Изомерия в органической и неорганической химии

1.

Изомерия
Изомери́я (от др.-греч. «ἴσος» — равный, греч. «μέρος»
— доля, часть) — явление, заключающееся в
существовании химических соединений, одинаковых по
составу, с одинаковой молекулярной массой, но
различающихся по структуре. Такие соединения
называются изомерами. Изомеры могут превращаться
друг в друга в результате реакций изомеризации.
Структурные различия обусловливают различное
взаимное влияние атомов в молекулах и
предопределяют разные физические и химические
свойства изомеров. Изомерия чрезвычайно
распространена в органической химии и является
одной из основных причин разнообразия и
многочисленности органических соединений. В
неорганической химии изомерия встречается в
основном для комплексных соединений

2.

История
появления
Йёнс Якоб Берцелиус, французский учёныйхимик
Термин «изомерия» был введён в 1830 году Й.
Я. Берцелиусом, опираясь на результаты
исследований винной и виноградной кислот,
после завершения полемики по вопросу
существования двух резко отличающихся по
свойствам веществ, имеющих один и тот же
состав AgCNO — цианата и фульмината
серебра между учёными-химиками Ф.
Вёлером и Ю. фон Либихо.
Позднее сущность явления изомерии была
объяснена в теории химического строения
органических веществ.

3.

Виды
изомерии
Под изомерией органических соединений
в химии понимают явление существования веществизомеров. Изомерами называют соединения, имеющие одинаковый качественный и
количественный состав, то есть молекулярную формулу, но разное строение и свойства, то есть
структурную формулу.
Молекулярная формула вещества показывает только количество и тип атомов. Например, C4H9OH,
бутанол[3].
Структурная формула отражает взаимное расположение атомов в молекуле. Приведенная
молекулярная формула может принадлежать сразу нескольким веществам, так как гидроксильная
группа (-ОН) может располагаться у разных атомов. Под формулой может скрываться бутанол-1
CH3-CH2-CH2-CH2-OH, бутанол-2 CH3-CH2-CH2-CH(OH)-CH3 или бутанол-3 CH3-CH2-CH(OH)-CH3.
Эти вещества называются изомерами и имеют разное взаимное расположение атомов.
В органической химии выделяют 2 основных вида изомерии:
● структурную;
● пространственную (стереоизомерию).
Структурные изомеры различаются химическим строением — порядком связей атомов в молекуле.
Пространственные изомеры (стереоизомеры) различаются взаимным расположением атомов в
пространстве при одинаковом порядке связей атомов в молекуле.
Различия в свойствах скелетных изомеров проявляются в разнице их температур кипения
(изомеры с нормальной углеродной цепью кипят при более высокой температуре, чем изомеры с
разветвлённой цепью), плотности и др. Алканы в отличие от разветвлённых изомеров, обладают
меньшей детонационной стойкостью, образуют комплексы с мочевиной, называемые клатратами.

4.

Структурная изомерия
Структурная изомерия подразумевает
различный порядок расположения атомов в
молекуле. Делится на несколько типов:
● углеродного скелета;
● положения кратной связи;
● положения функциональной группы;
● межклассовая;
● взаимного расположения заместителей;
● метамерия;
● таутомерия.

5.

Изомерия углеродного скелета
В изомерах углеродного скелета различный порядок связей углеродных атомов,
образующих скелет молекулы. Для конкретизации структурных особенностей изомеров
скелетная изомерия подразделяется:
● на изомерию углеродной цепи;
● изомерию цикла;
● изомерию боковой цепи.
Так, изомерия углеродной цепи характерна для алканов, начиная с четвёртого члена
гомологического ряда бутана C4H10, у которого два структурных изомера:
● н-бутан CH3−CH2−CH2−CH3;
● изобутан (2-метилпропан) CH3−CH(CH3)−CH3.
Пентан C5H12 — пятый член ряда алканов имеет три изомера:
● CH3−CH2−CH2−CH2−CH3 — н-пентан,
● CH3−CH(CH3)−CH2−CH3 — изопентан (2-метилбутан)
● CH3−(CH3)2−CH3 — неопентан (2,2-диметилпропан)
С удлинением углеродной цепи число возможных изомеров возрастает: у декана C10H22
— 75 структурных изомеров, тридекана C13H28 — 802 изомеров, для эйкозана C20H42
— более 366 000 изомеров.
Для алициклических соединений характерны изомерия цикла и изомерия боковой цепи.
Например, среди скелетных изомеров с содержанием более четырёх углеродных атомов:
метилциклопентан (I), циклогексан (II) и пропилциклопропан (III), которые являются
являются циклическими изомерами, а пропилциклопропан (III) и изопропилциклопропан
(IV) — изомерами боковой цепи.

6.

Изомерия положения кратной
связи
Характерна для соединений, содержащих
кратные связи, двойные (например, алкены)
или тройные (например, алкины). Например:
бутен-1, бутен −2.
Изомерия функциональной
группы
Заместитель или функциональная группа
могут находиться в разных местах молекулы,
то есть могут быть присоединены к разным
атомам углерода в цепи органического
соединения. В основном она встречается в
кетонах, альдегидах, эфирах насыщенных
карбоновых кислот и насыщенных
алифатических карбоновых кислотах.

7.

Метамерия
Различное положение гетероатома (O, N, S) в углеродной цепи объясняют
наличие метамерии. Например, метамерами являются диэтиловый эфир
CH3−CH2−O−CH2−CH3 и метилпропиловый эфир CH3−O−CH2−CH2−CH3,
метилпропиламин CH3−NH−CH2−CH2−CH3 и диэтиламин
CH3−CH2−NH−CH2−CH3.
Метамерия имеет место у алифатических простых эфиров, сложных эфиров,
аминов и тиоспиртов.

8.

Межклассовая изомерия
Вид структурной изомерии при которой
органические вещества разных классов
имеют одну общую формулу. К таким
изомерам относятся: алкины и алкадиены,
алкены и циклоалканы, спирты и простые
эфиры, альдегиды и кетоны, сложные
эфиры и карбоновые кислоты. Например:
метилацетат CH3-COO-CH3 и пропановая
кислота CH3-CH2-COOH.

9.

Таутомерия
Особым видом структурной изомерии является таутомерия (равновесная динамическая
изомерия). В этом случае различающиеся функциональными группами изомеры, легко
переходят друг в друга до достижения равновесия, при котором вещество
одновременно содержит молекулы таутомеров в определённом соотношени.
Химические соединения, способные к таутомерии, представляют собой смесь двух или
нескольких структурно различных соединений, находящихся в состоянии быстрого
равновесия. Такое явление называется таутомерией. Когда такое явление имеет место,
происходит быстрый перенос атома от одной молекулы к другой и обратно. Почти во
всех случаях таким подвижным атомом является водород. Широко распространена
таутомерия между карбонильными соединениями, содержащими атом водорода в αположении, и их енольной формой.

10.

Пространственная изомерия
Пространственная изомерия — вид изомерии, при
котором молекулы, обладающие одинаковым
составом, имеют разное положение в пространстве.
Пространственная изомерия связана с различным
взаимным расположением атомов в молекуле. При
этом сама структура остается прежней.
Пространственная изомерия подразделяется на
геометрическую (цис-транс-, син-анти- и E-Zизомерию) и оптическую.

11.

Геометрическая изомерия
Геометрическая (цис-; транс-) изомерия обусловлена различным
положением заместителей при двойной связи или при цикле и
характерна алкенам, в молекулах которых атомы углерода при двойной
связи не связаны с одинаковыми атомами или группами атомов.
Если заместители расположены по одну сторону от двойной связи, их
называют цис-изомерами, а изомерию — цис-изомерией. Если
заместители расположены по разные стороны от двойной связи —
транс-изомерами и транс-изомерией.
Например: цис-2-бутен и транс-2-бутен.

12.

Оптическая изомерия
(энантиомерия)
Оптическая изомерия возникает при
вращении атомов вокруг кратной связи. Она
характерна для алкенов и алкинов.
Аналогичное явление обнаружено у циклов с
несколькими заместителями.
Оптическая изомерия характеризуется
различным расположением молекул
относительно одного атома и определяет
разные химические свойства изомеров. Это
должен быть асимметричный углерод — с
четырьмя разными заместителями. Он
называется хиральным центром. Изомеры
являются зеркальным отражением друг друга,
как правая и левая рука.

13.

Диастереомерия
Любые комбинации пространственных изомеров, не составляющие пару оптических
антиподов, считаются диастереомерными. Это стереоизомеры, которые не являются
зеркальными изображениями друг друга. Различают σ- и π-диастереомеры.
Если геометрические изомеры отличаются друг от друга конфигурацией части
имеющихся в них элементов хиральности, то их называют σ-диастереомеры. Например,
к диастереомерам относят (+)-винную кислоту и мезо-винную кислоту, D-глюкозу и Dманнозу:

14.

Поворотная изомерия (конформационная изомерия)
Поворотная изомерия (конформационная изомерия) — явление в химии, при котором
молекулы могут принимать различные пространственные формы в результате
внутримолекулярного вращения вокруг одной или нескольких простых связей. Такие
формы называют конформациями или поворотными изомерами (конформерами). Например,
в молекуле этана (Н3С-СН3) при вращении одной группы (-СН3) относительно другой
возникает множество неодинаковых форм, среди которых выделяют две характерные
конформации (А и Б), отличающиеся поворотом на 60 °.
Электронная плотность σ-связи (сигма-связь) распределена симметрично относительно оси,
соединяющей ядра связываемых атомов (цилиндрическая или вращательная симметрия).
Поэтому при вращении атомов вокруг σ-связи её разрыва не происходит. Теоретически
молекула может принимать бесчисленное множество конформаций, но реализуются
энергетически выгодные. С увеличением атомов углерода в молекуле увеличивается число
различимых конформаций. Например, в н-бутане вращение по центральной С-С (углеродуглерод) связи приводит к четырём поворотным изомерам, наиболее устойчивым из
которых является конформер, в котором группы (-СН3) максимально удалены друг от друга.

15.

Изомеризация
Изомеризация — процесс превращения химических соединений в изомеры — соединения другого
строения, без изменения состава и молекулярной массы. При изомеризации может измениться
углеродный скелет молекулы, природа функциональных групп или их положение в молекуле,
геометрическая конфигурация комплексного соединения, положение кратных связей,
пространственное расположение атомов или атомных групп относительно плоскости кратной связи,
вокруг асимметричного центра. Также возможно образование или раскрытие, сужение или
расширение цикла.
Реакции изомеризации применяются при изомеризации углеводородов, крекинге нефти,
риформинге, для получения более качественного моторного топлива, для получения капролактама
изомеризацией оксима циклогексанона, который используется в качестве сырья для производства
капрона. Многие процессы изомеризации названы по имени учёных-химиков, которые впервые их
осуществили: перегруппировка Бекмана, перегруппировка Коупа