- сторінки
Ізомерія - явище існування сполук, які мають однаковий склад (однакову молекулярну формулу), але різну будову. Такі сполуки називаються ізомерами.
Відмінності в порядку з'єднання атомів в молекулах (тобто в хімічному будову) призводять до структурної ізомерії. Будова структурних ізомерів відбивається структурними формулами. В ряду алканів структурна ізомерія виявляється при вмісті в ланцюзі 4-х і більше атомів вуглецю, тобто починаючи з бутану С4 Н10.
Якщо в молекулах однакового складу і однакового хімічної будови можливе різне взаємне розташування атомів в просторі, то спостерігається просторова ізомерія (стереоізомерія). У цьому випадку використання структурних формул недостатньо і слід застосовувати моделі молекул або спеціальні формули - стереохимические (просторові) або проекційні.
Алкани, починаючи з етану H3 C-СН3. існують в різних просторових формах (конформаціях), обумовлених внутрімолекулярних обертанням по σ-зв'язків С-С, і виявляють так звану поворотну (конформаційну) изомерию.
Структурна ізомерія алканів
Структурні ізомери - сполуки однакового складу, що відрізняються порядком зв'язування атомів, тобто хімічною будовою молекул.
Причиною прояви структурної ізомерії в ряду алканів являетсяспособность атомів вуглецю утворювати ланцюги різного строенія.Етот вид структурної ізомерії називається ізомерією вуглецевого скелета.
Наприклад, алкан складу C4 H10 може існувати у вигляді двох структурних ізомерів:
а алкан С5 Н12 - у вигляді трьох структурних ізомерів, що відрізняються будовою вуглецевого ланцюга:
Зі збільшенням числа атомів вуглецю в складі молекул увелічіваютсявозможності для розгалуження ланцюга, тобто кількість ізомерів зростає з ростом числа вуглецевих атомів.
Структурні ізомери відрізняються фізичними властивостями. Алкани з розгалуженим будовою через менш щільною упаковки молекул і, відповідно, менших міжмолекулярних взаємодій, киплять при болеенізкой температурі, ніж їх нерозгалужені ізомери.
Поворотна ізомерія алканів
Характерною особливістю σ-зв'язків є те, що електронна щільність в них розподілена симетрично щодо осі, що з'єднує ядра пов'язують атомів (циліндрична або обертальна симетрія). Тому обертання атомів навколо σ-зв'язки не буде приводити до її розриву. В результаті внутрішньомолекулярного обертання по σ-зв'язків С-С молекули алканів, починаючи з етану С2 Н6. можуть приймати різні геометричні форми.
Різні просторові форми молекули, що переходять один в одного шляхом обертання навколо σ-зв'язків С-С, називають конформаціями або поворотними ізомерами (конформерами).
Поворотні ізомери молекули є енергетично нерівноцінні її стану. Їх взаємоперетворенням відбувається швидко і постійно в результаті теплового руху. Тому поворотні ізомери не вдається виділити в індивідуальному вигляді, але їх існування доведено фізичними методами. Деякі конформації стійкіші (енергетично вигідні) і молекула перебуває в таких станах більш тривалий час.
Розглянемо поворотні ізомери на прикладі етану Н3 С-СН3:
При обертанні однієї групи СН3 щодо іншої виникає безліч неоднакових форм молекули, серед яких виділяють дві характерні конформації (А і Б), що відрізняються поворотом на 60 °:
Ці поворотні ізомери етану відрізняються відстанями між атомами водню, з'єднаними з різними атомами вуглецю.
У конформації А атоми водню зближені (затуляють один одного), їх відштовхування велике, енергія молекули максимальна. Така конформація називається "закритої", вона енергетично невигідна і молекула переходить в конформацію Б. де відстані між атомами Н у різних атомів вуглецю найбільше і, відповідно, відштовхування мінімально. Ця конформація називається "загальмованою", тому що вона енергетично більш вигідна і молекула перебуває в цій формі більше часу.
З подовженням вуглецевого ланцюга число помітних конформаций збільшується. Так, обертання по центральній зв'язку в н -бутане
призводить до чотирьох поворотним ізомерів (анімація):
Найбільш стійким з них є конформер IV, в якому групи СН3 максимально віддалені один від одного. Залежність потенційної енергії н -бутан від кута обертання показана на малюнку.
У разі довгих ланцюгових молекул полімерів оборотна зміна конформацій приводить до якісно нового властивості - гнучкості макромолекул (частина VI, розділ 4.1).
Якщо атом вуглецю в молекулі зв'язаний з чотирма різними атомами або атомними групами, наприклад:
то можливе існування двох сполук з однаковою структурною формулою, але відрізняються просторовою будовою. Молекули таких сполук відносяться один до одного як предмет і його дзеркальне зображення і є просторовими ізомерами.
Ізомерія цього виду називається оптичною, ізомери - оптичними ізомерами або оптичними антиподами:
Молекули оптичних ізомерів несумісні в просторі (як ліва і права руки), в них відсутня площина симетрії.
Таким чином,
оптичними ізомерами називаються просторові ізомери, молекули яких відносяться між собою як предмет і несумісне з ним дзеркальне зображення.
Оптичні ізомери мають однакові фізичні і хімічні властивості, але розрізняються відношенням до поляризованого світла. Такі ізомери мають оптичну активність (один з них обертає площину поляризованого світла вліво, а інший - на такий же кут вправо). Відмінності в хімічних властивостях спостерігаються тільки в реакціях з оптично активними реагентами.
Оптична ізомерія виявляється в органічних речовинах різних класів і грає дуже важливу роль в хімії природних сполук.