Зоология 

Структурни формули на възможни изомери. Съставяне на структурни формули на изомери

Помислете за примера на алкан C 6 H 14.

1. Първо изобразяваме линейната изомерна молекула (нейния въглероден скелет)

2. След това скъсяваме веригата с 1 въглероден атом и прикрепяме този атом към който и да е въглероден атом на веригата като клон от него, с изключение на крайните позиции:

(2) или (3)

Ако прикрепите въглероден атом към една от крайните позиции, тогава химическата структура на веригата няма да се промени:

Освен това трябва да сте сигурни, че няма повторения. Да, структурата

е идентичен на структурата (2).

3. Когато всички позиции на основната верига са изчерпани, скъсяваме веригата с още 1 въглероден атом:

Сега 2 въглеродни атома ще бъдат поставени в страничните разклонения. Тук са възможни следните комбинации от атоми:

Страничният заместител може да се състои от 2 или повече въглеродни атома в серия, но за хексана няма изомери с такива странични разклонения и структурата

е идентичен на структурата (3).

Страничният заместител - С-С може да бъде поставен само във верига, съдържаща най-малко 5 въглеродни атома и може да бъде прикрепен само към 3-тия и следващ атом от края на веригата.

4. След изграждането на въглеродния скелет на изомера е необходимо да се допълнят всички въглеродни атоми в молекулата с водородни връзки, като се има предвид, че въглеродът е четиривалентен.

И така, композицията C 6 H 14съответства на 5 изомера:

2) 3) 4)

5)

Ротационна изомерия на алкани

характерна особеност s-връзки е, че електронната плътност в тях е разпределена симетрично спрямо оста, свързваща ядрата на свързаните атоми (цилиндрична или ротационна симетрия). Следователно въртенето на атомите около s-връзката няма да доведе до нейното разкъсване. В резултат на вътремолекулно въртене по протежение на C-C s-връзките, молекулите на алканите, започвайки от C 2 H 6 етан, могат да приемат различни геометрични форми.

Различни пространствени форми на една молекула, преминаващи една в друга чрез въртене около C–C s-връзки, се наричат ​​конформации или ротационни изомери(конформатори).

Ротационните изомери на една молекула са нейните енергийно неравностойни състояния. Тяхното взаимно преобразуване става бързо и постоянно в резултат на топлинно движение. Следователно ротационните изомери не могат да бъдат изолирани поотделно, но съществуването им е доказано. физични методи. Някои конформации са по-стабилни (енергийно изгодни) и молекулата остава в такива състояния за по-дълго време.



Помислете за ротационни изомери, като използвате етан H 3 C–CH 3 като пример:

Когато една CH 3 група се върти спрямо друга, възникват много различни форми на молекулата, сред които се разграничават две характерни конформации ( АИ б), които са завъртяни на 60°:

Тези ротационни изомери на етана се различават по разстоянията между водородните атоми, свързани с различни въглеродни атоми.

В конформация АВодородните атоми са близо (засенчват се един друг), тяхното отблъскване е голямо, а енергията на молекулата е максимална. Такава конформация се нарича "затъмнена", тя е енергийно неизгодна и молекулата преминава в конформацията б, където разстоянията между Н атомите на различните въглеродни атоми са най-големи и съответно отблъскването е минимално. Тази конформация се нарича "инхибирана", защото тя е енергийно по-благоприятна и молекулата е в тази форма повече време.

С удължаването на въглеродната верига броят на отделните конформации се увеличава. И така, въртене по централната връзка в n-бутан

води до четири ротационни изомера:

Най-стабилният от тях е конформер IV, в който CH3 групите са възможно най-отдалечени. Изградете зависимостта на потенциалната енергия на n-бутан от ъгъла на въртене с учениците на дъската.

Оптична изомерия

Ако въглероден атом в молекула е свързан с четири различни атома или атомни групи, например:

тогава е възможно съществуването на две съединения с еднаква структурна формула, но различни по пространствена структура. Молекулите на такива съединения се отнасят една към друга като обект и негов огледален образ и са пространствени изомери.

Изомерията от този тип се нарича оптична, изомери - оптични изомери или оптични антиподи:

Молекулите на оптичните изомери са несъвместими в пространството (както ляво, така и дясно дясна ръка), им липсва равнина на симетрия.

По този начин пространствените изомери се наричат ​​оптични изомери, чиито молекули се отнасят един към друг като обект и несъвместим огледален образ.

Оптичните изомери имат еднакви физични и химични свойства, но се различават по връзката си с поляризираната светлина. Такива изомери имат оптична активност (единият от тях завърта равнината на поляризирана светлина наляво, а другият - на същия ъгъл надясно). Разлики в химични свойстванаблюдава се само при реакции с оптически активни реагенти.

Оптичната изомерия се проявява в органична материяо различни класовеи играе много важна роля в химията на природните съединения.

Например, нека вземем въглеводородите от пределната и ненаситената серия.

Определение

Първо, нека разберем какво е явлението изомерия. В зависимост от това колко въглеродни атома има в молекулата, е възможно образуването на съединения, които се различават по структура, физични и химични свойства. Изомерията е явление, което обяснява многообразието на органичните вещества.

Изомерия на наситени въглеводороди

Как да съставим изомери, именувайте представители на този клас органични съединения? За да се справим със задачата, първо подчертаваме отличителните характеристики на този клас вещества. Ограничение на въглеводородите обща формула SpH2n+2, в техните молекули присъстват само прости (единични) връзки. Изомерията за представители на серията метан предполага съществуването на различни органични вещества, които имат еднакво качество и количествен състав, но се различават по последователността на подреждане на атомите.

При наличие на наситени въглеводороди от четири или повече въглеродни атома, за представители на този клас се наблюдава изомерия на въглеродния скелет. Например, възможно е да се формулира формулата на веществата на C5H12 изомери под формата на нормален пентан, 2-метилбутан, 2,2-диметилпропан.

Последователност

Структурните изомери, характерни за алканите, се съставят с помощта на специфичен алгоритъм на действие. За да разберем как да съставим изомери на наситени въглеводороди, нека се спрем на този въпрос по-подробно. Първо се разглежда права въглеродна верига, която няма допълнителни разклонения. Например, ако има шест въглеродни атома в молекулата, можете да съставите формулата за хексан. Тъй като алканите имат всички единични връзки, за тях могат да бъдат записани само структурни изомери.

Структурни изомери

За да се формулират формулите на възможните изомери, въглеродният скелет се съкращава с един С атом, той се превръща в активна частица - радикал. Метиловата група може да бъде разположена при всички атоми във веригата, с изключение на крайните атоми, като по този начин образува различни органични производни на алкани.

Например, можете да формулирате 2-метилпентан, 3-метилпентан. Тогава броят на въглеродните атоми в основната (основната) верига намалява с още един, в резултат на което се появяват две активни метилови групи. Те могат да бъдат разположени при един или съседни въглеродни атоми, като се получават различни изомерни съединения.

Например, възможно е да се формулират формули за два изомера: 2,2-диметилбутан, 2,3-диметилбутан, които се различават по физични характеристики. С последващото скъсяване на основния въглероден скелет могат да се получат и други структурни изомери. И така, за въглеводородите от ограничителната серия феноменът на изомерията се обяснява с наличието на единични (прости) връзки в техните молекули.

Характеристики на изомерията на алкените

За да се разбере как се съставят изомери, е необходимо да се отбележат специфичните особености на този клас органични вещества. Имаме общата формула SpN2n. В молекулите на тези вещества, освен единична връзка, има и двойна връзка, която влияе на сумата изомерни съединения. В допълнение към структурната изомерия, характерна за алканите, за този клас може да се разграничи и изомерията на позицията на множествената връзка, междукласова изомерия.

Например за въглеводород със състав C4H8 могат да се съставят формули за две вещества, които ще се различават по местоположението на двойната връзка: бутен-1 и бутен-2.

За да разберете как да съставите изомери с обща формула C4H8, трябва да имате представа, че освен алкените, цикличните въглеводороди също имат същата обща формула. Като изомери, принадлежащи към цикличните съединения, могат да бъдат представени циклобутан, а също и метилциклопропан.

В допълнение, за ненаситени съединения от етиленовата серия могат да се напишат формулите на геометрични изомери: цис и транс форми. За въглеводородите, които имат двойна връзка между въглеродните атоми, са характерни няколко вида изомерия: структурна, междукласова, геометрична.

Алкини

За съединения, които принадлежат към този клас въглеводороди, общата формула е SpN2p-2. Сред отличителните характеристики на този клас можем да споменем наличието на тройна връзка в молекулата. Една от тях е проста, образувана от хибридни облаци. При припокриване на нехибридни облаци се образуват две връзки, които определят характеристиките на изомерията на този клас.

Например, за въглеводород със състав C5H8 могат да се съставят формули за вещества с неразклонена въглеродна верига. Тъй като в оригиналното съединение има множествена връзка, тя може да бъде разположена по различни начини, образувайки пентин-1, пентин-2. Например, възможно е да се напише разширена и съкратена формула на съединение с даден качествен и количествен състав, в който въглеродната верига ще бъде намалена с един атом, който ще бъде представен в съединението като радикал. Освен това за алкините има и междукласови изомери, които са диенови въглеводороди.

За въглеводороди, които имат тройна връзка, можете да съставите изомерите на въглеродния скелет, да напишете формули за диени и също така да разгледате съединения с различно разположение на кратната връзка.

Заключение

При съставянето на структурните формули на органичните вещества кислородните и въглеродните атоми могат да бъдат подредени по различен начин, като се получават вещества, наречени изомери. В зависимост от спецификата на класа органични съединенияброят на изомерите може да бъде различен. Например, за въглеводородите от ограничаващите серии, които включват съединения от серията метан, е характерна само структурна изомерия.

За етиленовите хомолози, които се характеризират с наличието на множествена (двойна) връзка, в допълнение към структурните изомери може да се вземе предвид и изомерията на позицията на множествената връзка. В допълнение, други съединения, които принадлежат към класа на циклоалканите, имат същата обща формула, т.е. възможна е междукласова изомерия.

За кислородсъдържащи вещества, например за карбоксилни киселини, също е възможно да се запишат формулите на оптичните изомери.

    Добре, може би не толкова.

    За да подредите всичко и да не пропуснете нито едно, можете да измислите няколко подхода. Харесва ми този: Вземете етен (етилен) CH2=CH2. Различава се от хептена с 5 въглеродни атома (C5H10). За да се изброят всички възможни изомери, трябва да се вземе един водороден атом от етена и да се даде на фрагмента C5H10. Резултатът е алкил C5H11 и той трябва да се добави към етеновия остатък (етенил CH2=CH-) на мястото на извлечения водород.

    1) Самият C5H11 алкил може да има няколко изомера. Най-простият с права верига -CH2-CH2-CH2-CH2-CH3 (пентил или амил). Хептен-1 (или 1-хептен, или хепт-1-ен) се образува от него и етенил, който просто се нарича хептен CH2 \u003d CH-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3.

    2a) Ако в пентил преместим един водород от атома С2 към атома С1, получаваме пентил-2 (или 2-пентил, или пент-2-ил) CH3-CH(-)-CH2-CH2-CH3. Тирето в скоби означава, че пръчката трябва да бъде изтеглена нагоре или надолу и че има несдвоен електрон и на това място пентил-2 ще се присъедини към етенила. Получавате CH2=CH-CH(CH3)-CH2-CH2-CH3 3-метилхексен-1 или 3-метил-1-хексен или 3-метилхекс-1-ен. Надявам се, че разбирате принципа на образуване на алтернативни имена, следователно за съединенията, споменати по-долу, ще дам само едно име.

    2b) Ако преместим един водород в пентила от C3 атома към C1 атома, тогава получаваме пентил-3 CH3-CH2-CH(-)-CH2-CH3. Комбинирайки го с етенил, получаваме CH2=CH-CH(CH2-CH3)-CH2-CH3 3-етилпентен-1

    3a,b) Пентил, изомеризиращ се във верига от 4 въглеродни атома (бутил), имаща една метилова група. Тази метилова група може да бъде прикрепена към С2 или С3 атома на бутила. Получаваме съответно 2-метилбутил -CH2-CH (CH3) -CH2-CH3 и 3-метилбутил -CH2-CH2-CH (CH3) -CH3 и добавяйки ги към етенил, получаваме още два изомера C7H14 CH2 = CH- CH2-CH (CH3)-CH2-CH3 4-метилхексен-1 и CH2=CH-CH2-CH2-CH(CH3)-CH3 5-метилхексен-1.

    4a,b) Сега в бутил преместваме тирето към С2 атома, получаваме 2-бутил CH3-CH(-)-CH2-CH3. Но трябва да добавим още един въглероден атом (заменете H с CH3). Ако добавим този метил към един от крайните атоми, получаваме вече разгледаните пентил-3 и пентил-2. Но добавянето на метил към един от средните атоми ще даде два нови алкила CH3-C (CH3) (-) -CH2-CH3 2-метил-2-бутил- и CH3-CH (-) -CH (CH3) -СН32-метил-2-бутил-.

    Добавяйки ги към етенил, получаваме още два изомера C7H14 CH2=CH-C(CH3)2-CH2-CH3 3,3-диметил-пентен-1 и CH2=CH-CH(CH3)-CH(CH3)-CH3 3.4 -диметил-пентен-1.

    5) Сега, когато изграждаме алкил, оставяме верига от 3 въглеродни атома -CH2-CH2-CH3. Липсващите 2 въглерода могат да бъдат добавени или като етил, или като два метила. В случай на добавяне под формата на етил, ние получаваме вече разгледаните опции. Но два метила могат да бъдат прикрепени или към първия, или един към първия, един към втория въглероден атом, или и двата към втория. В първия и втория случай получаваме вече разгледаните варианти, а в последния нов алкил -CH2-C(CH3)2-CH3 2,2-диметилпропил и добавяйки го към етенил получаваме CH2=CH- CH2-C(CH3)2-CH3 4,4-диметилпентен-1.

    Така вече са получени 8 изомера. Имайте предвид, че в тези изомери двойната връзка е разположена в края на веригата; свързва С1 и С2 атоми. Такива олефини (с двойна връзка в края се наричат ​​крайни). Терминалните олефини нямат цис-транс изомерия.

    След това фрагментът C5H10 се разделя на два фрагмента. Това може да стане по два начина CH2 + C4H8 и C2H4 + C3H6. От фрагменти CH2 и C2H4 може да се изгради само един вариант на алкили (CH3 и CH2-CH3). От C3H6 фрагмента могат да се образуват пропил-CH2-CH2-CH3 и изопропил CH3-CH(-)-CH3.

    От фрагмента C4H8 могат да бъдат изградени следните алкили -CH2-CH2-CH2-CH3 - бутил-1, CH3-CH (-) -CH2-CH3 - бутил-2, -CH2-CH (CH3) -CH3 - изобутил (2-метилпропил) и -C (CH3) 2-CH3 - tert-бутил (2,2-диметилетил).

    За да ги завършат до алкили, два водородни атома се отстраняват от молекулата на етена. Това може да стане по три начина: премахване на двата водородни атома от един и същ въглероден атом (тогава получавате крайни олефини) или по един от всеки. Във втория вариант тези два водородни атома могат да бъдат откъснати от една и съща страна по отношение на двойната връзка (ще се получат цис изомери) и от различни страни (ще се получат транс изомери).

    CH2=C(CH3)-CH2-CH2-CH2-CH3-2-метилхексен-1;

    CH2=C(CH3)-CH(CH3)-CH2-CH3-2,3-диметилпентен-1;

    CH2=C(CH3)-CH2-CH(CH3)-CH3-2,4-диметилпентен-1;

    CH2=C(CH3)-C(CH3)2-CH3 - 2,3,3-триметил бутен-1.

    СН2=С(СН2СН3)-СН2-СН2-СН3-2-етилпентен-1 или 3-метиленхексан;

    CH2=C(CH2CH3)-CH(CH3)-CH3 е 2-етил-3-метилбутен-1 или 2-метил-3-метиленпентан.

    CH3-CH=CH-CH2-CH2-CH2-CH3 - хептен-2 ​​(цис и транс изомери);

    CH3-CH=CH-CH(CH3)-CH2-CH3 - 4-метилхексен-2 ​​(цис и транс изомери);

    CH3-CH=CH-CH2-CH(CH3)-CH3 - 5-метилхексен-2 ​​(цис и транс изомери);

    CH3-CH=CH-C(CH3)2-CH3 - 4,4-диметилпентен-2 ​​(цис и транс изомери);

    CH3-CH2-CH=CH-CH2-CH2-CH3 - хептен-3 (цис и транс изомери);

    CH3-CH2-CH=CH-CH(CH3)-CH3 - 2-метилхексен-3 (цис и транс изомери).

    Е, с олефини като Sun. Останалите са циклоалкани.

    В циклоалканите няколко въглеродни атома образуват пръстен. Условно може да се разглежда като плосък цикъл. Следователно, ако два заместителя са прикрепени към цикъла (при различни въглеродни атоми), тогава те могат да бъдат разположени от една и съща страна (цис-изомери) или от противоположни страни (транс-изомери) на равнината на пръстена.

    Начертайте седмоъгълник. Поставете CH2 във всеки връх. Резултатът беше циклохептан;

    Сега начертайте шестоъгълник. В пет върха напишете CH2, а в един връх CH-CH3. Резултатът беше метилциклохексан;

    Начертайте петоъгълник. В единия връх начертайте CH-CH2-CH3, а в останалите CH2. етилциклопентан;

    Начертайте петоъгълник. В два върха подред начертайте CH-CH3, а в останалите CH2. Резултатът беше 1,2-диметилпентан (цис и транс изомери);

    Начертайте петоъгълник. В два върха начертайте CH-CH3 през единия и CH2 в останалите. Резултатът беше 1,3-диметилпентан (цис- и транс-изомери);

    Начертайте правоъгълник. На три върха начертайте CH2, а на един CH и прикрепете -CH2-CH2-CH3 към него. Резултатът беше пропилциклобутан;

    Начертайте правоъгълник. На три върха начертайте CH2, а на един CH и прикрепете -CH(CH3)-CH3 към него. Резултатът е изопропилциклобутан;

    Начертайте правоъгълник. На три върха начертайте CH2, а на един C и прикрепете към него групи CH3 и CH2-CH3. Резултатът е 1-метил-1-етилциклобутан;

    Начертайте правоъгълник. На два върха подред начертайте CH2, а на другите два CH. Добавете CH3 към единия CH и CH2-CH3 към другия. Резултатът беше 1-метил-2-етилциклобутан (цис- и транс-изомери);

    Начертайте правоъгълник. В два върха начертайте CH2 през единия и CH в другите два. Добавете CH3 към единия CH и CH2-CH3 към другия. Резултатът беше 1-метил-3-етилциклобутан (цис- и транс-изомери);

    Начертайте правоъгълник. На два върха в един ред начертайте CH2, на един CH, на един C. Към CH начертайте CH3, а към C две групи от CH3. Резултатът е 1,1,2-диметилциклобутан;

    Органичната химия не е толкова лесна.

    Нещо може да се отгатне с помощта на логически разсъждения.

    И някъде логиката няма да помогне, трябва да се тъпчете.

    Като в този въпрос.

    Нека да разгледаме формулите:

    Въглеводородите, съответстващи на формулата C17H14, са както алкени, така и циклоалкани. Следователно, както Рафаел ви каза в коментар, има много от тях. Алкените (вътрешнокласова изомерия) имат три вида изомерия: 1). изомерия на позицията на двойната връзка; 2). изомерия на въглеродния скелет; 3). и някои алкени имат 3D цис и транс изомери. И циклоалканите в този клас имат изомерия със затворен пръстен, а някои циклоалкани имат цис- и транс-изомери. Необходимо е да се определи класът на връзките.

    Всъщност има доста от тях, така че няма да ги изброявам всички:

    Ето някои от техните представители:

    Но все още има много от тях и, честно казано, е много трудно да се запомнят всички представители на всички изомери на този състав.

    Не съвсем лесна задача или по-скоро не съвсем бърза. Мога да дам не всички, но повече от 20 изомера за посочения състав:

    Ако все още е задача да съставя чертежи, тогава ви съчувствам, но намерих няколко изображения с компилирани изомерни вериги:

    Подгответе се, като цяло!

1. Структурна изомерия.

2. Конформационна изомерия.

3. Геометрична изомерия.

4. Оптична изомерия.

Изомериса вещества, които имат еднакъв състав и молекулно теглоно различни физични и химични свойства. Разликите в свойствата на изомерите се дължат на разликите в тяхната химична или пространствена структура. В това отношение има два вида изомерия.

изомерия

структурен

пространствен

въглероден скелет

Конфигурация

конформационен

Положението на функционала

Оптичен

Междукласни

Геометричен

1. Структурна изомерия

Структурните изомери са различни химическа 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), C-C връзката трябва да си представим като отдалечаваща се в далечината; въглеродният атом, стоящ отляво, е близо до наблюдателя, стоящият отдясно е отстранен от него.

В проекцията на Нюман (2) молекулата се разглежда заедно C-C връзки. 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

В повече трудни случаиприложено 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. По-долу са различни начинизаписи на проекционната формула, 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.).

Има няколко вида структурна изомерия:

изомерия на въглеродния скелет;

изомерия на позицията на множествените връзки;

изомерия на позицията на функционалните групи.

За извеждане на формули за изомери, които се различават по последователността на връзките на въглеродните атоми в молекула (изомерия на въглероден скелет):

а) съставете структурна формула на въглероден скелет с нормална структура с даден брой въглеродни атоми;

б) постепенно скъсете веригата (всеки път с един въглероден атом) и направете всички възможни пермутации на един или повече въглеродни атоми и по този начин изведете формулите на всички възможни изомери.

ПРИМЕР:Съставете структурни формуливсички изомерни въглеводороди от състава C 5 H 12 .

1. Съставете формулите на въглеродния скелет с нормална верига от 5 въглеродни атома.

С - С - С - С - С

2. Скъсете веригата с един въглероден атом и извършете всички възможни пермутации.

С - С - С - С


4. Подредете необходимо количествоводородни атоми.

1. CH 3 - CH 2 - CH 2 - CH 2 - CH 3

2. CH 3 - CH - CH 2 - CH 3

3. CH 3 - C - CH 3

За да изведете структурните формули на всички изомери, дължащи се на различни позиции на множество връзки, заместители (халогени) или функционални групи (OH, - COOH, NO 2, NH 2), процедирайте както следва:

премахване на всички структурни изомери, свързани с изомерията на въглеродния скелет;

преместете графично множествена връзка или функционална група до онези позиции, в които това е възможно от гледна точка на четиривалентността на въглерода:

ПРИМЕР:Напишете структурните формули на всички пентени (C 5 H 10).

1. Съставете формулите за всички изомери, които се различават по структурата на въглеродния скелет:

а) C - C - C - C - C б) C - C - C - C в) C - C - C

2. Преместете множествената връзка за случаи a) и b)

C \u003d C - C - C - C CH 2 \u003d CH - CH 2 - CH 2 - CH 3

A) C - C - C - C - C C - C \u003d C - C - C CH 3 - CH \u003d CH - CH 2 - CH 3

B) C - C - C - C C \u003d C - C - C CH 2 \u003d C - CH 2 - CH 3


C - C \u003d C - C CH 3 - C \u003d CH - CH 3


C - C - C - C C CH 3

C C - C - C \u003d C CH 2 - CH - CH \u003d CH 2


Така за C5H10 са възможни пет изомера.

ПРИМЕР:Съставете структурните формули на всички ароматни въглеводороди от състава C 8 H 10.



В случая на ароматни съединения е възможна изомерия на скелета на страничната верига и изомерия на позицията на заместителите в ароматния пръстен.

1. Нека съставим структурна формула с нормална странична верига:

2. Скъсете страничната верига с един въглероден атом и направете възможни пермутации на CH 3 в бензеновия пръстен.

Има 4 изомера със състав C 8 H 10 .

1. При изпълнение на упражнения е необходимо да се обърне специално внимание на правилното изписване на структурните формули на органичните съединения. Най-удобно е да се използват полуразширени (опростени) структурни формули, в които връзките между атомите са обозначени с тирета, с изключение на връзките с водородни атоми. Формулите с хоризонтално записана въглеродна верига е изгодно, ако е възможно, да се напишат така, че функционалните групи, разположени в края на веригите, да са разположени отдясно, а заместителите при некрайните въглеродни атоми да са под или над въглеродната верига :


CH 3 - CH - CH 2 - OH CH 3 - CH 2 - CH - CH 3



CH 2 - CH 2 - C CH 3 - CH - COOH

2. В началните упражнения с формулите на ароматните съединения в бензеновите ядра е по-добре да напишете всички С - и Н - атоми. В опростено представяне на бензенови пръстени, заместващите атоми и групи трябва да бъдат ясно свързани с атомите на бензеновото ядро ​​с валентни линии.

3. неорганични съединенияв уравненията на реакциите в повечето случаи е препоръчително да се записват с помощта на структурни или полуразширени структурни формули:

Например: HOH вместо H2O,

HOSO 3 H вместо H 2 SO 4,

HONO 3 вместо HNO 3

Това не е необходимо, ако такива съединения участват в йонни реакции, като например когато киселините реагират с амини, за да образуват соли.

4. органични реакцииможе да се изрази чрез уравнения, в които коефициентите се избират и броят на атомите от дясната и лявата страна се изравнява. Често обаче те пишат не уравнения, а реакционни схеми. Това се прави в случаите, когато процесът протича едновременно в няколко посоки или през поредица от последователни етапи, например:



Cl 2 CH 3 - CH 2 - CH 2 - Cl + HCl

CH 3 - CH 2 - CH 3

лек CH3 - CH - CH3 + HCl


или NaOH, t 0 C Cu, t 0 C

CH 3 - CH 2 - Cl CH 3 - CH 2 - OH CH 3 - CH \u003d O

Както е показано в примерите, активният реагент е показан над стрелката в диаграмите. За простота коефициентите в дясната или лявата част на схемата не са изравнени и някои вещества, като например H 2, HCl, H 2 O, Na Cl и др. образувани по време на реакции, в схемите те или не се показват изобщо, или се показват под стрелката със знак минус. Посоката на превръщането на веществата в реакциите е обозначена със стрелка. Над стрелката се показват реагентите и реакционните условия, катализаторът i.p.

Например:

H2O, H2SO4, 130°C

CH 3 - CH 2 - CH 2 - NO 2 CH 3 - CH 2 - COOH + NH 2 OH * H 2 SO 4

Понякога под стрелката (за предпочитане в скоби) са посочени изходните вещества, които в резултат на взаимодействие помежду си образуват реагент (посочен над стрелката). Например:

R - NH 2 R - OH + N 2 + H 2 O

Следователно, в този случайреактив - азотиста киселина- образува се от натриев нитрит и солна киселина, взети в реакцията. Естествено тук се получава и натриев хлорид NaCl, но това съединение в диаграмата може да не бъде обозначено като несвързано пряко с процеса. По правило редокс трансформациите на органичните вещества се изобразяват чрез опростени реакционни схеми, за да се обърне внимание на окисляването или редукцията на органично съединение; подробностите за трансформациите, съответно на окислителя или редуциращия агент в схемата може да не бъдат отразени.

За тази цел окислителят е представен със символа [O], а редукторът със символа [H] над стрелката. Ако е необходимо, активните реагенти могат да бъдат посочени под стрелката (за предпочитане в скоби).

Например:

CH 3 OH CH 2 \u003d O + H 2 O CH 3 OH CH 2 \u003d O + H 2 O

(K 2 Cr 2 O 7 + H 2 SO 4)

C 6 H 5 NO 2 C 6 H 5 - NH 2 + 2 H 2 O

IN последните години, в научната, както и в образователната химическа литература, номенклатурата на органичните съединения, разработена от Международния съюз за чиста и приложна химия, номенклатурата IRAS (IUPAC), обикновено се използва като систематична, обикновено се нарича „международна систематична номенклатура". IN учебна литератураизползва се и рационална номенклатура.

1. Започвайки да изпълнявате упражнения по номенклатурата, е необходимо първо да проучите този въпрос в учебника, където препоръките за този клас номенклатурни системи са разгледани подробно. Само тук кратки характеристикипрепоръчителни номенклатури и примери.

2. Обърнете внимание на правилно писанезаглавия. в имена съгласно международната номенклатура числата трябва да бъдат отделени от думите с тирета, а числото от числото със запетая: 1,4 дибромо - 2,3 - диметилбутен - 2.

Въпреки че е прието съставните части на имената да се пишат заедно, по дидактически причини сложните имена могат да се разделят с тирета.

Например: Име

Метилетилпропилизобутилметанът може да бъде написан и препоръчан да бъде написан така: метил - етил - пропил - изобутил - метан.

В наименованието, разделено на съставни части, структурата на съединението и неговата формула са по-ясно представени.

ЗАДАЧИ ЗА КОНТРОЛНИ РАБОТИ