Během lekce obdržíte hlavní myšlenka o typech izomerií se dozvíte, co je izomer. Přečtěte si o typech izomerie v organická chemie: strukturní a prostorové (stereoizomerie). Pomocí strukturních vzorců látek zvažte poddruhy strukturní izomerie (skeletální a izomerie pozic), seznamte se s různými druhy prostorové izomerie: geometrickou a optickou.

Téma: Úvod do organické chemie

Lekce: Izomerismus. Typy izomerie. Strukturní izomerie, geometrická, optická

Dříve zvažované typy vzorců popisujících organické látky ukazují, že jednomu molekulárnímu může odpovídat několik různých strukturních vzorců.

Například molekulární vzorec C 2H 6Ó korespondovat dvě látky s různými strukturními vzorci - ethylalkohol a dimethylether. Rýže. 1.

Ethylalkohol - kapalina, která reaguje s kovovým sodíkem za uvolňování vodíku, vře při +78,5 0 C. Za stejných podmínek vře při -23 0 C dimethylether, plyn nereagující se sodíkem.

Tyto látky se liší svou strukturou – stejný molekulární vzorec odpovídá různým látkám.

Rýže. 1. Mezitřídní izomerie

Fenomén existence látek se stejným složením, ale odlišnou strukturou a tedy odlišnými vlastnostmi se nazývá izomerie (z řeckých slov „isos“ – „rovný“ a „meros“ – „část“, „sdílení“).

Typy izomerismu

Existují různé typy izomerie.

Strukturní izomerie je spojena s různým pořadím spojování atomů v molekule.

Ethanol a dimethylether jsou strukturní izomery. Protože patří do různých tříd organické sloučeniny Tento druh strukturní izomerie se nazývá také mezitřídní ... Rýže. 1.

Strukturní izomery mohou být v rámci jedné třídy sloučenin, například tři různé uhlovodíky odpovídají vzorci C5H12. to izomerie uhlíkového skeletu... Rýže. 2.

Rýže. 2 Příklady látek - strukturní izomery

Existují strukturní izomery se stejným uhlíkovým skeletem, které se liší polohou vícenásobných vazeb (dvojitých a trojných) nebo atomů nahrazujících vodík. Tento typ strukturní izomerie se nazývá izomerie polohy.

Rýže. 3. Strukturní polohová izomerie

V molekulách obsahujících pouze jednoduché vazby je při pokojové teplotě možná téměř volná rotace molekulárních fragmentů kolem vazeb a například všechny obrázky vzorců 1,2-dichlorethanu jsou ekvivalentní. Rýže. 4

Rýže. 4. Poloha atomů chloru kolem jednoduché vazby

Pokud rotaci brání např. v cyklické molekule nebo s dvojnou vazbou, pak geometrická nebo cis-trans izomerie. U cis izomerů jsou substituenty na jedné straně roviny kruhu nebo dvojné vazby, u trans izomerů na opačných stranách.

Cis-trans izomery existují, když dvě různé náměstek. Rýže. 5.

Rýže. 5. Cis a trans izomery

K jinému typu izomerie dochází díky tomu, že atom uhlíku se čtyřmi jednoduchými vazbami tvoří se svými substituenty prostorovou strukturu – čtyřstěn. Pokud má molekula alespoň jeden atom uhlíku navázaný na čtyři různé substituenty, pak optická izomerie... Takové molekuly neodpovídají svému zrcadlovému obrazu. Tato vlastnost se nazývá chiralita – z řečtiny shier- "ruka". Rýže. 6. Optická izomerie je charakteristická pro mnoho molekul, které tvoří živé organismy.

Rýže. 6. Příklady optických izomerů

Optická izomerie se také nazývá enantiomerismus (z řečtiny enantios- "naproti" a meros- "část") a optické izomery - enantiomery ... Enantiomery jsou opticky aktivní, otáčejí rovinu polarizace světla o stejný úhel, ale v opačných směrech: d- , nebo (+) - izomer, - vpravo, l- , nebo (-) - izomer, - doleva. Směs stejných množství enantiomerů tzv racemát, opticky neaktivní a označený symbolem d, l- nebo (±).

Shrnutí lekce

V průběhu lekce jste získali obecnou představu o typech izomerie, co je izomer. Seznámil se s typy izomerií v organické chemii: strukturní a prostorové (stereoizomerie). Pomocí strukturních vzorců látek jsme zkoumali poddruhy strukturní izomerie (skeletální a izomerie poloh), seznámili jsme se s odrůdami prostorové izomerie: geometrickou a optickou.

Bibliografie

1. Rudzitis G.E. Chemie. Základy obecné chemie. 10. ročník: učebnice pro vzdělávací instituce: základní úroveň / G.E. Rudzitis, F.G. Feldman. - 14. vydání. - M .: Vzdělávání, 2012.

2. Chemie. Stupeň 10. Úroveň profilu: učebnice. pro všeobecné vzdělání. instituce / V.V. Eremin, N.E. Kuzmenko, V.V. Lunin a další - M .: Drofa, 2008 .-- 463 s.

3. Chemie. 11. třída Úroveň profilu: učebnice. pro všeobecné vzdělání. instituce / V.V. Eremin, N.E. Kuzmenko, V.V. Lunin a další - M .: Drofa, 2010 .-- 462 s.

4. Khomchenko G.P., Khomchenko I.G. Sbírka úloh z chemie pro ty, kteří vstupují na vysoké školy. - 4. vyd. - M .: RIA "Nová vlna": Vydavatel Umerenkov, 2012. - 278 s.

Domácí práce

1.č. 1,2 (str. 39) Rudzitis G.Ye. Chemie. Základy obecné chemie. 10. ročník: učebnice pro vzdělávací instituce: základní úroveň / G.E. Rudzitis, F.G. Feldman. - 14. vydání. - M .: Vzdělávání, 2012.

2. Proč je počet izomerů v uhlovodících etylenové řady větší než u nasycených uhlovodíků?

3. Které uhlovodíky mají prostorové izomery?

Cílová: seznámení s typy strukturní a prostorové izomerie organických sloučenin.

Plán:

Klasifikace izomerie.

Strukturní izomerie.

Prostorová izomerie

Optická izomerie

První pokusy o pochopení struktury organických molekul pocházejí z počátku 19. století. Fenomén izomerie byl poprvé objeven J. Berzeliusem a AM Butlerov v roce 1861 navrhl teorii chemické struktury organických sloučenin, která vysvětlila fenomén izomerie.

Isomerie - existence sloučenin se stejným kvalitativním a kvantitativním složením, ale odlišnou strukturou nebo jejich uspořádáním v prostoru a samotné látky se nazývají izomery.

1. Klasifikace izomerů

Strukturální

(různé pořadí spojování atomů)

Konfigurace

Vyhovovat-

1. Strukturní izomerie.

Strukturální izomery jsou izomery, které mají stejné kvalitativní a kvantitativní složení, ale liší se chemickou strukturou.

Strukturní izomerie vede k různým organickým sloučeninám, zejména alkany. S nárůstem počtu atomů uhlíku v molekulách alkanů se počet strukturních izomerů rychle zvyšuje. Takže pro hexan (C6H14) je to 5, pro nonan (C9H20) - 35.

Atomy uhlíku se liší podle jejich polohy v řetězci. Atom uhlíku na začátku řetězce je vázán na jeden atom uhlíku a nazývá se hlavní. Atom uhlíku vázaný na dva atomy uhlíku - sekundární, se třemi - terciární se čtyřmi - kvartérní... Molekuly alkanů s přímým řetězcem obsahují pouze primární a sekundární atomy uhlíku, zatímco molekuly alkanů s rozvětveným řetězcem obsahují terciární i kvartérní.

Typy strukturní izomerie.

Metamery- sloučeniny patřící do stejné třídy sloučenin, ale mající různé radikály:

H3C - O - C3H7 - methylpropylether,

H5C2-0-C2H5-diethylether

Mezitřídní izomerie. Při stejném kvalitativním a kvantitativním složení molekul je struktura látek odlišná.

Například: aldehydy jsou izomerní ke ketonům:

Alkyn - alkadieny

H 2 C = CH - CH = CH 2 butadien -1,3 HC = C - CH 2 - CH 3 - butin-1

Strukturní izomerie také určuje rozmanitost uhlovodíkových radikálů. Isomerie radikálů začíná propanem, pro který jsou možné dva radikály. Pokud se atom vodíku odečte od primárního atomu uhlíku, získá se zbytek propyl (n-propyl). Pokud se atom vodíku odečte od sekundárního atomu uhlíku, získá se radikál isopropyl

Izomery, izomerie

Izomery- jedná se o látky, které mají stejné kvalitativní a kvantitativní složení, ale odlišnou strukturu, a tedy i jiné vlastnosti

Fenomén existence izomerů se nazývá izomerie

Například látka o složení C4H10 má dvě izomerní sloučeniny.

Fyzikální vlastnosti butanu a isobutanu jsou různé: isobutan má nižší body tání a varu než n-butan.

Kuličkový model molekuly butanu
Kuličkový model molekuly isobutanu

Chemické vlastnosti těchto izomerů se nevýznamně liší, protože mají stejné kvalitativní složení a povahu vazby mezi atomy v molekule.

Další definice izomerů může být uvedena takto:

Izomery - látky se stejným molekulárním, ale odlišným strukturním vzorcem.

Typy izomerie

V závislosti na povaze rozdílů ve struktuře izomerů existují strukturální a prostorový izomerie.

Strukturní izomery- sloučeniny stejného kvalitativního a kvantitativního složení, lišící se pořadím vazby atomů, tj. chemickou strukturou.

Strukturní izomerie

Prostorové izomery (stereoizomery) se stejným složením a stejnou chemickou strukturou, se liší prostorovým uspořádáním atomů v molekule

Optické izomery se také nazývají spekulární nebo chirální (jako levá a pravá ruka)

Isomerie pozice

Jiný typ strukturní izomerie, polohová izomerie, nastává, když jsou funkční skupiny, jednotlivé heteroatomy nebo vícenásobné vazby umístěny na různých místech uhlovodíkové kostry. Strukturní izomery mohou patřit do různých tříd organických sloučenin, takže se mohou lišit nejen fyzikálními, ale i chemickými vlastnostmi. Obrázek 4 ukazuje tři izomery sloučeniny C3H80, dva z nich jsou alkoholy a třetí je ether.

Obr.

Často jsou rozdíly ve struktuře polohových izomerů tak zřejmé, že je ani není nutné myšlenkově spojovat v prostoru, například izomery butenu nebo dichlorbenzenu (obr. 5):

Někdy strukturní izomery kombinují znaky izomerie uhlovodíkového skeletu a polohové izomerie (obr. 6):

Obr.

V otázkách izomerie se teoretické úvahy a experiment propojují.

Pokud úvahy ukazují, že nemohou existovat žádné izomery, pak by experimenty měly ukázat totéž. Pokud výpočty naznačují určitý počet izomerů, pak jich lze získat tolik, nebo méně, ale ne více – nelze získat všechny teoreticky vypočítané izomery, protože meziatomové vzdálenosti nebo úhly vazby v domnělém izomeru mohou být mimo rozsah.

izomerie strukturní prostorová chemie

Pro látku obsahující šest skupin CH (například benzen) je teoreticky možných 6 izomerů (obr. 8).

Obr. 8

Existuje prvních pět z uvedených izomerů (druhý, třetí, čtvrtý a pátý izomer byly získány téměř 100 let po vytvoření struktury benzenu). Posledně jmenovaný izomer nebude s největší pravděpodobností nikdy získán. Prezentován jako šestiúhelník je nejméně pravděpodobný, jeho deformace vedou ke strukturám v podobě zkoseného hranolu, třícípé hvězdy, nedokončené pyramidy a dvojité pyramidy (nedokončeného osmistěnu). Každá z těchto možností obsahuje buď velmi odlišnou velikost komunikace C-C nebo silně zkreslené vazebné úhly.

Prostorová izomerie

Vzniká v důsledku odlišného uspořádání atomů v prostoru se stejným pořadím vazeb mezi nimi.

Diastereomerie (cis, trans - izomerie)

Jeden z typů stereoizomerie cis-trans-izomerie (cis - lat... jedna cesta, trans - lat... skrz, na opačných stranách) je pozorován u sloučenin obsahujících násobné vazby nebo rovinné kruhy. Na rozdíl od jednoduché vazby násobná vazba neumožňuje rotaci jednotlivých fragmentů molekuly kolem ní. Aby se určil typ izomeru, rovina se mentálně nakreslí dvojnou vazbou a pak se analyzuje způsob, jakým jsou substituenty umístěny vzhledem k této rovině. Pokud jsou stejné skupiny na stejné straně roviny, pak je tomu tak cís-izomer, pokud je na opačných stranách - trans-izomer (obr. 9.)

Fyzické a Chemické vlastnosti cís- a trans-izomery se někdy výrazně liší, v kyselině maleinové jsou karboxylové skupiny - COOH prostorově blízko, mohou reagovat (obr. 10), přičemž vzniká anhydrid kyseliny maleinové (u kyseliny fumarové tato reakce neprobíhá):

Obr. 10

V případě planárních cyklických molekul není nutné myšlenkově kreslit rovinu, protože ta je již dána tvarem molekuly, jako například u cyklických siloxanů (obr. 11):

Obr. 11

Ve složitých sloučeninách kovů cís-izomer se nazývá sloučenina, ve které dvě stejné skupiny, ty, které obklopují kov, sousedí, v trans-izomer, jsou odděleny dalšími skupinami (obr. 12):

Obr. 12

Enantiomerie (optická izomerie)

Druhý typ stereoizomerie - optická izomerie nastává, když jsou dva izomery (v souladu s dříve formulovanou definicí dvě molekuly, které nejsou spojeny v prostoru) navzájem zrcadlovým obrazem. Tuto vlastnost mají molekuly, které mohou být reprezentovány jako jeden atom uhlíku se čtyřmi různými substituenty. Valence centrálního atomu uhlíku, spojené se čtyřmi substituenty, směřují k vrcholům mentálního čtyřstěnu - pravidelného čtyřstěnu a jsou pevně fixovány. Čtyři různé substituenty jsou znázorněny na obr. 13 ve formě čtyř kuliček s různými barvami:

Obr. 13

Chcete-li detekovat možnou tvorbu optického izomeru, musíte molekulu odrazit v zrcadle, poté vzít zrcadlový obraz jako skutečnou molekulu, umístit ji pod původní molekulu tak, aby se jejich vertikální osy shodovaly, a otočit druhou molekulu kolem molekuly. svislou osu tak, aby červená kulička horní a spodní molekuly byla pod sebou. V důsledku toho se pozice pouze dvou kuliček, béžové a červené, shoduje. Pokud natočíte spodní molekulu tak, že se modré kuličky spojí, pak se pozice pouze dvou kuliček – béžové a modré – opět shodí. Vše je zřejmé, pokud se tyto dvě molekuly v prostoru mentálně spojí a vloží jednu do druhé, jako nůž do pochvy, červené a zelené kuličky se neshodují.

Pro jakoukoliv vzájemnou orientaci dvou takových molekul v prostoru nelze při kombinaci dosáhnout úplné shody, podle definice se jedná o izomery. Je důležité si uvědomit, že pokud centrální atom uhlíku nemá čtyři, ale pouze tři různé substituenty (to znamená, že dva z nich jsou stejné), pak při odrazu takové molekuly v zrcadle nevznikne optický izomer, protože molekula a její odraz mohou být kombinovány v prostoru.

Kromě uhlíku mohou jako asymetrická centra působit další atomy, ve kterých jsou kovalentní vazby nasměrovány do rohů čtyřstěnu, například křemík, cín, fosfor.

Optická izomerie se nevyskytuje pouze v případě asymetrického atomu, ale je také realizována v některých molekulách základní struktury za přítomnosti určitého počtu různých substituentů. Například uhlovodíková základní struktura adamantan, který má čtyři různé substituenty (obr. 14), může mít optický izomer, přičemž celá molekula hraje roli asymetrického centra, což je zřejmé, pokud je adamantanová struktura mentálně vtažena do bodu. . Podobně i siloxan s krychlovou strukturou (obr. 14) se stává opticky aktivním v případě čtyř různých substituentů:

Obr. 14

Jsou možné varianty, kdy molekula neobsahuje asymetrické centrum ani ve skryté formě, ale sama může být asymetrická jako celek, přičemž jsou možné i optické izomery. Například v komplexní sloučenině berylia jsou dva cyklické fragmenty umístěny ve vzájemně kolmých rovinách, v tomto případě stačí dva různé substituenty k získání optického izomeru (obr. 15). Pro molekulu ferocenu, která má tvar pentahedrického hranolu, jsou ke stejnému účelu potřeba tři substituenty, atom vodíku v tomto případě hraje roli jednoho ze substituentů (obr. 15):

Obr. 15

Ve většině případů strukturní vzorec sloučeniny umožňuje pochopit, co přesně je v ní potřeba změnit, aby se látka stala opticky aktivní.

Při syntéze opticky aktivních stereoizomerů se obvykle získá směs pravotočivých a levotočivých sloučenin. Izomery se oddělují reakcí směsi isomerů s činidly (obvykle přírodního původu) obsahujícími asymetrické reakční centrum. Některé živé organismy, včetně bakterií, převážně asimilují levotočivé izomery.

V současné době byly vyvinuty postupy (nazývané asymetrická syntéza), které umožňují cíleně získat konkrétní optický izomer.

Existují reakce, které umožňují přeměnit optický izomer na jeho antipod.