пространствен

въглероден скелет

Конфигурация

конформационен

Положението на функционала

Оптичен

Междукласни

Геометричен

1. Структурна изомерия

Структурните изомери се различават по химична структура, т.е. природата и последователността на връзките между атомите в молекулата. Структурните изомери се изолират в чист вид. Те съществуват като индивидуални, стабилни вещества, взаимното им превръщане изисква висока енергия - около 350 - 400 kJ / mol. Само структурните изомери, тавтомерите, са в динамично равновесие. Тавтомерията е често срещано явление в органичната химия. Възможно е с прехвърляне на подвижен водороден атом в молекула (карбонилни съединения, амини, хетероцикли и др.), вътрешномолекулни взаимодействия (въглехидрати).

Всички структурни изомери са представени под формата на структурни формули и са наименувани съгласно номенклатурата на IUPAC. Например, съставът на C 4 H 8 O съответства на структурни изомери:

а)с различен въглероден скелет

неразклонена С-верига - CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH \u003d O (бутанал, алдехид) и

разклонена C-верига -

(2-метилпропанал, алдехид) или

цикъл - (циклобутанол, цикличен алкохол);

б)с различна позиция на функционалната група

бутанон-2, кетон;

V)с различен състав на функционалната група

3-бутенол-2, ненаситен алкохол;

G)метамеризъм

Хетероатомът на функционалната група може да бъде включен във въглеродния скелет (цикъл или верига). Един от възможните изомери на този тип изомерия е CH 3 -O-CH 2 -CH \u003d CH 2 (3-метоксипропен-1, прост етер);

д)тавтомерия (кето-енол)

енолна форма кето форма

Тавтомерите са в динамично равновесие, докато по-стабилната форма, кетоформата, преобладава в сместа.

За ароматните съединения структурната изомерия се разглежда само за страничната верига.

2. Пространствена изомерия (стереоизомерия)

Пространствените изомери имат една и съща химическа структура, различават се в пространственото разположение на атомите в молекулата. Тази разлика създава разлика във физичните и химичните свойства. Пространствените изомери се изобразяват като различни проекции или стереохимични формули. Разделът от химията, който изучава пространствената структура и нейното влияние върху физичните и химичните свойства на съединенията, върху посоката и скоростта на техните реакции, се нарича стереохимия.

а)Конформационна (ротационна) изомерия

Без да се променят нито ъглите на връзката, нито дължините на връзката, човек може да си представи множество геометрични форми (конформации) на молекула, които се различават една от друга чрез взаимното въртене на въглеродните тетраедри около σ-C-C връзката, която ги свързва. В резултат на такова въртене възникват ротационни изомери (конформери). Енергията на различните конформери не е еднаква, но енергийната бариера, разделяща различните конформационни изомери, е малка за повечето органични съединения. Следователно, при нормални условия, като правило, е невъзможно да се фиксират молекули в една строго определена конформация. Обикновено няколко конформационни изомера съжителстват в равновесие.

Методите за изображения и номенклатурата на изомерите могат да бъдат разгледани на примера на молекулата на етана. За него може да се предвиди съществуването на две конформации, които се различават възможно най-много по енергия, които могат да бъдат представени като перспективни проекции(1) ("кончета") или издатини Нов мъж(2):

затруднена конформация засенчена конформация

В перспективна проекция (1) връзката C-C трябва да си представим като преминаваща в далечината; въглеродният атом, стоящ отляво, е близо до наблюдателя, стоящият отдясно е отстранен от него.

В проекцията на Нюман (2) молекулата се разглежда по дължината на C-C връзката. Три линии, отклоняващи се под ъгъл 120 o от центъра на кръга, показват връзките на въглеродния атом, който е най-близо до наблюдателя; линиите, "стърчащи" зад кръга, са връзките на отдалечения въглероден атом.

Показаната вдясно конформация се нарича затъмнен . Това име напомня за факта, че водородните атоми на двете СН3 групи са един срещу друг. Екранираната конформация има повишена вътрешна енергия и следователно е неблагоприятна. Показаната вляво конформация се нарича инхибиран , което означава, че свободното въртене около C-C връзката се "забавя" в тази позиция, т.е. молекулата съществува предимно в тази конформация.

Минималната енергия, необходима за пълно завъртане на молекула около определена връзка, се нарича ротационна бариера за тази връзка. Ротационната бариера в молекула като етан може да се изрази чрез промяната в потенциалната енергия на молекулата като функция от промяната в двустенния (торсионен - ​​τ) ъгъл на системата. Енергийният профил на въртене около C-C връзката в етан е показан на фигура 1. Ротационната бариера, разделяща двете форми на етан, е около 3 kcal/mol (12,6 kJ/mol). Минимумите на кривата на потенциалната енергия съответстват на затруднени конформации, максимумите съответстват на затъмнени. Тъй като при стайна температура енергията на някои сблъсъци на молекули може да достигне 20 kcal / mol (около 80 kJ / mol), тази бариера от 12,6 kJ / mol лесно се преодолява и въртенето в етан се счита за свободно. В смес от всички възможни конформации преобладават затруднените конформации.

Фиг. 1. Диаграма на потенциалната енергия на конформациите на етана.

За по-сложни молекули броят на възможните конформации се увеличава. Да, за н-бутанът вече може да бъде изобразен в шест конформации, които възникват при завъртане около централната връзка C 2 - C 3 и се различават по взаимното разположение на CH 3 групите. Различните затъмнени и затруднени конформации на бутана се различават по енергия. Възпрепятстваните конформации са енергийно по-благоприятни.

Енергийният профил на въртене около C 2 -C 3 връзката в бутан е показан на фигура 2.

Фиг.2. Диаграма на потенциалната енергия на конформациите на n-бутан.

За молекула с дълга въглеродна верига броят на конформационните форми се увеличава.

Молекулите на алицикличните съединения се характеризират с различни конформационни форми на пръстена (например за циклохексан фотьойл, баня, усукване-форми).

И така, конформациите са различни пространствени форми на молекула, която има определена конфигурация. Конформерите са стереоизомерни структури, които съответстват на енергийните минимуми на диаграмата на потенциалната енергия, намират се в подвижно равновесие и са способни на взаимно преобразуване чрез въртене около прости σ-връзки.

Ако бариерата на такива трансформации стане достатъчно висока, тогава стереоизомерните форми могат да бъдат разделени (пример са оптично активните бифенили). В такива случаи вече не се говори за конформери, а за реално съществуващи стереоизомери.

б)геометрична изомерия

Геометричните изомери възникват в резултат на отсъствието в молекулата:

1. въртене на въглеродните атоми един спрямо друг - следствие от твърдостта на двойната връзка С=С или циклична структура;

2. две еднакви групи при един въглероден атом на двойна връзка или цикъл.

Геометричните изомери, за разлика от конформерите, могат да бъдат изолирани в чиста форма и да съществуват като отделни, стабилни вещества. За взаимното им преобразуване е необходима по-висока енергия - около 125-170 kJ / mol (30-40 kcal / mol).

Има цис-транс-(Z,E) изомери; цис- формите са геометрични изомери, в които едни и същи заместители лежат от едната страна на равнината на π-връзката или цикъла, транс- форми се наричат ​​геометрични изомери, в които едни и същи заместители лежат от противоположните страни на равнината на π-връзката или пръстена.

Най-простият пример са изомерите на бутен-2, който съществува под формата на цис-, транс-геометрични изомери:

цис-бутен-2 ​​транс-бутен-2

температура на топене

138.9 0 С - 105.6 0 С

температура на кипене

3.72 0 С 1.00 0 С

плътност

1,2 - дихлорциклопропан съществува под формата на цис-, транс-изомери:

цис-1,2-дихлороциклопропан транс-1,2-дихлороциклопропан

При по-сложни случаи приложете З,Е-номенклатура (номенклатурата на Кан, Инголд, Прелог - KIP, номенклатурата на старшинството на заместниците). Във връзка

1-бромо-2-метил-1-хлоробутен-1 (Br) (CI) C \u003d C (CH 3) - CH 2 -CH 3 всички заместители при въглеродни атоми с двойна връзка са различни; следователно това съединение съществува под формата на Z-, E- геометрични изомери:

Е-1-бромо-2-метил-1-хлорбутен-1 Z-1-бромо-2-метил-1-хлорбутен-1.

За да посочите конфигурацията на изомер, посочете местоположението на старшите заместители в двойна връзка (или цикъл) - Z- (от нем. Zusammen - заедно) или Е- (от нем. Entgegen - противоположно).

В Z,E-системата заместителите с по-висок атомен номер се считат за старши. Ако атомите, директно свързани с ненаситени въглеродни атоми, са еднакви, тогава те отиват във "втория слой", ако е необходимо, в "третия слой" и т.н.

В първата проекция по-старите групи са една срещу друга по отношение на двойната връзка, така че това е Е изомерът. Във втората проекция по-старите групи са от една и съща страна на двойната връзка (заедно), така че това е Z-изомерът.

Геометричните изомери са широко разпространени в природата. Например естествени полимери каучук (цис-изомер) и гутаперча (транс-изомер), естествена фумарова (транс-бутендиова киселина) и синтетична малеинова (цис-бутендиова киселина) киселини, мазнините съдържат цис-олеинова, линолова, линоленова киселина .

V)Оптична изомерия

Молекулите на органичните съединения могат да бъдат хирални и ахирални. Хиралност (от гръцки cheir - ръка) - несъвместимост на молекула с нейния огледален образ.

Хиралните вещества са способни да въртят равнината на поляризация на светлината. Това явление се нарича оптична активност, а съответните вещества - оптически активен. Оптично активните вещества се срещат по двойки оптични антиподи- изомери, чиито физични и химични свойства са еднакви при нормални условия, с изключение на един - знакът на въртене на поляризационната равнина: един от оптичните антиподи отклонява поляризационната равнина надясно (+, дясновъртящ се изомер) , другият - наляво (-, левовъртящ). Конфигурацията на оптичните антиподи може да се определи експериментално с помощта на устройство - поляриметър.

Оптичната изомерия се появява, когато молекулата съдържа асиметричен въглероден атом(има и други причини за хиралността на молекулата). Това е името на въглеродния атом в sp 3 - хибридизация и свързан с четири различни заместителя. Възможни са две тетраедрични подредби на заместители около асиметричен атом. В същото време две пространствени форми не могат да бъдат комбинирани чрез ротация; единият от тях е огледален образ на другия:

И двете огледални форми образуват двойка оптични антиподи или енантиомери .

Изобразете оптичните изомери под формата на проекционни формули на Е. Фишер. Те се получават чрез проектиране на молекула с асиметричен въглероден атом. В този случай самият асиметричен въглероден атом в равнината е обозначен с точка, символите на заместителите, изпъкнали пред равнината на фигурата, са посочени на хоризонталната линия. Вертикалната линия (пунктирана или плътна) показва заместителите, които са отстранени от равнината на фигурата. Следните са различни начини за запис на формулата за проекция, съответстваща на левия модел на предишната фигура:

В проекция основната въглеродна верига е изобразена вертикално; основната функция, ако е в края на веригата, се посочва в горната част на проекцията. Например стереохимичните и проекционни формули (+) и (-) на аланин - CH 3 - * CH (NH 2) -COOH са както следва:

Смес с еднакво съдържание на енантиомери се нарича рацемат. Рацематът няма оптична активност и се характеризира с физични свойства, различни от енантиомерите.

Правила за трансформиране на проекционни формули.

1. Формулите могат да се завъртат в равнината на чертежа на 180o, без да се променя стереохимичният им смисъл:

2. Две (или всеки четен брой) пермутации на заместители на един асиметричен атом не променят стереохимичния смисъл на формулата:

3. Една (или който и да е нечетен брой) пермутация на заместителите в асиметричния център води до формулата на оптичния антипод:

4. Завъртането в равнината на чертежа на 90 превръща формулата в антипод.

5. Въртенето на всеки три заместителя по или обратно на часовниковата стрелка не променя стереохимичния смисъл на формулата:

6. Проекционните формули не могат да бъдат изведени от равнината на чертежа.

Органичните съединения имат оптична активност, в молекулите на които други атоми също са хирални центрове, например силиций, фосфор, азот и сяра.

Съединения с множество асиметрични въглероди съществуват като диастереомери , т.е. пространствени изомери, които не представляват оптични антиподи помежду си.

Диастереомерите се различават един от друг не само по оптично въртене, но и по всички други физични константи: имат различни точки на топене и кипене, различна разтворимост и т.н.

Броят на пространствените изомери се определя от формулата на Фишер N=2 n , където n е броят на асиметричните въглеродни атоми. Броят на стереоизомерите може да намалее поради частична симетрия, появяваща се в някои структури. Оптично неактивните диастереомери се наричат мезо-форми.

Номенклатура на оптичните изомери:

а) D-, L- номенклатура

За да се определи D- или L-серията на изомер, конфигурацията (позицията на ОН групата при асиметричния въглероден атом) се сравнява с конфигурациите на енантиомери на глицералдехид (глицеролов ключ):

L-глицералдехид D-глицералдехид

Използването на D-, L-номенклатурата понастоящем е ограничено до три класа оптически активни вещества: въглехидрати, аминокиселини и хидрокси киселини.

б) R -, S-номенклатура (номенклатура на Кан, Инголд и Прелог)

За да се определи R (дясно) - или S (ляво) - конфигурация на оптичния изомер, е необходимо да се подредят заместителите в тетраедъра (стереохимична формула) около асиметричния въглероден атом, така че най-ниският заместител (обикновено водород) да има посока "от наблюдателя". Ако преходът на другите три заместителя от старши към среден и младши по старшинство става по посока на часовниковата стрелка, това е R-изомерът (спадането на старшинството съвпада с движението на ръката при писане на горната част на буквата R). Ако преходът се случи обратно на часовниковата стрелка - това е S - изомер (спадането на старшинството съвпада с движението на ръката при писане на горната част на буквата S).

За да се определи R- или S-конфигурацията на оптичния изомер чрез проекционната формула, е необходимо да се подредят заместителите чрез четен брой пермутации, така че най-младият от тях да е в долната част на проекцията. Намаляването на старшинството на останалите три заместителя по посока на часовниковата стрелка съответства на R-конфигурацията, обратно на часовниковата стрелка - на S-конфигурацията.

Оптичните изомери се получават по следните методи:

а) изолиране от естествени материали, съдържащи оптически активни съединения, като протеини и аминокиселини, въглехидрати, много хидрокси киселини (винена, ябълчена, бадемова), терпенови въглеводороди, терпенови алкохоли и кетони, стероиди, алкалоиди и др.

б) разцепване на рацемати;

в) асиметричен синтез;

г) биохимично производство на оптически активни вещества.

ЗНАЕШ ЛИ ТОВА

Феноменът на изомерията (от гръцки - азsos - различни и meros - дял, част) е открит през 1823 г. J. Liebig и F. Wöhler на примера на соли на две неорганични киселини: цианова H-O-C≡N и фулминантна H-O-N= C.

През 1830 г. J. Dumas разшири концепцията за изомерията до органичните съединения.

През 1831г терминът "изомер" за органични съединения е предложен от J. Berzelius.

Стереоизомерите на природните съединения се характеризират с различна биологична активност (аминокиселини, въглехидрати, алкалоиди, хормони, феромони, лечебни вещества от естествен произход и др.).

Стереохимия на алкени. Методи за синтез.

Лекция 8

Поради твърдостта на двойната връзка (липса на въртене), заместените алкени могат да съществуват като геометрични изомери. Геометричните изомери имат една и съща химическа структура (един и същи ред на химичните връзки), но различна пространствена структура, т.е. те се различават по конфигурация. Това е причината за разликата във физичните и химичните свойства на геометричните изомери. За разлика от конформерите, геометричните изомери при нормални условия са стабилни вещества, взаимното им превръщане изисква значителна енергия (125–170 kJ/mol). Най-простият пример са 1,2-дизаместени цис-, транс-изомери от етиленовата серия.

Думите цис- и транс- означават на латински „от тази страна“ и „от другата страна“. Както знаете, още римските цезари са правили разлика между цизалпийска и трансалпийска Галия. Освен това трансалпията се намира отвъд Алпите, от другата страна на Римската империя. В горните примери, очевидно, транс-изомерите са тези, в които едни и същи заместители са разположени от противоположните страни на равнината на двойната връзка.

Ситуацията с номенклатурата става по-сложна, ако алкенът съдържа повече от два заместителя при двойната връзка. В тези случаи цис-, транс-номенклатурата е неприложима и трябва да се използва по-общата (Z, E)-номенклатура. В системата Z,E старшинството се определя от атомния номер на заместителя, директно свързан с двойната връзка. Ако старшите заместители са разположени от едната страна на равнината на множествената връзка, тогава изомерът се причислява към Z-серията (от немски zusammen - заедно), ако са различни, тогава към Е-серията (от немски entgegen - срещуположно ). Ако атомите, директно свързани с ненаситените въглеродни атоми, са еднакви, тогава те преминават към разглеждане на атомите на „втория слой“, ако е необходимо, на „третия“ и т.н.

При определяне на приоритета на заместниците се използват същите принципи, както в CIP номенклатурата (вижте (R,S)-номенклатурата).

Някои по-сложни примери, когато има няколко множествени връзки в съединението, както и номенклатурата на спрегнати диени, заместени алени и подобни класове органични съединения, са дадени по-долу.

В 1,3-диените делокализацията на електрони в π-системи увеличава реда на централната връзка в сравнение с изолирана единична връзка. И въпреки че централната връзка не става двойна, тя придобива определена степен на твърдост, което води до увеличаване на популацията на една от двете възможни конформации, в сравнение с това, което се очаква при свободно въртене около C 2 -C 3 връзката. В този случай се използват стереохимичните обозначения s-cis- и s-trans. Очевидно s-транс конформацията трябва да бъде по-изгодна от s-cis.

Конюгирани диенови конформери

Спомнете си, че изомерите са съединения, които имат една и съща молекулна формула, но различно подреждане на атомите.

Сред различните видове изомери могат да се разграничат два основни. Структурните изомери, както вече посочихме по-горе, имат една и съща молекулна формула, но техните атоми са свързани един с друг в различна последователност. Стереоизомерите също имат същата молекулна формула и дори една и съща атомна свързваща последователност, но се различават по различното пространствено разположение на техните атоми. Стереоизомерите от своя страна се разделят на две категории: геометрични и оптични изомери.

Преди да пристъпим към разглеждане на стереоизомерията на всеки тип, трябва да се отбележи, че изомерите, както структурни, така и стерео, са съединения, които могат да бъдат разделени едно от друго и които имат различни физични и/или химични свойства.

Стереоизомерията се среща не само в органичните, но и в неорганичните съединения. Например едно съединение проявява геометричен изомеризъм, докато октаедричен комплексен йон проявява оптичен изомеризъм.

геометрична изомерия

Геометричните изомери, както показва името им, се различават по геометричното разположение на своите атоми. Пример е 1,2-дибромоетен-дибромоетилен). Има молекулна формула и структурна формула Молекула със структурна формула може да има две различни геометрични подредби на атоми. Съединения с такова разположение на атомите се наричат ​​цис- и транс-изомери. Тези изомери се различават значително по физични свойства. Например, те имат ясно различни точки на топене и

Думата "цис" означава "от същата страна", а "транс" означава "от другата страна". Този тип изомерия понякога се нарича цис-транс изомерия. Двойната връзка в една молекула държи атомите в една от тези две позиции. Въртенето около двойната връзка е невъзможно. Нека сравним 1,2-дибромоетилен с 1,2-дибромоетан. В последното съединение е възможно свободно въртене около проста връзка въглерод-въглерод, така че молекулите, показани по-долу, не са изомери:

Тези две подредби са еквивалентни на разместените и затъмнени конформации, обсъдени по-горе. Една молекула може да бъде в шахматна конформация в един момент от времето и в затъмнена конформация в следващия момент от времето. Следователно е невъзможно да се изолират молекули в която и да е конформация. Тъй като пространственото разположение на атомите не е фиксирано по никакъв начин и тъй като е невъзможно да се изолират молекули с еднаква конформация, е невъзможно да се разглеждат различни конформации като изомери.

В заключение трябва да се отбележи, че съединение с молекулна формула може да съществува като един от двата структурни изомера. Един от тях има структурна формула, която, както е показано по-горе, може на свой ред да съответства на два геометрични изомера. Друг структурен изомер има структурната формула Тази структура няма геометрични изомери. Формулите са само два различни начина за записване на една и съща структура. Те съответстват на една и съща връзка.

Добър пример за илюстриране на разликата в химичните свойства между геометричните изомери са геометричните изомери на бутендиовата киселина (фиг. 17.26). Неговият изомер, който има тривиалното име "малеинова киселина", се характеризира с точка на топене 139-140 ° C. При нагряване до 160 ° C или до 100 ° C при понижено налягане малеиновата киселина губи вода и се превръща с нисък добив в малеинов анхидрид (фиг. 17.26, а). транс-изомерът на бутендиовата киселина, който има тривиалното име "фумарова киселина", се характеризира с точка на топене 287 ° C. При нагряване до 290 ° C фумаровата киселина се сублимира. При по-нататъшно нагряване до температура от 300 ° C, той се пренарежда, за да образува -изомер (малеинова киселина) и малко количество малеинов анхидрид (фиг. 17.26, b). Механизмът на тази реакция включва разкъсване на α-връзката между два въглеродни атома. Това е последвано от въртене около -връзката (фиг. 17.26, c), докато се образува нова -връзка.

Ориз. 17.26. Геометрична изомерия.

Оптична изомерия

Ако в едно органично съединение четири различни атома или групи са прикрепени към всеки въглероден атом, такъв атом се нарича асиметричен или хирален. Молекула, съдържаща един или повече асиметрични въглеродни атоми, обикновено, макар и не винаги, също е асиметрична (хирална). Пример за съединение с един асиметричен въглероден атом е 2-хидроксипропанова (млечна) киселина. Неговият централен въглероден атом е асиметричен, защото четири различни атома или групи са свързани с него. Такава молекула не може да се комбинира с нейния огледален образ чрез никакви завъртания в пространството (фиг. 17.27). Следователно две молекули, които са огледални изображения една на друга, са изомери. Те се наричат ​​енантиомери.

Енантиомерите могат да съществуват изолирано един от друг или като смес. Смес, съдържаща еквимоларно количество (равен брой молове) от всеки от двата енантиомера, се нарича рацемична смес. Разделяне на рацемичната смес на две

Ориз. 17.27. 2-хидроксипропанова (млечна) киселина.

чист енантиомер се нарича разцепване. Кристалите на двата енантиомера са огледални образи един на друг.

Енантиомерите се различават само по оптична активност, всички други физични и химични свойства са еднакви.

Хиралност

Ако погледнете лявата си ръка в огледалото, тя изглежда точно така. като дясна ръка. Така лявата и дясната ръка на човек са огледални изображения една на друга. Сега си представете мислено, че сте разменили лявата и дясната ръка. В същото време, колкото и да се опитвате да ги обърнете - нагоре с длан или надолу - лявата ръка никога няма да бъде идентична с дясната и, обратно, дясната - с лявата. Така, въпреки че дясната ръка е огледален образ на лявата ръка, едната от тях не може да се комбинира с другата. Това е свойството, наречено хиралност. Тази концепция се разпростира върху всички еквивалентни, но обекти с лява и дясна ръка, като например крака. Думата "хиралност" идва от гръцката дума за ръка.

Хиралността се дължи на липсата на симетрия, т.е. асиметрия. Всяка двойка обекти, които са огледални образи един на друг, но не могат да бъдат подравнени чрез ротация, е двойка асиметрични обекти.

Какво е оптична активност? Лъчът от обикновена светлина е поток от електромагнитни вълни, чиито трептения възникват във всички посоки под прав ъгъл спрямо посоката на разпространение на светлинния лъч. На фиг. 17.28,а схематично е изобразен светлинен лъч, в който възникват трептения в четири различни посоки, т.е. в четири различни равнини. Дясната страна на фигурата също показва напречното сечение на тези равнини. Светлината, която осцилира само в една равнина, се нарича равнинно поляризирана. Такава светлина е показана схематично на фиг. 17.28, б.

Съединение, способно да върти равнинно поляризирана светлина, преминаваща през него по такъв начин, че след това светлината да осцилира в друга равнина, се нарича оптично активно. За да бъде едно съединение оптично активно, то трябва да е съставено от асиметрични молекули (или йони). всичко

Ориз. 17.28. Неполяризирана (а) и плоско поляризирана (б) светлина.

съединения, съдържащи един асиметричен въглероден атом, проявяват оптична активност.

Всички енантиомери имат това свойство. Поради това понякога те се наричат ​​също оптични изомери. Ако единият енантиомер върти равнината на поляризация на светлината по часовниковата стрелка, тогава другият енантиомер задължително я върти обратно на часовниковата стрелка. Веществата, които въртят равнината на поляризация на светлината по часовниковата стрелка, се наричат ​​дясновъртящи (фиг. 17.29). Дясновъртящият енантиомер се обозначава със символа Веществата, които въртят равнинно поляризирана светлина обратно на часовниковата стрелка, се наричат ​​лявовъртящи. Левият енантиомер се обозначава със символа

Оптичната изомерия е от голямо значение в биохимията. Например, всички аминокиселини, от които се синтезират протеини, имат оптична активност, с изключение на най-простата аминокиселина от първия член на аминокиселинната серия, която не съдържа асиметричен въглероден атом. На фиг. Показани са 17.30 аминокиселини, чието систематично наименование (според номенклатурата на IUPAC) е 2-аминопропанова киселина, а тривиалното наименование е аланин. Само тази аминокиселина се среща в природата (показана е вляво на фигурата). Ако заменим групата в аланин с произволна група R, тогава е лесно да се види, че всички други естествено срещащи се аминокиселини имат същата конфигурация като y. Въпреки това, знакът на въртене може да бъде или в зависимост от специфичната природа на R група.Много въглехидрати имат и оптична активност. Да вземем за пример глюкозата.

Ориз. 17.29. оптично въртене.

Ориз. 17.30 часа. 2-аминопропанова киселина (аланин).

Вече отбелязахме, че двойка енантиомери винаги има едни и същи химични и физични свойства, с изключение на оптичната активност. Въпреки това, химическата активност на всяко съединение от двойка енантиомери може да бъде напълно различна при реакции с други оптически активни съединения. Такава стереоспецифичност характеризира много биохимични реакции. Това важи особено за ензимите.

Поляриметър

Ъгълът на въртене на равнината на поляризация на светлината от всеки енантиомер се определя от неговата природа и следователно е една от неговите характеристики. За измерване на този ъгъл на въртене се използва специално устройство - поляриметър (диаграмата му е показана на фиг. 17.31). Този инструмент обикновено използва монохроматичен източник на светлина като натриева лампа. Монохроматичната светлина се характеризира с една дължина на вълната, докато обикновената бяла светлина е смес от всички дължини на вълната във видимия диапазон. Монохроматичната светлина не е поляризирана. Затова първо преминава през поляризатор, който го превръща в плоско поляризирана светлина. След това плоскополяризираната светлина преминава през кювета с разтвор на веществото, за което се измерва оптичният ъгъл на въртене. Светлината, напускаща клетката за проба, има поляризационна равнина, завъртяна по посока на часовниковата стрелка или обратно на часовниковата стрелка под определен ъгъл, който трябва да бъде измерен. Посоката на въртене се определя по отношение на наблюдателя, а ъгълът на въртене се определя с помощта на специален анализатор, който е наличен в поляриметъра. Анализаторът е устройство, което пропуска само плоско поляризирана светлина. Първо, той е настроен така, че да предава равнинно поляризирана светлина, която е излязла от поляризатора, но не е била завъртяна от пробата. Плоскополяризираната светлина, завъртяна от пробата, не може да премине през анализатора, който е в първоначалното си положение. След това анализаторът бавно се завърта, докато пропусне възможно най-много светлина през кюветата за пробата. В това положение равнината на предаване на анализатора съвпада с равнината на поляризация на светлината, преминала през пробата (фиг. 17.31, b). Ъгловата разлика между началната и крайната позиция на анализатора определя ъгъла на оптично въртене на тестваното вещество.

Ориз. 17.31 ч. Схема на устройството на поляриметъра.

Лабораторен поляриметър.

Съединения, съдържащи два или повече асиметрични въглеродни атома

Съединение, съдържащо два или повече асиметрични въглеродни атома, може да съществува като три или повече стереоизомера. Като пример, разгледайте 2,3-дихидроксибутандиовата киселина (нейното тривиално име е винена киселина). Това съединение има два асиметрични въглеродни атома, които са маркирани със звездички на фиг. 17.32. 2,3-дихидроксибутандиовата киселина има три стереоизомера. Техните проекции на Нюман са показани на фиг. 17.32. И трите изомера могат да съществуват в шахматна, затъмнена или междинна, усукана конформация. Два от трите изомера са напълно асиметрични. Те нямат нито равнина на симетрия, нито център на симетрия, без значение как е ориентирана едната половина спрямо другата. Тези два изомера са несъвместими огледални образи един на друг. Следователно те образуват двойка енантиомери. На фиг. 17.32 те са показани в шахматна форма. Два асиметрични въглеродни атома на един от тези енантиомери въртят равнинно поляризирана светлина надясно. Следователно този енантиомер е дясновъртящ се и се обозначава със символа (+). Асиметричните въглеродни атоми в другия енантиомер въртят равнинно поляризирана светлина наляво. Следователно този енантиомер е ляв и се обозначава със символа (-).

Третият стереоизомер също има два асиметрични въглеродни атома, но като цяло неговата молекула е симетрична. Той има равнина на симетрия, перпендикулярна на линията на връзка между двата централни въглеродни атома. Този стереоизомер е показан в затъмнената конформация на фиг. 17.32. Тъй като молекулата му е симетрична, той не е оптически активен. Един от неговите асиметрични въглеродни атоми се върти

Ориз. 17.32. 2,3-дихидроксибутандиова (винена) киселина.

равнинно поляризирана светлина надясно, а другата я завърта на същия ъгъл наляво. Полученият ефект е нулев.

Ако всеки стереоизомер, съдържащ два или повече асиметрични въглеродни атома, е оптически неактивен поради наличието на симетрия в неговата молекула, тогава той се счита за вътрешно компенсиран. Стереоизомер, който няма оптична активност (и следователно не е енантиомер), се нарича диастереоизомер. Така, показаното на фиг. Изомерът 17.32 в затъмнената конформация е диастереоизомер.

Рацемична смес от два енантиомера също е оптически неактивна, тъй като дясновъртящото действие на единия енантиомер се компенсира от лявовъртящото действие на другия енантиомер. Полученото въртене е нула. Рацемичната смес се обозначава със символа (+) и се счита за външно компенсирана.

Така че нека го направим отново!

1. Метанът има тетраедрична молекулна структура.

2. Етиленът има равнинна молекулна структура.

3. Ацетиленът има линейна молекулна структура.

4. p-електроните в цикличната структура на ароматно съединение се делокализират, образувайки -електронен облак.

5. Конформациите са различни пространствени разположения на атомите в една молекула.

6. Шахматна дъска и затъмнени конформации са ограничаващите типове конформации. Усуканите конформации са междинни случаи между тези две ограничаващи конформации.

7. Цикличната структура на циклохексана може да бъде конформация на стол или конформация на баня.

8. Стереоизомерите имат различно пространствено разположение на атомите си.

9. Геометричните изомери се различават по геометричното разположение на атомите си. Цис-транс изомерията е пример за този тип изомерия.

10. Оптичните изомери са молекули, които са несъвместими огледални образи една на друга. Те се наричат ​​още енафтиомери.

11. Рацемична смес съдържа еквимоларни количества от всеки от двойката енантиомери. Такава смес е оптически неактивна.

12. Съединение, което върти равнинна поляризирана светлина, се нарича оптично активно.

13. Молекулите на оптично активно съединение са асиметрични.

14. За измерване на ъгъла на въртене на плоска поляризирана светлина от всеки енантиомер се използва поляриметър.

По време на урока ще получите обща представа за видовете изомерия, ще научите какво е изомер. Научете за видовете изомерия в органичната химия: структурна и пространствена (стереоизомерия). Използвайки структурните формули на веществата, разгледайте подвидовете на структурната изомерия (скелетна и позиционна изомерия), научете за разновидностите на пространствената изомерия: геометрична и оптична.

Тема: Въведение в органичната химия

Урок: Изомерия. Видове изомерия. Структурна изомерия, геометрична, оптична

1. Какво е изомерия

Видовете формули, които разгледахме по-рано, описващи органични вещества, показват, че няколко различни структурни формули могат да съответстват на една молекулна формула.

Например молекулната формула C2H6Окореспондирам две веществас различни структурни формули - етилов алкохол и диметилов етер. Ориз. 1.

Етиловият алкохол е течност, която реагира с метален натрий за освобождаване на водород, кипи при +78,50C. При същите условия диметиловият етер, газ, който не реагира с натрий, кипи при -230C.

Тези вещества се различават по своята структура - различни вещества отговарят на една и съща молекулна формула.

Ориз. 1. Междукласова изомерия

Феноменът на съществуването на вещества с еднакъв състав, но различна структура и следователно различни свойства, се нарича изомерия (от гръцките думи "isos" - "равен" и "meros" - "част", "дял").

Видове изомерия

Има различни видове изомерия.

2. Междукласова изомерия

Структурната изомерия е свързана с различен ред на свързване на атомите в молекулата.

Етанолът и диметиловият етер са структурни изомери. Тъй като принадлежат към различни класове органични съединения, този тип структурна изомерия се нарича също междукласови. Ориз. 1.

3. Изомерия във въглеродния скелет

Структурните изомери също могат да бъдат в рамките на един и същ клас съединения, например формулата C5H12 съответства на три различни въглеводорода. Това изомерия на въглеродния скелет. Ориз. 2.

Ориз. 2 Примери за вещества - структурни изомери

4. Позиционна изомерия

Има структурни изомери с еднакъв въглероден скелет, които се различават по позицията на множество връзки (двойни и тройни) или атоми, които заместват водорода. Този вид структурна изомерия се нарича позиционна изомерия.

Ориз. 3. Изомерия на структурно положение

5. Пространствена изомерия

В молекули, съдържащи само единични връзки, е възможно почти свободно въртене на фрагменти от молекулата около връзките при стайна температура и, например, всички изображения на формулите на 1,2-дихлороетан са еквивалентни. Ориз. 4

Ориз. 4. Разположение на хлорните атоми около единична връзка

Ако въртенето е трудно, например в циклична молекула или с двойна връзка, тогава геометрична или цис-транс изомерия.В цис изомерите заместителите са от една и съща страна на равнината на пръстена или двойната връзка, в транс изомерите те са от противоположните страни.

Цис-транс изомери съществуват, когато две различнидепутат. Ориз. 5.

Ориз. 5. Цис - и транс - изомери

6. Оптична изомерия

Друг вид изомерия възниква поради факта, че въглероден атом с четири единични връзки образува със своите заместители пространствена структура - тетраедър. Ако една молекула има поне един въглероден атом, свързан с четири различни заместителя, оптична изомерия. Такива молекули не съвпадат с огледалния си образ. Това свойство се нарича хиралност - от гръцкото chier - "ръка". Ориз. 6. Оптичната изомерия е характерна за много молекули, които изграждат живите организми.

Ориз. 6. Примери за оптични изомери

Нарича се още оптична изомерия енантиомери(от гръцки enantios - "срещу" и meros - "част"), и оптични изомери - енантиомери. Енантиомерите са оптично активни, те въртят равнината на поляризация на светлината под същия ъгъл, но в противоположни посоки: д-, или (+)-изомер, - вдясно, аз-, или (-)-изомер, - вляво. Смес от равни количества енантиомери, наречена рацемат, е оптически неактивна и се обозначава със символа d,l-или (±).

Обобщаване на урока

По време на урока получихте обща представа за видовете изомерия, какво е изомер. Запозна с видовете изомерия в органичната химия: структурна и пространствена (стереоизомерия). С помощта на структурните формули на веществата разгледахме подвидовете на структурната изомерия (скелетна и позиционна изомерия), запознахме се с разновидностите на пространствената изомерия: геометрична и оптична.

Библиография

1. Рудзитис Г. Е. Химия. Основи на общата химия. 10 клас: учебник за образователни институции: основно ниво / Г. Е. Рудзитис, Ф. Г. Фелдман. - 14-то издание. - М.: Образование, 2012.

2. Химия. 10 клас. Профилно ниво: учебник. за общо образование институции / V. V. Eremin, N. E. Kuzmenko, V. V. Lunin и др. - M .: Bustard, 2008. - 463 с.

3. Химия. 11 клас. Профилно ниво: учебник. за общо образование институции / V. V. Eremin, N. E. Kuzmenko, V. V. Lunin и др. - M.: Bustard, 2010. - 462 p.

4. Хомченко Г. П., Хомченко И. Г. Сборник от задачи по химия за студенти. - 4-то изд. - М.: РИА "Нова вълна": Издател Умеренков, 2012. - 278 с.

1. Interneturok. ru.

2. Органична химия.

Домашна работа

1. № 1,2 (стр. 39) Рудзитис Г. Е. Химия. Основи на общата химия. 10 клас: учебник за образователни институции: основно ниво / Г. Е. Рудзитис, Ф. Г. Фелдман. - 14-то издание. - М.: Образование, 2012.

2. Защо броят на изомерите във въглеводородите от етиленовата серия е по-голям от този на наситените въглеводороди?

3. Какви въглеводороди имат пространствени изомери?

Фиксирайте материала с помощта на симулатори

Обучител 1 Обучител 2 Обучител 3