Ознаки характерні структурних ізомерів. Структурні ізомери - це що

Лекції для студентів педіатричного факультету

Лекція2

Тема: Просторова будова органічних сполук

Ціль:знайомство з видами структурної та просторової ізомерії органічних сполук.

План:

Класифікація ізомерії.

Структурна ізомерія.

Просторова ізомерія

Оптична ізомерія

Перші спроби зрозуміти будову органічних молекул належать початку XIX в. Вперше явище ізомерії відкрив Й. Берцеліус, а А. М. Бутлеров у 1861 р. запропонував теорію хімічної будови органічних сполук, яка пояснила явище ізомерії.

Ізомерія – існування сполук з однаковим якісним та кількісним складом, але різною будовоюабо розташуванням їх у просторі, а самі речовини називаються ізомерами.

Класифікація ізомерів

Структурна

(Різний порядок з'єднання атомів)

Конфігурація

Конформ-

Структурна ізомерія.

Структурні ізомери – це ізомери, що мають однаковий якісний та кількісний склад, але відрізняються хімічною будовою.

Структурна ізомерія обумовлює різноманітність органічних сполук, зокрема алканів. Зі збільшенням числа атомів вуглецю в молекулахалканів швидко зростає кількість структурних ізомерів. Так, для гексану (З 6 Н 14) воно дорівнює 5, для нонану (З 9 Н 20) - 35.

Атоми вуглецю різняться за місцем становища ланцюга. Атом вуглецю, що стоїть на початку ланцюга, пов'язаний з одним атомом вуглецю і називається первинним.Атом вуглецю, пов'язаний із двома атомами вуглецю – вторинним, з трьома – третинним, з чотирма – четвертинним. У молекулах алканів з нерозгалуженим ланцюгом містяться тільки первинні та вторинні атоми вуглецю, а в молекулах алканів з розгалуженим ланцюгом і третинні та четвертинні.

Види структурної ізомерії.

Метаміри– сполуки, що належать до одного класу сполук, але мають різні радикали:

Н 3 С – Про – С 3 Н 7 – метилпропіловий ефір,

Н 5 З 2 - Про - З 2 Н 5 - діетиловий ефір

Міжкласова ізомерія.При тому самому якісному і кількісному складі молекул, будова речовин різне.

Наприклад: альдегіди ізомерні кетонів:

Алкіни – алкадієнам

Н 2 С = СН - СН = СН 2 бутадієн -1,3 НС = С - СН 2 - СН 3 - бутин-1

Структурна ізомерія обумовлює і різноманітність вуглеводневих радикалів. Ізомерія радикалів починається з пропану, для якого можливі два радикали. Якщо атом водню відібрати від первинного атома вуглецю, то вийде радикал пропил (н-пропіл). Якщо атом водню відібрати від вторинного атома вуглецю, то вийде радикал ізопропіл

-

ізопропіл

Просторова ізомерія (стереоізомерія)

Це існування ізомерів, що мають однаковий склад і порядок з'єднання атомів, але відрізняються характером розташування атомів або груп атомів у просторі один одного.

Цей вид ізомерії описали Л. Пастер (1848), Я. Вант-Гофф, Ле Бель (1874).

У реальних умовах сама молекула та її окремі частини (атоми, групи атомів) перебувають у стані коливально – обертального руху, і цей рух сильно змінює взаємне розташування атомів у молекулі. У цей час відбувається розтягнення хімічних зв'язків та зміна валентних кутів, і таким чином виникають різні конфігурації та конформації молекул.

Тому просторові ізомери поділяються на два види: конформаційні та конфігураційні.

Зміни – це порядок розташування атомів у просторі без урахування відмінностей, що виникають у результаті обертання навколо одинарних зв'язків.Ці ізомери існують у вигляді різних конформацій.

Конформації – дуже нестійкі динамічні форми однієї й тієї молекули, які у резцльтате обертання атомів чи груп атомів навколо одинарних зв'язків, у результаті атоми займають різне просторове становище. Кожна конформація молекули характеризується певною конфігурацією.

б-зв'язок допускає обертання навколо нього, тому одна молекула може мати безліч конформацій. З багатьох конформацій до уваги беруть лише шість, т.к. за мінімальний кут повороту вважають кут рівний 60 о, який називається торсіонним кутом.

Розрізняють: заслонену та загальмовану конформацію.

Заслонена конформація виникає в тому випадку, якщо однакові заступники розташовані на мінімальній відстані один від одного і між ними виникають сили взаємного відштовхування, і молекула повинна мати великий запас енергії, щоб зберегти цю конформацію. Ця конформація енергетично невигідна.

Загальмована конформація – виникає в тому випадку, якщо однакові заступники максимально віддалені один від одного і молекула має мінімальний запас енергії. Ця конформація енергетично вигідна.

П ервое з'єднання, якому відомо існування конформаційних ізомерів, є етан. Його будова у просторі зображується перспективною формулою чи формулою Ньюмена:

З 2 Н 6

заслінена загальмована

конформація конформація

Проекційні формули Ньюмена.

Найближчий до нас атом вуглецю позначають точкою у центрі кола, коло зображує віддалений атом вуглецю. Три зв'язку кожного атома зображують у вигляді ліній, що розходяться з центру кола – для ближнього атома вуглецю та малі – для віддаленого атома вуглецю.

У довгих вуглецевих ланцюгах обертання можливе навколо декількох С - З зв'язків. Тому весь ланцюг може набувати різноманітних геометричних форм. За рентгенографічними даними довгі ланцюги насичених вуглеводнів мають зигзагоподібну та клешнеподібну конформацію. Наприклад: пальмітинова (З 15 Н 31 СООН) та стеаринова (З 17 Н 35 СООН) кислоти в зигзагоподібних конформаціях входять до складу ліпідів клітинних мембран, а молекули моносахаридів у розчині приймають клешнеподібну конформацію.

Конформації циклічних сполук

Для циклічних сполук характерна кутова напруга, пов'язана з наявністю замкнутого циклу.

Якщо вважати цикли плоскими, то для багатьох із них валентні кути значно відхилятимуться від нормального. Напругу, викликану відхиленням валентних кутів між атомами вуглецю в циклі від нормального значення, називають кутовимабо байєрівським.

Наприклад, в циклогексані атоми вуглецю знаходяться в sp 3 - гібридному стані і відповідно валентний кут повинен дорівнювати 109 про 28 / . Якби атоми вуглецю лежали в одній площині, то плоскому циклі внутрішні валентні кути дорівнювали б 120 про, проте атоми водню перебували в заслоненной конформації. Але циклогексан не може бути плоским через наявність сильних кутових і торсійних напруг. У нього виникають менш напружені непогані конформації за рахунок часткового повороту навколо ϭ-зв'язків, серед яких стійкішими є конформації крісла і ванни.

Найбільш енергетично вигідною є конформація крісла, тому що в ній відсутні заслонені положення атомів водню та вуглецю. Розташування атомів Н у всіх атомів С таке саме, як у загальмованій конформації етану. У цій конформації всі атоми водню відкриті та доступні для реакцій.

Конформація ванни менш енергетично вигідна, так як у 2-х пар атомів С (С-2 і С-3), (С-5 і С-6), що лежать в основі, атоми Н знаходяться в заслоненій конформації, тому ця конформація має великим запасом енергії та нестійка.

З 6 Н 12 циклогексан

Форма "крісла" більш енергетично вигідна, ніж "ванна".

Оптична ізомерія.

Наприкінці XIX століття було виявлено, що багато органічних сполук здатні обертати площину поляризованого променя вліво та вправо. Т. е. світловий промінь, що падає на молекулу, вступає у взаємодію з її електронними оболонкамиПри цьому відбувається поляризація електронів, що призводить до зміни напрямку коливань в електричному полі. Якщо речовина обертає площину коливань за годинниковою стрілкою, її називають правообертальним(+), якщо проти годинникової стрілки – лівообертальним(-). Ці речовини було названо оптичними ізомерами. Оптично активні ізомери містять асиметричний атом вуглецю (хіральний) – це атом, що містить чотири різних замісники. Другою важливою умовою є відсутність усіх видів симетрії (осі, площини). До них відносяться багато окси- та амінокислоти.

Дослідження показали, що такі сполуки відрізняються порядком розташування замісників у атомів вуглецю sp 3 - гібридизації.

П найростішою сполукою є молочна кислота (2-гідроксипропанова)

Стереоізомери, молекули яких відносяться між собою як предмет і несумісне з ним дзеркальне відображення або як ліва права руканазиваються енантіомерами(оптичні ізомери, дзеркальні ізомери, антиподи, а явище називається енантіомерією.Усі хімічні та Фізичні властивостіенантіомер однакові, крім двох: обертання площини поляризованого світла (у приладі поляриметрі) та біологічна активність.

Абсолютну конфігурацію молекул визначають складними фізико-хімічними методами.

Відносну конфігурацію оптично активних сполук визначають шляхом порівняння зі стандартом гліцеринового альдегіду. Оптично активні речовини, що мають конфігурацію правообертаючого або лівообертаючого гліцеринового альдегіду (М. Розанов, 1906), називаються речовинами D-і L-ряду. Рівна суміш право- і лівообертальних ізомерів однієї сполуки називається рацематом і оптично неактивна.

Дослідження показали, що знак обертання світла не можна пов'язувати з належністю речовини до D- та L-рядів, його визначають лише експериментально у приладах – поляриметрах. Наприклад, L-молочна к-та має кут обертання +3,8 о, D-молочна к-та - 3,8 о.

Енантіомери зображують за допомогою формул Фішера.

Вуглецевий ланцюг зображується вертикальною лінією.

Угорі ставиться старша функціональна група, внизу молодша.

Ассиметричний атом вуглецю зображується горизонтальною лінією, кінцях якої стоять заступники.

Кількість ізомерів визначаються за формулою 2 n n - число асиметричних атомів вуглецю.

L-ряд D-ряд

Серед енантіомерів можуть бути симетричні молекули, що не мають оптичної активності, і називаються мезоізомерами.

Рацемат – виноградна к-та

Оптичні ізомери, що не є дзеркальними ізомерами, відрізняються конфігурацією кількох, але не всіх асиметричних атомів С, що володіють різними фізичними та хімічними св-вами, наз-ся - ді-а-стереоізомерами.

-Діастереомери (геометричні ізомери) – це стереоміри, що мають у молекулі -зв'язок. Вони зустрічаються у алкенів, ненасичених вищих карбонових до-т, ненасичених дикарбонових до-т. Наприклад:

Ціс-бутен-2 Транс-бутен-2

Біологічна активність органічних речей пов'язана з їх будовою. Наприклад:

Цис-бутендіова до-та, Транс-бутендіова до-та,

малеїнова к-та - фумарова к-та - не отруйна,

дуже отруйна міститься в організмі

Усі природні ненасичені вищі карбонові к-ти є цис-ізомерами.

У цій статті ми поговоримо про структурні ізомери, особливості їх будови та види ізомерії. Докладно розберемо саме явище ізомерії, а також буде надано приклади використання їх у житті.

Явище ізомерії

Ізомерія - особливе явище, що зумовлює існування хім. сполук, тих самих - ізомерів, речовин з ідентичними складами атомів і молекулярними масами, що мають відмінність лише в атомному розташуванніу просторі або за їх будовою, що веде до зміни та придбання ними різних нових властивостей. Структурні ізомери - це речовини, що утворилися внаслідок подібної зміни положення своїх атомів у просторі, які будуть детальніше розглянуті нижче.

Говорячи про ізомерію, варто пам'ятати про існування такого процесу, як ізомеризація, який є процесом переходу одного ізомеру в інший в результаті хім. перетворень.

Види ізомерії

Ізомерія валентності - це вид структури ізомерів, в якому переведення самих ізомерів (одного в інший) можливе внаслідок перерозподілу валентних зв'язків.

Ізомерія положення є типом речовин з ідентичним вуглецевим скелетом, але різним положенням функціональних груп. Яскравим прикладом служить 2- та 4-кислоти хлорбутану.

Міжкласова ізомерія таїть свою відмінність між ізомерами у характері функціональних груп.

Метамерія – це розподіл положення атомів вуглецю між певною кількістю радикалів вуглецю, гетероатом молекули служить роздільником. Такий вид ізомерії притаманний амінів, тіоспиртів, ефірів як простих, і складних.

Ізомерія вуглецевого скелета – це відмінність положення атомів вуглецю, а точніше їх порядку. Наприклад: фенантрен та антрацен мають загальну формулуС14Н10, але різний типперерозподіл зв'язків валентності.

Структурні ізомери

Структурні ізомери - це речовини, що мають подібну формулу структури речовини, але відрізняються за формулою молекули. Структурні ізомери - це які ідентичні один одному за кількісним і якісному складуАле порядок атомного зв'язування (хімічної будови) має відмінності.

Структурні ізомери класифікуються за типом ізометричної структури, види якої наведені вище, у пункті про види ізомерії.

Структурна формула ізомеру речовини має широкий спектр видозмін. Деякими прикладами ізомерії можуть бути такі речовини, як бутанова кислота, 2-метилпропанова кислота, метил пропіонату, діоксан, етил ацетат, ізопропіловий форміат мають однаковий склад усіх трьох типів атомів у складі речовини, але розрізняються за становищем атомів у самому з'єднанні.

Ще один яскравий прикладізомерії - це існування пентану, неопентану та ізопентану.

Найменування ізомерів

Як згадувалося раніше, структурні ізомери - це речовини, що мають подібну формулу структури речовини, але відрізняються за формулою молекули. Такі сполуки мають класифікацію, яка відповідає особливостям їх властивостей, будови та положення атомів у молекулі ізомеру, відмінності у кількості функціональних груп, валентних зв'язках, наявності атомів. певного елементау речовині тощо. Назви структурних ізомерів отримують у різний спосіб. Розглянемо це з прикладу 3-метилбутанола 1, як представника спиртів.

У випадку зі спиртами при отриманні назви спиртів все починається з вибору ланцюга вуглецю, який є головним, проводять нумерацію, мета якої - це присвоєння групі найменшого, можливого номера, з урахуванням порядку. Сама назва починають складати із заступника в ланцюзі вуглеців, потім слідує назва головного ланцюга, а потім додається суфікс -ол, а цифрою вказується вуглецевий атом, пов'язаний з групою ВІН.

Зміст статті

ІЗОМЕРІЯ(грец. isos – однаковий, meros – частина) – одне з найважливіших понятьу хімії, головним чином, в органічній. Речовини можуть мати однаковий склад та молекулярну масу, але різна будоваі з'єднання, що містять у своєму складі одні і ті ж елементи в однаковій кількості, але відрізняються просторовим розташуванням атомів або груп атомів називають ізомерами. Ізомерія є однією з причин того, що органічні сполуки такі численні та різноманітні.

Ізомерія була вперше виявлена ​​Ю.Лібіхом в 1823, який встановив, що срібні солі гримучої та ізоціанової кислот: Ag-O-N=C та Ag-N=C=O мають однаковий склад, але різні властивості. Термін «Ізомерія» в 1830 ввів І. Берцеліус, який припустив, що відмінності у властивостях сполук однакового складу виникають через те, що атоми в молекулі розташовані в неоднаковому порядку. Уявлення про ізомерію остаточно сформувалися після створення A.M.Бутлеровим теорії хімічної будови (1860-ті). Грунтуючись на положеннях цієї теорії, він припустив, що має існувати чотири різні бутаноли (рис. 1). До моменту створення теорії був відомий лише один бутанол (СН 3) 2 СНСН 2 ОН, що отримується з рослинної сировини.

Мал. 1. Ізоміри бутанолу

Потім синтез всіх ізомерів бутанолу і визначення їх властивостей стали переконливим підтвердженням теорії.

Згідно сучасного визначеннядві сполуки однакового складу вважають ізомерами, якщо їх молекули не можна поєднати у просторі так, щоб вони повністю збігалися. Поєднання, як правило, роблять подумки, складних випадкахвикористовують просторові моделі, чи розрахункові методи.

Є кілька причин виникнення ізомерії.

СТРУКТУРНА ІЗОМЕРІЯ

Зумовлена, як правило, відмінностями у будові вуглеводневого скелета або різним розташуванням функціональних груп або кратних зв'язків.

Ізомерія вуглеводневого скелета.

Насичені вуглеводні, що містять від одного до трьох атомів вуглецю (метан, етан, пропан) не мають ізомерів. Для з'єднання з чотирма атомами вуглецю С 4 Н 10 (бутан) можливе існування двох ізомерів, для пентану С 5 Н 12 – трьох ізомерів, для гексану С 6 Н 14 – п'яти (рис.2):

Мал. 2. Ізомери найпростіших вуглеводнів

Зі збільшенням числа атомів вуглецю в молекулі вуглеводню кількість можливих ізомерів різко зростає. Для гептану З 7 Н 16 існує дев'ять ізомерів, для вуглеводню З 14 Н 30 - 1885 ізомерів, для вуглеводню З 20 Н 42 - понад 366 000.

У складних випадках питання про те, чи є дві сполуки ізомерами, вирішують, використовуючи різні повороти навколо валентних зв'язків (прості зв'язки це припускають, що певною мірою відповідає їх фізичним властивостям). Після переміщення окремих фрагментів молекули (не допускаючи розриву зв'язків) накладають одну молекулу на іншу (рис. 3). Якщо дві молекули повністю збігаються, то це не ізомери, а те саме з'єднання:

Ізомери, що відрізняються структурою скелета, зазвичай мають різні фізичні властивості (температура плавлення, температура кипіння тощо), що дозволяє відокремити один від одного. Ізомерія такого типу існує і у ароматичних вуглеводнів (рис. 4):

Мал. 4. Ароматичні ізомери

Ізомерія положення.

Інший вид структурної ізомерії – ізомерія становища виникає у тому випадку, коли функціональні групи, окремі гетероатоми чи кратні зв'язку перебувають у різних місцях вуглеводневого скелета. Структурні ізомери можуть належати до різним класаморганічних сполук, тому можуть відрізнятися як фізичними, а й хімічними властивостями. На рис. 5 показано три ізомери для з'єднання С 3 Н 8 Про, два з них - спирти, а третє - простий ефір

Мал. 5. Ізоміри положення

Нерідко відмінності у будові ізомерів положення настільки очевидні, що не потрібно навіть подумки поєднувати їх у просторі, наприклад, ізомери бутену або дихлорбензолу (рис. 6):

Мал. 6. Ізомери бутену та дихлорбензолу

Іноді структурні ізомери поєднують ознаки ізомерії вуглеводневого скелета та ізомерії положення (рис. 7).

Мал. 7. Поєднання двох видів структурної ізомерії

У питаннях ізомерії теоретичні розгляди та експеримент взаємопов'язані. Якщо розгляди показують, що ізомерів не може бути, то експерименти повинні показувати те саме. Якщо обчислення вказують на певна кількістьізомерів, то їх може бути отримано стільки ж, або менше, але не більше - не всі теоретично розраховані ізомери можуть бути отримані, оскільки міжатомні відстані або валентні кути в ізомері можуть виходити за межі допустимого. Для речовини, що містить шість груп СН (наприклад, бензол), теоретично можливо 6 ізомерів (рис. 8).

Мал. 8. Ізоміри бензолу

Перші п'ять із показаних ізомерів існують (другий, третій, четвертий і п'ятий ізомери були отримані майже через 100 років, після того, як було встановлено будову бензолу). Останній ізомер, швидше за все, ніколи не буде отримано. Представлений у вигляді шестикутника, він найменш ймовірний, його деформації призводять до структур у формі скошеної призми, трипроменевої зірки, незавершеної піраміди та здвоєної піраміди (незавершеного октаедру). Кожен з цих варіантів містить або дуже різняться за величиною зв'язку С-С, або сильно спотворені валентні кути (рис. 9):

Хімічні перетворення, у яких структурні ізомери перетворюються, друг на друга, називають изомеризацией.

Стереоізомерія

виникає завдяки різному розташуванню атомів у просторі за однакового порядку зв'язків з-поміж них.

Один із видів стереоізомерії цис-транс-ізомерію (цис – лат. по одну строну, транс - лат. через, по різні сторони) спостерігається у з'єднаннях, що містять кратні зв'язки або плоскі цикли. На відміну від простого зв'язку, кратний зв'язок не дозволяє обертати навколо неї окремі фрагменти молекули. Щоб визначити тип ізомеру, через подвійний зв'язок подумки проводять площину і далі аналізують те, як розміщуються заступники щодо цієї площини. Якщо однакові групи знаходяться з одного боку площини, це цис-ізомер, якщо з різних боків – транс-ізомер:

Фізичні та Хімічні властивості цис- І транс-ізомерів іноді помітно відрізняються, в малеїновій кислоті карбоксильні групи -СООН просторово близькі, вони можуть реагувати (рис. 11), утворюючи ангідрид малеїнової кислоти (для фумарової кислоти така реакція не йде):

Мал. 11. Утворення ангідриду малеїнової кислоти

У разі плоских циклічних молекул проводити подумки площину не потрібно, оскільки вона вже задана формою молекули, як, наприклад, циклічних силоксанах (рис. 12):

Мал. 12. Ізоміри циклосилоксану

У комплексних з'єднаннях металів цис-ізомером називають з'єднання, у якого дві однакові групи, з тих, що оточують метал, знаходяться поруч, транс-ізомер, вони розділені іншими групами (рис. 13):

Мал. 13. Ізоміри комплексу кобальту

Другий вид стереоізомерії – оптична ізомерія виникає у тих випадках, коли два ізомери, (відповідно до визначення, сформульованого раніше, дві молекули, що не поєднуються в просторі) являють собою дзеркальне відображенняодин одного. Таку властивість мають молекули, які можуть бути представлені у вигляді одиночного атома вуглецю, що має чотири різних заступники. Валентності центрального атома вуглецю, пов'язаного з чотирма заступниками, спрямовані до вершин уявного тетраедра – правильного чотиригранника ( див.ОРБІТАЛЬ) та жорстко закріплені. Чотири неоднакові заступники зображені на рис. 14 у вигляді чотирьох кульок з різним забарвленням:

Мал. 14. Атом вуглецю з чотирма різними заступниками

Щоб виявити можлива освітаоптичного ізомеру потрібно (рис. 15) відобразити молекулу в дзеркалі, потім дзеркальне зображення слід взяти як реальну молекулу, помістити під вихідною таким чином, щоб їх вертикальні осі збіглися, і повернути другу молекулу навколо вертикальної осітак, щоб червона куля верхньої та нижньої молекули знаходилися один під одним. В результаті збігається положення лише двох куль, бежевого та червоного (відзначено здвоєними стрілками). Якщо повернути нижню молекулу таким чином, щоб поєдналися сині кулі, то знову збігається положення лише двох куль – бежевого та синього (також відзначено здвоєними стрілками). Все стає очевидним, якщо ці дві молекули подумки поєднати в просторі, вкладаючи одну в іншу, як ніж у піхви, червона і зелена куля не збігаються:

При будь-якій взаємній орієнтації у просторі двох таких молекул не можна досягти повного збігу при поєднанні, згідно з визначенням, це ізомери. Важливо, що й у центрального атома вуглецю не чотири, лише три розрізняються заступника (тобто, з них однакові), то при відображенні в дзеркалі такої молекули оптичний ізомер не утворюється, оскільки молекулу та її відбиток можна поєднати у просторі (рис 16):

Окрім вуглецю, в ролі асиметричних центрів можуть виступати інші атоми, у яких ковалентні зв'язкиспрямовані до кутів тетраедра, наприклад кремній, олово, фосфор.

Оптична ізомерія виникає у разі асиметричного атома, вона також реалізується у деяких каркасних молекулах за наявності певної кількостірізних заступників. Наприклад, каркасний вуглеводень адамантан, що має чотири різних замісники (рис. 17), може мати оптичний ізомер, при цьому вся молекула грає роль асиметричного центру, що стає очевидним, якщо каркас адамантану подумки стягнути в крапку. Аналогічно силоксан, що має кубічну структуру (рис. 17), також стає оптично активним у разі чотирьох різних заступників:

Мал. 17. Оптично активні каркасні молекули

Можливі варіанти, коли молекула не містить асиметричного центру навіть у прихованому вигляді, але може бути сама загалом несиметрична, при цьому також можливі оптичні ізомери. Наприклад, в комплексному з'єднанніберилію два циклічних фрагменти розташовані у взаємоперпендикулярних площинах, у такому разі достатньо двох різних замісників для отримання оптичного ізомеру (рис. 18). Для молекули ферроцена, що має форму п'ятигранної призми, для тієї ж мети потрібно три заступники, атом водню в цьому випадку відіграє роль одного із заступників (рис. 18):

Мал. 18. Оптична ізомерія несиметричних молекул

В більшості випадків структурна формулаз'єднання дозволяє зрозуміти, що саме слід у ній змінити, щоб зробити речовину оптично активною.

При синтезах оптично активних стереоізомерів зазвичай отримують суміш право-і лівообертаючих сполук. Розподіл ізомерів проводять шляхом взаємодії суміші ізомерів із реагентами (частіше природного походження), що містять асиметричний реакційний центр. Деякі живі організми, у тому числі бактерії, переважно засвоюють лівообертаючі ізомери.

В даний час розроблені процеси (звані асиметричним синтезом), що дозволяють цілеспрямовано одержувати певний оптичний ізомер.

Існують реакції, що дозволяють перетворити оптичний ізомер на його антипод ( см. ВАЛЬДЕНІВСЬКИЙ ЗВЕРНЕННЯ).

Михайло Левицький

Це видання адресоване учням 10–11-х класів та абітурієнтам, які складають іспит з хімії у формі ЄДІ. Тренувальні завдання дозволять систематично, під час проходження теми, готуватися до іспиту.
У робочого зошитапредставлені:
завдання частин А, В та С по всьому тем ЄДІ;
відповіді до всіх завдань.
Книга буде корисна вчителям хімії, тому що дає можливість ефективно організувати підготовку учнів до єдиному екзаменубезпосередньо під час уроків, у процесі вивчення всіх тем.

приклади.
Для граничних вуглеводнів характерні реакції
1) заміщення
2) приєднання
3) дегідрування
4) дегідратизації
5) ізомеризації
6) полімеризації

Виберіть ознаки, характерні для структурних ізомерів.
A) різні хімічні властивості
Б) подібні хімічні властивості
B) різна будова
Г) однакову будову
Е) однаковий кількісний склад
Ж) різні фізичні властивості
3) однакові фізичні властивості

Виберіть ознаки, характерні для гомологів.
A) однакові фізичні властивості
Б) різні фізичні властивості
B) однакові та різні хімічні властивості
Г) однаковий кількісний склад
Д) різний кількісний склад
Е) однакову будову
Ж) подібна будова
3) різна будова

ЗМІСТ
ВСТУП 3
ТРЕНУВАЛЬНІ ЗАВДАННЯ ЗА ТЕМАМИ. 10-й КЛАС 5
Тема 1. Основні положення та напрямки розвитку теорії хімічної будови органічних речовинА.М. Бутлерова. Граничні вуглеводні 5
Тема 2. Ненасичені вуглеводні 10
Тема 3 Ароматичні вуглеводні 14
Тема 4. Природні джерелавуглеводнів. Спирти. Феноли 18
Тема 5. Альдегіди та карбонові кислоти 23
Тема 6 Складні ефіри. Жири. Вуглеводи 28
Тема 7. Аміни. Амінокислоти 33
Тема 8. Білки. амінокислоти. Високомолекулярні сполуки 37
ТРЕНУВАЛЬНІ ЗАВДАННЯ ЗА ТЕМАМИ. 11-й КЛАС 41
Тема 1. Періодичний законі періодична система хімічних елементівД.І. Менделєєва. Будова атомів 41
Тема 2. Будова речовини (типи хімічного зв'язку, типи кристалічних ґрат, ступеня окислення) 46
Тема 3. Різноманітність неорганічних речовин, їх класи та властивості. Алотропія 50
Тема 4. Електролітична дисоціаціясолей, кислот, лугів. Реакція іонного обміну. Гідроліз солей 55
5. Типи хімічних реакцій. Окисно-відновні реакції. Поняття про швидкість хімічної реакції. Оборотні реакції 59
Тема 6. Метали. Способи одержання металів. Електроліз 64
Тема 7. Неметали 69
ВІДПОВІДІ НА ТРЕНУВАЛЬНІ ЗАВДАННЯ ЗА ТЕМАМИ. 10-й КЛАС 73
ВІДПОВІДІ НА ТРЕНУВАЛЬНІ ЗАВДАННЯ ЗА ТЕМАМИ. 11-й КЛАС 83
ЛІТЕРАТУРА 94.

Безкоштовно завантажити електронну книгуу зручному форматі, дивитися та читати:
Скачати книгу ЄДІ 2013, Хімія, Тематичні тренувальні завдання, Соколова І.А., 2012 - fileskachat.com, швидке та безкоштовне скачування.

Завантажити pdf
Нижче можна купити цю книгу за найкращою ціною зі знижкою з доставкою по всій Росії.

І грецький μέρος - частка, частина), явище, що полягає у існуванні хімічних сполукоднакових за складом з однаковою молекулярною масою, але різняться структурою. Такі сполуки називають ізомерами. Структурні відмінності зумовлюють різне взаємний впливатомів у молекулах і визначають різні фізичні та хімічні властивості ізомерів. Ізомерія надзвичайно поширена в органічній хімії і є однією з основних причин різноманітності та численності органічних сполук. У неорганічної хіміїІзомерія зустрічається в основному для комплексних сполук.

Термін «ізомерія» ввів Й. Берцеліус в 1830 році, завершуючи полеміку між Ю. Лібіхом і Ф. Велером з питання існування двох речовин, що різко відрізняються за властивостями, що мають один і той же склад AgCNO, - ціанату і фульмінату срібла і спираючись на результати досліджень винної та виноградної кислот. Сутність ізомерії було пояснено пізніше на основі теорії хімічної будови.

Виділяють два основні види ізомерії: структурну та просторову (стереоізомерію). Структурні ізомери відрізняються порядком зв'язків атомів у молекулі, тобто хімічною будовою. Стереоізомери (просторові ізомери) при однаковому порядку зв'язків атомів у молекулі різняться взаємним розташуванняматомів у просторі.

Структурна ізомерія поділяється на ізомерію вуглецевого скелета (скелетну ізомерію), ізомерію положення (позиційну ізомерію), метамерію та інші види. Ізомерія вуглецевого скелета обумовлена різним порядкомзв'язків вуглецевих атомів, що утворюють скелет молекули Для конкретизації структурних особливостейізомерів скелетна ізомерія підрозділяється на ізомерію вуглецевого ланцюга, ізомерію циклу та ізомерію бічного ланцюга. Наприклад, ізомерія вуглецевого ланцюга характерна для алканів починаючи з четвертого члена гомологічного рядуЗ 4 Н 10 який має два структурні ізомери: н-бутан СН 3 -СН 2 -СН 2 -СН 3 і ізобутан (2-метилпропан) СН 3 -СН(СН 3)-СН 3 . П'ятий член ряду алканів С 5 Н 12 має три ізомери: СН 3 -СН 2 -СН 2 -СН 2 -СН 3 - н-пентан, СН 3 -СН(СН 3)-СН 2 -СН 3 - ізопентан (2- метилбутан) і неопентан (2,2-диметилпропан) СН 3 -С(СН 3) 2 -СН 3 . З подовженням ланцюга кількість можливих ізомерів швидко зростає. Так, для алканів складу 10 Н 22 можливе існування 75 структурних ізомерів, для 13 Н 28 - 802 ізомерів, для 20 Н 42 - більше 366 тисяч ізомерів. Для аліциклічних сполук характерні ізомерія циклу та ізомерія бічного ланцюга. Наприклад, серед скелетних ізомерів (формули I-IV) метилциклопентан (I), циклогексан (II) та пропілциклопропан (III) є циклічними ізомерами, а пропілциклопропан (III) та ізопропілциклопропан (IV) - ізомерами бічного ланцюга. Відмінності у властивостях скелетних ізомерів виявляються в різниці їх температур кипіння (ізомери з нормальним вуглецевим ланцюгом киплять при більш високій температурі, ніж ізомери з розгалуженим ланцюгом), щільності та ін. н-Алкани, наприклад, на відміну від розгалужених ізомерів мають меншу детонаційну стійкість (дивись у статті Октанове число), утворюють комплекси з сечовиною (клатрати).

Ізомерія положення обумовлена ​​різним становищем функціональних груп, заступників чи кратних зв'язків. Наприклад, ізомерами положення є 1-пропанол СН 3 -СН 2 -СН 2 ВІН і 2-пропанол СН 3 -СН(ОН)-СН 3 , 1-бутен СН 2 =СН-СН 2 -СН 3 і 2-бутен СН 3 -СН = СН-СН 3 . Зміна положення функціональної групи може призвести до зміни класу з'єднання. Наприклад, ізомери положення ацетон СН 3 -С(О)-СН 3 і пропаналь СН 3 -СН 2 -СНО відносяться відповідно до кетонів та альдегідів. Структурні ізомери з різними функціональними групамисильно розрізняються за хімічними властивостями.

Метамерія обумовлена ​​різним положенням гетероатома (О, N, S) у ланцюзі. Наприклад, метамерами є метилпропіловий ефір СН 3 О-СН 2 -СН 2 -СН 3 і діетиловий ефір СН 3 -СН 2 -О-СН 2 -СН 3 діетиламін СН 3 -СН 2 -NH-СН 2 -СН 3 і СН 3 -NH-СН 2 -СН 2 -СН 3 - метилпропіламін.

Часто розбіжності в ізомерах визначають кілька структурних ознак. Наприклад, метилізопропілкетон (3-метил-2-бутанон) СН 3 -С(О)-СН(СН 3) 2 і валеріановий альдегід (пентаналь) СН 3 -СН 2 -СН 2 -СН 2 -СНО відрізняються один від одного як структурою вуглецевого скелета, і становищем функціональної групи.

Особливим видом структурної ізомерії є таутомерія (рівноважна динамічна ізомерія). В цьому випадку ізомери, що відрізняються функціональними групами, легко переходять одна в одну до досягнення рівноваги, при якому речовина одночасно містить молекули таутомерів у певному співвідношенні.

Просторова ізомерія поділяється на геометричну (цис, транс і син, анти-ізомерію, або Е, Z-ізомерію) та оптичну (енантіомерію). Геометрична ізомерія характерна для сполук, що містять подвійні зв'язки або неароматичні цикли, що є структурно твердими фрагментами молекул. У цис-ізомерів два замісники розташовані по одну сторону площини подвійного зв'язку або циклу, у транс-ізомерів - по різні боки. Наприклад, геометричними ізомерами є цис-2-бутен (формула V) і транс-2-бутен (VI), цис-1, 2-дихлорциклопропан (VII) і транс-1,2-дихлорциклопропан (VIII).

Характерними відмінностями між цисі транс-ізомерами є більш низька температураплавлення цис-ізомерів, значно краща розчинність у воді та явно виражений дипольний момент. Трансізомери зазвичай більш стабільні. Дивись, наприклад, у статті Малеїнова та фумарова кислоти.

Геометричну ізомерію, що спостерігається для з'єднань з подвійними зв'язками С=N (оксими) і N=N (азо-, азоксисполуки), часто називають син,анти-ізомерія. Наприклад, геометричними ізомерами є антибензальдоксим (формула IX) і синбензальдоксим (Х); син-азобензол (XI) та анти-азобензол (XII).

У загальному випадкувикористовується Е,Z-номенклатура. У Z-ізомерів старші заступники (що мають більший атомний номер) розташовані по одну сторону подвійного зв'язку або циклу, у Е-ізомерів - по різні боки. Наприклад, геометричними ізомерами є (Z)-1-бром1-іод-2-хлоретилен (формула XIII) та (Е)-1-бром-1-іод-2-хлоретилен (XIV).

Оптична ізомерія характерна для сполук, молекули яких мають елементи хіральності, наприклад, асиметричний (хіральний) атом вуглецю, пов'язаний з чотирма замісниками. Вперше виявлена ​​Л. Пастером у 1848 р. на прикладі винних кислот і пояснена Я. Х. Вант-Гоффом та Ж. А. Ле Белем у 1874 р. на основі уявлень про тетраедричну конфігурацію вуглецевих атомів у насичених сполуках. Молекули, що містять асиметричний атом вуглецю, можуть бути представлені у вигляді двох оптичних ізомерів, які не можуть бути поєднані в просторі (тобто ставляться один до одного як предмет до свого дзеркального зображення). Такі дзеркальні ізомери, що відрізняються лише протилежним розташуванням тих самих заступників у хірального центру, називаються енантіомерами (від грецького έναντίος - протилежний і μέρος - частина). Наприклад, енантіомери молочної кислоти (XV і XVI) можна подати в тривимірному зображенніабо у вигляді формул Фішера (дивись у статті Хімічна номенклатура).

Енантіомери мають різну біологічну активність; їм характерна також оптична активність - здатність впливати на плоскополяризоване світло (обертати площину поляризації). Енантіомери обертають площину поляризації на той самий кут, але в протилежному напрямкутому їх називають оптичними антиподами.

Тривалий час конфігурацію енантіомерів визначали щодо конфігурації відомого стандарту, яким служили енантіомер гліцеринового альдегіду (D, L-стеричні ряди). Більш універсальною є R, S-номенклатура (запропонована Р. Каном, К. Інгольдом та В. Прелогом), що встановлює абсолютну конфігурацію просторових ізомерів. Відповідно до правил R, S-номенклатури енантіомери молочної кислоти (XV, XVI) є відповідно (R)-молочною та (S)-молочною кислотами. Правил перекладу D, L-номенклатури в R, S-систему немає, оскільки у цих номенклатурах використовуються різні принципи. Не встановлено також зв'язок між абсолютною конфігурацією та параметрами оптичного обертання.

Для сполук, що мають n хіральних центрів у молекулі, кількість можливих стереоізомерів становить 2". Однак при n ≥2 існують стереоізомери, які відрізняються один від одного частиною наявних в них елементів хіральності. Такі стереоізомери, що не є енантіомерами, називають діа ... - через, між, стерео... і μέρος - частина) Наприклад, для хлорябкової кислоти, що має два асиметричні атоми вуглецю, існують чотири стереоізомери (формули XVII-XX), серед яких пари XVII і XVIII, а також XIX і XX є енантіомерами, решта пар (XVII і XIX, XVII і XX, XVIII і XIX, XVIII і XX) - діастереомери.

З появою додаткових елементівсиметрії (площини, осі чи центру симетрії) загальне числостереоізомерів, а також кількість оптично активних формможе зменшуватись. Наприклад, винні кислоти мають три стереоізомери, з них два оптично активні: D-винна кислота, або (2R,3R)-винна кислота (формула XXI), і L-винна кислота, або (2S,3S)-винна кислота (XXII ), які є енантіомерами. Їх діастереомер - мезовинна кислота, або (2R,3S)-винна кислота (формула XXIII або ідентична конфігурація XXIV), внаслідок наявності площини симетрії (позначена пунктиром) оптично недіяльна - є так званим внутрішньомолекулярним рацематом.

Процес взаємоперетворення енантіомерів називається рацемізацією. Суміш рівних кількостей оптичних антиподів - рацемічна суміш, або рацемат, не має оптичної активності. Стереоізомерії приділяється велика увага щодо природних сполук і синтезі біологічно активних речовин. Речовинам природного походження, що містить елементи хіральності, властива певна стереоконфігурація, а також оптична активність. При формуванні хірального центру в умовах хімічного синтезу(за винятком асиметричного синтезу) утворюється рацемат; для виділення енантіомерів потрібне застосування складних методівподілу рацемату на оптично активні компоненти.

Внаслідок внутрішнього обертання молекул виникають конформаційні ізомери, або конформери, що відрізняються ступенем повороту фрагментів молекули щодо однієї або кількох простих зв'язків. У деяких випадках можна виділити окремі конформери, іноді звані поворотними ізомерами. Для вивчення освіти, відмінності у властивостях та реакційної здатності конформерів використовується конформаційний аналіз.

Ізомери можуть перетворюватися один на одного внаслідок реакцій ізомеризації.

Літ.: Потапов В. М. Стереохімія. 2-ге вид. М., 1988; Травень Ст Ф. Органічна хімія. М., 2004. Т. 1.