Під час уроку ви отримаєте загальне уявленняпро види ізомерії дізнаєтеся, що таке ізомер. Дізнаєтеся про види ізомерії в органічної хімії: структурної та просторової (стереоізомерії). За допомогою структурних формул речовин розгляньте підвиди структурної ізомерії (скелетну та ізомерію положень), дізнаєтеся про різновиди просторової ізомерії: геометричну та оптичну.

Тема: Введення в органічну хімію

Урок: Ізомерія. Види ізомерії. Структурна ізомерія, геометрична, оптична

Розглянуті нами раніше види формул, що описують органічні речовини, показують, що однією молекулярною може відповідати кілька різних структурних формул.

Наприклад, молекулярної формули C 2H 6Oвідповідають дві речовиниз різними структурними формулами - етиловий спирт та диметиловий ефір. Рис. 1.

Етиловий спирт - рідина, яка реагує з металевим натрієм з виділенням водню, кипить при +78,5 0 С. За тих же умов диметиловий ефір - газ, що не реагує з натрієм, кипить при -23 0 С.

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'язана з різним порядком з'єднання атомів молекули.

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, формулою C 5 H 12 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 співпадають зі своїм дзеркальним зображенням. Ця властивість називається хіральністю - від грецької зhier- "Рука". Рис. 6. Оптична ізомерія й у багатьох молекул, які входять до складу живих організмів.

Рис. 6. Приклади оптичних ізомерів

Оптична ізомерія називається також енантіомерією (від грецької enantios- «протилежний» та 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 (±).

Підведення підсумку уроку

Під час уроку ви отримали загальне уявлення про види ізомерії, що таке ізомер. Дізналися про види ізомерії в органічній хімії: структурної та просторової (стереоізомерії). За допомогою структурних формул речовин розглянули підвиди структурної ізомерії (скелетну та ізомерію положень), познайомилися з різновидами просторової ізомерії: геометричною та оптичною.

Список літератури

1. Рудзітіс Г.Є. Хімія. Основи загальної хімії. 10 клас: підручник для загальноосвітніх установ: базовий рівень/Г. Є. Рудзітіс, Ф.Г. Фельдман. - 14-те видання. - М: Просвітництво, 2012.

2. Хімія. 10 клас. Профільний рівень: навч. для загальноосвіт. установ/В.В. Єрьомін, Н.Є. Кузьменко, В.В. Лунін та ін. – М.: Дрофа, 2008. – 463 с.

3. Хімія. 11 клас. Профільний рівень: навч. для загальноосвіт. установ/В.В. Єрьомін, Н.Є. Кузьменко, В.В. Лунін та ін. – М.: Дрофа, 2010. – 462 с.

4. Хомченко Г.П., Хомченко І.Г. Збірник завдань з хімії для вступників до вузів. - 4-те вид. – М.: РІА «Нова хвиля»: Видавець Умеренков, 2012. – 278 с.

Домашнє завдання

1. № № 1,2 (с.39) Рудзітіс Г.Є. Хімія. Основи загальної хімії. 10 клас: підручник для загальноосвітніх установ: базовий рівень/Г. Є. Рудзітіс, Ф.Г. Фельдман. - 14-те видання. - М: Просвітництво, 2012.

2. Чому кількість ізомерів у вуглеводнів ряду етилену більша, ніж граничних вуглеводнів?

3. Які вуглеводні мають просторові ізомери?

Ціль:знайомство з видами структурної та просторової ізомерії органічних сполук.

План:

Класифікація ізомерії.

Структурна ізомерія.

Просторова ізомерія

Оптична ізомерія

Перші спроби зрозуміти будову органічних молекул відносяться до початку XIX ст. Вперше явище ізомерії відкрив Й. Берцеліус, а А. М. Бутлеров у 1861 р. запропонував теорію хімічної будови органічних сполук, яка пояснила явище ізомерії.

Ізомерія – існування сполук з однаковим якісним та кількісним складом, але різною будовою чи розташуванням їх у просторі, а самі речовини називаються ізомерами.

1. Класифікація ізомерів

Структурна

(Різний порядок з'єднання атомів)

Конфігура

Конформ-

1. Структурна ізомерія.

Структурні ізомери - це ізомери, що мають однаковий якісний і кількісний склад, але відрізняються хімічною будовою.

Структурна ізомерія обумовлює різноманітність органічних сполук, зокрема алканів. Зі збільшенням числа атомів вуглецю в молекулахалканів швидко зростає кількість структурних ізомерів. Так, для гексану (З 6 Н 14) воно дорівнює 5, для нонану (З 9 Н 20) - 35.

Атоми вуглецю різняться за місцем становища ланцюга. Атом вуглецю, що стоїть на початку ланцюга, пов'язаний з одним атомом вуглецю і називається первинним.Атом вуглецю, пов'язаний із двома атомами вуглецю – вторинним, з трьома – третинним, з чотирма – четвертинним. У молекулах алканів з нерозгалуженим ланцюгом містяться тільки первинні та вторинні атоми вуглецю, а в молекулах алканів з розгалуженим ланцюгом і третинні та четвертинні.

Види структурної ізомерії.

Метаміри– сполуки, що відносяться до одного класу сполук, але мають різні радикали:

Н 3 С – Про – З 3 Н 7 – метилпропіловий ефір,

Н 5 З 2 - Про - З 2 Н 5 - діетиловий ефір

Міжкласова ізомерія.При тому самому якісному і кількісному складі молекул, будова речовин різне.

Наприклад: альдегіди ізомерні кетонів:

Алкіни – алкадієнам

Н 2 С = СН - СН = СН 2 бутадієн -1,3 НС = С - СН 2 - СН 3 - бутин-1

Структурна ізомерія обумовлює і різноманітність вуглеводневих радикалів. Ізомерія радикалів починається з пропану, для якого можливі два радикали. Якщо атом водню відібрати від первинного атома вуглецю, то вийде радикал пропил (н-пропіл). Якщо атом водню відібрати від вторинного атома вуглецю, то вийде радикал ізопропіл

Ізоміри, ізомерія

Ізоміри– це речовини, що мають однаковий якісний та кількісний склад, але різна будова і, отже, різні властивості

Явище існування ізомерів називаєтьсяізомерією

Наприклад, речовина складу З 4 Н 10 має дві ізомерні сполуки.

Фізичні властивості бутану та ізобутану відрізняються: ізобутан має нижчі температури плавлення та кипіння, ніж н.бутан.

Шаростержнева модель молекули бутану
Шаростержнева модель молекули ізобутану

Хімічні характеристики даних ізомерів відрізняються незначно, т.к. вони мають однаковий якісний склад і характер зв'язку між атомами в молекулі.

Інакше визначення ізомерів можна дати так:

Ізоміри – речовини, що мають однакову молекулярну, але різну структурну формулу

Види ізомерії

Залежно від характеру відмінностей у будові ізомерів розрізняють структурнуі просторовуізомерію.

Структурні ізомери- сполуки однакового якісного та кількісного складу, що відрізняються порядком зв'язування атомів, тобто хімічною будовою.

Структурна ізомерія

Просторові ізомери (стереоізомери)при однаковому складі та однаковій хімічній будові розрізняються просторовим розташуванням атомів у молекулі

Оптичні ізомери ще називають дзеркальними або хіральними (як ліва та права рука)

Ізомерія положення

Інший вид структурної ізомерії - ізомерія становища виникає у випадках, коли функціональні групи, окремі гетероатоми чи кратні зв'язку 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.4 показано три ізомери для з'єднання З 3 Н 8 Про, два з них - спирти, а третє - простий ефір.

Рис.4.

Нерідко відмінності у будові ізомерів положення настільки очевидні, що не потрібно навіть подумки поєднувати їх у просторі, наприклад, ізомери бутену або дихлорбензолу (рис.5):

Іноді структурні ізомери поєднують ознаки ізомерії вуглеводневого скелета та ізомерії положення (рис.6):

Рис.6.

У питаннях ізомерії теоретичні розгляди та експеримент взаємопов'язані.

Якщо розгляди показують, що ізомерів бути не може, 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.

ізомерія структурна просторова хімія

Для речовини, що містить шість груп СН (наприклад, бензол), теоретично можливо 6 ізомерів (рис.8).

Рис.8.

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 з цих варіантів містить або дуже різняться за величиною зв'язку С-Сабо сильно спотворені валентні кути.

Просторова ізомерія

Виникає завдяки різному розташуванню атомів у просторі за однакового порядку зв'язків між ними.

Діастереомерія (цис, транс – ізомерія)

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 нього 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 по один бік площини, це цис-ізомер, якщо по різні боки - транс-Ізомер (рис.9.)

Фізичні та Хімічні властивості цис- І транс-ізомерів іноді помітно відрізняються, в малеїновій кислоті карбоксильні групи - СООН просторово близькі, вони можуть реагувати (рис.10), утворюючи ангідрид малеїнової кислоти (для фумарової кислоти така реакція не йде):

Рис.10.

У разі плоских циклічних молекул проводити подумки площину не потрібно, так як вона вже задана формою молекули, як, наприклад, циклічних силоксанах (рис.11):

Рис.11.

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.12):

Рис.12.

Енантіомерія (оптична ізомерія)

Другий вид стереоізомерії - оптична ізомерія виникає в тих випадках, коли два ізомери, (відповідно до визначення, сформульованого раніше, дві молекули, що не поєднуються в просторі) є дзеркальним відображенням один одного. Такою властивістю мають молекули, які можуть бути представлені у вигляді одиночного атома вуглецю, що має чотири різні замісники. Валентності центрального атома вуглецю, пов'язаного з чотирма заступниками, спрямовані до вершин уявного тетраедра – правильного чотиригранника та жорстко закріплені. Чотири неоднакові заступники зображені на рис.13 у вигляді чотирьох кульок з різним забарвленням:

Рис.13.

Щоб виявити можливе утворення оптичного ізомеру, потрібно відобразити молекулу в дзеркалі, потім дзеркальне зображення слід взяти як реальну молекулу, помістити під вихідною таким чином, щоб їх вертикальні осі збіглися, і повернути другу молекулу навколо вертикальної осі так, щоб червона куля верхньої та нижньої молекули знаходилася. один під одним. В результаті збігається положення лише двох куль, бежевого та червоного. Якщо повернути нижню молекулу таким чином, щоб поєдналися сині кулі, то знову збігається положення двох куль - бежевого і синього. 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.

За будь-якої взаємної орієнтації у просторі двох таких молекул не можна досягти повного збігу при суміщенні, 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.

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.14), 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.14), також стає оптично активним у разі чотирьох різних заступників:

Рис.14.

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.15). Для молекули ферроцена, що має форму п'ятигранної призми, для тієї ж мети потрібно три заступники, атом водню в цьому випадку грає роль одного із заступників (рис.15):

Рис.15.

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 отримувати певний оптичний ізомер.

Існують реакції, що дозволяють перетворити оптичний ізомер на його антипод.