Изомерия в химии - понятие, свойства, виды и примеры изомеров органических соединений

Определение понятия

В 1823 году завязался спор между учеными Ф. Велером и Ю. Либихом из-за разных свойств одного вещества — AgCNO. Эта формула соответствовала и гремучему, и циановокислому серебру. Второй подобный случай произошел с Й. Берцелиусом. Он исследовал виноградную и винную кислоты и в 1830 году впервые использовал термин «изомерия». Это явление ученый объяснил тем, что простые атомы таблицы Менделеева по-разному распределяются в молекуле.

И лишь во второй половине XIX века появилось подлинное определение термина. В его основание легли стереохимическое учение Я. Вант-Гоффа и теории строения А. Бутлерова. Первый выявил пространственную изомерию, второй — структурную. Сегодня это название носит явление, которое заключается в существовании соединений с одинаковой массой и атомным составом, но разным расположением в пространстве и строением.

Структурный тип

Существует несколько типов изомерии. Структурным является тот, при котором различия наблюдаются в химическом строении молекулы. Сюда можно отнести несколько видов:

• углеродного скелета;
• валентную;
• межклассовую;
• положения;
• метамерию.

Разный порядок связи атомов обуславливает изомерию углеродного скелета. Самые простые примеры для этого случая: бутан и изобутан. Формула первого — СН3-СН2-СН2-СН3, а второго — (СН3)3СН. Сюда же можно отнести такие вещества, как фенантрен и антрацен, метилциклопропан и циклобутан. А также структурная изомерия характерна для гомологического ряда алканов.

Валентной изомерией называется вид структурной, при котором атомы переходят из одного в другой только благодаря перераспределению связей. То есть у каждого вещества есть свои изомеры: у бензола это призман, бензол Дьюара и бензвален.

Если отличается характер функциональной группы, то говорят о межклассовом типе. К нему относят диметиловый эфир и этанол: СН3-О-СН3 и СН3-СН2-ОН. Отличия в положении одних и тех же кратных связей или функциональных групп при общем углеродном скелете — характерные черты одноименной изомерии. Основные примеры: 4-хлорбутановая кислота или 2-хлорбутановая кислота.

Метамерия — еще один вид изомерии органических соединений. Его особенности заключаются в том, что атомы углерода по-разному распределяются между углеводородными радикалами, которые разделены гетероатомом. Известен этот тип в числе простых и сложных эфиров, аминов и тиоспиртов. Но сегодня это понятие редко используется. А. Бутлеров называл явление изомерией нецельных структур, а наглядными примерами служат диэтиловый и метилпропиловый эфир: СН3СН2ОСН2СН3 и СН3ОСН2СН2СН3.

Особенности стереоизомерии

Причина возникновения пространственной или стереоизомерии — молекулы различаются в пространственной конфигурации, но имеют абсолютно одинаковое химическое строение. Их обозначают с помощью специальной стереохимической номенклатуры, собранной в разделе Е правил ИЮПАК.

Эту группу делят на несколько видов:

• энантиомерия или оптическая изомерия;
• диастереомерия;
• геометрический тип.

Если комбинация пространственных изомеров не составляет пару антиподов, то их относят к диастереомерам. Такие молекулы имеют различную конфигурацию элементов хиральности.

Подобные вещества: D -манноза и D -глюкоза, винная и мезовинная кислота. Другие виды стереоизомерии лучше рассмотреть более детально.

Геометрический вид

Геометрическая классификация характеризуется одинаковым порядком соединения атомов при разном их расположении. В таких изомерах стереогенная группа — это малые циклы или кратная связь. Но они могут существовать только при наличии функциональных соединений. Названия такого явления могут отличаться — транс и цис изомерия.

В первом случае отличающиеся заместители находятся по разные стороны от двойной связи. А во втором одинаковые элементы при разных углеродных атомах имеют общее место расположения. Разные заместители обозначают латинскими буквами E — entgegen или Z — zusammen. Если необходимо установить тип конфигурации, то определяют старшинство атомов, сравнивают их порядковые числа.

Пометку буквой Z имеют изомеры, в которых оба старших заместителя расположены на одной стороне связи. А у E-молекул они находятся по разным бокам. Пример расчетов: вещество с формулой 1-бром-1-хлор-2-нитроэтилена, старшие заместители — Н с номером 1, Br (35), N (7) и Cl (17). В первом атоме углерода главнее бром (35), во втором — азот (7). Они находятся по разным сторонам, поэтому изомер относится к группе E. А если старший заместитель у первого атома Cl (17), а у второго Br (35), то это Z-изомер.

Иногда элементы одинаковы, они связаны с ненасыщенными атомами углерода, тогда необходимо сравнивать второй и третий слой молекулы. Если в конкретном примере заместители одинаковы, то нужно рассматривать следующие группы.

Оптическая группа

В 19 веке ученые выявили, что при пропускании поляризованных лучей через некоторые виды веществ, они отклоняют плоскость света на определенный угол. Есть также два соединения, которые искажают поляризацию на углы, одинаковые по величине, но разные по знаку. Эти молекулы получили название оптических изомеров — энантиомеров или антиподов.

Если в составе смеси содержится одинаковое количество изомеров, которые вращаются в разные стороны, то ее называют рацемической. Вещества, содержащие один и более асимметричных атомов углерода, считаются оптически активными. Два таких изомера отличаются, как какой-либо предмет и его отражение в зеркале. Если их наложить друг на друга, то они не совпадут — хиральные молекулы. Но иногда они полностью идентичны — ахиральные вещества.

К хиральным, кроме углерода, относятся соединения с атомами кремния, фосфора, азота. У них есть общая черта — стереогенная плоскость или ось. Изобразить такие изомеры можно с помощью уравнений Фишера. Ключевые моменты построения:

• проекции связей, направленных от зрителя, рисуют вертикальной пунктирной линией;
• устремленные к наблюдателю — горизонтальная черта;
• центр их пересечения называется хиральным — это асимметричный атом углерода;
• на концах линий изображают заместители.

В этой схеме не нужно рисовать символ атома углерода. Но если центром является другая частица, то ее необходимо подписать. При изображении заместителей строго соблюдают их пространственное расположение.

Химические превращения

Явление, при котором структурные изомеры превращаются один в другой, называют изомеризацией. Эти процессы особенно важны в промышленности. Есть особая технология превращения алканов в изоалканы, что повышает октановое число моторного топлива. Пентан изомеризуется в изопентан, затем его дегидрируют и создают изопрен.

Перегруппировки внутри молекул также считаются изомеризацией. Большое значение в промышленности имеет явление Бекмана — циклогексаноноксим переходит в капролактам, так называется сырье для изготовления капрона.

Рацемизацией является процесс взаимного превращения энантиомеров. Следствие этого явления — исчезновение оптической активности из-за появления эквимолярной смеси отрицательных и положительных форм. Диастереомеры при взаимопревращении образуют тремодинамически устойчивую смесь. А процесс с конформационными изомерами называется одноименным равновесием.

Изомерия приводит к увеличению известных и потенциально возможных соединений. Ученые выявили более 500 видов структурных дециловых спиртов, 1500 пространственных изомеров. Для подсчетов используются специальные математические формулы, а при рассмотрении проблем химического явления применяют топологические методы.