Геометрическая изомерия: Геометрические изомеры возникают, если свободное враще­ние атомов в

Лекция № 4. Изомерия

Геометрическая изомерия: Геометрические изомеры возникают, если свободное враще­ние атомов в

План

1. Структурнаяизомерия.

2. Конформационнаяизомерия.

3. Геометрическаяизомерия.

4. Оптическаяизомерия.

Изомеры– это вещества, имеющие одинаковыйсостав и молекулярную массу, но разныефизические и химические свойства.Различия в свойствах изомеров обусловленыразличиями в их химическом илипространственном строении. В связи сэтим различают два вида изомерии.

Положение функциональной

группы

1. Структурная изомерия

Структурные изомерыотличаются химическим строением, т.е.природой и последовательностью связеймежду атомами в молекуле. Структурныеизомеры выделяют в чистом виде.

Онисуществуют как индивидуальные, устойчивыевещества, для их взаимного превращениянеобходима высокая энергия – порядка350 – 400 кДж/моль. В динамическом равновесиинаходятся только структурные изомеры— таутомеры. Таутомерия – распространенноеявление в органической химии.

Онавозможна при переносе подвижного атомаводорода в молекуле (карбонильныесоединения, амины, гетероциклы и т.д.),внутримолекулярных взаимодействиях(углеводы).

Все структурныеизомеры представляют в виде структурныхформул и называют по номенклатуре ИЮПАК.Например,составу С4Н8Осоответствуют структурные изомеры:

а)с различным углеродным скелетом

неразветвленнаяС-цепь – СН3-СН2-СН2-СН=О (бутаналь, альдегид) и

разветвленнаяС-цепь –

(2-метилпропаналь,альдегид) или

цикл – (циклобутанол, циклический спирт);

б)с различным положением функциональнойгруппы

бутанон-2, кетон;

в)с различным составом функциональнойгруппы

3-бутенол-2,непредельный спирт;

г)метамерии

Гетероатомфункциональной группы может быть включенв углеродный скелет (цикл или цепь). Одиниз возможных изомеров этого вида изомерии-СН3-О-СН2-СН=СН2 (3-метоксипропен-1, простой эфир);

д)таутомерии (кето-енольной)

енольная форма кетоформа

Таутомеры находятсяв динамическом равновесии, при этом всмеси преобладает более устойчиваяформа – кетоформа.

Дляароматических соединений структурнуюизомерию рассматриваюттолько для боковой цепи.

2. Пространственная изомерия (стереоизомерия)

Пространственныеизомеры имеют одинаковое химическоестроение, различаются по пространственномурасположению атомов в молекуле. Эторазличие и создает разницу в физическихи химических свойствах.

Пространственныеизомеры изображают в виде различныхпроекций или стереохимических формул.

Раздел химии, изучающий пространственноестроение и его влияние на физические ихимические свойства соединений,на направление и скорость их реакций,называется стереохимией.

а)Конформационная(поворотная) изомерия

Неменяя ни валентных углов, ни длин связей,можно представить себе множествогеометрических форм (конформаций)молекулы, отличающихся друг от другавзаимным поворотом углеродных тетраэдроввокруг соединяющей их σ-С-С-связи. Врезультате такого вращения возникаютповоротные изомеры (конформеры).

Энергияразличных конформеров неодинакова, ноэнергетический барьер, разделяющийразличные конформационные изомеры, длябольшинства органических соединенийневелик. Поэтому при обычных условиях,как правило, нельзя зафиксироватьмолекулы в одной строго определеннойконформации.

Обычно в равновесиисосуществуют несколько легко переходящихдруг в друга конформационных изомеров.

Способыизображения и номенклатуру изомеровможно рассмотреть на примере молекулыэтана. Для нее можно предвидетьсуществование двух, максимальноразличающихся по энергии конформаций,которые могут быть изображены в видеперспективныхпроекций(1) («лесопильныекозлы»)илипроекцийНьюмена (2):

заторможеннаяконформация заслоненная конформация

Вперспективной проекции (1) связь С-С надопредставить себе уходящей вдаль; стоящийслева углеродный атом приближен кнаблюдателю, стоящий справа – удален отнего.

Впроекции Ньюмена (2) молекулу рассматриваютвдоль связи С-С. Три линии, расходящиесяпод углом 120оиз центра круга, обозначают связиближайшего к наблюдателю углеродногоатома; линии, «высовывающиеся»из-за круга – связи удаленного углеродногоатома.

Изображеннуюсправа конформацию называют заслоненной.Это название напоминает о том, что атомыводорода обеих СН3-группнаходятся друг против друга.

Заслоненнаяконформация имеет повышенную внутреннююэнергию и поэтому невыгодна.

Конформацию,изображенную слева, называют заторможенной,подразумевая, что свободное вращениевокруг связи С-С «тормозится»в этом положении, т.е. молекула существуетпреимущественно в этой конформации.

Минимумэнергии, необходимый для полного вращениямолекулы вокруг определенной связи,называется барьером вращения для даннойсвязи.

Барьер вращения в молекуле,подобной этану, может быть выражен черезизменение потенциальной энергии молекулыкак функции изменения двугранного(торсионного – τ ) угла системы. Энергетический профиль вращениявокруг связи С-С в этане показан на рисунке 1.

Барьер вращения, разделяющийдве формы этана, составляет около 3ккал/моль (12,6 кДж/моль). Минимумы кривойпотенциальной энергии соответствуютзаторможенным конформациям, максимумы- заслоненным.

Поскольку при комнатнойтемпературе энергия некоторых столкновениймолекул может достигать 20 ккал/моль(около 80 кДж/моль), то этот барьер в 12,6кДж/моль легко преодолевается и вращениев этане рассматривают как свободное.Всмеси всех возможных конформацийпреобладают заторможенные конформации.

Рис.1.Диаграмма потенциальной энергииконформаций этана.

Дляболее сложных молекул число возможныхконформаций возрастает. Так, для н-бутанаможно изобразить уже шесть конформаций,возникающих при повороте вокругцентральной связи С2- С3иотличающихся взаимным расположениемСН3-групп.Различные заслоненные и заторможенныеконформации бутана отличаются поэнергии. Энергетически более выгоднызаторможенные конформации.

Энергетическийпрофиль вращения вокруг связи С2-С3в бутане показан на рисунке 2.

Рис.2.Диаграмма потенциальной энергииконформаций н-бутана.

Для молекулы сдлинной углеродной цепью числоконформационных форм возрастает.

Для молекулыалициклических соединений характерны различные конформационные формы цикла(например, для циклогексана кресло,ванна,твист-формы).

Итак,конформации – это различные пространственныеформы молекулы, имеющей определеннуюконфигурацию. Конформерами являютсястереоизомерные структуры, соответствующиеэнергетическим минимумам на диаграммепотенциальной энергии, находящиеся вподвижном равновесии и способные квзаимопревращению путем вращения вокругпростых σ-связей.

Еслибарьер таких превращений становитсядостаточно высоким, то можно разделитьстереоизомерные формы (пример – оптическиактивные дифенилы). В таких случаяхговорят уже не о конформерах, а о реальносуществующих стереоизомерах.

б)Геометрическая изомерия

Геометрическиеизомеры возникают в результатеотсутствия в молекуле:

1.вращения атомов углерода относительнодруг друга – следствие жесткости двойнойсвязи С=Сили циклической структуры;

2.двух одинаковых групп при одном атомеуглерода двойной связи или цикла.

Геометрическиеизомеры, в отличие от конформеров, могутбыть выделены в чистом виде и существуюткак индивидуальные, устойчивые вещества.Для их взаимного превращения необходимаболее высокая энергия – порядка 125-170кДж/моль (30-40 ккал/моль).

Различаютцис-транс-(Z,E) изомеры;цис-формаминазывают геометрические изомеры, укоторых одинаковые заместители лежатпо одну сторону от плоскости π-связиили цикла, транс-формаминазывают геометрические изомеры, укоторых одинаковые заместители лежатпо разные стороны от плоскости π-связиили цикла.

https://www.youtube.com/watch?v=bkcyB3NcSJs

Простейшимпримером могут служить изомеры бутена-2,который существуетв виде цис- , транс-геометрическихизомеров:

цис-бутен-2 транс-бутен-2

температураплавления

-138,90С – 105,60С

температуракипения

3,720С 1,000С

плотность

0,724 0,604

1,2 – дихлорциклопропансуществует в виде цис- , транс-изомеров:

цис-1,2-дихлорциклопропан транс-1,2-дихлорциклопропан

Вболее сложных случаях применяетсяZ,E-номенклатура(номенклатура Канна, Ингольда, Прелога– КИП, номенклатура старшинствазаместителей). Всоединении

1-бром-2-метил-1-хлорбутене-1 (Br)(CI)С=С(СН3)- СН2-СН3 всезаместители при атомах углерода сдвойной связью различные; поэтому данноесоединение существует в виде Z-,E-геометрических изомеров:

Е-1-бром-2-метил-1-хлорбутен-1 Z-1-бром-2-метил-1-хлорбутен-1.

Для обозначенияконфигурации изомера указываютрасположениестаршихзаместителейпри двойной связи (или цикле) – Z-(отнемецкого Zusammen – вместе) или Е-(от немецкогоEntgegen – напротив).

В Z,E-системе старшимисчитаются заместители с большимпорядковым (атомным) номером. Если атомы,непосредственно связанные с ненасыщеннымиатомами углерода, одинаковы, то переходятко “второму слою”, в случаенеобходимости – к “третьему слою”и т. д.

Впервой проекции старшие группы находятсянапротив друг друга относительно двойнойсвязи, поэтому это Е-изомер. Во второйпроекции старшие группы расположеныпо одну сторону относительно двойнойсвязи (вместе), поэтому это Z-изомер.

Геометрическиеизомеры широко распространены в природе.Например, природные полимеры каучук(цис-изомер) и гуттаперча (транс-изомер),природная фумаровая (транс-бутендиоваякислота) и синтетическая малеиновая(цис-бутендиовая кислота) кислоты, всоставе жиров – цис-олеиновая, линолевая,линоленовая кислоты.

в)Оптическая изомерия

Молекулыорганических соединений могут бытьхиральными и ахиральными. Хиральность(отгреч. сheir- рука) — несовместимость молекулы сосвоим зеркальным отражением.

Хиральныевещества способны вращать плоскостьполяризации света. Это явление называютоптической активностью, а соответствующиевещества – оптическиактивными.

Оптически активные вещества встречаютсяв виде пар оптическихантиподов– изомеров, физические и химическиесвойства которых в обычных условияходинаковы, за исключением одного – знакавращения плоскости поляризации: одиниз оптических антиподов отклоняетплоскость поляризации в право (+,правовращающий изомер), другой – влево(-, левовращающий). Определить конфигурациюоптических антиподов можно экспериментальнос помощью прибора – поляриметра.

Оптическаяизомерия появляется тогда, когда вмолекуле присутствует асимметрическийатом углерода (существуюти другие причины хиральности молекулы).

Так называютатомуглерода в sр3-гибридизации и связанныйс четырьмя различными заместителями.Возможны два тетраэдрических расположениязаместителей вокруг асимметрическогоатома.

Приэтом двепространственные формы нельзя совместитьникаким вращением; одна из них являетсязеркальным изображением другой :

Обезеркальные формы составляют паруоптических антиподов или энантиомеров.

Изображаютоптические изомеры в виде проекционныхформул Э. Фишера. Их получают в результатепроецирования молекулы с асимметрическиматомом углерода.

При этом сам асимметрическийатом углерода на плоскости обозначаютточкой, на горизонтальной линии указываютсимволы заместителей, выступающих передплоскостью рисунка.

На вертикальнойлинии(прерывистойили сплошной) указывают заместители,которые удалены за плоскость рисунка.Ниже приведены различные способы записипроекционной формулы, отвечающей левоймодели на предыдущем рисунке:

Впроекции главную углеродную цепьизображают вертикально; главную функцию,если она находится в конце цепи, указываютв верхней части проекции. Например,стереохимические и проекционные формулы(+) и (-) аланина – СН3-*СН(NН2)-СООНпредставляют следующим образом:

Смесь с одинаковымсодержанием энантиомеров называетсярацематом. Рацемат не обладает оптическойактивностью и характеризуется отличнымиот энантиомеров физическими свойствами.

Правилапреобразования проекционных формул.

1.Формулы можно вращать в плоскостичертежа на 180о,не меняя их стереохимического смысла:

2.Две (или любое четное число) перестановкизаместителей у одного асимметрическогоатома не меняют стереохимическогосмысла формулы:

3. Одна(или любое нечетное число) перестановказаместителей у асимметрического центраприводит к формуле оптического антипода:

4.Поворот в плоскости чертежа на 90опревращает формулу в антипод.

5.Вращение любых трех заместителей почасовой стрелке или против не меняетстереохимического смысла формулы:

6.Проекционные формулы нельзя выводитьиз плоскости чертежа.

Оптическойактивностью обладают органическиесоединения, в молекулах которых хиральнымицентрами являются и другие атомы,например кремния, фосфора, азота, серы.

Соединения снесколькими асимметрическими атомамиуглерода существуют в виде диастереомеров,т.е. пространственных изомеров, несоставляющих друг с другом оптическихантиподов.

Диастереомерыотличаются друг от друга не толькооптическим вращением, но и всеми другимифизическими константами: у них разныетемпературы плавления и кипения, разныерастворимости и др.

Числопространственных изомеров определяютпо формуле Фишера N=2n,где n – число асимметрических атомовуглерода. Число стереоизомеров можетуменьшаться из-за частичной симметрии,появляющейся в некоторых структурах.Оптически неактивные диастереомерыназываютмезо-формами.

Номенклатураоптических изомеров:

а) D-, L-номенклатура

Дляопределения D-или L-рядаизомера конфигурацию (положение ОН–группыу асимметричного атома углерода)сравнивают с конфигурациями энантиомеровглицеринового альдегида (глицериновыйключ):

L-глицериновыйальдегид D-глицериновыйальдегид

ПрименениеD-,L-номенклатурывнастоящее время ограничено тремяклассами оптически активных веществ:углеводами, аминокислотами и оксикислотами.

б) R -, S-номенклатура (номенклатура Кана,Ингольда и Прелога)

Дляопределения R(правый)- или S(левый)-конфигурацииоптического изомера необходиморасположить заместители в тетраэдре(стереохимической формуле) вокругасимметрического углеродного атоматаким образом, чтобы самый младшийзаместитель (обычно это водород) имелнаправление «отнаблюдателя».

Если переход трех остальных заместителейот старшего к среднему и младшему постаршинству происходит почасовой стрелке-это R-изомер(падение старшинства совпадает сдвижением руки при написании верхнейчасти буквы R).

Если переход происходитпротив часовойстрелки- это Sизомер(падение старшинства совпадает сдвижением руки при написании верхнейчасти буквы S).

Для определенияR- или S-конфигурации оптического изомерапо проекционной формуле необходимопутем четного числа перестановокрасположить заместители так, чтобысамый младший из них оказался внизупроекции. Падение старшинства остальныхтрех заместителей по часовой стрелкесоответствует R-конфигурации, противчасовой стрелки – S-конфигурации.

Получаютоптические изомеры следующимиметодами:

а)выделение из природных материалов,содержащих оптическиактивные соединения, например белки и аминокислоты, углеводы, многиеоксикислоты (винная, яблочная, миндальная),терпеновые углеводороды, терпеновыеспирты и кетоны, стероиды, алкалоиды идр.

б)расщепление рацематов;

в) асимметрическийсинтез;

г)биохимическое получение оптическиактивных веществ.

ЗНАЕТЕЛИ ВЫ, ЧТО

-Явлениеизомерии (от греч.-isos—разный и meros-доля, часть) открыто в 1823г. Ю. Либихом иФ. Вёлером на примере солей двухнеорганических кислот: циановой Н-О-С≡Nи гремучей Н-О-N=С.

-В1830 г. Ж.Дюма распространил представлениеоб изомерии на органические соединения.

-В1831г. термин «изомер» для органическихсоединений предложил Й. Берцелиус.

-Стереоизомерыприродных соединений характеризуютсяразной биологической активностью(аминокислоты, углеводы, алкалоиды,гормоны, феромоны, лекарственные веществаприродного происхождения и т.д.).

Источник: https://studfile.net/preview/6064544/page:5/

Внеурочное занятие по химии 10 класс «ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ИЗОМЕРИЯ»

Геометрическая изомерия: Геометрические изомеры возникают, если свободное враще­ние атомов в

Внеурочное занятие по химии 10 класс

«ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ИЗОМЕРИЯ»

Методическая информация

Цель занятия: Дать начальные представления о стереоизомерии и ее видах.

Задачи:

Образовательные: Рассмотреть возможные структуры молекул как различный порядок соединения атомов, подтвердив тем самым второе положение Теории химического строения А.М.Бутлерова

Сравнить геометрические изомеры, продемонстрировав невозможность свободного вращения радикалов и других атомов относительно двойной связи.……

Закрепить полученные знания посредством работы с пространственными моделями цис-, транс-бутенов,

Развивающие задачи:

  1. Расширить общий кругозор знаний учащихся

  2. Продолжить формирование навыка работы с пространственными моделями молекул.

  3. Воспитательные:

  1. Развивать личностный потенциал учащихся.и тд.

  2. Работа в коллективе

Оборудование: шаростержневой набор для построения моделей молекул.

Планируемые результаты:

Ход мероприятия

Организационный этап:

Приветствие учащихся. Проверка присутствующих.

Определение основных средств обучения на уроке.

Актуализация знаний учащихся и темы мероприятия.

Своевременное развитие пространственного мышления поднимает возможности подростков на целую ступень выше обычного житейского уровня и делает их сильнее интеллектуально. Шаростержневой набор для моделирования кристаллических решеток и пространственных структур молекул вводит учащихся в мир трехмерного пространства.

Первые занятия с использованием набора для моделирования могут быть посвящены явлению аллотропии.

Моделируя пространственные формы серы кристаллической и серы пластической, можно наглядно показать, как строение влияет на физические свойства вещества, как происходит взаимопревращение одной аллотропной модификации в другую.

Построение кристаллических решеток фосфора черного, красного позволит развить изучение этого понятия. А построение решеток графита и алмаза позволит закрепить это понятие. Тем самым мы подтверждаем постулат химии «Свойства вещества зависят от его строения».

При изучении органической химии занятия в школьном интерактивном музее «Эврика» станут неоценимой помощью для уяснения таких понятий, как гомология и изомерия. Научить ребят составлять структурные формулы гомологов и изомеров – очень важная задача курса химии 10 класса. К ее решению можно подойти таким способом.

Этап 1.

Учитель предлагает построить модель молекулы метана (закрепление понятия четырехвалентного состояния атома углерода). Убрав один атом углерода от молекулы метана, получим метил-радикал. Соединив два метил-радикала, получим молекулу этана, убрав еще один атом водорода, присоединив еще один метил-радикал – получаем пропан, формируя тем самым понятие гомологии.

На примере структурных формул бутана и изобутана формируется понятие разновидности структурной изомерии – изомерии углеродного скелета. Понятию стереоизомерии посвящено отдельное занятие.

Этап 2.

Учитель отмечает, что новая тема занятия «Пространственная изомерия» является достаточно сложной, поэтому учащимся необходимо проявить особое внимание на данном занятии.

Далее учитель сообщает, что пространственная изомерия бывает двух типов: геометрическая и оптическая. Геометрическая изомерия характерна для соединений, содержащих двойные связи и циклы.

В таких соединениях невозможно свободное вращение атомов углерода вокруг двойной связи. Обращает внимание ребят на строение молекулы этилена. Ученики собирают модель.

Учитель напоминает, что строение молекул алкенов плоскостное, 3 гибридных облака расположены в одной плоскости, образуя сигма-связи, а негибридные облака расположены в перпендикулярном направлении и образуют пи-связь. Если какой-либо атом углерода начнет вращаться вдоль линии связи, то произойдет разрыв пи связи, нарушится боковое перекрывание p-электронных облаков.

Предлагает учащимся попытаться вращать атомы углерода вокруг сигма-связи. Учащиеся убеждаются в тщетности попыток и делают вывод: атомы углерода, связанные двойной связью, свободным вращением не обладают, как в случае одинарных связей.

В молекуле этилена 2 атома углерода соединены с 4 атомами водорода, поэтому нет разницы в их пространственном расположении и нет пространственной изомерии.

Далее учитель предлагает ребятам собрать возможные модели молекул состава С4Н8. Получается 3 формулы:

1). CН2=CH-CH2-CH3 (бутен-1);

2). H2 C = C – CH3 (2 – метилпропен);

CH3

3). CH3-CH=CH-CH3 (бутен-2).

Учащиеся собирают по вариантам 1,2,3 соответственно.

Совместно с учителем акцентируют внимание на атомах углерода, связанных двойной связью. Учитель дает задание учащимся: указать изомер, у которого оба атома углерода, находящиеся при двойной связи, обладали бы разными заместителями.

Первый и второй варианты убеждаются, что в их случае первичный атом углерода связан с двумя атомами водорода, т.е. с двумя одинаковыми заместителями.

Только в случае бутена-2 (3 вариант), углеродные атомы связаны с разными заместителями – одним атомом водорода и метил-радикалом.

Предлагается 1 и 2 вариантам собрать модель бутена-2, а 3 варианту подумать единственно ли это возможная пространственная модель молекулы?

При самостоятельном конструировании молекул у ребят уже возникнет вопрос: куда направить атом водорода, а куда метил-радикал? Возможно, построенные молекулы будут различаться пространственным расположением атомов и групп атомов.

Для большей наглядности сравнивают различные 2 модели бутена-2 и делают вывод: Порядок связи атомов углерода в этих молекулах совершенно одинаков, но концевые метильные группы по-разному расположены в пространстве. Если заместители расположены по одну сторону от плоскости двойной связи (или цикла) получается цис- изомер, если по разные стороны – транс-изомер.

Геометрические изомеры – это разные вещества, принадлежащие к одному классу органических соединений, поэтому они отличаются физическими константами, но обладают схожими химическими свойствами.

Таким образом, геометрическая изомерия возникает в случае, если 2 атома углерода при двойной связи, связаны (каждый) с двумя разными заместителями. Если хотя бы один атом углерода связан с одинаковыми заместителями, то геометрическая изомерия невозможна.

Подведение итогов.

Таким образом, учащиеся получают наглядное подтверждение 2-го положения теории Бутлерова: «Свойства вещества зависят не только от молекулярного состава, но и от порядка соединения атомов в молекуле, то есть от химического строения». Когда ребенок построит модели своими руками и убедится, что разница явно выражена, тогда и научная картина мира оформится убедительнее.

Примечание: Оптической изомерии посвящается отдельное занятие.

Источник: https://infourok.ru/vneurochnoe-zanyatie-po-himii-10-klass-geometricheskaya-izomeriya-4103240.html

Изомерия. Виды изомерии. Структурная изомерия, геометрическая, оптическая. урок. Химия 10 Класс

Геометрическая изомерия: Геометрические изомеры возникают, если свободное враще­ние атомов в

В ходе урока вы получите общее представление о видах изомерии, узнаете, что такое изомер. Узнаете о видах изомерии в органической химии: структурной и пространственной (стереоизомерии). С помощью структурных формул веществ рассмотрите подвиды структурной изомерии (скелетную и изомерию положений), узнаете о разновидностях пространственной изомерии: геометрической и оптической.

Тема: Введение в органическую химию

Урок: Изомерия. Виды изомерии. Структурная изомерия, геометрическая, оптическая

Рассмотренные нами ранее виды формул, описывающих органические вещества, показывают, что одной молекулярной может соответствовать несколько разных структурных формул.

Например, молекулярной формуле C2H6O соответствуют два вещества с разными структурными формулами – этиловый спирт и диметиловый эфир. Рис. 1.

 Этиловый спирт – жидкость, которая реагирует с металлическим натрием с выделением водорода, кипит при +78,50С. При тех же условиях диметиловый эфир – газ, не реагирующий с натрием, кипит при -230С.

Эти вещества отличаются своим строением – разным веществам соответствует одинаковая молекулярная формула.

Рис. 1. Межклассовая изомерия

Явление существования веществ, имеющих одинаковый состав, но разное строение и поэтому разные свойства называют изомерией (от греческих слов «изос» – «равный» и «мерос» – «часть», «доля»).

Типы изомерии

Существуют разные типы изомерии.

Структурная изомерия связана с разным порядком соединения атомов в молекуле.

Этанол и диметиловый эфир – структурные изомеры. Поскольку они относятся к разным классам органических соединений, такой вид структурной изомерии называется еще и межклассовой. Рис. 1.

Структурные изомеры могут быть и внутри одного класса соединений, например формуле C5H12 соответствуют три разных углеводорода. Это изомерия углеродного скелета. Рис. 2.

Рис. 2 Примеры веществ – структурных изомеров

Существуют структурные изомеры с одинаковым углеродным скелетом, которые отличаются положением кратных связей (двойных и тройных) или атомов, замещающих водород. Этот вид структурной изомерии называется изомерией положения.

Рис. 3. Структурная изомерия положения

В молекулах, содержащих только одинарные связи, при комнатной температуре возможно почти свободное вращение фрагментов молекулы вокруг связей, и, например, все изображения формул 1,2-дихлорэтана равноценны. Рис. 4

Рис. 4. Положение атомов хлора вокруг одинарной связи

Если же вращение затруднено, например, в циклической молекуле или при двойной связи, то возникает геометрическая или цис-транс изомерия. В цис-изомерах заместители находятся по одну сторону плоскости цикла или двойной связи, в транс-изомерах – по разные стороны.

Цис-транс изомеры существуют в том случае, когда с атомом углерода связаны два разных заместителя. Рис. 5.

Рис. 5. Цис- и транс- изомеры

Еще один тип изомерии возникает в связи с тем, что атом углерода с четырьмя одинарными связями образует со своими заместителями пространственную структуру – тетраэдр.

Если в молекуле есть хотя бы один углеродный атом, связанный с четырьмя разными заместителями, возникает оптическая изомерия. Такие молекулы не совпадают со своим зеркальным изображением.

Это свойство называется хиральностью – от греческого сhier – «рука». Рис. 6. Оптическая изомерия характерна для многих молекул, входящих в состав живых организмов.

Рис. 6. Примеры оптических изомеров

Оптическая изомерия называется также энантиомерией (от греческого enantios – «противоположный» и meros – «часть»), а оптические изомеры – энантиомерами.

Энантиомеры оптически активны, они вращают плоскость поляризации света на один и тот же угол, но в противоположные стороны: d-, или (+)-изомер, – вправо, l-, или (–)-изомер, – влево.

Смесь равных количеств энантиомеров, называемая рацематом, оптически недеятельна и обозначается символом d,l- или (±).

Подведение итога урока

В ходе урока вы получили общее представление о видах изомерии, что такое изомер. Узнали о видах изомерии в органической химии: структурной и пространственной (стереоизомерии). С помощью структурных формул веществ рассмотрели подвиды структурной изомерии (скелетную и изомерию положений), познакомились с разновидностями пространственной изомерии: геометрической и оптической.

Список литературы

1. Рудзитис Г.Е. Химия. Основы общей химии. 10 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень / Г. Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – 14-е издание. – М.: Просвещение, 2012.

2. Химия. 10 класс. Профильный уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений/ В.В. Еремин, Н.Е. Кузьменко, В.В. Лунин и др. – М.: Дрофа, 2008. – 463 с.

3. Химия. 11 класс. Профильный уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений/ В.В. Еремин, Н.Е. Кузьменко, В.В. Лунин и др. – М.: Дрофа, 2010. – 462 с.

4. Хомченко Г.П., Хомченко И.Г. Сборник задач по химии для поступающих в вузы. – 4-е изд. – М.: РИА «Новая волна»: Издатель Умеренков, 2012. – 278 с.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Interneturok.ru (Источник).

2. Органическая химия (Источник).

3. Химик (Источник).

Домашнее задание

1. №№ 1,2 (с.39) Рудзитис Г.Е. Химия. Основы общей химии. 10 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень/ Г. Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – 14-е издание. – М.: Просвещение, 2012.

2. Почему число изомеров у углеводородов ряда этилена больше, чем предельных углеводородов?

3. Какие углеводороды имеют пространственные изомеры?

Источник: https://interneturok.ru/lesson/chemistry/10-klass/bvvedenieb/izomeriya-vidy-izomerii-strukturnaya-izomeriya-geometricheskaya-opticheskaya

Геометрическая изомерия: Геометрические изомеры возникают, если свободное вращение атомов в

Геометрическая изомерия: Геометрические изомеры возникают, если свободное враще­ние атомов в

Геометрические изомеры возникают, если свободное вращение атомов в молекуле ограничено вследствие наличия двойной связи. Примером такой пары изомеров могут служить малеиновая (12.23) и фумаровая (12.24) кислоты (цис- и транс- соответственно).

По химическому строению геометрические изомеры очень похожи, но они не являются зеркальными отображениями друг друга и не вращают плоскость поляризации света. Как правило, цис- и транс-изомеры значительно отличаются по физическим свойствам. Например, малеиновая кислота (12.

23) плавится при 130 °С, величина ее рКа 1,9, она очень хорошо растворима в холодной воде (79 г на 100 мл); константы ее геометрического изомера — фумаровой кислоты (12.24) соответственно 287 °С, 3,0 и 0,7 г на 100 мл.

Неудивительно, что геометрические изомеры обладают разными биологическими свойствами [Butler, 1944] и поэтому очень важно при изучении химической формулы нового соединения учитывать все возможности существования изомерии такого типа.

Цис- и транс-изомеры можно легко разделить кристаллизацией или хроматографически. Общего метода для превращения одного изомера в другой не существует, однако при нагревании, как правило, образуется наиболее стабильный изомер, а под действием света — менее стабильный.

Зрение человека зависит от превращения 11-цис-изомера ретиналя в 11-транс-форму под действием света. Как только возбуждающий луч света исчезает,
этот каротиноидный пигмент снова переходит в цис-форму, пре- рывая тем с&шм идущий к мозгу импульс [Gilardi et al.

, 1971], Цис- и транс-изомеры существуют и у плоского циклопентанового кольца, представляющего собой как бы большую двойную связь. Хотя циклогексановое кольцо вообще не плоское, оно тем не менее достаточно плоское для образования цис- и трансизомеров. Так, существуют и доступны как цис- (12.25), так и транс- (12.

26) формы диаминоциклогексана. Одна и та же молекула может образовывать и геометрические, и оптические изомеры. Например, транс-изомер (12.26) может быть разделен на (S,S) (12.27) и (R.R) (12.28) хиральные изомеры. Однако цис-изомер на хиральные формы разделен быть не может, так как в нем существует плоскость симметрии.

У бензольного кольца нет геометрических изомеров, так как у каждого атома углерода кольца только один заместитель.

Цис- Транс- TpaHC-(S S) TpaHC-(R.R)(12.25) (12.26) (12.27) (12.28)

Стереоизомеры 1,2-диаминоцинлогенсана

Иногда бывает трудно выбрать два из четырех заместителей при двойной связи для определения цис- или транс-конфигурации.

Правило последовательности предписывает выбирать заместителей с наиболее тяжелыми атомами, при этом цис-форма обозначается буквой Z (от немецкого слова zusammen), а трансформа— буквой Е (entgegen).

Иногда в названиях соединений, в которых геометрическая изомерия может проявиться многократно, заместитель, имеющий самый маленький номер (по правилу нумерации), обозначают буквой г, а обозначения с-(цис) и t-(транс) перед другими заместителями показывают их положение по отношению к г-заместителю.

Аналогично индол-3-илуксусной кислоте (4.82), стимулирующей рост растительных клеток, могут действовать и другие карбоновые кислоты, карбоксильная группа которых находится под углом к плоскости ароматического кольца.

Геометрическая изомерия ограничивает возможность такого расположения двух заместителей, поэтому из коричных кислот активен только цис- изомер [Haagen-Smit, Went, 1935]. У 2-фенилциклопропан-1- карбоновой и 1,2,3,4-тетрагидронафталиден-Гуксусной кислот также активны только цис-изомеры [Veldstra, Van der Weste- ringh, 1951].

На молекулярных моделях видно, что кольцо и карбоксильная группа в транс-изомере (неактивном) этих веществ лежат в одной плоскости, в то время как в цис-форме (активной) они некопланарны. Впервые указал на эту связь между некопланарностью и стимулирующей рост активностью Veidstra. Некопланарность может возникнуть и вследствие стерических препятствий.

Так, бензойная кислота имеет плоскую форму и не активна, а 2,6-дихлорбензойная и 8-метил-1-нафтойная кислоты непланарны и биологически активны [Veidstra, 1963].

В аналогах ауксинов карбоксильная группа может быть заменена и на другие электроноакцепторные группы (—CN, —N02, —SO3H), при этом биологическая активность лишь незначительно уменьшается. О связи между структурой и действием в этой серии см. Koepfli, Thimann, Went (1938) и Veidstra

(1963) .

Геометрическая изомерия стероидов заслуживает специального рассмотрения. На формуле (12.29) приведена общая структура этой группы природных насыщенных соединений (показана нумерация атомов углерода и буквенные обозначения четырех циклов). В природных стероидах кольца В и С находятся в транс-сочленении, причем оба они закреплены в конформации кресла.

В сердечных гликозидах сочленение циклов С и D имеет цис-конфигурацию, но в гормонах животных, стеринах и желчных кислотах — транс-сочленение. У большинства биологически активных стероидов кольца А и В находятся в транс-сочленении («5а»-ряд, называвшийся ранее «алло»).

Каждое из колец в молекуле стероидов образует складки, что хорошо видно на боковой проекции формулы (12.30).

Обозначение «5а» говорит о том, что атом водорода в положении 5 находится ниже общей плоскости колец. Все заместители, расположенные ниже этой плоскости, обозначаются символом «а», а выше — символом показаны на формулах (12.34) и (12.35).

Me НС1
/С—с-*н нМе с-
Нук и
1-Хлорпропан1-Хлорлропан
(вытянутая) МО ОуЬ(заслоненная)

Конформационный анализ широко применяется при изучении алициклических соединений как для определения положе-

ния заместителей в пространстве, так и формы цикла. Например, циклогексан может существовать в трех конформациях: кресла (12.36), ванны (12.37) и скрученной (или полукресла) (12.38).

Форма кресла — наименее напряженная и поэтому для молекулы циклогексана наиболее предпочтительна, при этом каждый аксиальный атом водорода удален на 0,25 нм от других двух аксиальных атомов водорода, расположенных по эту же сторону цикла.

Скрученная (или твист-) форма занимает промежуточное положение (между формой кресла и лодки), а самая напряженная — форма ванны. Последняя, однако, может быть стабилизирована двумя или более конденсированными циклами, содержащими соответствующие заместители.

Молекула декагидронафталина (декалина) может существовать в виде двух устойчивых форм, структура которых была определена методом дифракции электронов, показавшим, что транс-форма (температура плавления —30 °С, температура кипения 117 °С при 100 мм рт. ст.

) состоит из двух транс-конденсированных циклов в конформации кресла, а цис-форма (температура плавления —43 °С, температура кипения 124 °С при 100 мм рт. ст.) состоит из двух цис-конденсированных циклов в конформации кресла.

Цис-форма переходит в транс-форму при повышенной температуре и в присутствии катализатора. Молекула декалина представляет собой пример геометрической изомерии относительно мостиковых атомов углерода, но каждый цикл остается конформационно мобильным.

Интерес представляет конформационный анализ связи —СО—Н—, определяющей структуру пептидов. В белках ее конформация всегда «вытянутая» (транс), хотя в пептидах, содержащих пролин, т. е. третичную амидную группу, достаточно велика доля равновесной «заслоненной» (цис) конформации (до 40%) [Rabenstein, Anvarhuesein, 1982].

Во вторичных формамидах существует равновесная смесь «вытянутого» и «заслоненного» конформеров в соотношении 8 : 92 в случае N-метилформамида (12.39, 12.40). Их существование установлено по наличию двух раздельных сигналов в спектрах ПМР.

С увеличением объема заместителя при атоме азота доля «вытянутого» конформера возрастает, достигая 18% при замене метильной группы на трет-бутильную [La Planche, Robers, 1964].

И /Н „С—NHL у Me )С—NX
с/ \vieох/ ХН
«Заслоненный»«Вытянутый»
(12.39)(12.40)
Два конформера N-метилформамида

Источник: https://medinfo.social/issledovaniya_863/geometricheskaya-izomeriya-47942.html

Изомерия в органической химии

Геометрическая изомерия: Геометрические изомеры возникают, если свободное враще­ние атомов в

Изомеры – это вещества, имеющие одинаковый состав (число атомов каждого типа), но разное взаимное расположение атомов – разное строение.

Изомерия – это явление существования веществ с одинаковым составом, но различным строением.

Например, формуле C4H10 соответствуют два изомерных соединения н-бутан с линейным углеродным скелетом и изобутан (2-метилбутан) с разветвленным скелетом:

При этом температура кипения н-бутана –0,5оС, а изобутана –11,4оС.

Виды изомерии

Различают два основных вида изомерии: структурную и пространственную (стереоизомерию).

   Структурные изомеры отличаются друг от друга взаимным расположением атомов в молекуле;  стереоизомеры — расположением атомов в пространстве.

Структурная изомерия

Структурные изомеры – соединения с одинаковым составом, но различным порядком связывания атомов, т.е. с различным химическим строением. Молекулярная формула у структурных изомеров одинаковая, а структурная различается.

1. Изомерия углеродного скелета: вещества различаются строением углеродной цепи, которая может быть линейная или разветвленная.

Например, молекулярной формуле С5Н12 соответствуют три изомера:

2. Изомерия положения обусловлена различным положением кратной связи, функциональной группы или заместителя при одинаковом углеродном скелете молекул.

2.1. Изомерия положения функциональной группы. Например, существует два изомерных предельных спирта с общей формулой С3Н8О: пропанол-1 (н-пропиловый спирт) пропанол-2 (изопропиловый спирт):

2.2. Изомерия положения кратной связи может быть вызвана различным положением кратной (двойной или тройной)  связи в непредельных соединениях. Например, в бутене-1 и бутене-2:

2.3. Межклассовая изомерия – ещё один вид структурной изомерии, когда вещества из разных классов веществ имеют одинаковую общую формулу.

Например, формуле С2Н6О соответствуют: спирт (этанол) и простой эфир (диметиловый эфир):

Пространственная изомерия

Пространственные изомеры – это вещества с одинаковым составом и химическим строением, но с разным пространственным расположением атомов в молекуле. Виды пространственной изомерии – геометрическая (цис—транс) и оптическая изомерия.

1. Геометрическая изомерия (или цис-транс-изомерия).

Геометрическая изомерия характерна для соединений, в которых различается положение заместителей относительно плоскости двойной связи или цикла. Например, для алкенов и циклоалканов.

Двойная связь не имеет свободного вращения вокруг своей оси.

Поэтому заместители у атомов углерода при двойной связи могут быть расположены либо по одну сторону от плоскости двойной связи (цис-изомер), либо по разные стороны от плоскости двойной связи (транс-изомер). При этом никаким вращением нельзя получить из цис-изомера транс-изомер, и наоборот.

Например, бутен-2 существует в виде цис— и транс-изомеров

1,2-Диметилпропан также образует цис-транс-изомеры:

Геометрические изомеры различаются по физическим свойствам (температура кипения и плавления, растворимость, дипольный момент и др.). Например, температура кипения цис-бутена-2 составляет 3,73 оС, а транс-бутена-2 0,88оС.

При этом цис—транс-изомерия характерна для соединений, в которых каждый атом углерода при двойной связи С=С (или в цикле) имеет два различных заместителя.

Например, в молекуле бутена-1 CH2=CH-CH2-CH3 заместители у первого атома углерода при двойной связи (два атома водорода) одинаковые, и цис—транс-изомеры бутен-1 не образует.

А вот в молекуле бутена-2 CH3—CH=CH-CH3 заместители у каждого атома углерода при двойной связи разные (атом водорода и метильная группа CH3), поэтому бутен-2 образует цис— и транс-изомеры.

Таким образом, для соединений вида СH2=СHR и СR2=СHR’ цис—транс-изомерия не характерна.

2. Оптическая изомерия

Оптические изомеры – это пространственные изомеры, молекулы которых соотносятся между собой как предмет и несовместимое с ним зеркальное изображение.

Оптическая изомерия свойственна молекулам веществ, имеющих асимметрический атом углерода.

Асимметрический атом углерода — это атом углерода, связанный с четырьмя различными заместителями.

Такие молекулы обладают оптической активностью — способностью к вращению плоскости поляризации света при прохождении поляризованного луча через раствор вещества.

Например, оптические изомеры образует 3-метилгексан:

Источник: https://chemege.ru/izomeriya/

Medic-studio
Добавить комментарий