Изомерия органических соединений

⇐ ПредыдущаяСтр 5 из 5

Прежде всего, необходимо дать определение понятия изомерии. Изомеры – вещества, имеющие один и тот же состав, но разное строение, а, следовательно, и разные свойства. Отметить, что для органических соединений существуют следующие типы изомерии:

I. Структурная изомерия, обусловленная различным взаимным расположением атомов в молекулах. При этом возможны следующие виды структурной изомерии:

1. Изометрия углеродного скелета.

Обусловлена различным порядком соединения атомов углерода в цепи. Привести несколько примеров.

Следует отметить, что атомы углерода в разветвленной цепи различаются типом соединения с другими углеродными атомами. Так, атом углерода, связанный только с одном другим углеродным атомом, называется первичным, с двумя другими атомами углерода – вторичным, с тремя – третичным, с четырьмя – четвертичным.

2. Изометрия положения кратных связей и функциональных групп.

Обусловлена различным положением кратных связей или функциональных групп при одной и той же углеродной цепи.

Привести примеры изомеров данного типа.

3. Изометрия порядка связанных атомов

Этот тип изомерии характерен для соединений, содержащих в цепи помимо углеродных атомов другие атомы, например O, N.

II. Пространственная изомерия (стереоизомерия).

Этот тип изомерии обусловлен различным пространственным расположением атомов при одинаковом порядке их связывания. Возможны следующие виды пространственной изомерии:

1. Конформационная изомерия.

Следует отметить, что атомы и группы атомов, связанные друг с другом σ -связью, постоянно вращаются относительно оси связи, занимая различное положение в пространстве друг относительно друга.

Молекулы, имеющие одинаковое строение и различающиеся пространственным расположением атомов в результате вращения вокруг С–С связей, называются конформерами.

Для изображения конформационных изомеров удобно пользоваться формулами – проекциями Ньюмена:

Явление конформационной изомерии можно рассмотреть и на примере циклоалканов. Так, для циклогексана характерны конформеры

2. Геометрическая изометрия (цис-, транс- изомерия).

Характерна для непредельных органических соединений, содержащих двойную связь. Так, например, молекула бутена-2 существует в виде двух геометрических изомеров:

Следует отметить, что, кроме алкенов, геометрическая изомерия характерна для алициклических соединений и обусловлена различным взаимным положением заместителей относительно плоскости цикла. Так, например, 1, 2-диметилциклопропан существует в виде цис- и транс- изомеров:

3. Оптическая изометрия

Следует обратить внимание на существование органических соединений, имеющих одинаковый состав, одинаковое строение и свойства, но по-разному относящихся к плоскополяризованному свету. Так, при пропускании через такие соединения луча поляризованного света происходит отклонение плоскости поляризации на определенный угол.

Соединения, которые вращают плоскость поляризации, называют оптически активными. Изомер, вращающий плоскость поляризации света против часовой стрелки, называют левовращающим [ L(–)-форма ], а по часовой стрелке – правовращающим [ D(+)-форма ]. Такие изомеры называются оптическими, или з еркальными изомерами (оптическими антиподами, энантиомерами).

Оптическая изомерия обусловлена наличием асимметрического атома углерода С^*, связанного с четырьмя различными заместителями.

Привести примеры оптических изомеров. Так, например, оптические изомеры молочной кислоты отличаются друг от друга как предмет от своего зеркального изображения.

Молекулы, которые нельзя совместить в пространстве и которые относятся друг к другу как предмет к своему зеркальному изображению, называют хиральными (от греческого «хейрос» – рука), а явление существования таких веществ называется хиральностью.

Смесь равных количеств L- и D-форм называется рацематической смесью. Рацематическая смесь оптически неактивна, т.к. действие одного антипода компенсируется действием другого.

Номенклатура органических соединений

Каждое органическое вещество имеет свое название. В настоящее время существует несколько способов наименования (номенклатур) органических соединений:

исторически сложившиеся (тривиальные) названия;
рациональная номенклатура;
систематическая номенклатура.

Тривиальные названия давали по случайным признакам, и зачастую они отражали происхождение веществ (муравьиная, яблочная, щавелевая, винная кислоты), способ получения (пировиноградная кислота), или носили имя химика, выделившего или синтезировавшего их. Следует отметить, что эти названия никак не отражали структуру органического соединения, однако их используют и в настоящее время, особенно в случае распространенных, часто используемых соединений.

Пространственная изомерия. Конфигурация и конформация

Термины «конфигурация» и «конформация» имеют разный смысл

Прежде всего мы должны точно определить, что означают два термина, часто используемые при обсуждении пространственной структуры молекул: конфигурация и конформация. Эти слова - не синонимы. Под конфигурацией подразумевают пространственную организацию органической молекулы, определяемую наличием в ней 1) двойных связей, вокруг которых свободное вращение невозможно, и 2) хиральных центров с расположенными вокруг них в определенной последовательности замещающими группами. На рис. 7-1 показана конфигурация фумаровой кислоты — одного из промежуточных соединений углеводного обмена - и конфигурация ее изомера - малеиновой кислоты, встречающейся в некоторых растениях. Эти соединения представляют собой геометрические, или цистрансизомеры; они различаются расположением замещающих групп относительно двойной связи. Фумаровая кислота - это трансизомер, а малеиновая кислота - цисизомер; и в том и в другом случае мы имеем дело со строго определенным соединением, которое можно получить в чистом виде.

Рис. 1. Конфигурация стереоизомеров. Такие изомеры нельзя превратить один в другой без разрыва ковалентных связей.

На рис. 1 изображены также L- и D-изомеры аланина (см. рис. 3-8 и 5-4), в которых замещающие группы имеют две различные конфигурации относительно хирального центра. Отличительным признаком конфигурационных изомеров является то, что их нельзя превратить один в другой без разрыва одной или большего числа ковалентных связей.

Термин конформация используют для описания пространственного расположения в органической молекуле замещающих групп, способных свободно изменять свое положение в пространстве без разрыва каких бы то ни было связей благодаря свободному вращению вокруг одинарных углерод-углеродных связей. Например, для простого углеводорода этана характерна полная свобода вращения вокруг одинарной С—С-связи. Поэтому молекула этана может принимать множество различных конформаций в зависимости от угла поворота одного атома углерода относительно другого; однако все эти конформации легко переходят одна в другую в результате вращения замещающих групп вокруг С—С-связи. Заторможенная конформация этана (рис. 7-2) более устойчива по сравнению со всеми остальными и поэтому встречается чаще других, тогда как заслоненная конформация наименее устойчива. Ни одну из этих двух конформационных форм этана невозможно выделить в чистом виде, так как между ними существует равновесие и они свободно переходят одна в другую. Однако, как можно предположить, исходя из моделей, представленных на рис. 7-2, если в молекуле этана один или большее число атомов водорода, связанных с двумя атомами углерода, заменить на более крупные или электрически заряженные функциональные группы, то свобода вращения вокруг одинарной С—С-связи окажется сильно ограниченной, что существенно уменьшит число возможных конформаций молекулы этана.

Ассимметрический атом углерода как центр хиральности. Стереоизомерия молекул с одним центром хиральности. Оптическая активность.

Хиральный центр - это атом в молекуле, замещенный таким образом, что он становится несовместимым со своим зеркальным отражением. Атом углерода является центром хиральности только в том случае, когда имеет четыре различных заместителя.

Асимметрический атом — атом многовалентного элемента (напр., углерода, азота), к которому присоединены неодинаковые атомные группы или атомы других элементов.

В этих соединениях атомы углерода, помеченные звёздочкой, являются асимметрическими.

Асимметрический атом отмечают звёздочкой. Наличие асимметрического атома в молекуле обусловливает её оптическую активность. Асимметрическими могут быть атомы элементов, напр. Si, N, Р, As. Роль одного из заместителей может играть своб. электронная пара, напр. у атома Р в фосфинах (II). Наличие асимметрических атомов в молекуле - наиболее частая причина её хиральности, а следовательно, и оптической активности. Молекулы, в которых содержатся асимметрические атомы в количестве n, могут существовать в виде 2n пространств, изомеров, молекулы с одним асимметричным атомом - в виде пары оптических изомеров - энантиомеров.

Хиральность (др.-греч. χ ε ι ρ — рука) — свойство молекулы не совмещаться в пространстве со своим зеркальным отражением^[1]. Термин основан на древнегреческом названии наиболее узнаваемого хирального предмета — руки. Так, левая и правая руки являются зеркальными отражениями, но не могут быть совмещены друг с другом в пространстве. Подобным образом, свойством хиральности обладают молекулы, в которых отсутствуют зеркально-поворотные оси симметрии S_n, что эквивалентно наличию в молекуле элементов хиральности (центра, оси, плоскости хиральности и др.). Такие зеркально-симметричные формы химических соединений называются энантиомерами.

⇐ Предыдущая 1 2 3 45