Теория А.М. Бутлерова

1. Атомы в молекулах соединены между собой в определенной последовательности химическими связями в соответствии с их валентностью. Порядок связи атомов называется их химическим строением. Углерод во всех органических соединениях четырехвалентен.

2. Свойства веществ определяются не только качественным и количественным составом молекул, но и их строением.

3. Атомы или группы атомов взаимно влияют друг на друга, от чего зависит реакционная способность молекулы.

4. Строение молекул может быть установлено на основании изучения их химических свойств.

Органические соединения обладают рядом характерных особенностей, которые отличают их от неорганических. Почти все они (за редким исключением) горючи; большинство органических соединений не диссоциирует на ионы, что обусловлено природой ковалентной связи в органических веществах. Ионный тип связи реализуется только в солях органических кислот, например, CH3COONa.

Гомологический ряд – это бесконечный ряд органических соединений, имеющих сходное строение и, следовательно, сходные химические свойства и отличающихся друг от друга на любое число СН2– групп (гомологическая разность).

Еще до создания теории строения были известны вещества одинакового элементного состава, но c разными свойствами. Такие вещества были названы изомерами, а само это явление – изомерией.

В основе изомерии, как показал А.М. Бутлеров, лежит различие в строении молекул, состоящих из одинакового набора атомов.

Изомерия – это явление существования соединений, имеющих одинаковый качественный и количественный состав, но различное строение и, следовательно, разные свойства.

Различают 2 вида изомерии: структурную изомерию и пространственную изомерию.

Структурная изомерия

Структурные изомеры – соединения одинакового качественного и количественного состава, отличающиеся порядком связывания атомов, т.е химическим строением.

Пространственная изомерия

Пространственные изомеры (стереоизомеры) при одинаковом составе и одинаковом химическом строении различаются пространственным расположением атомов в молекуле.
Пространственными изомерами являются оптические и цис-транс изомеры (геометрические).

Цис-транс-изомерия

заключается в возможности расположения заместителей по одну или по разные стороны плоскости двойной связи или неароматического цикла.В цис-изомерах заместители находятся по одну сторону от плоскости кольца или двойной связи, в транс-изомерах – по разные.

В молекуле бутена-2 СН3–СН=СН–СН3 группы СН3 могут находиться либо по одну сторону от двойной связи — в цис-изомере, либо по разные стороны — в транс-изомере.

Оптическая изомерия

Появляется тогда, когда углерод имеет четыре разных заместителя.
Если поменять местами любые два из них, получается другой пространственный изомер того же состава. Физико-химические свойства таких изомеров существенно различаются. Соединения такого типа отличаются способностью вращать плоскость пропускаемого через раствор таких соединений поляризованного света на определенную величину. При этом один изомер вращает плоскость поляризованного света в одном направлении, а его изомер – в противоположном. Вследствие таких оптических эффектов этот вид изомерии называют оптической изомерией.

Изомеры – важнейшее понятие органической химии. Вещества, обладающие одинаковым составом и молекулярной массой, могут отличаться строением и соединением в их составе идентичных элементов. Эти элементы содержатся в равном количестве, но отличаются пространственным расположением групп атомов или просто атомов. Такие вещества принято называть изомерами.

На примере самых простых изомеров – бутана и изобутана (вернее, их структурных формул), обладающих абсолютно одинаковой молекулярной формулой C 4 H 10 , легко можно понять, о чем идет речь. Структурная формула бутана выглядит так: CH 3 -CH 2 — CH 2 -CH 3 , а изобутана CH 3 -CH(CH 3)-CH 3 . Пространственное расположение атомов углерода и водорода, а также их порядок соединения, в бутане и изобутане разное.

Кроме того, радикальная группа –CH 3 в изобутане (которая отсутствует в бутане) привязана ко второму атому углерода и образует ответвление. Наличие радикальной группы –CH 3 в изобутане обуславливает появление в нем же группы –CH. В бутане же все группы атомов связаны линейно, к тому же он располагает, в отличие от изобутана, двумя группами –CH 2 .

Определение

Изомеры – особые химические соединения, наделенные одинаковой формулой и составом, но различающиеся строением и свойствами. Изомеры в основном присущи органическим соединениям.

Если молекулы двух соединений с идентичными составами при совмещении в пространстве не совпадают полностью, то их считают изомерами. Свойства изомеров зависят не от их составов, а от их химического строения, точнее, от того порядка, в котором соединены атомы, входящие в состав молекул, и от взаимного влияния атомов друг на друга.

Сравнение

Изомеры, обладая одинаковыми составами, имеют разные физико-химические свойства. Обусловлено это тем, что атомы в молекулах располагаются в неодинаковом порядке. Структурные изомеры отличаются строением углеводородного скелета, либо различным местоположением кратных связей или функциональных групп, что ведет к различным физико-химическими свойствам.

Стереоизомеры (цис- и трансизомеры) обладают одинаковым порядком связей между атомами и различным их расположением в пространстве. Свойства стереоизомеров заметно отличаются.

Например, вещества — обладатели формулы С 2 Н 6 O – это два абсолютно разных изомерных органических соединения: диметиловый эфир (газ, минимально растворимый в воде) и этиловый спирт (жидкость, кипящая при температуре 78° С). Они относятся совершенно к разным классам (эфиры и спирты) органических соединений. Их химические свойства значительно отличаются.

Выводы сайт

1. Порядок связывания атомов в структурных формулах различен.
2. Строение углеродного скелета у изомеров неодинаково, оно имеет свои отличительные особенности.
3. Кратные связи в изомерах располагаются по-разному.
4. Местоположение функциональных групп у изомеров различно.
5. Атомы в пространстве размещаются в разных положениях.
6. Физико-химические свойства изомеров могут разительно отличаться.

Таутомерия

«таутос » - тот же самый, «мерос » - доля, часть (греч. ).

Таутомерия – явление динамического обратимого превращения изомеров, протекающее с разрывом и образованием связей и сопровождающееся перемещением атомов (чаще всего протона) и реже групп атомов.

Изомерные формы – таутомеры.

В отличие от структурных изомеров, таутомеры, как правило, не могут существовать отдельно друг от друга. Независимое их получение невозможно.

Основным признаком таутомерных веществ является их двойственное реагирование – способность к образованию двух рядов производных как результат раздельного и самостоятельного реагирования двух находящихся в равновесии изомерных форм одного соединения.

Виды таутомерии

Геометрическая изомерия

Разновидность стереоизомерии, которая определяется различием пространственного расположения в молекулах пары заместителей относительно плоскости двойной связи или цикла.

Обусловлена тем, что в молекулах этих веществ свободное вращение атомов вокруг σ-связей (циклоалканы) и относительно π-связей (алкены) оказывается невозможным.

Z,E-номенклатура (для три- и тетразамещенных алкенов).

Конфигурацию изомера определяют по относительному расположению старших заместителей. По одну сторону плоскости – Z-изомер; по разные – Е-изомер.

В основе определения старшинства находится атомный номер элемента. В случае одинаковых атомов старшинство группы определяет «вторая оболочка» атомов:

СН 3 < -СН 2 СН 3 < -СН(СН 3) 2 < -СН 2 NН 2 < -CH 2 OH< -CH 2 F

В случаях групп с различным типом связи старшинство увеличивается в рядах:

CH 2 OH < -COH < COR < COOH

CH 2 NH 2 < -CH=NH < -CN

Е-изомер Z-изомер

Вследствие того, что расстояния между заместителями в молекулах изомеров различны, последние существенно различаются своими химическими и физическими свойствами. Они могут быть разделены и существовать индивидуально.

Переход одного изомера в другой – изомеризация протекает обычно при нагревании или облучении.

Конформационная изомерия

Разновидность стереоизомерии, которая определяется различием пространственного расположения в молекулах заместителей, возникающее в результате свободного вращения вокруг σ-связей.

Такие изомеры различаются между собой стабильностью. Более стабильные конформации, которые фиксируются физико-химическими методами, называются конформерами.

Изображение конформеров – проекции Ньюмена :

Чем больше сила взаимного отталкивания атомов водорода, тем выше энергия системы; поэтому заторможенной конформации будет соответствовать минимум потенциальной энергии молекулы.

Принимая различные конформации, молекулы остаются химически однородными; конформации не являются типичными изомерами. Однако, в некоторых случаях (при тесной упаковке молекул), можно разделить различные формы.

Конформации биоорганических молекул (ферменты, витамины, белки, нуклеиновые кислоты) играют определяющую роль в проявлении последними биологической активности.

Коформации в ряду циклических углеводородов:

Конфигурационная изомерия

Объёмные структуры циклических соединений содержат разные по природе положения заместителей:

Оптическая изомерия

Некоторые органические соединения являются оптически активными. Они способны изменять плоскость поляризации света при прохождении его через образец вещества (1815 г. Ж. Био).

Свет – электромагнитные волны, колебания которых перпендикулярны направлению их распространения. В естественном (солнечном) свете эти колебания происходят в различных плоскостях.

Оптически активные соединения поворачивают плоскость поляризации на определённый угол вправо (правовращающие) или влево (левовращающие).

Изомеры, вращающие плоскость поляризации в разные стороны, но на один и тот же угол – антиподы (энантиомеры).

Рацемическая смесь (рацемат) – смесь, состоящая из равных количеств лево- и правовращающих изомеров. Рацемат оптически не активен.

Оптическая активность характерна для соединений содержащих
sp 3 -гибридный атом (объёмные молекулы). Если такой атом связан с четырьмя различными заместителями, то возникают изомерные пары, в которых молекулы изомеров относятся по своей пространственной организации одна к другой так же, как соотносятся между собой предмет и зеркальное изображение.

Изображение энантиомеров

Для того, чтобы связать строение с вращением, было предложено выбрать соединение-стандарт и сравнить с ним все другие соединения, содержащие хиральный центр. В качестве стандарта был выбран
2,3-диоксипропаналь (глицериновый альдегид):

R,S- номенклатура

Для отнесения стереоизомера необходимо определить в нем старшинство заместителей (порядковый номер элемента – как в случае Z,E-изомерии). Взгляд наблюдателя направляется по оси С-младший заместитель (Н). После такой ориентации смотрят, как три заместителя располагаются в ряд в направлении от старшего к младшему. В случаеR-конфигурации этот порядок соответствует направлению движения по часовой стрелке, в случаеS-конфигурации – против часовой стрелки.

Если молекуле имеется несколько хиральных центров, то число изомеров возрастает и равняется 2 n , где n - число хиральных центров.

В отличие от структурных изомеров энантиомеры идентичны один другому в большинстве своих свойств. Они отличаются только по своему взаимодействию с плоскополяризованным светом и взаимодействием с веществами, которые также являются хиральными.

В организме реакции протекают с участием биокатализаторов - ферментов. Ферменты построены из хиральных молекул α-аминокислот. Поэтому они играют роль хиральных реагентов, чувствительных к хиральности взаимодействующих с ними субстратов (стереоспецифичность биохимических процессов). Это приводит к тому, что хиральные природные соединения представлены, как правило, лишь одной стереоизомерной формой (D-углеводы, L-аминокислоты).

Стереоспецифичность лежит в основе проявления биологического действия одним из энантиомеров, в то время, как другой изомер может быть неактивным, а иногда оказывать иное или даже противоположное действие.

1.3 Химическая связь в органических соединениях

При образовании химической связи выделяется энергия, поэтому появление двух новых валентных возможностей приводит к выделению дополнительной энергии (1053,4 кДж/моль), которая превосходит энергию, затраченную на распаривание 2s электронов (401 кДж/моль).

Различные по форме орбитали (s,p) при образовании связи смешиваются, давая новые равноценные гибридизованные орбитали (теория гибридизации, Л.Полинг, Д.Слэтер, 1928-1931 гг.). Понятие гибридизации относится только к молекулам, но не к атомам, и в гибридизацию вступают только орбитали, а не электроны на них.

В отличие от негибридизованных s- и p- орбиталей гибридная орбиталь полярна (электронная плотность смещена) и способна образовывать более прочные связи.

Введение

Изомерия (греч. isos - одинаковый, meros - часть) - одно из важнейших понятий в химии, главным образом, в органической. Вещества могут иметь одинаковый состав и молекулярную массу, но различное строение и соединения, содержащие в своем составе одни и те же элементы в одинаковом количестве, но различающиеся пространственным расположением атомов или групп атомов, называют изомерами. Изомерия является одной из причин того, что органические соединения так многочисленны и разнообразны.

История открытия изомерии

Изомерия была впервые обнаружена Ю. Либихом в 1823, который установил, что серебряные соли гремучей и изоциановой кислот: Ag-О-N=C и Ag-N=C=O имеют одинаковый состав, но разные свойства. Термин "Изомерия" в 1830 ввел И. Берцелиус, предположивший, что различия в свойствах соединений одинакового состава возникают из-за того, что атомы в молекуле расположены в неодинаковом порядке. Представления об изомерии окончательно сформировались после создания A. M. Бутлеровым теории химического строения (1860-е). Подлинное объяснение изомерия получила лишь во 2-й половине XIX в. на основе теории химического строения А.М. Бутлерова (структурная изомерия) и стереохимического ученияЯ.Г. Вант-Гоффа (пространственная изомерия). Основываясь на положениях этой теории, он предположил, что должно существовать четыре различных бутанола (рис.1). К моменту создания теории был известен лишь один бутанол (СН 3) 2 СНСН 2 ОН, получаемый из растительного сырья

Рис.1. Различные положения группы OH - в молекуле бутанола.

Последовавший затем синтез всех изомеров бутанола и определение их свойств стали убедительным подтверждением теории.

Согласно современному определению два соединения одинакового состава считают изомерами, если их молекулы нельзя совместить в пространстве так, чтобы они полностью совпадали. Совмещение, как правило, проделывают мысленно, в сложных случаях используют пространственные модели, либо расчетные методы.

Виды изомерии

В изомерии можно выделить два основных вида: структурная изомерия и изомерия пространственная или, как её ещё называют, стереоизомерия.

В свою очередь структурная делится на:

изомерию углеродной цепи (углеродного скелета)

валентную изомерия

изомерию функциональной группы

изомерию положения.

Пространственная изомерия (стереоизомерия) делится на:

диастереомерию (цис, транс - изомерия)

энантиомерию (оптическая изомерия).

Структурная изомерия

Обусловлена, как правило, различиями в строении углеводородного скелета либо неодинаковым расположением функциональных групп или кратных связей.

Изомерия углеводородного скелета

Насыщенные углеводороды, содержащие от одного до трех атомов углерода (метан, этан, пропан), не имеют изомеров. Для соединения с четырьмя атомами углерода С 4 Н 10 (бутан) возможно существование двух изомеров, для пентана С 5 Н 12 - трех изомеров, для гексана С 6 Н 14 - пяти (рис.2):

Рис.2.

С увеличением числа атомов углерода в молекуле углеводорода количество возможных изомеров резко возрастает. Для гептана С 7 Н 16 существует девять изомеров, для углеводорода С 14 Н 30 - 1885 изомеров, для углеводорода С 20 Н 42 - свыше 366 000. В сложных случаях вопрос о том, являются ли два соединения изомерами, решают, используя различные повороты вокруг валентных связей (простые связи это допускают, что в определенной степени соответствует их физическим свойствам). После перемещения отдельных фрагментов молекулы (не допуская при этом разрыва связей) накладывают одну молекулу на другую. Если две молекулы полностью совпадают, то это не изомеры, а одно и то же соединение. Изомеры, отличающиеся структурой скелета, обычно имеют разные физические свойства (температура плавления, температура кипения и т.п.), что позволяет отделить один от другого. Изомерия такого типа существует и у ароматических углеводородов (рис.4).

В данной статье мы поговорим про структурные изомеры, особенности их строения и виды изомерии. Подробно разберем само явление изомерии, а также будут предоставлены примеры использования их в жизни.

Явление изомерии

Изомерия - особое явление, предопределяющее существование хим. соединений, тех самых - изомеров, веществ с идентичными составами атомов и молекулярными массами, имеющих различие лишь в атомном расположении в пространстве или по их строению, что ведет к изменению и приобретению ими различных, новых свойств. Структурные изомеры — это вещества, образовавшиеся вследствие подобного изменения положения своих атомов в пространстве, которые более детально будут рассмотрены ниже.

Говоря об изомерии, стоит помнить о существовании такого процесса, как изомеризация, который представляет собой процесс перехода одного изомера в другой в результате хим. превращений.

Виды изомерии

Изомерия валентности - это вид структуры изомеров, в котором перевод самих изомеров (одного в другой) возможен в результате перераспределения валентных связей.

Изомерия положения представляет собой тип веществ с идентичным углеродным скелетом, но отличающимся положением функциональных групп. Ярким примером служит 2- и 4-кислоты хлорбутана.

Межклассовая изомерия таит свое отличие между изомерами в характере функциональных групп.

Метамерия - это распределение положения атомов углерода между определенным количеством радикалов углерода, гетероатом молекулы служит разделителем. Такой вид изомерии характерен для аминов, тиоспиртов, эфиров как простых, так и сложных.

Изомерия углеродного скелета - это отличие положения атомов углерода, а точнее их порядка. Например: фенантрен и антрацен имеют общую формулу С14Н10, но разный тип перераспределения связей валентности.

Структурные изомеры

Структурные изомеры - это вещества имеющие сходную формулу структуры вещества, но отличаются по формуле молекулы. Структурные изомеры — это которые идентичны друг другу по количественному и качественному составам, но порядок атомного связывания (химического строения) имеет различия.

Структурные изомеры классифицируются по типу изометрической структуры, виды которой приведены выше, в пункте о видах изомерии.

Структурная формула изомера вещества имеет широкий спектр видоизменений. Некоторыми примерами изомерии могут служить такие вещества, как бутановая кислота, 2-метилпропановая кислота, метил пропионата, диоксан, этил ацетат, изопропиловый формиат имеют одинаковый состав всех трех типов атомов в составе вещества, но различаются по положению атомов в самом соединении.

Еще один яркий пример изомерии - это существование пентана, неопентана и изопентана.

Наименования изомеров

Как упоминалось ранее, структурные изомеры - это вещества, имеющие сходную формулу структуры вещества, но отличаются по формуле молекулы. Такие соединения имеют классификацию, которая соответствует особенностям их свойств, строения и положения атомов в молекуле изомера, отличия в количестве функциональных групп, валентных связях, наличии атомов определенного элемента в веществе и т.д. Названия структурных изомеров получают различными способами. Рассмотрим это на примере 3-метилбутанола 1, как представителя спиртов.

В случае со спиртами при получении названия спиртов все начинается с выбора цепи углерода, которая является главенствующей, проводят нумерацию, цель которой - это присвоение группе ОН наименьшего, возможного номера, с учетом порядка. Само название начинают составлять с заместителя в цепи углеродов, затем следует название главной цепи, а после добавляется суффикс -ол, а цифрой указывается углеродный атом, связанный с группой ОН.