Počas lekcie dostanete Všeobecná myšlienka o typoch izomérie, zistite, čo je izomér. Prečítajte si o typoch izomérie v organická chémia: štrukturálne a priestorové (stereoizoméria). Pomocou štruktúrnych vzorcov látok zvážte poddruh štrukturálnej izomérie (kostrová a izoméria pozícií), zoznámte sa s rôznymi druhmi priestorovej izomérie: geometrická a optická.

Téma: Úvod do organickej chémie

Lekcia: Izomizmus. Typy izomérie. Štrukturálna izoméria, geometrická, optická

Predtým uvažované typy vzorcov opisujúcich organické látky ukazujú, že jednému molekulovému vzorcu môže zodpovedať niekoľko rôznych štruktúrnych vzorcov.

Napríklad molekulový vzorec C 2H 6O korešpondovať dve látky s rôznymi štruktúrnymi vzorcami - etylalkohol a dimetyléter. Ryža. jeden.

Etylalkohol - kvapalina, ktorá reaguje s kovovým sodíkom za uvoľňovania vodíka, vrie pri +78,5 ° C. Za rovnakých podmienok vrie pri -23 ° C dimetyléter, plyn nereagujúci so sodíkom.

Tieto látky sa líšia svojou štruktúrou – rovnaký molekulárny vzorec zodpovedá rôznym látkam.

Ryža. 1. Medzitriedna izoméria

Fenomén existencie látok s rovnakým zložením, ale odlišnou štruktúrou a teda odlišnými vlastnosťami sa nazýva izoméria (z gréckych slov „isos“ – „rovnaký“ a „meros“ – „časť“, „podiel“).

Typy izomerizmu

Existujú rôzne typy izomérií.

Štrukturálna izoméria je spojená s rôznym poradím spájania atómov v molekule.

Etanol a dimetyléter sú štruktúrne izoméry. Pretože patria do rôznych tried Organické zlúčeniny, tento druh štruktúrnej izomérie sa nazýva aj medzitriedne ... Ryža. jeden.

Štrukturálne izoméry môžu byť v rámci jednej triedy zlúčenín, napríklad tri rôzne uhľovodíky zodpovedajú vzorcu C5H12. Toto izoméria uhlíkového skeletu... Ryža. 2.

Ryža. 2 Príklady látok - štruktúrne izoméry

Existujú štruktúrne izoméry s rovnakým uhlíkovým skeletom, ktoré sa líšia polohou viacnásobných väzieb (dvojitých a trojitých) alebo atómov nahradzujúcich vodík. Tento typ štruktúrnej izomérie sa nazýva izoméria polohy.

Ryža. 3. Štrukturálna pozičná izoméria

V molekulách obsahujúcich iba jednoduché väzby je pri izbovej teplote možná takmer voľná rotácia molekulárnych fragmentov okolo väzieb a napríklad všetky obrázky vzorcov 1,2-dichlóretánu sú ekvivalentné. Ryža. 4

Ryža. 4. Poloha atómov chlóru okolo jednoduchej väzby

Ak sa rotácii bráni napríklad v cyklickej molekule alebo s dvojitou väzbou, potom geometrická alebo cis-trans izoméria. V cis izoméroch sú substituenty na jednej strane roviny kruhu alebo dvojitej väzby, v trans izoméroch na opačných stranách.

Cis-trans izoméry existujú, keď dve rôzne námestník. Ryža. 5.

Ryža. 5. Cis a trans izoméry

Iný typ izomérie sa vyskytuje v dôsledku skutočnosti, že atóm uhlíka so štyrmi jednoduchými väzbami vytvára so svojimi substituentmi priestorovú štruktúru - štvorsten. Ak má molekula aspoň jeden atóm uhlíka naviazaný na štyri rôzne substituenty, potom optická izoméria... Takéto molekuly nezodpovedajú svojmu zrkadlovému obrazu. Táto vlastnosť sa nazýva chiralita – z gréčtiny Shier- "ruka". Ryža. 6. Optická izoméria je charakteristická pre mnohé molekuly, ktoré tvoria živé organizmy.

Ryža. 6. Príklady optických izomérov

Optická izoméria sa tiež nazýva enantioméria (z gréčtiny enantios- "opačný" a meros- "časť") a optické izoméry - enantioméry ... Enantioméry sú opticky aktívne, otáčajú rovinu polarizácie svetla o rovnaký uhol, ale v opačných smeroch: d- , alebo (+) - izomér, - vpravo, l- , alebo (-) - izomér, - doľava. Zmes rovnakých množstiev enantiomérov tzv racemát, opticky neaktívne a označené symbolom d, l- alebo (±).

Zhrnutie lekcie

V priebehu lekcie ste získali všeobecnú predstavu o typoch izomérie, čo je izomér. Dozvedeli sme sa o typoch izomérie v organickej chémii: štruktúrnej a priestorovej (stereoizoméria). Pomocou štruktúrnych vzorcov látok sme skúmali poddruhy štruktúrnej izomérie (skeletová a izoméria pozícií), zoznámili sme sa s odrodami priestorovej izomérie: geometrickou a optickou.

Bibliografia

1. Rudzitis G.E. Chémia. Základy všeobecnej chémie. 10. ročník: učebnica pre vzdelávacie inštitúcie: základná úroveň / G.E. Rudzitis, F.G. Feldman. - 14. vydanie. - M .: Vzdelávanie, 2012.

2. Chémia. 10. ročník Úroveň profilu: učebnica. pre všeobecné vzdelanie. inštitúcie / V.V. Eremin, N.E. Kuzmenko, V.V. Lunin a ďalší - M .: Drofa, 2008 .-- 463 s.

3. Chémia. 11. ročník Úroveň profilu: učebnica. pre všeobecné vzdelanie. inštitúcie / V.V. Eremin, N.E. Kuzmenko, V.V. Lunin a ďalší - M .: Drofa, 2010 .-- 462 s.

4. Khomchenko G.P., Khomchenko I.G. Zbierka úloh z chémie pre tých, ktorí vstupujú na univerzity. - 4. vyd. - M .: RIA "Nová vlna": Vydavateľstvo Umerenkov, 2012. - 278 s.

Domáca úloha

1.č.1,2 (s. 39) Rudzitis G.Ye. Chémia. Základy všeobecnej chémie. 10. ročník: učebnica pre vzdelávacie inštitúcie: základná úroveň / G.E. Rudzitis, F.G. Feldman. - 14. vydanie. - M .: Vzdelávanie, 2012.

2. Prečo je počet izomérov v uhľovodíkoch etylénovej série väčší ako počet nasýtených uhľovodíkov?

3. Ktoré uhľovodíky majú priestorové izoméry?

Cieľ: oboznámenie sa s typmi štruktúrnej a priestorovej izomérie organických zlúčenín.

Plán:

Klasifikácia izomerizmu.

Štrukturálna izoméria.

Priestorová izoméria

Optická izoméria

Prvé pokusy pochopiť štruktúru organických molekúl sa datujú na začiatok 19. storočia. Fenomén izomérie prvýkrát objavil J. Berzelius a AM Butlerov v roku 1861 navrhol teóriu chemickej štruktúry organických zlúčenín, ktorá vysvetlila fenomén izomérie.

Izoméria - existencia zlúčenín s rovnakým kvalitatívnym a kvantitatívnym zložením, ale odlišnou štruktúrou alebo ich usporiadaním v priestore a samotné látky sa nazývajú izoméry.

1. Klasifikácia izomérov

Štrukturálne

(rôzne poradie spájania atómov)

Konfig

Vyhovovať-

1. Štrukturálna izoméria.

Štrukturálne izoméry sú izoméry, ktoré majú rovnaké kvalitatívne a kvantitatívne zloženie, ale líšia sa chemickou štruktúrou.

Štrukturálna izoméria vedie k rôznym organickým zlúčeninám, najmä alkány. S nárastom počtu atómov uhlíka v molekulách alkánov, počet štruktúrnych izomérov rýchlo narastá. Takže pre hexán (C6H14) je to 5, pre nonán (C9H20) - 35.

Atómy uhlíka sa líšia podľa ich polohy v reťazci. Atóm uhlíka na začiatku reťazca je viazaný na jeden atóm uhlíka a je tzv primárny. Atóm uhlíka viazaný na dva atómy uhlíka - sekundárne, s tromi - terciárne, so štyrmi - kvartér... Molekuly alkánov s priamym reťazcom obsahujú iba primárne a sekundárne atómy uhlíka, zatiaľ čo molekuly alkánov s rozvetveným reťazcom obsahujú terciárne aj kvartérne atómy.

Typy štruktúrnej izomérie.

metaméry- zlúčeniny patriace do rovnakej triedy zlúčenín, ale s rôznymi radikálmi:

H3C-O-C3H7-metylpropyléter,

H5C2-0-C2H5-dietyléter

Medzitriedna izoméria. Pri rovnakom kvalitatívnom a kvantitatívnom zložení molekúl je štruktúra látok odlišná.

Napríklad: aldehydy sú izomérne s ketóny:

Alkín - alkadiény

H2C = CH - CH = CH2 butadién -1,3 HC = C - CH2 - CH3 - butín-1

Štrukturálna izoméria tiež určuje rozmanitosť uhľovodíkových radikálov. Izoméria radikálov začína propánom, pre ktorý sú možné dva radikály. Ak sa atóm vodíka odpočíta od primárneho atómu uhlíka, získa sa zvyšok propyl (n-propyl). Ak sa atóm vodíka odpočíta od sekundárneho atómu uhlíka, získa sa radikál izopropyl

Izoméry, izoméria

izoméry- sú to látky, ktoré majú rovnaké kvalitatívne a kvantitatívne zloženie, ale odlišnú štruktúru, a teda aj odlišné vlastnosti

Fenomén existencie izomérov je tzv izoméria

Napríklad látka zloženia C4H10 má dve izomérne zlúčeniny.

Fyzikálne vlastnosti butánu a izobutánu sú odlišné: izobután má nižšie teploty topenia a varu ako n-bután.

Guľôčkový model molekuly butánu
Guľôčkový model molekuly izobutánu

Chemické vlastnosti týchto izomérov sa nevýznamne líšia, pretože majú rovnaké kvalitatívne zloženie a povahu väzby medzi atómami v molekule.

Iná definícia izomérov môže byť uvedená takto:

izoméry - látky s rovnakým molekulovým, ale odlišným štruktúrnym vzorcom.

Typy izomérie

V závislosti od povahy rozdielov v štruktúre izomérov existujú štrukturálne a priestorové izoméria.

Štrukturálne izoméry- zlúčeniny rovnakého kvalitatívneho a kvantitatívneho zloženia, líšiace sa poradím väzby atómov, t.j. chemickou štruktúrou.

Štrukturálna izoméria

Priestorové izoméry (stereoizoméry) s rovnakým zložením a rovnakou chemickou štruktúrou, líšia sa priestorovým usporiadaním atómov v molekule

Optické izoméry sa tiež nazývajú zrkadlové alebo chirálne (ako ľavá a pravá ruka)

Izoméria polohy

Iný typ štruktúrnej izomérie, polohová izoméria, nastáva, keď sú funkčné skupiny, jednotlivé heteroatómy alebo viacnásobné väzby umiestnené na rôznych miestach uhľovodíkového skeletu. Štrukturálne izoméry môžu patriť do rôznych tried organických zlúčenín, takže sa môžu líšiť nielen fyzikálnymi, ale aj chemickými vlastnosťami. Obrázok 4 ukazuje tri izoméry zlúčeniny C3H80, dva z nich sú alkoholy a tretí je éter.

Obr.

Často sú rozdiely v štruktúre polohových izomérov také zjavné, že ich ani nie je potrebné v priestore mentálne spájať, napríklad izoméry buténu alebo dichlórbenzénu (obr. 5):

Štrukturálne izoméry niekedy kombinujú znaky izomérie uhľovodíkového skeletu a izomérie polohy (obr. 6):

Obr.

V otázkach izomérie sú teoretické úvahy a experiment vzájomne prepojené.

Ak úvahy ukazujú, že nemôžu existovať žiadne izoméry, potom by experimenty mali ukázať to isté. Ak výpočty naznačujú určitý počet izomérov, potom ich možno získať toľko alebo menej, ale nie viac - nie všetky teoreticky vypočítané izoméry možno získať, pretože medziatómové vzdialenosti alebo väzbové uhly v domnelom izoméri môžu byť mimo rozsahu.

izoméria štruktúrna priestorová chémia

Pre látku obsahujúcu šesť skupín CH (napríklad benzén) je teoreticky možných 6 izomérov (obr. 8).

Obr. 8.

Existuje prvých päť uvedených izomérov (druhý, tretí, štvrtý a piaty izomér boli získané takmer 100 rokov po vytvorení štruktúry benzénu). Posledný izomér sa s najväčšou pravdepodobnosťou nikdy nezíska. Prezentovaný ako šesťuholník je najmenej pravdepodobný, jeho deformácie vedú k štruktúram v podobe skoseného hranolu, trojcípej hviezdy, nedokončenej pyramídy a dvojitej pyramídy (nedokončeného osemstenu). Každá z týchto možností obsahuje buď veľmi odlišnú veľkosť komunikácia C-C alebo silne skreslené väzbové uhly.

Priestorová izoméria

Vzniká v dôsledku rozdielneho usporiadania atómov v priestore s rovnakým poradím väzieb medzi nimi.

diastereoméria (cis, trans izoméria)

Jeden z typov stereoizomérie cis-trans-izoméria (cis - lat... jednosmerný tranz - lat... cez, na opačných stranách) sa pozoruje v zlúčeninách obsahujúcich viacnásobné väzby alebo rovinné kruhy. Na rozdiel od jednoduchej väzby násobná väzba neumožňuje otáčať sa okolo nej jednotlivými fragmentom molekuly. Aby sa určil typ izoméru, rovina sa mentálne nakreslí cez dvojitú väzbu a potom sa analyzuje spôsob, akým sú substituenty umiestnené vzhľadom na túto rovinu. Ak sú rovnaké skupiny na rovnakej strane roviny, potom je to tak cis-izomér, ak je na opačných stranách - tranz-izomér (obr. 9.)

Fyzické a Chemické vlastnosti cis- a tranz-izoméry sa niekedy výrazne líšia, v kyseline maleínovej sú karboxylové skupiny - COOH priestorovo blízko, môžu reagovať (obr. 10), pričom vzniká anhydrid kyseliny maleínovej (u kyseliny fumarovej táto reakcia neprebieha):

Obr. 10.

V prípade planárnych cyklických molekúl nie je potrebné mentálne kresliť rovinu, pretože tá je už daná tvarom molekuly, ako napríklad u cyklických siloxánov (obr. 11):

Obr.

V komplexných zlúčeninách kovov cis-izomér sa nazýva zlúčenina, v ktorej dve rovnaké skupiny, tie, ktoré obklopujú kov, susedia, v tranz-izomér, sú oddelené inými skupinami (obr. 12):

Obr. 12.

Enantioméria (optická izoméria)

Druhý typ stereoizomérie - optická izoméria nastáva, keď dva izoméry (v súlade s definíciou formulovanou skôr, dve molekuly, ktoré nie sú spojené v priestore) sú vzájomným zrkadlovým obrazom. Túto vlastnosť majú molekuly, ktoré môžu byť reprezentované ako jeden atóm uhlíka so štyrmi rôznymi substituentmi. Valencie centrálneho atómu uhlíka, spojené so štyrmi substituentmi, smerujú k vrcholom mentálneho štvorstenu - pravidelného štvorstenu a sú pevne fixované. Štyri rôzne substituenty sú znázornené na obr. 13 vo forme štyroch guľôčok s rôznymi farbami:

Obr. 13.

Ak chcete zistiť možnú tvorbu optického izoméru, musíte molekulu odraziť v zrkadle, potom vziať zrkadlový obraz ako skutočnú molekulu, umiestniť ju pod pôvodnú tak, aby sa ich vertikálne osi zhodovali, a otáčať druhou molekulou okolo molekuly. zvislej osi tak, že červená guľa hornej a dolnej molekuly sú pod sebou. V dôsledku toho sa pozícia iba dvoch guličiek, béžovej a červenej, zhoduje. Ak otočíte spodnú molekulu takým spôsobom, že sa modré guľôčky spoja, potom sa poloha iba dvoch guľôčok - béžovej a modrej - opäť zhoduje. Všetko sa stane zrejmým, ak sa tieto dve molekuly mentálne spoja v priestore, pričom sa jedna do druhej, ako nôž do puzdra, červené a zelené guľôčky nezhodujú.

Pre akúkoľvek vzájomnú orientáciu dvoch takýchto molekúl v priestore nie je možné dosiahnuť úplnú zhodu pri kombinácii, podľa definície ide o izoméry. Je dôležité poznamenať, že ak centrálny atóm uhlíka nemá štyri, ale iba tri rôzne substituenty (to znamená, že dva z nich sú rovnaké), potom keď sa takáto molekula odrazí v zrkadle, nevznikne optický izomér, keďže molekula a jej odraz sa môžu v priestore kombinovať.

Okrem uhlíka môžu ako asymetrické centrá pôsobiť aj ďalšie atómy, v ktorých sú kovalentné väzby nasmerované do rohov štvorstenu, napríklad kremík, cín, fosfor.

Optická izoméria sa vyskytuje nielen v prípade asymetrického atómu, ale je realizovaná aj v niektorých molekulách kostry v prítomnosti určitého počtu rôznych substituentov. Napríklad uhľovodík s adamantánovou štruktúrou, ktorý má štyri rôzne substituenty (obr. 14), môže mať optický izomér, pričom celá molekula zohráva úlohu asymetrického centra, čo je zrejmé, ak je adamantánová štruktúra mentálne vtiahnutá do bodu. . Podobne siloxán s kubickou štruktúrou (obr. 14) sa tiež stáva opticky aktívnym v prípade štyroch rôznych substituentov:

Obr. 14.

Varianty sú možné, keď molekula neobsahuje asymetrické centrum ani v skrytej forme, ale sama môže byť asymetrická ako celok, pričom sú možné aj optické izoméry. Napríklad v komplexnej zlúčenine berýlia sú dva cyklické fragmenty umiestnené vo vzájomne kolmých rovinách, v tomto prípade stačia dva rôzne substituenty na získanie optického izoméru (obr. 15). Pre molekulu ferocénu, ktorá má tvar päťstenného hranola, sú na rovnaký účel potrebné tri substituenty, atóm vodíka v tomto prípade zohráva úlohu jedného zo substituentov (obr. 15):

Obr. 15.

Vo väčšine prípadov štruktúrny vzorec zlúčeniny umožňuje pochopiť, čo presne je v nej potrebné zmeniť, aby sa látka stala opticky aktívnou.

Pri syntéze opticky aktívnych stereoizomérov sa zvyčajne získa zmes pravotočivých a ľavotočivých zlúčenín. Izoméry sa oddeľujú reakciou zmesi izomérov s činidlami (zvyčajne prírodného pôvodu) obsahujúcimi asymetrické reakčné centrum. Niektoré živé organizmy, vrátane baktérií, prevažne asimilujú ľavotočivé izoméry.

V súčasnosti boli vyvinuté procesy (nazývané asymetrická syntéza), ktoré umožňujú cielene získať špecifický optický izomér.

Existujú reakcie, ktoré umožňujú premeniť optický izomér na jeho antipód.