Prostorski izomeri (stereoizomeri) imajo enako kvalitativno in kvantitativno sestavo ter enak vrstni red vezave atomov (kemijsko strukturo), vendar različno prostorsko razporeditev atomov v molekuli.

Obstajata dve vrsti prostorska izomerija: optični in geometrijski.

Optična izomerija

Pri optični izomeriji so različni fragmenti molekul različno locirani glede na določen atom, tj. imajo različne konfiguracijo Na primer:

Takšne molekule niso enake, med seboj se nanašajo kot predmet in njegova zrcalna slika in se imenujejo enantiomeri.

Enantiomeri imajo lastnosti kiralnosti. Najenostavnejši primer kiralnosti je posledica prisotnosti v molekuli središče kiralnosti(kiralni center), ki je lahko atom, ki vsebuje štiri različne substituente. Tak atom nima elementov simetrije. Zaradi tega se imenuje tudi asimetrična.

Da bi ugotovili, ali je molekula kiralna, je treba zgraditi njen model, model njene zrcalne slike (slika 3.1). , A) in ugotovi, ali sta združena v prostoru. Če nista združljiva, je molekula kiralna (slika 3.1, b), če sta združljiva, je ahiralna.

riž. 3.1.

Vse kemijske lastnosti enantiomerov so enake. Njihovi so enaki fizične lastnosti z izjemo optične aktivnosti: ena oblika vrti ravnino polarizacije svetlobe v levo, druga - za isti kot v desno.

Mešanica enakih količin optičnih antipodov se obnaša kot posamezna kemična spojina, brez optične aktivnosti in se po fizikalnih lastnostih zelo razlikuje od vsakega od antipodov. Ta snov se imenuje racemna mešanica, oz racemat.

Pri vseh kemičnih transformacijah, pri katerih nastajajo novi asimetrični ogljikovi atomi, vedno nastanejo racemati. Obstajajo posebne tehnike za ločevanje racematov na optično aktivne antipode.

Če je v molekuli več asimetričnih atomov, je možna situacija, ko prostorski izomeri ne bodo optični antipodi. Na primer:

Prostorski izomeri, ki med seboj niso enantiomeri, se imenujejo diastereomeri.

Poseben primer diastereomerov - geometrijski (cis-trais-) izomeri.

Geometrijska izomerija

Geometrična (cis-trans) izomerija je značilen za spojine, ki vsebujejo dvojne vezi (C=C, C=N itd.), pa tudi za nearomatske ciklične spojine in je posledica nezmožnosti prostega vrtenja atomov okoli dvojne vezi ali v ciklu. Substituenti v geometrijskih izomerih se lahko nahajajo na eni strani ravnine dvojne vezi ali obroča - ^wc-položaj ali na nasprotnih straneh - tirsh/c-položaj (slika 3.2).

riž. 3.2. Dis-izomer (a) intrans-izomer(b)

Geometrijski izomeri se običajno bistveno razlikujejo po fizikalnih lastnostih (vrelišča in tališča, topnost, dipolni momenti, termodinamična stabilnost itd.)

• Izraz "kiralnost" pomeni, da sta dva predmeta med seboj v enakem razmerju kot leva in desna roka (iz grškega stola - roka), tj. so zrcalne slike, ki ne sovpadajo, ko jih poskušate združiti v prostoru.

Med lekcijo boste dobili splošno predstavo o vrstah izomerizma in izvedeli, kaj je izomer. Spoznajte vrste izomerije v organski kemiji: strukturno in prostorsko (stereoizomerija). S pomočjo strukturnih formul snovi razmislite o podvrstah strukturne izomerije (skeletna in pozicijska izomerija), spoznajte vrste prostorske izomerije: geometrijsko in optično.

Tema: Uvod v organsko kemijo

Lekcija: Izomerija. Vrste izomerizma. Strukturna izomerija, geometrijska, optična

1. Kaj je izomerija

Vrste formul, ki opisujejo organske snovi, ki smo jih pregledali prej, kažejo, da lahko več različnih strukturnih formul ustreza eni molekulski formuli.

Na primer, molekulska formula C2H6O dopisovati dve snovi z različnimi strukturnimi formulami - etilni alkohol in dimetil eter. riž. 1.

Etilni alkohol je tekočina, ki reagira s kovinskim natrijem, da sprosti vodik in vre pri +78,50C. Pri enakih pogojih dimetil eter, plin, ki ne reagira z natrijem, vre pri -230C.

Te snovi se razlikujejo po zgradbi – različne snovi imajo enako molekulsko formulo.

riž. 1. Medrazredna izomerija

Pojav obstoja snovi, ki imajo enako sestavo, vendar različne strukture in s tem različne lastnosti, se imenuje izomerija (iz grških besed "isos" - "enako" in "meros" - "del", "delež").

Vrste izomerizma

obstajati različni tipi izomerija.

2. Medrazredna izomerija

Strukturna izomerija je povezana z različnimi vrstnimi redi atomov v molekuli.

Etanol in dimetil eter sta strukturna izomera. Ker pripadajo različnim razredom organskih spojin, se ta vrsta strukturne izomerije imenuje tudi medrazredni. riž. 1.

3. Izomerija ogljikovega skeleta

Strukturni izomeri lahko obstajajo tudi znotraj istega razreda spojin, na primer formula C5H12 ustreza trem različnim ogljikovodikom. to izomerija ogljikovega skeleta. riž. 2.

riž. 2 Primeri snovi - strukturni izomeri

4. Položajna izomerija

Obstajajo strukturni izomeri z enakim ogljikovim skeletom, ki se razlikujejo po položaju več vezi (dvojne in trojne) ali atomov, ki nadomeščajo vodik. Ta vrsta strukturne izomerije se imenuje položajna izomerija.

riž. 3. Izomerija strukturne lege

5. Prostorska izomerija

V molekulah, ki vsebujejo samo enojne vezi, je pri sobni temperaturi možno skoraj prosto vrtenje molekularnih fragmentov okoli vezi in na primer vse slike formul 1,2-dikloroetana so enakovredne. riž. 4

riž. 4. Položaj atomov klora okoli enojne vezi

Če je rotacija ovirana, na primer v ciklični molekuli ali z dvojno vezjo, potem geometrijska ali cis-trans izomerija. V cis-izomerih so substituenti nameščeni na eni strani ravnine obroča ali dvojne vezi, v trans-izomerih - na nasprotnih straneh.

Cis-trans izomeri obstajajo, ko so vezani na ogljikov atom. dva različna namestnik riž. 5.

riž. 5. Cis - in trans - izomeri

6. Optična izomerija

Druga vrsta izomerizma nastane zaradi dejstva, da ogljikov atom s štirimi enojnimi vezmi tvori prostorsko strukturo s svojimi substituenti - tetraedrom. Če ima molekula vsaj en ogljikov atom vezan na štiri različne substituente, optična izomerija. Take molekule se ne ujemajo z zrcalno sliko. Ta lastnost se imenuje kiralnost - iz grškega chier - "roka". riž. 6. Optična izomerija je značilna za številne molekule, ki sestavljajo žive organizme.

riž. 6. Primeri optičnih izomerov

Imenuje se tudi optična izomerija enantiomerizem(iz grškega enantios - "nasproti" in meros - "del"), optični izomeri pa so enantiomeri. Enantiomeri so optično aktivni, zasukajo ravnino polarizacije svetlobe za isti kot, vendar v nasprotni smeri: d-, ali (+)-izomer, - na desno, jaz-, ali (-)-izomer, - na levo. Mešanica enakih količin enantiomerov, imenovana racemat, je optično neaktivna in je označena s simbolom d, l- ali (±).

Povzetek lekcije

Med lekcijo ste pridobili splošno razumevanje vrst izomerizma in kaj je izomer. Spoznali smo vrste izomerije v organski kemiji: strukturno in prostorsko (stereoizomerija). S pomočjo strukturnih formul snovi smo preučili podvrste strukturne izomerije (skeletna in položajna izomerija) ter se seznanili z vrstami prostorske izomerije: geometrijsko in optično.

Bibliografija

1. Rudzitis G. E. Kemija. Osnove splošne kemije. 10. razred: učbenik za splošnoizobraževalne ustanove: osnovna raven / G. E. Rudzitis, F. G. Feldman. - 14. izdaja. - M.: Izobraževanje, 2012.

2. Kemija. 10. razred. Stopnja profila: akademska. za splošno izobraževanje ustanove / V. V. Eremin, N. E. Kuzmenko, V. V. Lunin itd. - M.: Bustard, 2008. - 463 str.

3. Kemija. 11. razred. Stopnja profila: akademska. za splošno izobraževanje institucije / V. V. Eremin, N. E. Kuzmenko, V. V. Lunin itd. - M.: Bustard, 2010. - 462 str.

4. Khomchenko G. P., Khomchenko I. G. Zbirka problemov iz kemije za kandidate na univerzah. - 4. izd. - M .: RIA "New Wave": Založnik Umerenkov, 2012. - 278 str.

1. Interneturok. ru.

2. Organska kemija.

Domača naloga

1. št. 1,2 (str. 39) Rudzitis G. E. Kemija. Osnove splošne kemije. 10. razred: učbenik za splošnoizobraževalne ustanove: osnovna raven / G. E. Rudzitis, F. G. Feldman. - 14. izdaja. - M.: Izobraževanje, 2012.

2. Zakaj je število izomerov v ogljikovodikih etilenske serije večje od števila nasičenih ogljikovodikov?

3. Kateri ogljikovodiki imajo prostorske izomere?

Utrdite snov z vadbenimi napravami

Trener 1 Trener 2 Trener 3

Geometrijski izomeri so cis-trans izomerija ali EZ izomerija. Njihovo delovanje temelji na omejeni rotaciji dvojnih ali enojnih ogljikovih vezi v cikličnih spojinah.V ciklični spojini je rotacija med ogljikovimi enojnimi vezmi omejena in dve razne skupine vezan na vsak izomer ogljika na podoben način. Takšni geometrijski izomeri se pogosto razlikujejo po svojih fizikalnih lastnostih. To je posledica oblike izomerov in celotnega dipolnega momenta. Če dva atoma z najvišjo prioriteto ostaneta na isti strani izomera, sta označena z Z, če pa sta na nasprotni strani, sta označena z E.

Kratka zgodovina izomerizma

Koncept konstitucionalne izomerije je pomemben korak naprej v zgodovini sodobne kemije in še posebej v razvoju organske kemije. Do konca 18. stoletja je bilo s študijem "živalske" in "rastlinske" kemije izoliranih več čistih snovi. Veliko jih je pridobil Karl Wilhelm Scheele (1742-1786). Zaradi velike raznolikosti organskih spojin je vsaka nova snov predstavljala drugačno elementarno sestavo, ki je ustrezala splošnemu opazovanju iz "mineralne" kemije. Število izoliranih organskih spojin se je povečalo v začetku 19. stoletja z identifikacijo različnih snovi.

V svoji knjigi o zgodovini kemije je Thomas Thomson leta 1830 zapisal, da:

Berzelius je teorijo atoma uporabil tudi za rastlinsko kraljestvo, pri čemer je analiziral več rastlinskih kislin in pokazal svojo atomsko zgradbo, vendar se tu pojavi težava, ki je glede na sedanje stanje našega znanja ne moremo premagati. Obstajata dve kislini, ki sta sestavljeni iz povsem enakih atomov. Kako naj zdaj pojasnimo to osupljivo razliko v lastnostih? Nedvomno različne poti, v katerem se atomi nahajajo v vsakem od njih.

Thomson je nato uporabil različne sheme atomskih simbolov, ki so bile takrat v uporabi, da bi pojasnil, zakaj imata dve kislini z enako elementarno sestavo, razvrščeni kot geometrijski izomeri, različne fizikalne in kemijske lastnosti.

Do začetka 19. stoletja je veljalo, da imajo te kemikalije, ki jih najdemo v živih organizmih, posebno življenjsko silo, povezano z živimi bitji, in da jih živi sistem potrebuje za razmnoževanje. Leta 1828 je Wöhler sintetiziral vzorec sečnine, (NH2)2CO (tudi CH4N2O), ki je ni bilo mogoče razlikovati od sečnine, izolirane iz biološkega urina.

To "živalsko" snov je pripravil iz navidezno anorganske (minerološke) izhodne snovi amonijevega cianata, (NH4)NCO (tudi CH4N2O), ki je rezultat kombinacije amonijevega klorida in srebrovega cianata. Tako se je zrušila meja med »živo« in »neživo« izomerijo.

V cis izomeru dve podobni skupini ostaneta na eni strani dvojne vezi, medtem ko v trans izomeru ostaneta na nasprotni strani. Na primer, 2-buten ima dva izomera cis in trans.

V cis izomeru dve metilni skupini in dve vodikovi skupini ostaneta na isti strani dvojne vezi, medtem ko v trans izomeru ostaneta na nasprotni strani.

Ko sam oz več skupin povezani z dvojno vezjo niso enaki, se izomeri imenujejo E ali Z. Pri obvestilu te vrste bo uporabnik zahteval, da navede formule ogljikovodikov, ki imajo geometrijske izomere, in identificira atom z najvišjo prioriteto (najvišje atomsko število), ki je vezan na vsak Dvojna vez C. Če dva atoma z najvišjo prednostjo ostaneta na isti strani izomera, je to označeno z Z, in če sta na nasprotni strani, označeno z E.

Na primer, 1-bromo-1-fluoropropan ima dva izomera. V Z-1 - brom - 1 - fluoropropanu je razvidno, da ima brom višjo prednost ali višje atomsko število (35) kot fluor (9), ki je vezan na C-1. Ogljik ima višje atomsko število (6) kot vodik (1), ki je vezan na C-2 te spojine. Ker so atomi ogljika z najvišjo prednostjo (iz skupine -CH3) in brom, vezan na ta dva atoma ogljika, na isti strani, je ta spojina definirana kot Z. Po drugi strani pa v E-1 - atomi broma - 1 - fluoropropana z najvišjo prednostjo C in broma sta v nasprotni smeri, zato se imenuje E-izomer.

Dvojna vez ogljik-ogljik

Izomeri so dve molekuli, ki imata enako atomsko sestavo, vendar nista enaki. Atomi v obeh izomerih so lahko vezani v drugačnem vrstnem redu (strukturna izomerija) ali pa so lahko vezani na enak način, vendar v različni orientaciji - prostorska stereoizomerija.

Strukturni in geometrijski izomer v posebnih primerih - stereoizomer, mora izpolnjevati dve zahtevi:

1. V molekuli je omejena rotacija.
2. Oba atoma, vključena v restriktivno vez, imata na sebi pritrjeni dve različni funkcionalni skupini.

Pogost primer omejene rotacije je dvojna vez ogljik-ogljik. Te vezi vključujejo vez pi; v večini pogojev jih ni koristno prekiniti.

Geometrijski izomeri imajo strukturo, ki vpliva na fizikalne lastnosti spojine.

Cis/Trans sistem

Poimenovanje Cis/Trans je najpreprostejši sistem povezovanja. Najprej se identificira najdaljša ogljikova veriga v molekuli, nato pa se identificirajo interesne funkcionalne skupine. V cis izomeru sta zadevni skupini na isti strani dvojne vezi (cis v latinščini pomeni "na isti strani"). V trans izomeru sta zadevni skupini na nasprotnih straneh dvojne vezi (trans pomeni čez v latinščini). Na primer, dva različna geometrijska izomera butena-2.

Oba atoma z dvojno vezjo imata isti dve skupini kot ti dve skupini, vendar se med seboj razlikujeta na enem od dvojnih ogljikov. Naloga postane težja, ko postanejo stranske verige in funkcionalne skupine bolj zapletene.

Uradni sistem poimenovanja IUPAC uporablja oznako E/Z. Med cis/trans in E/Z ni posebne povezave in oba sistema nista zamenljiva. Zapis E/Z uporablja Cahn-Ingold-Prelogova pravila prednosti in velja za bolj zanesljivega. Ime IUPAC za fumarno kislino je trans izomer s formulo HO2CCH=CHCO2H, maleinska kislina pa je cis-butendiojska kislina.

IUPAC je Mednarodna zveza za čisto in uporabno kemijo, ki določa mednarodna pravila in standarde za označevanje kemikalij v vseh jezikih.

V ciklični spojini je rotacija med ogljikovimi enojnimi vezmi omejena. Tako je izomerija možna tudi za to vrsto spojine, če sta vsakemu ogljiku dodana dva različne skupine. Obstajata dva izomera 1,2-dimetilciklopropana.

Eden je cis izomer, kjer sta dve metilni skupini na eni strani, drugi pa je trans izomer, kjer sta dve metilni skupini na drugi strani.

Geometrijski izomeri se razlikujejo po fizikalnih lastnostih. To je posledica oblike izomerov in celotnega dipolnega momenta. Na primer, razlikujejo se po vrelišču. Vrelišče cis in trans izomerov 1,2-dikloroetilena je 60,3 °C oziroma 47,5 °C.

V cis izomeru prisotnost dveh dipolnih vezi (C-Cl) daje skupni molekularni dipol. To vodi do medmolekularnih dipol-dipolnih sil. Za to trdnost ima cis izomer višje vrelišče kot trans izomer, kjer sta dve dipolni vezi (C-Cl) preklicani zaradi njunega položaja v nasprotni smeri.

Razlog, zakaj ni mogoče zasukati dvojne vezi ogljik-ogljik, je v tem, da obstajata dve vezi, ki povezujeta atome ogljika skupaj in bo treba vez pi prekiniti. Pi vezi nastanejo s stranskim prekrivanjem med p orbitalami. Če poskušamo zasukati dvojno vez ogljik-ogljik, p orbitale ne bodo več poravnane in zato bo pi vez prekinjena. To stane energijo in se zgodi le, če se povezava zelo segreje.

Zelo enostavno je zgrešiti pomembne elemente geometrijskih izomerov pri konstruiranju strukturnih formul pri okrajšavi. Na primer, zelo mamljivo je narisati but-2-en.Če ga uporabnik napačno črkuje, spojina ne bo več izomer. Če obstaja vsaj najmanjši namig, da se lahko uporabi izomer, je treba vedno uporabiti spojine, ki vsebujejo dvojne vezi ogljik-ogljik, ki kažejo pravilne kote (120°) okoli ogljikovih atomov na koncih vezi. Z drugimi besedami, uporabiti morate obliko, prikazano na sliki.

Spojine, ki vsebujejo dvojno vez ogljik-ogljik, imajo omejeno rotacijo. Za pridobitev izomerov morajo biti izpolnjeni naslednji pogoji:

• omejena rotacija, ki običajno vključuje dvojno vez ogljik-ogljik;
• dve različni skupini na levem koncu povezave in dve različni skupini na desnem koncu.

Ni pomembno, ali leve skupine sovpadajo z desnimi ali ne.

Geometrijski izomeri alkenov vključujejo številne spojine, ki so sestavljene iz atomov C in H v ogljikovi verigi. Ta skupina vključuje homologne serije s formulo CnH2n. Najenostavnejši alken je eten, ki ima dva C atoma in formulo C2H4.

Strukturna formula za eten je prikazana na zgornji sliki. V daljših alkenskih verigah so dodatni atomi ogljika pritrjeni drug na drugega samo s kovalentnimi vezmi. Vsak atom ogljika je vezan tudi na dovolj vodikovih atomov, da skupaj tvorijo štiri enojne kovalentne vezi.

V verigah s štirimi ali več atomi C se lahko dvojna vez nahaja na različnih položajih, kar vodi do nastanka strukturnih izomerov. Alkeni poleg strukturnih izomerov tvorijo tudi stereoizomere. Ker je vrtenje okoli večkratne vezi omejeno, ostanejo skupine, pritrjene na atome z dvojno vezjo, vedno v istih relativnih položajih.

Ti "blokirani" položaji omogočajo kemikom, da identificirajo različne izomere iz substituentov, da bi ugotovili, katera snov ima geometrijske izomere. Na primer, en strukturni izomer C5H10 ima naslednje stereoizomere.

Izomer na levi, v katerem sta dva substituenta (metilna in etilna skupina) na isti strani dvojne vezi, se imenuje cis izomer, medtem ko je izomer na desni z dvema nevodikovima substituentoma na nasprotnih straneh trans izomer.

Na primer, klor ima prednost, ker je težji. Z desna stran brom je boljši od ogljika. Tretjič, določita se položaja dveh atomov višjega ranga. Če sta dva atoma v cis položaju, je razporeditev Z (iz nemškega zusammen, kar pomeni "skupaj"). Če so atomi ali skupine v trans položaju, je razporeditev E (iz nemškega entgegen, kar pomeni "nasproti").

Geometrijski izomeri Buten je alken s togo dvojno vezjo. To pomeni, da so na položaju dvojne vezi dejansko štirje izomeri, ne trije. Obstajata še peti in šesti ogljikovodik enake sestave, vendar kljub enaki formuli nista alkena.

Tvorba obroča ciklobutana ali metilciklopropana zavzema prostor dveh vodikovih atomov, kot dvojna vez, zaradi česar imata formule, ki so enake različnim butenom.

Primeri geometrijskih izomerov:

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

In bonusi: ciklobutan in metilciklopropan, oba imata enako empirično formulo kot izomeri butena, vendar nista alkena. Prvo ime je "običajno" ali "trivialno" ime, ime v oklepaju pa je ime IUPAC.

Buten ima veliko uporab, od goriva v avtomobilih do vrečk z živili, ki jih dnevno prenaša na stotine milijonov ljudi po vsem svetu. Kemijska formula za buten je C4H8, kar pomeni, da je sestavljen iz štirih atomov C in osmih atomov H, spojina je alken.

Obstaja več različnih izomerov ali molekularnih struktur, ki jih lahko tvori ta spojina (imena IUPAC v oklepajih):

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

Čeprav imajo vse enako formulo, se njihove strukture razlikujejo. Razmerja med vsakim od teh geometrijskih izomerov so v bistvu konstitucionalna, kar pomeni, da imajo enako molekulsko formulo, vendar različne vezi. Izjema sta cis-beta-butilen in trans-beta-butilen.

Marsikdo ve, da so transmaščobe za človeka škodljive, nenasičene maščobe pa zanj dobre. Edina razlika med tema dvema maščobama je, da ima ena trans vez, druga pa cis vez, vendar pa lahko ta rahla diferenciacija pomembno vpliva na delovanje molekule.

Pri cis-beta-butilenu in trans-beta-butilenu so atomi v istem vrstnem redu, vendar so polaritete različne. Cis izomer je polarni, z obema skupinama CH3 na isti strani. Zaradi tega je res zajeten in zapleten.Trans izomer je nepolaren, zajetne skupine CH3 se izmenjujejo, kar daje več prostora v molekuli. Ta odnos se imenuje cis-trans izomerija. Cis izomeri so polarni, trans izomeri pa ne.

Čeprav je vsak od teh izomerov butena sestavljen iz istih materialov, ima vsak drugačne fizikalne lastnosti. Na primer, vrelišče:

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.

Material za proizvodnjo plastike

Buteni so alkeni s štirimi ogljikovimi atomi, C4H8. Obstaja več različnih strukturnih ali konfiguracijskih izomerov butena, vključno z geometrijskimi in optičnimi izomeri. Vsi štirje buteni imajo podobne fizikalne lastnosti, saj so brezbarvni plini, težki v vodi in dobro topni v etru in alkanih. Razlike v fizikalnih lastnostih pojasnjuje zgradba molekul. Na primer, cis-But-2-en ima višje vrelišče kot trans-But-2-en, ker je močnejši dipol.

Dve alkilni skupini cis izomera delujeta s svojim +I učinkom v isto smer in s tem krepita, medtem ko dve alkilni skupini trans izomera delujeta v nasprotnih smereh in tako druga drugo oslabita. Formule ogljikovodikov, ki imajo geometrijske izomere, so navedene v skladu s standardi IUPAC. But-1-en ima tako nizko tališče, ker se enojna vez CC med drugim in tretjim atomom ogljika prosto vrti in etilna skupina se lahko vrti okoli vrtilne osi v vse smeri.

Zaradi tega je molekulo težko razvrstiti v trdno kristalno strukturo. Preostali trije buteni z dvojno vezjo med 2. in 3. atomom C so zelo togi in jih zlahka uvrstimo v kristalno strukturo. Zato imajo relativno visoke temperature taljenje. Ti argumenti niso vedno veljavni, saj je prikazani primer 2-metil-but-2-en (ali izobuten). Dve metilni skupini s svojimi učinki +I delujeta v isti smeri kot cis-But-2-en in ju je dejansko treba izboljšati. Vendar ima izobuten zelo nizko vrelišče le -7 °C.

But-1-en in But-2-en se uporabljata za proizvodnjo butadiena in butan-2-ola. Poleg tega se alkeni uporabljajo kot alkilirajoča sredstva. Tako se iz izobutena in izobutana pridobiva pomembno gorivo 2,2,4-Trimetil-pentan, bolj znan kot izooktan. Nenazadnje so buteni izhodni materiali za proizvodnjo nekaterih plastičnih mas, ker jih je enostavno polimerizirati. Dobro znana plastika na osnovi But-1-en je polibuten-1, iz katerega so izdelane cevi.

Pentan, n-pentan, izopentan

Pentan ali n-pentan je eden od nasičenih alkanskih ogljikovodikov. Skoraj brez vonja je n-pentan pod pogoji tekoč okolju in je izomer heraketita iz 3 izomerov. Razvejani tekoči izoalkani C5 - C16 se vedno bolj uporabljajo kot gorivo (Otto, Diesel). Poleg tega so ti alkani prisotni v kurilnih oljih in mazalnih oljih. Zagotavljajo popolno zgorevanje. Preden poznate značilnosti takšnih spojin, morate navesti formule ogljikovodikov, ki imajo geometrijske izomere:

1. Fizično stanje- tekočina.
2. Barva - brezbarvna.
3. Vonja skoraj ni.
4. Lahko vnetljivo.
5. Hlapi lahko tvorijo eksplozivne zmesi, če so izpostavljeni zraku.
6. Topnost v vodi je zelo nizka (praktično netopen).
7. Zelo nestabilna povezava.

Najpomembnejši viri pentana so naftna olja, ki se glede na izvor zelo razlikujejo po sestavi. Ločevanje poteka s frakcijsko destilacijo. Tukaj dobite naslednje frakcije:

1. Parafinsko olje (vrelišče > 320 °C).
2. Petrolej (vrelišče 180 do 250 °C).
3. Ogrevanje / dizel (vrelišče 250 do 320 °C).
4. Surovi bencin (vrelišče do približno 180 °C).
5. Nafta vsebuje razvejane ogljikovodike (alkane) od C5 do C10.
6. Zgorevanje pentana s kisikom (stehiometrično).
7. Končna produkta sta ogljikov dioksid in voda. Formule geometrijskih izomerov: C5H12 + 8O2 ⟹ 5CO2 + 6H2O.

		Kalorična vrednost HU	Kalorična vrednost HU [kWh/kg]

Geometrijski izomer penten-2 je univerzalno topilo. Uporablja se za penjenje fenolnih smol in polistirena. Potreben je tudi kot referenčna snov v plinski kromatografiji in kot pogonsko sredstvo v razpršilnih dozah.

Konfiguracijska izomerija vključuje optično in geometrijsko izomerijo.

OPTIČNI IZOMERIZEM

Leta 1815 je J. Biot odkril obstoj optične aktivnosti organskih spojin. Ugotovljeno je bilo, da imajo nekatere organske spojine sposobnost vrtenja ravnine polarizacije polarizirane svetlobe. Snovi, ki imajo to sposobnost, imenujemo optično aktivne.

Če žarek navadne svetlobe, v katerem se, kot je znano, elektromagnetna nihanja širijo v različnih ravninah, pravokotnih na smer njegovega širjenja, spustimo skozi Nicolovo prizmo, bo nastajajoča svetloba ravninsko polarizirana.V takem žarku elektromagnetna nihanja se pojavljajo le v eni ravnini. To ravnino imenujemo ravnina polarizacije (slika 3.2).

Pri prehodu polariziranega žarka svetlobe skozi optično aktivno snov se ravnina polarizacije zasuka za določen kot α v desno ali levo. Če snov odstopa od ravnine polarizacije v desno (če gledamo proti žarku), jo imenujemo desnosučna, če odstopa v levo, je levosučna. Vrtenje v desno je označeno z znakom (+), vrtenje v levo z znakom (-).

riž. 3.2. Shema tvorbe polarizirane svetlobe in rotacije polarizacijske ravnine z optično aktivno snovjo

Optična aktivnost se meri z instrumenti, imenovanimi polarimetri.

Pojav optične aktivnosti je pogost med organskimi snovmi, zlasti med naravnimi (hidroksi in aminokisline, beljakovine, ogljikovi hidrati, alkaloidi).

Optično aktivnost večine organskih spojin določa njihova zgradba.

Eden od razlogov za pojav optične aktivnosti v organskih molekulah je prisotnost v njihovi strukturi sp 3 -hibridiziranega ogljikovega atoma, povezanega s štirimi različnimi substituenti. Tak ogljikov atom imenujemo kiralni ali asimetrični. Pogosto se zanj uporablja bolj splošno ime - kiralni center. V strukturnih formulah je asimetrični ogljikov atom običajno označen z zvezdico – C*:

Spojine, ki vsebujejo en asimetričen atom ogljika, obstajajo v obliki dveh izomerov, ki sta med seboj povezana kot predmet z zrcalno sliko. Takšni izomeri se imenujejo enantiomeri.

riž. 3.3. Modeli enantiomernih bromoklorometanskih molekul

Stereokemične formule lahko uporabimo za prikaz prostorske strukture optičnih izomerov na ravnini. Na primer, enantiomeri 2-butanola, prikazani s stereokemičnimi formulami, so naslednji:

Vendar pa stereokemične formule niso vedno primerne za opisovanje prostorske strukture molekul. Zato so optični izomeri najpogosteje prikazani na ravnini s pomočjo Fischerjevih projekcijskih formul. Na primer, tako izgledajo enantiomeri 2-bromobutana, prikazani s Fischerjevo projekcijo.

Enantiomeri so si med seboj zelo podobni, vendar kljub temu niso identični. Imajo enako sestavo in zaporedje vezave atomov v molekuli, razlikujejo pa se med seboj po relativni legi v prostoru, to je konfiguraciji. Zlahka je videti, da so te molekule različne, ko poskušate njihove modele postaviti enega na drugega.

Lastnost molekul, da se ne združijo s svojo zrcalno sliko, imenujemo kiralnost (iz grščine cheir - roka), molekule pa imenujemo tudi kiralne. Jasen primer sta leva in desna roka, ki sta zrcalni sliki druga druge, a ju hkrati ni mogoče združiti. Molekule, ki so združljive s svojo zrcalno sliko, imenujemo akiralne.

Kiralnost molekul je predpogoj, da snov izkazuje optično aktivnost.

Kako ugotoviti, ali je molekula kiralna? Kiralnost molekule lahko zlahka zaznamo tako, da sestavimo model molekule in model njene zrcalne slike ter ju nato združimo. Če modela nista združljiva, je molekula kiralna; če sta združljiva, je molekula akiralna. Enako lahko sklepamo na podlagi stereokemičnih formul molekul, ki temeljijo na prisotnosti in odsotnosti elementov simetrije, saj je razlog za optično aktivnost organskih spojin njihova asimetrična struktura. Ker je molekula tridimenzionalna tvorba, lahko njeno strukturo obravnavamo z vidika simetrije geometrijske oblike. Glavni elementi simetrije so ravnina, središče in simetrijska os. Če molekula nima simetrijske ravnine, potem je takšna molekula kiralna.

Enantiomeri imajo enake fizikalne in kemijske lastnosti (vrelišče, tališče, topnost, električna prevodnost in druge konstante bodo enake), zasukajo ravnino polarizacije polariziranega žarka za isti kot, obstajajo pa tudi razlike.

Enantiomeri se razlikujejo po predznaku vrtenja, eden vrti ravnino polarizacije polariziranega žarka v levo, drugi v desno; z drugimi kiralnimi spojinami reagirajo z različnimi hitrostmi, razlika pa je tudi v fiziološkem delovanju. na primer zdravilni izdelek Levomicin je antibiotik širokega spektra. Če vzamemo, da je njegova učinkovitost 100, bo desnosučna oblika le 2 % učinkovitosti levosučne oblike.

Če ima molekula en asimetričen atom, potem obstaja v obliki dveh izomerov, če pa ima molekula več asimetričnih ogljikovih atomov, potem se število možnih izomerov poveča. Število optičnih izomerov je določeno s formulo:

kjer je N število izomerov; n je število asimetričnih ogljikovih atomov.

Torej, če sta v molekuli dva asimetrična atoma ogljika, je število izomerov 2 2 = 4, tri – 2 3 = 8, štiri – 2 4 = 16 itd.

Na primer, bromomalična kislina, ki vsebuje dva asimetrična ogljikova atoma, obstaja v obliki štirih stereoizomerov (I–IV).

Stereomeri I in II ter III in IV so med seboj povezani kot predmet in njegova zrcalna slika in so enantiomeri.

Stereoizomeri 1 in III, 1 in IV ter II in HI, H in IV niso zrcalne slike drug drugega, temveč se razlikujejo po konfiguraciji pri enem od asimetričnih ogljikovih atomov. Takšni stereoizomeri se imenujejo diastereomeri. Za razliko od enantiomerov imajo diastereomeri različne fizikalne in kemijske lastnosti.

Za spojine, ki vsebujejo dva kiralna ogljikova atoma, vezana na enake substituente, se skupno število stereoizomerov zmanjša na tri. Na primer, vinska kislina bi morala obstajati v obliki štirih stereoizomerov (2 2 = 4), vendar so znani samo trije. To je posledica pojava elementa, kot je simetrijska ravnina v enem od stereoizomerov.

Stereomera 1 in II sta enantiomera. Stereoizomer III (mezo oblika) je optično neaktiven. Molekula mezovinske kisline je akiralna. Vsak enantiomer vinske kisline je diastereomer glede na mezo obliko.

Nomenklatura optičnih izomerov

V nomenklaturi sta poleg imena spojine navedena tudi konfiguracija in smer vrtenja ravnine polarizirane svetlobe. Slednji je označen z znakom (+) za desnosučni izomer ali (-) znakom za levosučni izomer.

Za označevanje konfiguracije optičnih izomerov obstajajo D, L- in R,S-stereokemični sistemi.

Sistem za označevanje konfiguracije D,L. Vzpostavitev absolutne konfiguracije molekul se je za kemike izkazala za zelo težko nalogo. To je bilo prvič doseženo šele leta 1951 z analizo rentgenske difrakcije. Do takrat so konfiguracijo optičnih izomerov ugotavljali s primerjavo s posebej izbrano standardno snovjo. Ta konfiguracija se imenuje relativna. Leta 1906 je ruski znanstvenik M.A. Rozanov je predlagal gliceraldehid kot standard za določitev relativne konfiguracije,

Za desnosučni izomer smo izbrali Fischerjevo formulo, v kateri je hidroksilna skupina pri kiralnem ogljikovem atomu na desni, za levosučni izomer pa na levi. Konfiguracija desnosučnega izomera je označena s črko D, levosučnega izomera pa z L.

Z uporabo gliceraldehida kot primerjalnega standarda je bil razvit D,L-sistem za stereokemično razvrščanje kiralnih spojin, tj. razvrstitev spojin v D- oziroma L-stereokemično serijo.

Sistem D,L se uporablja predvsem v nizu polihidričnih alkoholov, hidroksi-, aminokislin in ogljikovih hidratov:

Pri spojinah z več asimetričnimi atomi ogljika, kot so α-piroksi kisline, α-aminokisline, vinske kisline, je konfiguracija običajno določena z zgornjim asimetričnim atomom ogljika (po ključu hidroksilne kisline), medtem ko je v molekuli ogljikovih hidratov konfiguracija določa (konvencionalno) spodnji asimetrični ogljikov atom.

Sistem za označevanje konfiguracije R,S. D,L- sistem se je izkazal za praktično nesprejemljivega za spojine, ki so malo podobne gliceraldehidu. Zato so R predlagali Kahn, K. Ingold in V. Prelog R,S- sistem za označevanje absolutne konfiguracije optičnih izomerov. R,S- Sistem temelji na določanju seniornosti substituentov v kiralnem središču.

Seniornost substituentov je določena z atomskimi številkami elementov. Višje kot je atomsko število, starejši je substituent. Na primer, v molekuli bromojodoklorometana se starost substituentov zmanjša v nizu:

Po ugotovitvi starejšega položaja substituentov se modelna molekula usmeri tako, da je substituent z najnižjim atomskim številom usmerjen v nasprotno smer od očesa opazovalca. Če se seniornost treh preostalih substituentov zmanjša v smeri urinega kazalca, ima molekula konfiguracijo, označeno s črko R (lat., rectus - desno), če pa seniornost substituentov zmanjša v nasprotni smeri urinega kazalca, je konfiguracija označena s črko S ( lat. sinister – levo). Na primer, za molekulo bromojodoklorometana:

Slika 3.4. Določanje konfiguracije z uporabo sistema R,S za molekulo bromojodoklorometana

Oglejmo si določitev starejšega položaja substituentov in konfiguracije za kompleksnejše molekule na primeru mlečne kisline (slika 3.4). Že iz prve plasti (8 O, b C, 1 H, 6 C) postane jasno, da je višji substituent OH skupina, mlajši substituent pa je vodik. Za določitev starejšega položaja drugih dveh substituentov CH^ in COOH z enakim atomskim številom (6 C) v prvi plasti je treba upoštevati drugo plast. Vsota atomskih števil druge plasti skupine CH 3 = 1 + 1 + 1 = 3 in skupine COOH = 8 + 8*2 = 24. To pomeni skupino COOH starejša skupina–CH 3 Starost substituentov okoli asimetričnega atoma ogljika v molekuli mlečne kisline pada v vrstnem redu: OH > COOH > CH 3 > H

riž. 3.5. Določanje konfiguracije z uporabo sistema R,S za mlečno kislino

Racemati. Mešanica enakih količin enantiomerov je optično neaktivna in jo imenujemo racemna zmes (racemat). Racemati se od posameznih enantiomerov razlikujejo po fizikalnih lastnostih, lahko imajo različna tališča in topnost; razlikujejo po spektralnih značilnostih.

V praksi se pogosto srečujemo ne s posameznimi enantiomeri, temveč z racemati, ki nastanejo kot posledica kemičnih reakcij, ki se pojavijo pri tvorbi kiralnih molekul.

Za ločevanje racematov na enantiomere se uporabljajo tri metode:

1. Mehanska metoda. Zaradi kristalizacije nekaterih optično aktivnih spojin lahko nastaneta dve obliki kristalov, ki sta si podobni kot predmet in njegova zrcalna slika. Ločimo jih lahko pod mikroskopom s preparativno iglo (mehansko).

2. Biokemična metoda temelji na dejstvu, da nekatere vrste mikroorganizmov raje izberejo eno od enantiomernih oblik in jo pojedo, druga ostane in jo je mogoče enostavno izolirati.

3. Kemična metoda, ki temelji kemična metoda vključuje pretvorbo enantiomerov z uporabo optično aktivnih reagentov v di-stereomere, ki se med seboj razlikujejo že po fizikalnih lastnostih. Diastereomere je veliko lažje ločiti.

Na primer, racemno zmes dveh kislin (A + B) je treba ločiti.Za to zmesi dodamo optično aktivno bazo (C). Med racemno obliko in optično aktivno bazo pride do reakcije

AC in BC sta diastereomera. Imajo različno topnost in z zaporedno kristalizacijo lahko ločeno izoliramo dva diastereomera.

Ker pa AC in BC tvorita šibke organske kisline in baze, se za njuno razgradnjo uporabljajo mineralne kisline.

Na ta način dobimo čista enantiomera A in B.

GEOMETRIJSKI IZOMERIZEM

Vzrok za pojav geometrijske izomerije je odsotnost prostega vrtenja okoli σ vezi. Ta vrsta izomerije je značilna za spojine z dvojno vezjo in za aliciklične spojine.

Geometrijski izomeri so snovi, ki imajo enako molekulsko formulo, enako zaporedje vezave atomov v molekulah, vendar se med seboj razlikujejo po različni razporeditvi atomov ali atomskih skupin v prostoru glede na ravnino dvojne vezi ali ravnino obroča.

Razlog za nastanek te vrste izomerije je nezmožnost prostega vrtenja okoli dvojne vezi ali σ-vezi, ki tvorijo cikel.

Na primer, buten-2 ​​CH 3 –CH=CH–CH 3 lahko obstaja v obliki 2 izomerov, ki se razlikujejo po lokaciji metilnih skupin v prostoru glede na ravnino dvojne vezi.

ali 1,2-dimetilciklopropan obstaja v obliki dveh izomerov, ki se razlikujeta po razporeditvi metilnih skupin v prostoru glede na ravnino obroča:

Za označevanje konfiguracije geometrijskih izomerov se uporablja cis-, trans-sistem. Če se identični substituenti nahajajo na isti strani ravnine dvojne vezi ali obroča, je konfiguracija označena kot cis-. če na nasprotnih straneh - trans-.

Za spojine, ki imajo različne substituente pri ogljikovih atomih z dvojno vezjo, se uporablja sistem zapisovanja Z,E.

Sistem Z,E je bolj splošen. Uporablja se za geometrijske izomere s katerim koli naborom substituentov. Ta sistem temelji na seniornosti substituentov, ki je določena za vsak ogljikov atom posebej. Če se višji substituenti iz vsakega para nahajajo na eni strani dvojne vezi, je konfiguracija označena s črko Z (iz nemškega zusammen - skupaj), če na nasprotnih straneh - s črko £ (iz nemškega entgegen - nasprotno).

Za 1-bromo-1-kloropropen sta torej možna dva izomera:

Starejši substituent na enem ogljikovem atomu je metilna skupina (substituenta 1 H in 6 CH 3). drugi pa ima atom broma (substituenta 17 Cl in 35 Br). V izomeru 1 so višji substituenti nameščeni na eni strani ravnine dvojne vezi; dodeljena mu je Z-konfiguracija, izomeru II pa je dodeljena E-konfiguracija (starejši substituenti se nahajajo na nasprotnih straneh ravnine dvojne vezi).

Geometrijski izomeri imajo različne fizikalne lastnosti (tališče in vrelišče, topnost itd.), spektralne značilnosti in kemijske lastnosti. Zaradi te razlike v lastnostih je njihovo konfiguracijo precej enostavno določiti s fizikalnimi in kemičnimi metodami.

Pomembna posledica togosti dvojne vezi (odsotnosti rotacije okoli nje) je obstoj geometrijski izomeri. Najpogostejši med njimi so cis-, trans-izomeri spojine etilenske vrste, ki vsebujejo neenake substituente na nenasičenih atomih. Najenostavnejši primer so 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 imajo enako kemijsko zgradbo, razlikujejo se po prostorski razporeditvi atomov, tj. Avtor: konfiguracije . Ta razlika ustvarja razliko v fizikalnih (pa tudi kemičnih) lastnostih. Geometrične izomere, za razliko od konformerjev, lahko izoliramo v čisti obliki in obstajajo kot posamezne stabilne snovi. Za njihovo medsebojno transformacijo je potrebna energija reda 125-170 kJ/mol, ki jo lahko zagotovimo s segrevanjem ali obsevanjem.

V najpreprostejših primerih nomenklatura geometrijskih izomerov ne predstavlja težav: cis- oblike so geometrijski izomeri, v katerih enaki substituenti ležijo na isti strani ravnine vezi pi, trans- izomeri imajo enake substituente na različnih straneh ravnine vezi pi. V bolj zapletenih primerih se uporablja Z,E-nomenklatura . Njegovo glavno načelo: navesti konfiguracijo cis-(Z, iz nem. Zusammen – skupaj) oz trans-(E, iz nemškega Entgegen - nasproti) lokacija višji namestniki z dvojno vezjo.

V sistemu Z,E se substituenti z višjim atomskim številom štejejo za višje. Če so atomi, neposredno povezani z nenasičenimi ogljiki, enaki, potem preidejo na "drugo plast", če je potrebno - na "tretjo plast" itd.

Oglejmo si uporabo pravil Z,E-nomenklature na dveh primerih.

jaz

II

Začnimo s formulo I, kjer vse rešujejo atomi “prve plasti”. Ko uredimo njihova atomska števila, ugotovimo, da so višji substituenti vsakega para (brom v zgornjem delu formule in dušik v spodnjem delu) v trans-položaj, od tod stereokemična oznaka E:

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

Za določitev stereokemične oznake strukture II je treba iskati razlike v »višjih plasteh«. V prvi plasti se skupine CH 3, C 2 H 5, C 3 H 7 ne razlikujejo. V drugi plasti ima skupina CH 3 vsoto atomskih števil tri (tri vodikove atome), medtem ko imata skupini C 2 H 5 in C 3 H 7 po 8. To pomeni, da skupina CH 3 ni upoštevana - je mlajši od ostalih dveh. Tako sta višji skupini C 2 H 5 in C 3 H 7, ki sta v cis- položaj; stereokemična oznaka Z.

Z-3-metilhepten-3

Če bi bilo treba ugotoviti, katera skupina je starejša - C 2 H 5 ali C 3 H 7, bi morali iti do atomov "tretje plasti"; vsota atomskih števil v tej plasti za obe skupini bi bila enaka na 3 oziroma 8, tj. C3H7 je starejši od C2H5. V zahtevnejših primerih določanja prednosti je treba upoštevati dodatne pogoje, kot so: atom, povezan z dvojno vezjo, se šteje dvakrat, povezan s trojno vezjo - trikrat; Od izotopov je težji starejši (devterij je starejši od vodika) in nekateri drugi.

Upoštevajte, da zapis Z ne so sinonimi cis- oznake, tako kot oznake E, ne ustrezajo vedno lokaciji trans-, Na primer: