH3)-CH3. A C5H12 alkánok sorozatának ötödik tagja három izomerből áll: CH3-CH2-CH2-CH2-CH3-n-pentán, CH3-CH(CH3)-CH2-CH3- izopentán (2-metil-bután) és neopentán (2,2-dimetil-propán) CH 3 -C(CH 3) 2 -CH 3. A lánc meghosszabbodásával a lehetséges izomerek száma gyorsan növekszik. Így a C10H22 összetételű alkánok esetében 75 szerkezeti izomer lehetséges, a C13H28-802 izomereknél, a C20H42-nél több mint 366 ezer izomer. Az aliciklusos vegyületeket gyűrűizoméria és oldallánc izoméria jellemzi. Például a vázizomerek (I-IV képletek) közül a metilciklopentán (I), ciklohexán (II) és propil-ciklopropán (III) ciklikus izomerek, és a propil-ciklopropán (III) és izopropil-ciklopropán (IV) oldallánc izomerek. A vázizomerek tulajdonságainak különbségei a forráspontjuk különbségében mutatkoznak meg (a normál szénláncú izomerek magasabb hőmérsékleten forrnak, mint az elágazó láncú izomerek), sűrűségükben stb. Az n-alkánok például az elágazó izomerekkel ellentétben , kisebb detonációs ellenállással rendelkeznek (lásd az Oktánszám cikket), komplexeket képeznek a karbamiddal (klatrátok).

A helyzeti izomériát a funkciós csoportok, szubsztituensek vagy többszörös kötések különböző helyzetei okozzák. Például a helyzeti izomerek a következők: 1-propanol CH3-CH2-CH2OH és 2-propanol CH3-CH(OH)-CH3, 1-butén CH2=CH-CH2-CH3 és 2-butén. CH3-CH=CH-CH3. Egy funkciós csoport helyzetének megváltoztatása a vegyület osztályának megváltozását eredményezheti. Például az aceton CH3-C(O)-CH3 és propanal CH3-CH2-CHO helyzeti izomerek a ketonokhoz, illetve az aldehidekhez tartoznak. A különböző funkciós csoportokkal rendelkező szerkezeti izomerek kémiai tulajdonságaikban nagymértékben különböznek.

A metamerizmust a heteroatom (O, N, S) eltérő helyzete okozza a láncban. Például a metamerek a metil-propil-éter CH3O-CH2-CH2-CH3 és a dietil-éter CH3-CH2-O-CH2-CH3, dietil-amin CH3-CH2-NH-CH2-CH3. és CH3-NH-CH2-CH2-CH3-metil-propil-amin.

Az izomerek különbségei gyakran több szerkezeti jellemzőt is meghatároznak. Például a metil-izopropil-keton (3-metil-2-butanon) CH3-C(O)-CH(CH3)2 és a valeraldehid (pentanal) CH3-CH2-CH2-CH2-CHO különbözik egymástól. más, mint a szénváz szerkezete és a funkciós csoport helyzete.

A szerkezeti izoméria speciális típusa a tautoméria (egyensúlyi dinamikus izoméria). Ebben az esetben a funkciós csoportokban eltérő izomerek könnyen átalakulnak egymásba az egyensúly eléréséig, amelyben az anyag egyidejűleg tartalmaz tautomer molekulákat bizonyos arányban.

A térbeli izoméria geometriai (cisz, transz és szin, antiizoméria, vagy E, Z-izoméria) és optikai (enantiomerizmus) részekre oszlik. A geometriai izoméria a kettős kötéseket vagy nem aromás gyűrűket tartalmazó vegyületekre jellemző, amelyek szerkezetileg merev molekulatöredékek. A cisz-izomerekben két szubsztituens található a kettős kötés vagy gyűrű síkjának egyik oldalán, a transz-izomerekben - az ellenkező oldalon. Például geometriai izomerek a cisz-2-butén (V) és transz-2-butén (VI), cisz-1,2-diklór-ciklopropán (VII) és transz-1,2-diklór-ciklopropán (VIII).

A cisz-transz izomerek közötti jellemző különbség a cisz-izomerek alacsonyabb olvadáspontja, a lényegesen jobb vízoldhatóság és a kifejezett dipólusmomentum. A transz-izomerek általában stabilabbak. Lásd például a Malein- és fumársavak című cikket.

A C=N (oximok) és N=N (azo-, azoxivegyületek) kettős kötéssel rendelkező vegyületeknél megfigyelt geometriai izomériát gyakran szin-nek, antiizomériának nevezik. Például a geometriai izomerek az anti-benzaldoxim (IX képlet) és a szin-benzaldoxim (X); szin-azobenzol (XI) és anti-azobenzol (XII).

Általában az Ε,Z-nómenklatúrát használjuk. A Z-izomerekben az idősebb szubsztituensek (nagyobb atomszámmal) a kettős kötés vagy gyűrű egyik oldalán, az E-izomereknél pedig az ellenkező oldalon helyezkednek el. Például geometriai izomerek a (Z)-1-bróm-1-jód-2-klór-etilén (XIII) és (E)-1-bróm-1-jód-2-klór-etilén (XIV).

Az optikai izomerizmus azokra a vegyületekre jellemző, amelyek molekuláiban vannak kiralitási elemek, például egy aszimmetrikus (királis) szénatom, amely négy különböző szubsztituenshez kapcsolódik. Először L. Pasteur fedezte fel 1848-ban a borkősavak példáján, és J. H. Van't Hoff és J. A. Le Bel magyarázta 1874-ben a telített vegyületek szénatomjainak tetraéderes konfigurációjára vonatkozó elképzelések alapján. Az aszimmetrikus szénatomot tartalmazó molekulák két optikai izomerként ábrázolhatók, amelyek nem kombinálhatók a térben (vagyis úgy viszonyulnak egymáshoz, mint egy tárgy a tükörképéhez). Az ilyen tükörizomereket, amelyek csak a királis centrumban ugyanazon szubsztituensek ellentétes elrendezésében különböznek, enantiomereknek nevezzük (a görög έναντίος - ellentétes és μέρος - rész). Például a tejsav enantiomerjei (XV és XVI) ábrázolhatók három dimenzióban vagy Fischer-képletek formájában (lásd a Kémiai nómenklatúra című cikket).

Az enantiomerek eltérő biológiai aktivitással rendelkeznek; Optikai aktivitás is jellemzi őket - a síkpolarizált fény befolyásolásának képessége (a polarizációs sík elforgatása). Az enantiomerek a polarizációs síkot azonos szöggel, de ellentétes irányban forgatják el, ezért optikai antipódoknak nevezik őket.

Az enantiomerek konfigurációját sokáig egy ismert standard konfigurációjához viszonyítva határozták meg, amely a gliceraldehid enantiomerje volt (D, L-szterikus sorozat). Univerzálisabb az R, S-nómenklatúra (R. Kahn, K. Ingold és V. Prelog javasolta), amely megállapítja a térbeli izomerek abszolút konfigurációját. A tejsav (XV, XVI) enantiomerjei az R, S-nómenklatúra szabályai szerint (R)-tejsav, illetve (S)-tejsav. Nincsenek szabályok a D, L-nómenklatúra R, S-rendszerré alakítására, mivel ezek a nómenklatúrák eltérő elveket használnak. Az abszolút konfiguráció és az optikai forgatás paraméterei között szintén nem sikerült összefüggést megállapítani.

A molekulában n királis centrumot tartalmazó vegyületeknél a lehetséges sztereoizomerek száma 2". n ≥2 esetén azonban vannak sztereoizomerek, amelyek a bennük lévő kiralitási elemek egy részében különböznek egymástól. Ilyen sztereoizomerek, amelyek nem enantiomerek , diasztereomereknek nevezik (a görög δια ... - át, között, sztereó... és μέρος - részből. Például a kloromálsav esetében, amelynek két aszimmetrikus szénatomja van, négy sztereoizomer van (XVII-XX. képletek). ), beleértve a XVII és XVIII párokat, valamint a XIX és a XX enantiomereket, a fennmaradó párok (XVII és XIX, XVII és XX, XVIII és XIX, XVIII és XX) diasztereomerek.

További szimmetriaelemek (sík, tengely vagy szimmetriaközéppont) megjelenésével a sztereoizomerek összszáma, valamint az optikailag aktív formák száma csökkenhet. Például a borkősavnak három sztereoizomerje van, amelyek közül kettő optikailag aktív: D-borkősav vagy (2R,3R)-borkősav (XXI képlet) és L-borkősav vagy (2S,3S)-borkősav. (XXII ), amelyek enantiomerek. Diasztereomerjük - mezoborkősav, vagy (2R,3S)-borkősav (XXIII képlet, vagy azonos konfiguráció XXIV) a szimmetriasík jelenléte miatt (szaggatott vonallal jelölve) optikailag inaktív - ez egy olyan - intramolekuláris racemátnak nevezik.

Az enantiomerek egymásba való átalakulásának folyamatát racemizációnak nevezik. Egyenlő mennyiségű optikai antipód keveréke - racém keverék vagy racemát - nem rendelkezik optikai aktivitással. A sztereoizoméria nagy figyelmet szentel a természetes vegyületek tanulmányozásának és a biológiailag aktív anyagok szintézisének. A kiralitás elemeit tartalmazó természetes eredetű anyagokat bizonyos sztereokonfiguráció, valamint optikai aktivitás jellemzi. Ha a kémiai szintézis körülményei között királis centrum képződik (kivéve az aszimmetrikus szintézist), racemát képződik; Az enantiomerek izolálása összetett módszerek alkalmazását igényli a racemát optikailag aktív komponensekre történő szétválasztására.

A molekulák belső forgásának eredményeként konformációs izomerek vagy konformerek keletkeznek, amelyek a molekulafragmensek egy vagy több egyszerű kötéshez viszonyított forgási fokában különböznek. Egyes esetekben az egyes konformerek izolálhatók, amelyeket néha rotációs izomereknek is neveznek. A konformációs analízist a konformerek képződésének, tulajdonságainak és reaktivitásának vizsgálatára használják.

Az izomerek egymáská alakulhatnak izomerizációs reakciók eredményeként.

Lit.: Potapov V. M. Sztereokémia. 2. kiadás M., 1988; Traven V. F. Szerves kémia. M., 2004. T. 1.

Többszintű opciók
tesztek

9. évfolyam

Folytatás. Lásd: 18., 20., 21., 23/2003

3. sz. teszt.
Szerves vegyületek

1. FELADAT

A szint

g) különféle tulajdonságok;
h) hasonló tulajdonságok.

Adott szerkezetű anyaghoz állítsuk össze egy homológból és egy izomerből álló szerkezeti képleteket. Jelölje meg, hogy a szerves anyagok melyik osztályába tartoznak.

I. lehetőség

lehetőség II

lehetőség III

IV. lehetőség

B szint

Válassza ki az izomerekre (I. és III. lehetőség) vagy homológokra (II. és IV. lehetőség) jellemző jellemzőket:

a) ugyanaz a minőségi összetétel;
b) eltérő minőségi összetétel;
c) ugyanaz a mennyiségi összetétel;
d) eltérő mennyiségi összetétel (atomcsoportonként eltérő –CH 2 –);
e) eltérő kémiai szerkezet;
f) hasonló kémiai szerkezet;
g) különféle tulajdonságok;
h) hasonló tulajdonságok.

Adott szerkezetű anyaghoz állítsuk össze egy homológból és két izomerből álló szerkezeti képleteket. Jelölje meg, hogy a szerves anyagok melyik osztályába tartoznak.

I. lehetőség

lehetőség II

lehetőség III

IV. lehetőség

B szint

Válassza ki az izomerekre (I. és III. lehetőség) vagy homológokra (II. és IV. lehetőség) jellemző jellemzőket:

a) ugyanaz a minőségi összetétel;
b) eltérő minőségi összetétel;
c) ugyanaz a mennyiségi összetétel;
d) eltérő mennyiségi összetétel (atomcsoportonként eltérő –CH 2 –);
e) eltérő kémiai szerkezet;
f) hasonló kémiai szerkezet;
g) különféle tulajdonságok;
h) hasonló tulajdonságok.

Adott szerkezetű anyaghoz állítsuk össze egy homológból és két izomerből álló szerkezeti képleteket. Adj nekik neveket. Jelölje meg, hogy a szerves anyagok melyik osztályába tartoznak.

I. lehetőség

lehetőség II

lehetőség III

IV. lehetőség

2. FELADAT

Írja fel azokat a reakcióegyenleteket, amelyek segítségével végrehajthatja az átalakításokat!

A szint

I. lehetőség

a) CH4+H20...;
b) C 7 H 16 + O 2 ... .

lehetőség II

a) CH4+HNO3...;
b) C 5 H 12 + O 2 ... .

lehetőség III

a) CH4+CI2...;
b) C 8 H 18 + O 2 ... .

IV. lehetőség

a) CH4+S...;
b) C 6 H 14 + O 2 ... .

B szint

I. lehetőség

lehetőség II

lehetőség III

IV. lehetőség

B szint

I. lehetőség

lehetőség II

Metán-klór-metán-diklór-metán-triklór-metán-szén-tetraklorid.

lehetőség III

IV. lehetőség

Metán-bróm-metán-dibróm-metán-tribróm-metán-tetrabróm-metán.

3. FELADAT

A szint

Tekintettel arra, hogy a szénlánc szakadása a termikus repedés során általában annak közepén történik, írjuk fel a termikus repedési reakció egyenletét! Rajzolja fel a reakciótermékek szerkezeti képleteit! Milyen szerves vegyületek osztályaiba tartoznak?

I. lehetőség

A C 22 H 46 képletû szénhidrogénre.

lehetőség II

A C 26 H 54 képletû szénhidrogénre.

lehetőség III

C 24 H 50 képletű szénhidrogénre.

IV. lehetőség

A C 18 H 38 képletű szénhidrogénre.

B szint

Tekintettel arra, hogy a szénlánc szakadása a termikus repedés során általában annak közepén történik, írjuk fel a termikus repedési reakció egyenletét! Rajzolja fel a reakciótermékek szerkezeti képleteit! Milyen szerves vegyületek osztályaiba tartoznak?

I. lehetőség

Olyan alkánra, amelynek molekulája 24 szénatomból áll.

lehetőség II

Olyan alkánra, amelynek molekulája 18 szénatomból áll.

lehetőség III

Olyan alkánra, amelynek molekulája 22 szénatomból áll.

IV. lehetőség

Olyan alkánra, amelynek molekulája 26 szénatomból áll.

B szint

Írja fel egy adott számú szénatomból álló alkán krakkolási reakciójának egyenletét! Rajzolja fel a reakciótermékek szerkezeti képleteit! Milyen szerves anyagok osztályaiba tartoznak? Milyen szénhidrogén-frakciókat tartalmazhatnak ezek a termékek?

I. lehetőség

19 szénatomos alkán.

lehetőség II

17 szénatomos alkán.

lehetőség III

21 szénatomos alkán.

IV. lehetőség

23 szénatomos alkán.

4. FELADAT

A szint

Számítsa ki, hogy egy adott mennyiségű szénhidrogén elégetésekor mennyi hő szabadul fel.

I. lehetőség

4 mol bután. Termokémiai egyenlet:

lehetőség II

3 mol metán. Termokémiai egyenlet:

lehetőség III

2 mól propán. Termokémiai egyenlet:

IV. lehetőség

3 mol etán. Termokémiai egyenlet:

B szint

Számítsa ki, mennyi hő szabadul fel egy adott térfogatú (n.e.) szénhidrogén elégetésekor.

I. lehetőség

10 liter etán. Termokémiai egyenlet:

2C 2 H 6 + 7O 2 = 4CO 2 + 6H 2 O + 3060 kJ.

lehetőség II

15 liter propán. Termokémiai egyenlet:

C 3 H 8 + 5O 2 = 3CO 2 + 4H 2 O + 2200 kJ.

lehetőség III

15 liter metán. Termokémiai egyenlet:

CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O + 880 kJ.

IV. lehetőség

20 liter bután. Termokémiai egyenlet:

2C 4H 10 + 13O 2 = 8CO 2 + 10H 2 O + 5312,8 kJ.

B szint

I. lehetőség

A metán, mint tüzelőanyag fűtőértéke 55 000 kJ/kg. Írja fel a metán égésének termokémiai egyenletét!

lehetőség II

A bután, mint tüzelőanyag fűtőértéke 45 800 kJ/kg. Írja fel a bután égésének termokémiai egyenletét!

lehetőség III

Az etán, mint tüzelőanyag fűtőértéke 51 000 kJ/kg. Írja fel az etán égésének termokémiai egyenletét!

IV. lehetőség

A propán, mint üzemanyag fűtőértéke 50 000 kJ/kg. Írja fel a propán égésének termokémiai egyenletét!

E.A. DUDKINA,
kémia tanár
506. számú iskola
(Moszkva)

Előző cikk: Mekkora a fénysebesség Következő cikk: Harmonikus rezgések Az oszcillációs frekvencia fizikai képlete