Применения изомерии. Пространственная изомерия. История открытия изомерии
Изомеры - вещества с одинаковым строением молекулы, но разными химическим строением и свойствами.
Виды изомерии
I . Структурная - заключается в различной последовательности соединения атомов в цепи молекулы:
1) Изомерия цепи
Следует отметить, что атомы углерода в разветвленной цепи различаются типом соединения с другими углеродными атомами. Так, атом углерода, связанный только с одном другим углеродным атомом, называется первичным , с двумя другими атомами углерода - вторичным , с тремя - третичным , с четырьмя - четвертичным .
2) Изомерия положения
3) Изомерия межклассовая
4) Таутомерия
Таутомери́я (от греч. ταύτίς — тот же самый и μέρος — мера) — явление обратимой изомерии, при которой два или более изомера легко переходят друг в друга. При этом устанавливается таутомерное равновесие, и вещество одновременно содержит молекулы всех изомеров в определённом соотношении. Чаще всего при таутомеризации происходит перемещение атомов водорода от одного атома в молекуле к другому и обратно в одном и том же соединении.
II. Пространственная (стерео) - обусловлена различным положением атомов или групп относительно двойной связи или цикла, исключающих свободное вращение соединённых атомов углерода
1. Геометрическая (цис -, транс - изомерия)
Если атом углерода в молекуле связан с четырьмя различными атомами или атомными группами, например:
то возможно существование двух соединений с одинаковой структурной формулой, но отличающихся пространственным строением. Молекулы таких соединений относятся друг к другу как предмет и его зеркальное изображение и являются пространственными изомерами.
Изомерия этого вида называется оптической, изомеры - оптическими изомерами или оптическими антиподами:
Молекулы оптических изомеров несовместимы в пространстве (как левая и правая руки), в них отсутствует плоскость симметрии.
Таким образом,
- оптическими изомерами называются пространственные изомеры, молекулы которых относятся между собой как предмет и несовместимое с ним зеркальное изображение.
Оптические изомеры аминокислоты
3. Конформационная изомерия
Следует отметить, что атомы и группы атомов, связанные друг с другом σ -связью, постоянно вращаются относительно оси связи, занимая различное положение в пространстве друг относительно друга.
Молекулы, имеющие одинаковое строение и различающиеся пространственным расположением атомов в результате вращения вокруг С-С связей, называются конформерами.
Для изображения конформационных изомеров удобно пользоваться формулами - проекциями Ньюмена:
Явление конформационной изомерии можно рассмотреть и на примере циклоалканов. Так, для циклогексана характерны конформеры:
Рассмотренные нами ранее виды формул, описывающих органические вещества, показывают, что одной молекулярной может соответствовать несколько разных структурных формул.
Например, молекулярной формуле C2 H6 O соответствуют два вещества с разными структурными формулами - этиловый спирт и диметиловый эфир. Рис. 1.
Этиловый спирт - жидкость, которая реагирует с металлическим натрием с выделением водорода, кипит при +78,50С. При тех же условиях диметиловый эфир - газ, не реагирующий с натрием, кипит при -230С.
Эти вещества отличаются своим строением - разным веществам соответствует одинаковая молекулярная формула.
Рис. 1. Межклассовая изомерия
Явление существования веществ, имеющих одинаковый состав, но разное строение и поэтому разные свойства называют изомерией (от греческих слов «изос» - «равный» и «мерос» - «часть», «доля»).
Типы изомерии
Существуют разные типы изомерии.
Структурная изомерия связана с разным порядком соединения атомов в молекуле.
Этанол и диметиловый эфир - структурные изомеры. Поскольку они относятся к разным классам органических соединений, такой вид структурной изомерии называется еще и межклассовой . Рис. 1.
Структурные изомеры могут быть и внутри одного класса соединений, например формуле C5H12 соответствуют три разных углеводорода. Это изомерия углеродного скелета . Рис. 2.
Рис. 2 Примеры веществ - структурных изомеров
Существуют структурные изомеры с одинаковым углеродным скелетом, которые отличаются положением кратных связей (двойных и тройных) или атомов, замещающих водород. Этот вид структурной изомерии называется изомерией положения .
Рис. 3. Структурная изомерия положения
В молекулах, содержащих только одинарные связи, при комнатной температуре возможно почти свободное вращение фрагментов молекулы вокруг связей, и, например, все изображения формул 1,2-дихлорэтана равноценны. Рис. 4
Рис. 4. Положение атомов хлора вокруг одинарной связи
Если же вращение затруднено, например, в циклической молекуле или при двойной связи, то возникает геометрическая или цис-транс изомерия. В цис-изомерах заместители находятся по одну сторону плоскости цикла или двойной связи, в транс-изомерах - по разные стороны.
Цис-транс изомеры существуют в том случае, когда с атомом углерода связаны два разных заместителя. Рис. 5.
Рис. 5. Цис- и транс- изомеры
Еще один тип изомерии возникает в связи с тем, что атом углерода с четырьмя одинарными связями образует со своими заместителями пространственную структуру - тетраэдр. Если в молекуле есть хотя бы один углеродный атом, связанный с четырьмя разными заместителями, возникает оптическая изомерия . Такие молекулы не совпадают со своим зеркальным изображением. Это свойство называется хиральностью - от греческого с hier - «рука». Рис. 6. Оптическая изомерия характерна для многих молекул, входящих в состав живых организмов.
|
|
|
Рис. 6. Примеры оптических изомеров
Оптическая изомерия называется также энантиомерией (от греческого enantios - «противоположный» и meros - «часть»), а оптические изомеры - энантиомерами . Энантиомеры оптически активны, они вращают плоскость поляризации света на один и тот же угол, но в противоположные стороны: d- , или (+)-изомер, - вправо, l- , или (-)-изомер, - влево. Смесь равных количеств энантиомеров, называемая рацематом , оптически недеятельна и обозначается символом d,l- или (±).
ИСТОЧНИКИ
источник видео - 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
источник презентации - 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
источник презентации - http://mirhimii.ru/10class/174-izomeriya.html
Лекция №5
Тема « Изомерия и ее виды»
Тип занятия: комбинированное
Цель: 1. Раскрыть основное положение теории строения на явлении изомерии. Дать общее представление о типах изомерии. Показать основные направления развития теории строения на примере стереоизомерии.
2. продолжить формировать умения строить формулы изомеров, давать названия веществам по формулам.
3. воспитывать познавательное отношение к учебе
Оборудование: модели молекул Стюарта –Бриглеба, цветной пластилин, спички, пара перчаток, семена тмина, мятная жевательная резинка, три пробирки.
План занятия
Приветствие, перекличка
Опрос опорных знаний
Изучение нового материала:
Теория строения и явление изомерии;
Типы изомерии;
Закрепление
Ход занятия
2. Опрос опорных знаний:фронтально
По каким признакам классифицируют органические соединения, объяснить используя схему.
Назовите основные классы органических соединений, особенность их строения
Выполнить упражнение №1 и2 §6. Один учащийся у доски, остальные в тетрадях
3. Изучение нового материала: Теория строения и явление изомерии
Вспомните определение изомерии и изомеры. Объясните причину их существования.
Явление изомерии(от греческого isos - разный и meros – доля, часть) было открыто в 1823г Ю.Либихом и Ф. Велером на примере солей двух неорганических кислот: циановой и гремучей. Н-О-С= N циановая; Н-О- N =С гремучая
В 1830г Ж.Дюма распространил представление об изомерии на органические соединения. Термин «Изомер» появился годом позже, и предположил его Й. Берцеллиус. Т.к в области строения как органических так и неорганических веществ в то время царил полный хаос, открытию не придали особого значения.
Научное объяснение явлению изомерии было дано А.М.Бутлеровым в рамках теории строения, в то время как ни теория типов, ни теория радикалов не раскрывали сути этого явления. А.М.Бутлеров усматривал причину изомерии в том, что атомы в молекулах изомеров связаны в различном порядке. Теория строения позволяла предсказать число возможных изомеров и их структуру, что было блестяще подтверждено на практике самим А.М.Бутлеровым и его последователями.
Типы изомерии: приведите пример изомеров и предложите признак, по которому можно было бы классифицировать изомеры? (очевидно, что основанием будет строение молекул изомеров). Объясняю материал используя схему:
Различают два типа изомерии: структурную и пространственную (стереоизомерию). Структурными называются изомеры, имеющие различный порядок связи атомов в молекуле. Пространственные изомеры имеют одинаковые заместители у каждого атома углерода, но отличаются их взаимным расположением в пространстве.
Структурная изомерия бывает трех видов: межклассовая изомерия, связанная со строением углеродного скелета, и изомерия положения функциональной группы или кратной связи.
Межклассовые изомеры содержат различные функциональные группы и принадлежат к разным классам органических соединений, а следовательно физические и химические свойства межклассовых изомеров значительно отличаются.
Изомерия углеродного скелета вам уже знакома, физические свойства различны, а химические – похожи, т.к эти вещества относятся к одному классу.
Изомерия положения функциональной группы или положения кратных связей. Физические свойства таких изомеров различны, а химические – похожи
Геометрическая изомерия: имеют различные физические константы, но похожие химические свойства
Оптические изомеры являются зеркальным изображением друг друга; подобно двум ладоням, их невозможно совместить, так чтобы они совпали.
4. Закрепление: распознать изомеры, определить тип изомерии у веществ формулы которых: выполнить упр 3 § 7
Лекции для студентов педиатрического факультета
Лекция 2
Тема: Пространственное строение органических соединений
Цель: знакомство с видами структурной и пространственной изомерии органических соединений.
План:
Классификация изомерии.
Структурная изомерия.
Пространственная изомерия
Оптическая изомерия
Первые попытки понять строение органических молекул относятся к началу XIX в. Впервые явление изомерии открыл Й. Берцелиус, а А. М. Бутлеров в 1861 г. предложил теорию химического строения органических соединений, которая объяснила явление изомерии.
Изомерия – существование соединений с одинаковым качественным и количественным составом, но разным строением или расположением их в пространстве, а сами вещества называются изомерами.
Классификация изомеров
Структурная
(различный порядок соединения атомов)
Стереоизомерия
(различное расположение атомов в пространстве)
Положения кратной связи
Положения функциональной группы
Конфигура
Конформа-
Структурная изомерия .
Структурные изомеры – это изомеры, имеющие одинаковый качественный и количественный состав, но отличающиеся химическим строением.
Структурная изомерия обуславливает многообразие органических соединений, в частности алканов. С увеличением числа атомов углерода в молекулах алканов быстро возрастает количество структурных изомеров. Так, для гексана (С 6 Н 14) оно равно 5, для нонана (С 9 Н 20) – 35.
Атомы углерода различаются по месту положения в цепи. Атом углерода, стоящий в начале цепи, связан с одним атомом углерода и называется первичным. Атом углерода, связанный с двумя атомами углерода – вторичным , с тремя – третичным , с четырьмя – четвертичным . В молекулах алканов с неразветвленной цепью содержатся только первичные и вторичные атомы углерода, а в молекулах алканов с разветвлённой цепью и третичные и четвертичные.
Виды структурной изомерии.
Метамеры – соединения, относящиеся к одному классу соединений, но имеющие различные радикалы:
Н 3 С – О – С 3 Н 7 – метилпропиловый эфир,
Н 5 С 2 – О – С 2 Н 5 – диэтиловый эфир
Межклассовая изомерия. При одном и том же качественном и количественном составе молекул, строение веществ различное.
Например: альдегиды изомерны кетонам:
Алкины – алкадиенам
Н 2 С = СН – СН = СН 2 бутадиен -1,3 НС = С - СН 2 – СН 3 – бутин-1
Структурная изомерия обусловливает и многообразие углеводородных радикалов. Изомерия радикалов начинается с пропана, для которого возможны два радикала. Если атом водорода отнять от первичного атома углерода, то получится радикал пропил (н-пропил). Если атом водорода отнять от вторичного атома углерода, то получится радикал изопропил
-
изопропил
СН 2 – СН 2 – СН 3 - пропилПространственная изомерия (стереоизомерия)
Это существование изомеров, имеющих одинаковый состав и порядок соединения атомов, но отличающихся характером расположения атомов или групп атомов в пространстве относительно друг друга.
Этот вид изомерии описали Л. Пастер (1848), Я. Вант-Гофф, Ле Бель (1874).
В реальных условиях сама молекула и её отдельные части (атомы, группы атомов) находятся в состоянии колебательно – вращательного движения и это движение сильно изменяет взаимное расположение атомов в молекуле. В это время происходит растяжение химических связей и изменение валентных углов и таким образом возникают различные конфигурации и конформации молекул.
Поэтому пространственные изомеры делятся на два вида: конформационные и конфигурационные.
Конфигурации – это порядок расположения атомов в пространстве без учета различий, которые возникают в результате вращения вокруг одинарных связей. Эти изомеры существуют в виде различных конформаций.
Конформации – очень неустойчивые динамические формы одной и той же молекулы, которые возникают в резцльтате вращения атомов или групп атомов вокруг одинарных связей, в результате чего атомы занимают различное пространственное положение. Каждая конформация молекулы характеризуется определённой конфигурацией.
б-связь допускает вращение вокруг неё, поэтому одна молекула может иметь множество конформаций. Из множества конформаций во внимание принимают только шесть, т.к. за минимальный угол поворота считают угол равный 60 о, который называется торсионным углом.
Различают: заслоненную и заторможенную конформации.
Заслонённая конформация возникает в том случае, если одинаковые заместители расположены на минимальном расстоянии друг от друга и между ними возникают силы взаимного отталкивания, и молекула должна обладать большим запасом энергии, чтобы сохранить эту конформацию. Эта конформация энергетически невыгодна.
Заторможенная конформация – возникает в том случае, если одинаковые заместители максимально удалены друг от друга и молекула обладает минимальным запасом энергии. Эта конформация энергетически выгодна.
П
ервое
соединение, для которого известно
существование конформационных изомеров,
является этан. Его строение в пространстве
изображается перспективной формулой
или формулой Ньюмена:
С 2 Н 6
заслонённая заторможенная
конформация конформация
Проекционные формулы Ньюмена.
Ближайший к нам атом углерода обозначают точкой в центре круга, круг изображает удаленный атом углерода. Три связи каждого атома изображают в виде линий, расходящихся из центра круга – для ближнего атома углерода и маленькие – для удаленного атома углерода.
Вдлинных углеродных цепях вращение возможно вокруг несколькихС – С связей. Поэтому вся цепь может принимать разнообразные геометрические формы. По рентгенографическим данным длинные цепи насыщенных углеводородов имеют зигзагообразную и клешневидную конформации. Например: пальмитиновая (С 15 Н 31 СООН) и стеариновая (С 17 Н 35 СООН) кислоты в зигзагообразных конформациях входят в состав липидов клеточных мембран, а молекулы моносахаридов в растворе принимают клешневидную конформацию.
Конформации циклических соединений
Для циклических соединений характерно угловое напряжение, связанное с наличием замкнутого цикла.
Если считать циклы плоскими, то для многих из них валентные углы будут значительно отклоняться от нормального. Напряжение, вызванное отклонением валентных углов между атомами углерода в цикле от нормального значения, называют угловым или байеровским.
Например, в циклогексане атомы углерода находятся в sp 3 - гибридном состоянии и соответственно валентный угол должен быть равным 109 о 28 / . Если бы атомы углерода лежали бы в одной плоскости, то в плоском цикле внутренние валентные углы были бы равны 120 о, а все атомы водороданаходились бы в заслоненной конформации. Но циклогексан не может быть плоским из-за наличия сильных углового и торсионного напряжений. У него возникают менее напряженные неплоские конформации за счет частичного поворота вокруг ϭ-связей, среди которых более устойчивыми являются конформации кресла и ванны.
Наиболее энергетически выгодной является конформация кресла, т.к в ней отсутствуют заслоненные положения атомов водорода и углерода. Расположение атомов Н у всех атомов С такое же, как в заторможенной конформации этана. В этой конформации все атомы водорода открыты и доступны для реакций.
Конформация ванны менее энергетически выгодная, так как у 2-х пар атомов С (С-2 и С-3), (С-5 и С-6), лежащих в основании, атомы Н находятся в заслонённой конформации, поэтому эта конформация обладает большим запасом энергии и неустойчива.
С 6 Н 12 циклогексан
Форма «кресла» более энергетически выгодна, чем «ванна».
Оптическая изомерия.
В конце XIX века было обнаружено, что многие органические соединения способны вращать плоскость поляризованного луча влево и вправо. Т. е. световой луч, падающий на молекулу вступает во взаимодействие с её электронными оболочками, при этом происходит поляризация электронов, что приводит к изменению направления колебаний в электрическом поле. Если вещество вращает плоскость колебаний по часовой стрелке, его называют правовращающим (+), если против часовой стрелки – левовращающим (-). Эти вещества были названы оптическими изомерами. Оптически активные изомеры содержат ассиметричный атом углерода (хиральный) – это атом, содержащий четыре разных заместителя. Вторым важным условием является отсутствие всех видов симметрии (оси, плоскости). К ним относятся многие окси- и аминокислоты
Исследования показали, что такие соединения отличаются порядком расположения заместителей у атомов углерода в sp 3 - гибридизации.
П
ростейшим
соединением является молочная кислота
(2-гидроксипропановая)
Стереоизомеры, молекулы которых относятся между собой как предмет и несовместимое с ним зеркальное отображение или как левая и правая рука называются энантиомерами (оптические изомеры, зеркальные изомеры, антиподы, а явление называется энантиомерией. Все химические и физические свойства энантиомеров одинаковы, кроме двух: вращение плоскости поляризованного света (в приборе поляриметре) и биологическая активность.
Абсолютную конфигурацию молекул определяют сложными физико-химическими методами.
Относительную конфигурацию оптически активных соединений определяют путем сравнения со стандартом глицеринового альдегида. Оптически активные вещества, имеющие конфигурацию правовращающего или левовращающего глицеринового альдегида (М. Розанов, 1906), называются веществами D- и L-ряда. Равная смесь право- и левовращающих изомеров одного соединения называется рацематом и оптически неактивна.
Исследования показали, что знак вращения света нельзя связывать с принадлежностью вещества к D- и L-рядам, его определяют только экспериментально в приборах – поляриметрах. Например, L-молочная к-та имеет угол вращения +3,8 о, D- молочная к-та - 3,8 о.
Энантиомеры изображают с помощью формул Фишера.
Углеродная цепь изображается вертикальной линией.
Вверху ставится старшая функциональная группа, внизу младшая.
Ассиметричный атом углерода изображается горизонтальной линией, на концах которой стоят заместители.
Количество изомеров определяются по формуле 2 n , n – число асимметрических атомов углерода.
L-ряд D-ряд
Среди энантиомеров могут быть симметричные молекулы, не обладающие оптической активностью, и называются мезоизомерами.
|
Например: Винная к-та |
|
D – (+) – ряд L – (–) – ряд |
Мезовинная к-та |
Рацемат – виноградная к-та
Оптические изомеры, не являющиеся зеркальными изомерами, отличающиеся конфигурацией нескольких, но не всех асимметрических атомов С, обладающие различными физическими и химическими св-вами, наз-ся -ди -а -стереоизомерами.
-Диастереомеры (геометрические изомеры) – это стереомеры, имеющие в молекуле -связь. Они встречаются у алкенов, непредельных высших карбоновых к-т, непредельных дикарбоновых к-т. Например:
Цис-бутен-2 Транс-бутен-2
Биологическая активность органических вещ-в связана с их строением. Например:
Цис-бутендиовая к-та, Транс-бутендиовая к-та,
малеиновая к-та – фумаровая к-та – не ядовита,
очень ядовита содержится в организме
Все природные непредельные высшие карбоновые к-ты являются цис-изомерами.
CH3CH2CH2CH3 и изобутан (CH3)2СHCH3, этиловый спирт CH3CH2OH и диметиловый эфир CH3OCH3. Особый случай структурной изомерии - таутомерия .
. 2000 .
Смотреть что такое "СТРУКТУРНАЯ ИЗОМЕРИЯ" в других словарях:
СТРУКТУРНАЯ ИЗОМЕРИЯ - один из видов (см.) хим. соединений, имеющих одинаковый состав и молекулярную массу, но отличающихся строением молекул, физ. и хим. свойствами. Напр. формуле С2Н60 отвечают два вещества с различными свойствами этиловый спирт (а) и диметиловый… … Большая политехническая энциклопедия
Один из видов изомерии химических соединений. Обусловлена различиями в порядке расположения атомов в молекуле. Примеры: нормальный бутан СН3СН2СН2СН3 и изобутан (СН3)2СНСН3, этиловый спирт СН3СН2ОН и диметиловый эфир СН3ОСН3. Особый случай… … Энциклопедический словарь
Один из видов изомерии хим. соединений. Обусловлена различиями в порядке расположения атомов в молекуле. Примеры: нормальный бутан СН3СН2СН2СН3 и изобутан (СН3)2СНСН3, этиловый спирт СН3СН2ОН и диметиловый эфир СН3ОСН3. Особый случай С. и.… … Естествознание. Энциклопедический словарь
Явление, состоящее в существовании молекул, обладающих одинаковой мол. массой и составом, но различающихся по строению или расположению атомов в пр ве и, следовательно, по хим. и физ. св вам. Такие молекулы наз. и з о м е р а м и. Существуют два… … Физическая энциклопедия
- (от изо... и греч. meros доля часть) химических соединений, явление, заключающееся в существовании изомеров соединений, одинаковых по составу и молекулярной массе, но различающихся по строению (структурная изомерия) или расположению атомов в… … Большой Энциклопедический словарь
Не следует путать с изомерией атомных ядер. Изомерия (от др. греч. ἴσος «равный», и μέρος «доля, часть») явление, заключающееся в существовании химических соединений (изомеров), одинаковых по составу и молекулярной массе, но… … Википедия
И; ж. Хим. Явление, заключающееся в существовании химических соединений с одинаковым составом и молекулярной массой, но различающихся по строению, физическим и химическим свойствам. Заниматься изомерией. Структурная, пространственная, поворотная… … Энциклопедический словарь
- (от изо... (см. ИЗО... (часть сложных слов)) и греч. meros доля, часть), существование молекул, (см. МОЛЕКУЛА) обладающих одинаковой молярной массой и составом, но различающихся по строению или расположению атомов в пространстве, и, следовательно … Энциклопедический словарь
Структурная химия раздел, область химии, изучающая связь различных физических и физико химических свойств различных веществ с их химическим строением и реакционной способностью. Структурная химия рассматривает не только геометрическое… … Википедия
Структурная формула это разновидность химической формулы, графически описывающая расположение и порядок связи атомов в соединении, выраженное на плоскости. Связи в структурных формулах обозначаются валентными черточками. Часто… … Википедия