Prostorni izomeri (stereoizomeri) imaju isti kvalitativni i kvantitativni sastav i isti red vezivanja atoma (hemijska struktura), ali različit prostorni raspored atoma u molekuli.

Postoje dvije vrste prostorni izomerizam: optički I geometrijski.

Optički izomerizam

U optičkoj izomeriji različiti fragmenti molekula nalaze se različito u odnosu na određeni atom, tj. imaju drugačije konfiguraciju Na primjer:

Takvi molekuli nisu identični, oni se međusobno odnose kao predmet i njegova zrcalna slika i nazivaju se enantiomeri.

Enantiomeri imaju svojstva kiralnosti. Najjednostavniji slučaj kiralnosti je zbog prisustva u molekuli centar kiralnosti(hiralni centar), koji može biti atom koji sadrži četiri različita supstituenta. Takvom atomu nedostaju elementi simetrije. Iz tog razloga se naziva i asimetričnim.

Da bi se ustanovilo da li je molekula kiralna, potrebno je izgraditi njen model, model njegove zrcalne slike (slika 3.1. , A) i saznati da li su kombinovani u prostoru. Ako nisu kompatibilni, molekul je kiralan (slika 3.1, b), ako su kompatibilni, akiralni.

Rice. 3.1.

Sva hemijska svojstva enantiomera su identična. Njihovi su isti fizička svojstva s izuzetkom optičke aktivnosti: jedan oblik rotira ravan polarizacije svjetlosti ulijevo, drugi - za isti ugao udesno.

Mješavina jednakih količina optičkih antipoda ponaša se kao pojedinačno hemijsko jedinjenje, lišeno optičke aktivnosti i vrlo različito po fizičkim svojstvima od svakog od antipoda. Ova supstanca se zove racemska smjesa, ili racemate.

U svim kemijskim transformacijama u kojima nastaju novi asimetrični atomi ugljika uvijek se dobivaju racemati. Postoje posebne tehnike za razdvajanje racemata u optički aktivne antipode.

Ako postoji nekoliko asimetričnih atoma u molekuli, moguća je situacija da prostorni izomeri neće biti optički antipodi. Na primjer:

Prostorni izomeri koji nisu enantiomeri jedan u odnosu na drugi nazivaju se dijastereomeri.

Poseban slučaj dijastereomera - geometrijski (cis-trais-) izomeri.

Geometrijski izomerizam

Geometrijski (cis-trans) izomerizam karakterističan je za jedinjenja koja sadrže dvostruke veze (C=C, C=N, itd.), kao i za nearomatska ciklična jedinjenja i nastaje zbog nemogućnosti slobodne rotacije atoma oko dvostruke veze ili u ciklusu. Supstituenti u geometrijskim izomerima mogu se nalaziti na jednoj strani ravni dvostruke veze ili prstena - ^wc-položaj, ili na suprotnim stranama - tirsh/c-položaj (Sl. 3.2).

Rice. 3.2. Dis-izomer (a) itrans-izomer(b)

Geometrijski izomeri se obično značajno razlikuju po fizičkim svojstvima (tačke ključanja i topljenja, rastvorljivost, dipolni momenti, termodinamička stabilnost, itd.)

• Pojam „kiralnost“ znači da su dva predmeta u istom odnosu jedan prema drugom kao lijeva i desna ruka (od grčkog stolica - ruka), tj. su zrcalne slike koje se ne poklapaju kada ih pokušate kombinirati u prostoru.

Tokom lekcije, dobićete opštu predstavu o vrstama izomerizma i naučiti šta je izomer. Naučite o vrstama izomerizma u organskoj hemiji: strukturnoj i prostornoj (stereoizomerizam). Koristeći strukturne formule supstanci, razmotrite podtipove strukturne izomerije (skeletni i pozicioni izomerizam), naučite o vrstama prostorne izomerije: geometrijskoj i optičkoj.

Tema: Uvod u organsku hemiju

Lekcija: Izomerizam. Vrste izomerizma. Strukturna izomerija, geometrijska, optička

1. Šta je izomerizam

Vrste formula koje opisuju organske tvari koje smo ranije ispitali pokazuju da nekoliko različitih strukturnih formula može odgovarati jednoj molekularnoj formuli.

Na primjer, molekularna formula C2H6O dopisivati ​​se dvije supstance sa različitim strukturnim formulama - etil alkohol i dimetil eter. Rice. 1.

Etil alkohol je tečnost koja reaguje sa metalnim natrijumom i oslobađa vodonik i ključa na +78,50C. Pod istim uslovima, dimetil etar, gas koji ne reaguje sa natrijumom, ključa na -230C.

Ove tvari se razlikuju po svojoj strukturi - različite tvari imaju istu molekularnu formulu.

Rice. 1. Međuklasni izomerizam

Fenomen postojanja supstanci koje imaju isti sastav, ali različite strukture i stoga različita svojstva naziva se izomerizam (od grčkih riječi “isos” - “jednak” i “meros” – “dio”, “udio”).

Vrste izomerizma

Postoji različite vrste izomerizam.

2. Međuklasni izomerizam

Strukturna izomerija je povezana s različitim redovima atoma u molekuli.

Etanol i dimetil etar su strukturni izomeri. Budući da pripadaju različitim klasama organskih jedinjenja, ova vrsta strukturne izomerije se naziva takođe međuklasni. Rice. 1.

3. Izomerija ugljeničnog skeleta

Strukturni izomeri takođe mogu postojati u istoj klasi jedinjenja, na primer, formula C5H12 odgovara tri različita ugljovodonika. Ovo izomerija ugljeničnog skeleta. Rice. 2.

Rice. 2 Primjeri supstanci - strukturni izomeri

4. Pozicioni izomerizam

Postoje strukturni izomeri sa istim ugljeničnim kosturom, koji se razlikuju po položaju višestrukih veza (dvostrukih i trostrukih) ili atoma koji zamenjuju vodonik. Ova vrsta strukturne izomerije se naziva pozicioni izomerizam.

Rice. 3. Izomerizam strukturnog položaja

5. Prostorni izomerizam

U molekulima koji sadrže samo jednostruke veze, moguća je gotovo slobodna rotacija molekularnih fragmenata oko veza na sobnoj temperaturi i, na primjer, sve slike formula 1,2-dikloretana su ekvivalentne. Rice. 4

Rice. 4. Položaj atoma hlora oko jednostruke veze

Ako je rotacija otežana, na primjer, u cikličkoj molekuli ili dvostrukom vezom, tada geometrijski ili cis-trans izomerizam. U cis-izomerima supstituenti se nalaze na jednoj strani ravnine prstena ili dvostruke veze, u trans-izomerima - na suprotnim stranama.

Cis-trans izomeri postoje kada su vezani za atom ugljika. dva različita zamjenik Rice. 5.

Rice. 5. Cis - i trans - izomeri

6. Optička izomerija

Druga vrsta izomerizma nastaje zbog činjenice da atom ugljika sa četiri jednostruke veze formira prostornu strukturu sa svojim supstituentima - tetraedar. Ako molekula ima barem jedan atom ugljika vezan za četiri različita supstituenta, optički izomerizam. Takvi molekuli ne odgovaraju njihovoj slici u ogledalu. Ovo svojstvo naziva se kiralnost - od grčkog chier - "ruka". Rice. 6. Optička izomerija je karakteristična za mnoge molekule koje čine žive organizme.

Rice. 6. Primjeri optičkih izomera

Optička izomerija se također naziva enantiomerizam(od grčkog enantios - "suprotno" i meros - "dio"), a optički izomeri su enantiomeri. Enantiomeri su optički aktivni; oni rotiraju ravan polarizacije svjetlosti za isti ugao, ali u suprotnim smjerovima: d-, ili (+)-izomer, - desno, l-, ili (-)-izomer, - lijevo. Mješavina jednakih količina enantiomera, nazvana racemat, optički je neaktivna i označena je simbolom d, l- ili (±).

Sumiranje lekcije

Tokom lekcije stekli ste opšte razumevanje vrsta izomerizma i šta je izomer. Učili smo o tipovima izomerizma u organskoj hemiji: strukturnoj i prostornoj (stereoizomerizam). Koristeći strukturne formule supstanci, ispitali smo podtipove strukturne izomerije (skeletni i pozicioni izomerizam), te se upoznali sa tipovima prostorne izomerije: geometrijskom i optičkom.

Bibliografija

1. Rudzitis G. E. Hemija. Osnove opšte hemije. 10. razred: udžbenik za opšteobrazovne ustanove: osnovni nivo / G. E. Rudzitis, F. G. Feldman. - 14. izdanje. - M.: Obrazovanje, 2012.

2. Hemija. 10. razred. Nivo profila: akademski. za opšte obrazovanje institucije / V. V. Eremin, N. E. Kuzmenko, V. V. Lunin, itd. - M.: Drfa, 2008. - 463 str.

3. Hemija. 11. razred. Nivo profila: akademski. za opšte obrazovanje institucije / V. V. Eremin, N. E. Kuzmenko, V. V. Lunin, itd. - M.: Drfa, 2010. - 462 str.

4. Khomchenko G. P., Khomchenko I. G. Zbirka zadataka iz hemije za kandidate na univerzitetima. - 4. izd. - M.: RIA "Novi talas": Izdavač Umerenkov, 2012. - 278 str.

1. Interneturok. ru.

2. Organska hemija.

Zadaća

1. br. 1,2 (str. 39) Rudzitis G. E. Chemistry. Osnove opšte hemije. 10. razred: udžbenik za opšteobrazovne ustanove: osnovni nivo / G. E. Rudzitis, F. G. Feldman. - 14. izdanje. - M.: Obrazovanje, 2012.

2. Zašto je broj izomera u ugljovodonicima serije etilena veći od broja zasićenih ugljovodonika?

3. Koji ugljovodonici imaju prostorne izomere?

Ojačajte materijal spravama za vježbanje

Trener 1 Trener 2 Trener 3

Geometrijski izomeri su cis-trans izomerizam, ili EZ izomerizam. Njihovo djelovanje se zasniva na ograničenoj rotaciji dvostrukih ili jednostrukih ugljičnih veza u cikličkim jedinjenjima.U cikličkom spoju, rotacija između jednostrukih ugljikovih veza je ograničena i dvije razne grupe vezan za svaki izomer ugljika na sličan način. Takvi geometrijski izomeri se često razlikuju po svojim fizičkim svojstvima. To je zbog oblika izomera i ukupnog dipolnog momenta. Ako dva atoma s najvišim prioritetom ostanu na istoj strani izomera, onda se označavaju kao Z, a ako su na suprotnoj strani, označavaju se E.

Kratka istorija izomerizma

Koncept ustavnog izomerizma je značajan iskorak u istoriji moderne hemije i, posebno, u razvoju organske hemije. Do kasnih 1700-ih, nekoliko čistih supstanci je izolovano kroz proučavanje "životinjske" i "biljne" hemije. Mnoge je nabavio Karl Wilhelm Scheele (1742-1786). Zbog širokog spektra organskih jedinjenja, svaka nova supstanca predstavljala je drugačiji elementarni sastav koji je odgovarao generalizovanom zapažanju iz „mineralne“ hemije. Broj izolovanih organskih jedinjenja porastao je početkom 1800-ih, kroz identifikaciju različitih supstanci.

U svojoj knjizi o istoriji hemije, Thomas Thomson je 1830. napisao da:

Berzelius je teoriju atoma primijenio i na biljno carstvo, analizirajući nekoliko biljnih kiselina i pokazujući njegovu atomsku konstituciju, ali ovdje se javlja poteškoća koju, u sadašnjem stanju našeg znanja, ne možemo prevladati. Postoje dvije kiseline koje se sastoje od potpuno istih atoma. Kako bismo sada objasnili ovu upečatljivu razliku u svojstvima? Bez sumnje Različiti putevi, u kojem se atomi nalaze u svakom od njih.

Thomson je zatim koristio različite sheme atomskih simbola koje su se koristile u to vrijeme da objasni zašto su dvije kiseline s istim elementarnim sastavom, klasificirane kao geometrijski izomeri, imale različita fizička i kemijska svojstva.

Sve do ranog 19. stoljeća vjerovalo se da ove hemikalije, pronađene u živim organizmima, imaju posebnu životnu snagu povezane sa živim bićima i da su potrebne živim sistemima za reprodukciju. Godine 1828. Wöhler je sintetizirao uzorak uree, (NH2)2CO (takođe CH4N2O), koji se nije mogao razlikovati od uree izolirane iz biološkog urina.

Pripremio je ovu "životinjsku" supstancu od naizgled neorganskog (mineraloškog) početnog materijala amonijum cijanata, (NH4)NCO (takođe CH4N2O), koji je rezultat kombinovanja amonijum hlorida i srebro cijanata. Tako se srušila barijera između “živog” i “neživog” izomerizma.

U cis izomeru dvije slične grupe ostaju na jednoj strani dvostruke veze, dok u trans izomeru ostaju na suprotnoj strani. Na primjer, 2-buten ima dva izomera cis i trans.

U cis izomeru, dvije metil grupe i dvije vodikove grupe ostaju na istoj strani dvostruke veze, dok u trans izomeru ostaju na suprotnoj strani.

Kada sam ili više grupa povezani s dvostrukom vezom nisu isti, izomeri se nazivaju E ili Z. Obavijest ovog tipa zahtijevat će od korisnika da dostavi formule ugljikovodika koji imaju geometrijske izomere i identifikuju atom najvišeg prioriteta (najveći atomski broj) vezan za svaki C dvostruka veza. Ako dva atoma najvišeg prioriteta ostaju na istoj strani izomera, što se označava kao Z, a ako su na suprotnoj strani, označava se kao E.

Na primjer, 1-bromo-1-fluoropropan ima dva izomera. U Z-1 - brom - 1 - fluoropropanu, vidi se da brom ima veći prioritet ili veći atomski broj (35) od fluora (9), koji je vezan za C-1. Ugljik ima veći atomski broj (6) od vodonika (1) koji je vezan za C-2 ovog jedinjenja. Budući da su atomi ugljika najvišeg prioriteta (iz -CH3 grupe) i brom vezan za ova dva atoma ugljika na istoj strani, ovo jedinjenje je definirano kao Z. S druge strane, u E-1 - broma - 1 - atomi fluoropropana sa najvišim Prioritet C i broma su u suprotnom smjeru, zbog čega se naziva E-izomer.

Dvostruka veza ugljik-ugljik

Izomeri su dva molekula koji imaju isti atomski sastav, ali nisu identični. Atomi u dva izomera mogu biti povezani različitim redoslijedom (strukturni izomerizam), ili mogu biti povezani na isti način, ali u različitoj orijentaciji - prostorni stereoizomerizam.

Strukturni i geometrijski izomer u posebnim slučajevima - stereoizomer, mora ispunjavati dva zahtjeva:

1. Postoji ograničena rotacija u molekuli.
2. Oba atoma uključena u restriktivnu vezu imaju dvije različite funkcionalne grupe vezane za njih.

Uobičajeni primjer ograničene rotacije je dvostruka veza ugljik-ugljik. Ove veze uključuju pi vezu; u većini uslova nije korisno prekinuti ih.

Geometrijski izomeri imaju strukturu koja utiče na fizička svojstva jedinjenja.

Cis/Trans sistem

Cis/Trans imenovanje je najjednostavniji sistem povezivanja. Najduži ugljikov lanac u molekuli se prvo identificira, a zatim se identifikuju funkcionalne grupe od interesa. U cis izomeru, dvije grupe o kojima je riječ nalaze se na istoj strani dvostruke veze (cis znači "na istoj strani" na latinskom). U trans izomeru, dvije grupe u pitanju su na suprotnim stranama dvostruke veze (trans znači poprečno na latinskom). Na primjer, dva različita geometrijska izomera butena-2.

Oba atoma s dvostrukom vezom imaju iste dvije grupe kao ove dvije grupe, ali se međusobno razlikuju na jednom od dvostrukih ugljika. Zadatak postaje sve teži kako bočni lanci i funkcionalne grupe postaju složeniji.

Zvanični IUPAC sistem imenovanja koristi oznaku E/Z. Ne postoji posebna veza između cis/trans i E/Z, a ova dva sistema nisu međusobno zamjenjiva. E/Z notacija koristi pravila prvenstva Cahn-Ingold-Prelog i smatra se pouzdanijom. IUPAC naziv za fumarnu kiselinu je trans izomer sa formulom HO2CCH=CHCO2H, a maleinska kiselina je cis-butendioična kiselina.

IUPAC je Međunarodna unija čiste i primijenjene hemije, koja postavlja međunarodna pravila i standarde za označavanje hemikalija na svim jezicima.

U cikličkom spoju, rotacija između jednostrukih veza ugljika je ograničena. Dakle, izomerija je moguća i za ovu vrstu spoja ako se svakom ugljiku dodaju dva različite grupe. Postoje dva izomera 1,2-dimetilciklopropana.

Jedan je cis izomer, gdje su dvije metil grupe na jednoj strani, a drugi je trans izomer, gdje su dvije metil grupe na drugoj strani.

Geometrijski izomeri se razlikuju po svojim fizičkim svojstvima. To je zbog oblika izomera i ukupnog dipolnog momenta. Na primjer, razlikuju se po tački ključanja. Tačke ključanja cis i trans izomera 1,2-dihloretilena su 60,3 °C i 47,5 °C, respektivno.

U cis izomeru, prisustvo dvije dipolne veze (C-Cl) daje ukupni molekularni dipol. To dovodi do međumolekularnih dipol-dipolnih sila. Za ovu snagu, cis izomer ima višu tačku ključanja od trans izomera, gdje su dvije dipolne veze (C-Cl) poništene zbog njihovog položaja u suprotnom smjeru.

Razlog zašto nije moguće rotirati dvostruku vezu ugljik-ugljik je taj što postoje dvije veze koje povezuju atome ugljika zajedno i pi veza će se morati prekinuti. Pi veze se formiraju bočnim preklapanjem između p orbitala. Ako se pokuša rotirati dvostruka veza ugljik-ugljik, p orbitale se više neće poredati i stoga će pi veza biti prekinuta. To košta energiju i događa se samo ako se veza jako zagrije.

Vrlo je lako propustiti važne elemente geometrijskih izomera prilikom konstruiranja strukturnih formula pri skraćivanju. Na primjer, vrlo je primamljivo nacrtati but-2-en.Ako ga korisnik napiše pogrešno, spoj više neće biti izomer. Ako postoji i najmanji nagovještaj da se izomer može koristiti, uvijek treba koristiti spojeve koji sadrže ugljik-ugljik dvostruke veze koje pokazuju pravilne uglove (120°) oko atoma ugljika na krajevima veze. Drugim riječima, morate koristiti format prikazan na slici.

Spojevi koji sadrže dvostruku vezu ugljik-ugljik imaju ograničenu rotaciju. Za dobijanje izomera moraju biti ispunjeni sledeći uslovi:

• ograničena rotacija, koja obično uključuje dvostruku vezu ugljik-ugljik;
• dvije različite grupe na lijevom kraju veze i dvije različite grupe na desnom kraju.

Nije bitno da li se levičarske grupe poklapaju sa desničarskim ili ne.

Geometrijski izomeri alkena uključuju brojne spojeve koji se sastoje od C i H atoma u lancu ugljika. Ova grupa uključuje homologne serije sa formulom CnH2n. Najjednostavniji alken je eten, koji ima dva C atoma i formulu C2H4.

Strukturna formula za eten prikazana je na gornjoj slici. U dužim alkenskim lancima, dodatni atomi ugljika su vezani jedan za drugi koristeći samo kovalentne veze. Svaki atom ugljika je također vezan za dovoljno atoma vodika da formira ukupno četiri jednostruke kovalentne veze.

U lancima sa četiri ili više C atoma, dvostruka veza može biti smještena na različitim pozicijama, što dovodi do stvaranja strukturnih izomera. Osim strukturnih izomera, alkeni formiraju i stereoizomere. Budući da je rotacija oko višestruke veze ograničena, grupe vezane za atome dvostrukom vezom uvijek ostaju na istim relativnim pozicijama.

Ove "blokirane" pozicije omogućavaju hemičarima da identifikuju različite izomere od supstituenata kako bi odredili koja supstanca ima geometrijske izomere. Na primjer, jedan strukturni izomer C5H10 ima sljedeće stereoizomere.

Izomer s lijeve strane, u kojem su dva supstituenta (metilna i etilna grupa) na istoj strani dvostruke veze, naziva se cis izomer, dok je izomer s desne strane, sa dva nevodikova supstituenta na suprotnim stranama, trans izomer.

Na primjer, klor ima prioritet jer je teži. WITH desna strana brom je superiorniji od ugljenika. Treće, određuju se položaji dva atoma višeg ranga. Ako su dva atoma u cis poziciji, raspored je Z (od njemačkog zusammen, što znači "zajedno"). Ako su atomi, ili grupe, u trans poziciji, raspored je E (od njemačkog entgegen, što znači "suprotno").

Geometrijski izomeri Buten je alken sa krutom dvostrukom vezom. To znači da zapravo postoje četiri izomera, a ne tri, na poziciji dvostruke veze. Postoji peti i šesti ugljovodonik istog sastava, ali oni nisu alkeni, uprkos istoj formuli.

Formiranje prstena ciklobutana ili metilciklopropana zauzima prostor od dva atoma vodika, poput dvostruke veze, uzrokujući da imaju formule identične različitim butenima.

Primjeri geometrijskih izomera:

• 1-butilen (1-buten);
• izo-butilen (2-metil-propen);
• cis-2-butilen (cis-2-buten);
• trans-2-butilen (trans-2-buten).

I bonusi: ciklobutan i metilciklopropan, oba imaju istu empirijsku formulu kao izomeri butena, ali nisu alkeni. Prvo ime je "uobičajeno" ili "trivijalno" ime, a ime u zagradi je IUPAC naziv.

Buten ima mnogo namjena, od goriva u automobilima do vreća s namirnicama koje svakodnevno nose stotine miliona ljudi širom svijeta. Hemijska formula za buten je C4H8, što znači da se sastoji od četiri C atoma i osam H atoma, spoj je alken.

Postoji nekoliko različitih izomera ili molekularnih struktura koje ovo jedinjenje može formirati (IUPAC nazivi u zagradama):

• alfa-butilen (but-1-en);
• cis-beta-butilen - ((2Z)-but-2-en);
• trans-beta-butilen - ((2E)-but-2-en);
• izobutilen (2-metilprop-1-en).

Iako svi imaju istu formulu, njihove strukture se razlikuju. Odnosi između svakog od ovih geometrijskih izomera su u osnovi konstitutivni, što znači da imaju istu molekularnu formulu, ali različite veze. Izuzetak su cis-beta-butilen i trans-beta-butilen.

Mnogi ljudi znaju da su trans masti štetne za ljude, a nezasićene masti dobre za njih. Jedina razlika između ove dvije masti je u tome što jedna ima trans vezu, a druga ima cis vezu, međutim, ova mala diferencijacija može napraviti značajnu razliku u funkciji molekula.

Kod cis-beta-butilena i trans-beta-butilena atomi su u istom redoslijedu, ali su polariteti različiti. Cis izomer je polarni, s obje CH3 grupe na istoj strani. Ovo ga čini zaista glomaznim i složenim.Trans izomer je nepolaran, glomazne CH3 grupe se izmjenjuju, dajući više prostora u molekulu. Ovaj odnos se naziva cis-trans izomerizam. Cis izomeri su polarni, dok trans izomeri nisu.

Iako se svaki od ovih izomera butena sastoji od istih materijala, svaki ima različita fizička svojstva. Na primjer, tačka ključanja:

1. Cis-beta-butilen: 3,7 °C.
2. Trans-beta-butilen: 0,8 °C.
3. Izobutilen: -6,9 °C.
4. Alfa-butilen: -6,3 °C.

Materijal za proizvodnju plastike

Buteni su alkeni sa četiri atoma ugljika, C4H8. Postoji nekoliko različitih strukturnih ili konfiguracijskih izomera butena, uključujući geometrijske i optičke izomere. Sva četiri butena imaju slična fizička svojstva, bezbojni su plinovi, teški u vodi i vrlo topljivi u eteru i alkanima. Razlike u fizičkim svojstvima objašnjavaju se strukturom molekula. Na primjer, cis-But-2-en ima višu tačku ključanja od trans-But-2-en jer je jači dipol.

Dvije alkil grupe cis izomera djeluju na svoj +I učinak u istom smjeru i time pojačavaju, dok dvije alkil grupe trans izomera djeluju u suprotnim smjerovima i na taj način slabe jedna drugu. Formule ugljikovodika koji imaju geometrijske izomere su naznačene prema IUPAC standardima. Ali-1-en ima tako nisku tačku topljenja jer CC jednostruka veza između drugog i trećeg atoma ugljika može slobodno da se rotira, a etilna grupa može rotirati oko ose rotacije u svim smjerovima.

To otežava klasifikaciju molekula u čvrstu kristalnu strukturu. Preostala tri butena, sa dvostrukom vezom između 2. i 3. C atoma, vrlo su kruta i lako se mogu klasificirati u kristalnoj strukturi. Stoga imaju relativno visoke temperature topljenje. Ovi argumenti nisu uvijek valjani jer je prikazani primjer 2-metil-but-2-en (ili izobuten). Dvije metilne grupe sa svojim +I efektima djeluju u istom smjeru kao cis-But-2-en i treba ih zapravo poboljšati. Međutim, izobuten ima vrlo nisku tačku ključanja od samo -7 °C.

But-1-en i But-2-en se koriste za proizvodnju butadiena i butan-2-ola. Osim toga, alkeni se koriste kao agensi za alkilaciju. Tako se iz izobutena i izobutana dobija važno gorivo 2,2,4-Trimetil-pentan, poznatije kao izooktan. Konačno, buteni su početni materijali za proizvodnju nekih plastičnih masa jer se lako polimeriziraju. Poznata plastika na bazi But-1-en je polibuten-1, od kojeg se prave cijevi.

Pentan, n-pentan, izopetan

Pentan, ili n-pentan, je jedan od zasićenih alkanskih ugljovodonika. N-pentan skoro bez mirisa je tečan pod uslovima okruženje i predstavlja izomer heraketita od 3 izomera. Razgranati tečni izoalkani C5 - C16 se sve više koriste kao gorivo (Oto, Diesel). Osim toga, ovi alkani su prisutni u uljima za grijanje i uljima za podmazivanje. Osiguravaju potpuno sagorijevanje. Prije nego što saznate karakteristike takvih spojeva, morate navesti formule ugljikovodika koji imaju geometrijske izomere:

1. Fizičko stanje- tečnost.
2. Boja - bezbojna.
3. Gotovo da nema mirisa.
4. Lako zapaljiv.
5. Pare mogu stvoriti eksplozivne smjese kada su izložene zraku.
6. Rastvorljivost u vodi je vrlo niska (praktički nerastvorljiva).
7. Veoma nestabilna veza.

Najvažniji izvori pentana su naftna ulja, čija se sastav značajno razlikuje u zavisnosti od porijekla. Odvajanje se vrši frakcionom destilacijom. Ovdje dobijate sljedeće razlomke:

1. Parafinsko ulje (tačka ključanja > 320 °C).
2. Nafta (tačka ključanja 180 do 250 °C).
3. Grijanje / dizel (tačka ključanja 250 do 320 °C).
4. Sirovi benzin (tačka ključanja do približno 180 °C).
5. Nafta sadrži razgranate ugljovodonike (alkane) od C5 do C10.
6. Sagorevanje pentana sa kiseonikom (stehiometrijski).
7. Krajnji proizvodi su ugljični dioksid i voda. Formule geometrijskih izomera: C5H12 + 8O2 ⟹ 5CO2 + 6H2O.

		Kalorična vrijednost HU	Kalorična vrijednost HU [kWh/kg]

Geometrijski izomer penten-2 je univerzalni rastvarač. Koristi se za pjenjenje fenolne smole i polistirena. Potreban je i kao referentna supstanca u gasnoj hromatografiji, i kao pogonsko gorivo u sprejevima.

Konfiguracijski izomerizam uključuje optički i geometrijski izomerizam.

OPTIČKA IZOMERIJA

Godine 1815, J. Biot je otkrio postojanje optičke aktivnosti za organska jedinjenja. Utvrđeno je da neka organska jedinjenja imaju sposobnost da rotiraju ravan polarizacije polarizovane svetlosti. Supstance koje imaju ovu sposobnost nazivaju se optički aktivnim.

Ako se snop obične svjetlosti, u kojoj se, kao što je poznato, elektromagnetne oscilacije šire u različitim ravninama okomitim na smjer njegovog širenja, prođe kroz Nicolovu prizmu, tada će svjetlo koje izlazi biti ravno polarizirano. U takvom snopu, elektromagnetne oscilacije se javljaju samo u jednoj ravni. Ova ravan se naziva ravan polarizacije (slika 3.2).

Kada polarizirani snop svjetlosti prođe kroz optički aktivnu tvar, ravan polarizacije rotira za određeni ugao α udesno ili ulijevo. Ako supstanca odstupi od ravni polarizacije udesno (kada se posmatra prema snopu), naziva se desnorotirajućom, a ako odstupi ulijevo, lijevo je. Desna rotacija je označena znakom (+), rotacija lijevo znakom (-).

Rice. 3.2. Shema formiranja polarizirane svjetlosti i rotacije ravnine polarizacije optički aktivnom tvari

Optička aktivnost se mjeri pomoću instrumenata koji se nazivaju polarimetri.

Fenomen optičke aktivnosti čest je među organskim supstancama, posebno među prirodnim (hidroksi i aminokiseline, proteini, ugljikohidrati, alkaloidi).

Optička aktivnost većine organskih spojeva određena je njihovom strukturom.

Jedan od razloga za pojavu optičke aktivnosti u organskim molekulima je prisustvo u njihovoj strukturi sp 3 -hibridizovanog atoma ugljenika povezanog sa četiri različita supstituenta. Takav atom ugljika naziva se kiralnim ili asimetričnim. Često se za to koristi opštiji naziv - hiralni centar. U strukturnim formulama, asimetrični atom ugljika obično se označava zvjezdicom – C*:

Jedinjenja koja sadrže jedan asimetrični atom ugljika postoje u obliku dva izomera, koji su međusobno povezani kao objekt prema svojoj zrcalnoj slici. Takvi izomeri se nazivaju enantiomeri.

Rice. 3.3. Modeli enantiomernih molekula bromoklorometana

Stereohemijske formule se mogu koristiti za prikaz prostorne strukture optičkih izomera na ravni. Na primjer, enantiomeri 2-butanola, prikazani korištenjem stereokemijskih formula, su sljedeći:

Međutim, stereohemijske formule nisu uvijek pogodne za opisivanje prostorne strukture molekula. Stoga se optički izomeri najčešće prikazuju na ravni koristeći formule Fischerove projekcije. Na primjer, ovako izgledaju enantiomeri 2-bromobutana, prikazani korištenjem Fischerove projekcije.

Enantiomeri su veoma slični jedni drugima, ali ipak nisu identični. Imaju isti sastav i redoslijed vezanja atoma u molekuli, ali se međusobno razlikuju po relativnom položaju u prostoru, odnosno konfiguraciji. Lako je uočiti da se ovi molekuli razlikuju kada pokušate da postavite njihove modele jedan na drugi.

Svojstvo molekula da se ne kombinuju sa svojom slikom u ogledalu naziva se kiralnost (od grčkog, cheir - ruka), a molekuli se nazivaju i kiralnim. Jasan primjer su lijeva i desna ruka, koje su jedna drugoj u ogledalu, ali se istovremeno ne mogu kombinirati. Molekuli koji su kompatibilni sa svojom slikom u zrcalu nazivaju se akiralnim.

Kiralnost molekula je preduslov da supstanca pokaže optičku aktivnost.

Kako odrediti da li je molekul kiralan? Kiralnost molekula može se lako otkriti konstruiranjem modela molekule i modela njegove zrcalne slike, a zatim ih kombiniranjem. Ako modeli nisu kompatibilni, molekul je kiralan; ako su kompatibilni, molekul je akiralni. Isti zaključak se može izvesti na osnovu stereohemijskih formula molekula na osnovu prisustva i odsustva elemenata simetrije, budući da je razlog optičke aktivnosti organskih jedinjenja njihova asimetrična struktura. Pošto je molekul trodimenzionalna formacija, njena struktura se može posmatrati sa stanovišta simetrije geometrijski oblici. Glavni elementi simetrije su ravan, centar i osa simetrije. Ako molekul nema ravan simetrije, onda je takav molekul kiralan.

Enantiomeri imaju ista fizička i hemijska svojstva (tačka ključanja, tačka topljenja, rastvorljivost, električna provodljivost i ostale konstante će biti iste), rotiraju ravan polarizacije polarizovanog snopa za isti ugao, ali postoje i razlike.

Enantiomeri se razlikuju po predznaku rotacije, jedan rotira ravan polarizacije polarizovanog zraka ulijevo, drugi udesno; oni reaguju različitom brzinom sa drugim kiralnim jedinjenjima, a postoji i razlika u fiziološkom delovanju. Na primjer, medicinski proizvod Levomicin je antibiotik širokog spektra. Ako se njegova efikasnost uzme kao 100, onda će desnorotacijski oblik biti samo 2% efikasnosti lijevorukog oblika.

Ako molekula ima jedan asimetrični atom, tada postoji u obliku dva izomera, ali ako molekula ima nekoliko asimetričnih atoma ugljika, tada se broj mogućih izomera povećava. Broj optičkih izomera određuje se formulom:

gdje je N broj izomera; n je broj asimetričnih atoma ugljika.

Dakle, ako u molekulu postoje dva asimetrična atoma ugljika, broj izomera je 2 2 = 4, tri – 2 3 = 8, četiri – 2 4 = 16, itd.

Na primjer, bromomalna kiselina, koja sadrži dva asimetrična atoma ugljika, postoji u obliku četiri stereoizomera (I–IV).

Stereomeri I i II, kao i III i IV, povezani su jedni s drugima kao objekt i njegova zrcalna slika i predstavljaju enantiomeri.

Stereoizomeri 1 i III, 1 i IV, kao i II i HI, H i IV nisu jedni drugima zrcalne slike, već se razlikuju po konfiguraciji na jednom od asimetričnih atoma ugljenika. Takvi stereoizomeri se nazivaju dijastereomeri. Za razliku od enantiomera, dijastereomeri imaju različita fizička i hemijska svojstva.

Za spojeve koji sadrže dva kiralna atoma ugljika vezana za identične supstituente, ukupan broj stereoizomera je smanjen na tri. Na primjer, vinska kiselina bi trebala postojati u obliku četiri stereoizomera (2 2 = 4), ali su poznata samo tri. To je zbog pojave elementa kao što je ravan simetrije u jednom od stereoizomera.

Stereomeri 1 i II su enantiomeri. Stereoizomer III (mezo oblik) je optički neaktivan. Molekul mezovinske kiseline je akiralni. Svaki enantiomer vinske kiseline je dijastereomer u odnosu na mezo oblik.

Nomenklatura optičkih izomera

U nomenklaturi, uz naziv spoja, također su naznačeni konfiguracija i smjer rotacije ravnine polarizirane svjetlosti. Potonji je označen znakom (+) za desnorotirajući izomer ili znakom (-) za levorotirajući izomer.

Za označavanje konfiguracije optičkih izomera, postoje D, L- i R,S-stereohemijski sistemi.

D,L sistem označavanja konfiguracije. Pokazalo se da je uspostavljanje apsolutne konfiguracije molekula veoma težak zadatak za hemičare. To je prvi put postignuto tek 1951. godine upotrebom analize difrakcije rendgenskih zraka. Do tada je konfiguracija optičkih izomera bila ustanovljena poređenjem sa posebno odabranom standardnom supstancom. Ova konfiguracija se naziva relativnom. Godine 1906. ruski naučnik M.A. Rozanov je predložio gliceraldehid kao standard za uspostavljanje relativne konfiguracije,

Za desnorotirajući izomer odabrali smo Fischerovu formulu, u kojoj je hidroksilna grupa na kiralnom atomu ugljika na desnoj strani, a kod lijevog izomera na lijevoj strani. Konfiguracija desnorotatornog izomera označena je slovom D, a lijevog izomera L.

Koristeći gliceraldehid kao standard za poređenje, razvijen je D,L-sistem za stereohemijsku klasifikaciju kiralnih jedinjenja, tj. dodeljivanje jedinjenja u D- ili L-stereohemijsku seriju, respektivno.

D,L sistem se uglavnom koristi u asortimanu polihidričnih alkohola, hidroksi-, aminokiselina i ugljenih hidrata:

Za spojeve s nekoliko asimetričnih atoma ugljika, kao što su α-piroksi kiseline, α-amino kiseline, vinske kiseline, konfiguracija je konvencionalno određena gornjim asimetričnim atomom ugljika (prema ključu hidroksilne kiseline), dok je u molekuli ugljikohidrata konfiguracija je određen (konvencionalno) nižim asimetričnim atomom ugljika.

R,S sistem označavanja konfiguracije. D,L- ispostavilo se da je sistem praktično neprihvatljiv za jedinjenja koja malo liče na gliceraldehid. Stoga su R predložili Kahn, K. Ingold i V. Prelog R,S- sistem za označavanje apsolutne konfiguracije optičkih izomera. R,S- Sistem se zasniva na određivanju senioriteta supstituenata u hiralnom centru.

Starost supstituenata određena je atomskim brojevima elemenata. Što je veći atomski broj, supstituent je stariji. Na primjer, u molekuli bromojodoklorometana, senioritet supstituenata opada u nizu:

Nakon utvrđivanja senioriteta supstituenata, modelna molekula je orijentirana tako da je supstituent s najmanjim atomskim brojem usmjeren u smjeru suprotnom od oka promatrača. Ako se senioritet tri preostala supstituenata smanji u smjeru kazaljke na satu, tada molekul ima konfiguraciju označenu slovom R (lat., rectus - desno), a ako se senioritet supstituenata smanji suprotno od kazaljke na satu, konfiguracija se označava slovom S ( lat. zlokobno - lijevo). Na primjer, za molekulu bromojodoklorometana:

Slika 3.4. Određivanje konfiguracije pomoću R,S sistema za molekul bromojodoklorometana

Razmotrimo određivanje ranga supstituenata i konfiguracije za složenije molekule na primjeru mliječne kiseline (slika 3.4). Već iz prvog sloja (8 O, b C, 1 H, 6 C) postaje jasno da je stariji supstituent OH grupa, a mlađi supstituent vodonik. Da bi se odredio senioritet druga dva supstituenta CH^ i COOH sa istim atomskim brojem (6 C) u prvom sloju, potrebno je uzeti u obzir drugi sloj. Zbir atomskih brojeva drugog sloja CH 3 grupe = 1 + 1 + 1 = 3, i COOH grupe = 8 + 8*2 = 24. To znači da je COOH grupa starija grupa–CH 3 Starost supstituenata oko asimetričnog atoma ugljika u molekuli mliječne kiseline opada po redoslijedu: OH > COOH > CH 3 > H

Rice. 3.5. Određivanje konfiguracije pomoću R,S sistema za mliječnu kiselinu

Racemati. Smjesa jednakih količina enantiomera je optički neaktivna i naziva se racemska smjesa (racemat). Racemati se razlikuju od pojedinačnih enantiomera po fizičkim svojstvima, mogu imati različite tačke topljenja i rastvorljivost; razlikuju po spektralnim karakteristikama.

U praksi se često susreću ne pojedinačni enantiomeri, već racemati, koji nastaju kao rezultat kemijskih reakcija koje nastaju formiranjem kiralnih molekula.

Za razdvajanje racemata u enantiomere koriste se tri metode:

1. Mehanička metoda. Kao rezultat kristalizacije nekih optički aktivnih spojeva mogu se formirati dva oblika kristala, slični jedan drugom kao predmet i njegova zrcalna slika. Mogu se odvojiti pod mikroskopom preparativnom iglom (mehanički).

2. Biohemijska metoda se zasniva na činjenici da određene vrste mikroorganizama preferiraju jedan od enantiomernih oblika i pojedu ga, drugi ostaje i može se lako izolovati.

3. Hemijska metoda na bazi hemijska metoda uključuje pretvaranje enantiomera pomoću optički aktivnih reagensa u di-stereomere, koji se već međusobno razlikuju po fizičkim svojstvima. Dijastereomere je mnogo lakše odvojiti.

Na primjer, racemsku smjesu dvije kiseline (A + B) treba odvojiti. Da bi se to postiglo, smjesi se dodaje optički aktivna baza (C). Reakcija se javlja između racemskog oblika i optički aktivne baze

AC i BC su dijastereomeri. Imaju različite rastvorljivosti i sekvencijalnom kristalizacijom mogu se izdvojiti dva dijastereomera odvojeno.

Ali pošto su AC i BC formirane od slabih organskih kiselina i baza, mineralne kiseline se koriste za njihovo razlaganje.

Na taj način se dobijaju čisti enantiomeri A i B.

GEOMETRIJSKA IZOMERIJA

Razlog za pojavu geometrijske izomerije je odsustvo slobodne rotacije oko σ veze. Ova vrsta izomerizma je karakteristična za jedinjenja koja sadrže dvostruku vezu i za aliciklična jedinjenja.

Geometrijski izomeri su tvari koje imaju istu molekularnu formulu, isti slijed vezivanja atoma u molekulima, ali se međusobno razlikuju po različitom rasporedu atoma ili atomskih grupa u prostoru u odnosu na ravan dvostruke veze ili ravninu prstena.

Razlog za pojavu ove vrste izomerizma je nemogućnost slobodne rotacije oko dvostruke veze ili σ-veze koje formiraju ciklus.

Na primjer, buten-2 CH 3 –CH=CH–CH 3 može postojati u obliku 2 izomera, koji se razlikuju po položaju metilnih grupa u prostoru u odnosu na ravninu dvostruke veze.

ili 1,2-dimetilciklopropan postoji u obliku dva izomera, koji se razlikuju po rasporedu metilnih grupa u prostoru u odnosu na ravninu prstena:

Za označavanje konfiguracije geometrijskih izomera koristi se cis-, trans-sistem. Ako se identični supstituenti nalaze na istoj strani ravni dvostruke veze ili prstena, konfiguracija se označava kao cis-. ako na suprotnim stranama - trans-.

Za spojeve koji imaju različite supstituente na atomima ugljika s dvostrukom vezom, koristi se Z,E sistem označavanja.

Z,E sistem je opštiji. Primjenjivo je na geometrijske izomere s bilo kojim skupom supstituenata. Ovaj sistem se zasniva na senioritetu supstituenata, koji se određuje za svaki atom ugljenika posebno. Ako se stariji supstituenti iz svakog para nalaze na jednoj strani dvostruke veze, konfiguracija se označava slovom Z (od njemačkog zusammen - zajedno), ako na suprotnim stranama - slovom £ (od njemačkog entgegen - suprotno).

Dakle, za 1-bromo-1-kloropropen moguća su dva izomera:

Stariji supstituent na jednom atomu ugljika je metil grupa (supstituenti 1 H i 6 CH 3). a drugi ima atom broma (supstituenti 17 Cl i 35 Br). U izomeru 1, stariji supstituenti se nalaze na jednoj strani ravni dvostruke veze; njemu je dodijeljena Z-konfiguracija, a izomeru II je dodijeljena E-konfiguracija (senior supstituenti se nalaze na suprotnim stranama ravnine dvostruke veze).

Geometrijski izomeri imaju različita fizička svojstva (tačke topljenja i ključanja, rastvorljivost, itd.), spektralne karakteristike i hemijska svojstva. Ova razlika u svojstvima čini prilično lakim uspostavljanje njihove konfiguracije pomoću fizičkih i hemijskih metoda.

Važna posljedica krutosti dvostruke veze (odsustvo rotacije oko nje) je postojanje geometrijski izomeri. Najčešći od njih su cis-, trans-izomeri spojevi serije etilena koji sadrže nejednake supstituente na nezasićenim atomima. Najjednostavniji primjer su izomeri butena-2.

cis-buten-2	trans-Buten-2
T.pl. -138,9 o C	-105,6 oC
Kip. 3,72 o C	1,0 oC
d 0.724	0.604
n D -20 1.3946	1.3862

Geometrijski izomeri imaju istu hemijsku strukturu, razlikuju se po prostornom rasporedu atoma, tj. By konfiguracije . Ova razlika stvara razliku u fizičkim (kao i hemijskim) svojstvima. Geometrijski izomeri, za razliku od konformera, mogu se izolovati u čistom obliku i postojati kao pojedinačne stabilne supstance. Za njihovu međusobnu transformaciju potrebna je energija reda 125-170 kJ/mol, koja se može osigurati zagrijavanjem ili zračenjem.

U najjednostavnijim slučajevima, nomenklatura geometrijskih izomera ne predstavlja nikakve poteškoće: cis- oblici su geometrijski izomeri u kojima identični supstituenti leže na istoj strani ravni pi veze, trans- izomeri imaju identične supstituente na različitim stranama ravni pi veze. U složenijim slučajevima se koristi Z,E-nomenklatura . Njegov glavni princip: naznačiti konfiguraciju cis-(Z, od njemačkog Zusammen - zajedno) ili trans-(E, od njemačkog Entgegen - nasuprot) lokacija viši zamjenici sa dvostrukom vezom.

U sistemu Z,E, supstituenti sa većim atomskim brojem smatraju se starijim. Ako su atomi direktno povezani s nezasićenim ugljicima isti, onda prelaze na „drugi sloj“, ako je potrebno - na „treći sloj“ itd.

Razmotrimo primjenu pravila Z,E-nomenklature na dva primjera.

I

II

Počnimo od formule I, gdje sve rješavaju atomi „prvog sloja“. Nakon što smo rasporedili njihove atomske brojeve, nalazimo da su stariji supstituenti svakog para (brom u gornjem dijelu formule i dušik u donjem dijelu) u trans-pozicija, otuda i stereohemijska oznaka E:

E-1-bromo-1-kloro-2-nitroeten

Da bi se odredila stereohemijska oznaka strukture II, potrebno je tražiti razlike u „višim slojevima“. U prvom sloju grupe CH 3, C 2 H 5, C 3 H 7 se ne razlikuju. U drugom sloju CH 3 grupa ima zbir atomskih brojeva tri (tri atoma vodika), dok grupe C 2 H 5 i C 3 H 7 imaju po 8. To znači da se CH 3 grupa ne razmatra - mlađi je od druga dva. Dakle, starije grupe su C 2 H 5 i C 3 H 7, one su u cis-pozicija; stereohemijska oznaka Z.

Z-3-metilhepten-3

Ako bi bilo potrebno odrediti koja je grupa starija - C 2 H 5 ili C 3 H 7, trebalo bi ići na atome "trećeg sloja"; zbir atomskih brojeva u ovom sloju za obje grupe bio bi jednak do 3 i 8, odnosno, tj. C3H7 je stariji od C2H5. U složenijim slučajevima određivanja prvenstva moraju se uzeti u obzir dodatni uslovi, kao što su: atom povezan dvostrukom vezom broji se dva puta, povezan trostrukom vezom - tri puta; Od izotopa stariji je teži (deuterijum je stariji od vodonika) i neki drugi.

Imajte na umu da je oznaka Z Ne su sinonimi cis- oznake, poput oznaka E, ne odgovaraju uvijek lokaciji trans-, Na primjer: