1.5 Изомерия

Вторым фактором, определяющим огромное число органических соединений, служит явление изомерии. Изомерия – существование соединений, одинаковых по качественному и количественному составу, но различных по физическим и химическим свойствам. Такие соединения называются изомерами.

Изомерия подразделяется на структурную и пространственную. О пространственной изомерии см. раздел 2.0 .

Структурная изомерия является результатом различия в химическом строении. К этому типу относится изомерия углеродного скелета. Этот тип изомерии следует из возможности построения различных (с разной степенью разветвлен­ности) углеродных скелетов из некоторого заданного числа n углерод­ных атомов, если n≥4. Насыщая все свободные валентности углерод­ных скелетов атомами водорода, можно получить формулы всевозмож­ных изомерных углеводородов (1.33).

Количество изомеров такого типа быстро возрастает с увеличением числа n углеродных атомов.

n	Количество изомеров	n	Количество изомеров
4	2	7	9
5	3	15	4 347
6	5	40	62 391 178 805 831

Следует различать типы атомов углерода и водорода. Углеродный атом, соединенный с только одним углеродным атомом носит название первичный. Соответственно атомы водорода, находящиеся при таком атоме углерода, также называется первичным. Вторичный атом углерода ( и при нем водороды) соединен уже с двумя соседними углеродными атомами. Третичный и четвертичный атомы углерода – соединены с тремя и четырьмя соседними атомами углерода. Четвертичных атомов водорода, естественно, не бывает.

Изомерия, связанная с положением гетероатома в цепи. Если углеродный скелет фрагментирован, то различные изомеры могут быть получены перераспределением атомов углерода, расположенных в различных фрагментах (1.34).

В пределах одного и того же класса соединений такая изомерия на­зывается метамерией.

Изомерия положения. Атомы или группировки атомов (функ­циональные группы), не входящие в состав углеродного скелета, мо­гут быть соединены с различными углеродными атомами углеродного скелета (1.35).

К рассматриваемому типу изомерии можно отнести также изомерию, вызванную различным положением двойных или тройных связей в уг­леродном скелете (1.36).

Валентная изомерия (особый вид структурной изомерии) обусловлена существованием изомеров, которые можно перевести друг в друга путем перераспределения связей (1.37):

Таутомерия – подвижное равновесие между взаимопревращающимися структурными изомерами (таутомерами). Таутомеры – структурные изомеры, отличающиеся друг от друга положением атома водорода с одновременным перераспределением π-электронов.

Широко распространена таутомерия между карбонильными соединениями, содержащими атом водорода в α-положении, и их енольной формой (кето-енольная таутомерия) (1.38).

Кето- и енольная формы являются таутомерами, находящимися в равновесии, положение которого определяется прежде всего стабильностью таутомеров. В случае простых альдегидов и кетонов кето-форма энергетически более выгоднее енольной, равновесие почти нацело сдвинуто влево.

В случае же 1,3-дикарбонильных соединений наличие в енольной форме сопряженной системы связей и образование внутримолекулярной водородной связи делает ее более стабильной, в связи с чем степень энолизации существенно возрастает (1.39).

Кроме кето-енольной таутомерии существуют и другие виды таутомерии:

1. Таутомерия фенол-кетон (1.40)

Для большинства простых эфиров равновесие смещено влево, т.е. в сторону ароматической структуры.

2. Таутомерия нитрозосоединение-оксим (1.41)

Равновесие в этой системе сдвинуто вправо; как правило, нитрозосединение устойчиво только при отсутствии водорода в α-положении.

3.Таутомерия нитросоединение-аци-форма (1.42)

В противоположность таутомерии нитрозосоединение-оксим нитросоединение намного устойчивее аци-формы.

3. Таутомерия имин-енамин (1.43)

Как правило, енамины устойчивы только в соединениях с полностью замещенной аминогруппой (R₂C=CR-NR₂), если же при азоте имеется атом водорода, преобладает иминная форма.