5. Изомерия органических соединений

   1. Структурная изомерия

Структурными изомерами называют соединения, имеющие одинаковый состав, но различающиеся строением углерод-углеродного скелета. Например:

н-бутан

изо-бутан

Для циклических:

циклогексан,метилциклопентан,

1,3-диметилциклобутан,триметилциклопропан

2. Изомерия положения

Изомерами положения могут быть замещенные алканы, циклоалканы и непредельные соединения:

1,1-дихлорэтан,1,2-дихлорэтан

Циклические соединения:

1-метилциклогесанол,3-метилциклогексанол

бутен-2,бутен-1.

3. Геометрическая изомерия (зеркальная, цис- транс- изомерия)

Например, для бутена-2:

транс-бутен-2,цис-бутен-2

Изомеры этилендикарбоновой кислоты:

транс– бутендиовая-1,4 кислота (фумаровая кислота),

цис– бутендиовая-1,4 кмслота (малеиновая кислота)

Цис- и транс- изомерия используется , как правило, в тех случаях, когда при двойной связи имеются два атома водорода и два заместителя, причем у каждого атома углерода при двойной связи должны быть различные заместители. Так, метиленмалоновая кислота:

не является объектом рассмотрения геометрической (цис-транс) изомерии. Геометрические изомеры существуют в дизамещенных циклоалканах. Для хлорциклопентанола:

транс (OH, Cl) цис (OH, Cl)

Цис-транс изомерия является частным случаем Z,Eи ε, τ изомерии. Они отличаются только системой определения старшинства заместителей. Формально -Z(цис),E(транс); ε (цис), τ (транс). В общем случае при определенном изменении старшинства заместителей, для алкена заданной структуры существует ряд изомеров:

При R>R’>R’’>R’’’ соединение имеетε(Z)конфигурацию двойной связи.

При R>R’’’>R’’>R’ соединение является(Е)-изомером.

Система старшинства ε,τ-изомерии

Основана В.М. Потаповым и сотр. в 60-х гг. в МГУ. Суть системы - использованиеноменклатуры ИЮПАК.Например:

Главная цепь содержит 8 атомов углерода. Она расположена по разным сторонам плоскости -связи, поэтому данное соединение являетсяτизомером (понятие цис- транс- изомерии здесь неприемлемо!)

Система старшинства Z,E-изомерии

Система старшинства по Z,Eтипуоснована на периодической системе элементов Д.И. Менделеева.(по порядковому номеру элементов)

4-бромметил-2,5-диметилоктен-4 (Z)

I слой. Все заместители (атомы углерода) равны между собой

II слой.CH₂Br>xилиy>CH₃(порядковых номеровCH₂Brравна: 6+2+35=43. ДляCH₃– 6+3=9)

III слойi-Bu>н-Bu(т.к. дляi-Bu, по третьему слою: 6+6+1=13, для н-Bu: 6+1+1=8). Где:i-Buизобутил, н-Buн-бутил.

Таким образом, уменьшение старшинства заместителей имеет вид: CH₂Br>i-Bu>н-Bu>CH₃.Следовательно, рассматриваемое соединение является Z  изомером.

4. Оптическая изомерия

Проявляется в тех случаях, когда изомеры одного и того же соединения, в свзи с различным расположением заместителей у определенного центра,не совместимы в пространстве. Для производных алифатического ряда изомерия связана со стереохимическими особенностямиsp³гибридного атома углерода.

Еще Ле-Бель в конце 18 века предположил тетраэдрическую структуру атома углерода. В том случае, если атом углерода соединен с четырьмя различнымизаместителями, появляется возможность существования 2-х изомеров, являющихся зеркальным отражением друг друга.

Атом углерода, имеющий все различные заместители называют асимметрическим илихиральнымцентром («хирос»рука).

Рассмотрим на примере перспективных формул:

Стереоизомеры IиIIне совместимы в пространстве, являются антиподами или оптическими изомерами (энантиомерами, стереомерами).

Проекционные формулы Фишера

Рассмотрим перспективные формулы в другой плоскости.

Расположим асимметрический центр (атом углерода) в плоскости листа; заместители aиbза плоскостью листа (отнаблюдателя); заместителиfиdнад плоскостью листа (ближекнаблюдателю) – в соответствии со стрелками, указывающими направление взгляда наблюдателя. Получим взаимно перпендикулярное направление связей с хиральным центром. Такое построение изомеров называют проекционными формулами Фишера.

Таким образом, в проекционных формулах Фишера заместители, расположенные по горизонтали, направлены к наблюдателю, по вертикали за плоскость листа.

При построении проекционных формул наиболее объемные заместители располагают по вертикали. Если заместителями являются атомы или малые группы, не имеющие отношения к главной цепи, то их располагают по горизонтали. Для 2-бромбутана

существуют два антипода:

Энантиомеры, антиподы, стереомеры практически неразличимы по свойствам (tкипения,tплавления и т.д.), а также имеют сходные термодинамические константы. В то же время у них есть различия:

4. - твердые антиподы кристаллизуются с образованием зеркально похожих друг на друга кристаллов, но не совместимых в пространстве.

5. - антиподы вращают плоскость поляризованного света на одинаковый угол, но в различные стороны. Если угол вращения света положителен (по часовой стрелке), то антипод называют правовращающим, если отрицателен (против часовой стрелки), то - левовращающим.

Угол оптического вращения плоскополяризованного света обозначают [α_D]. Если [α_D]= -31.2, то исследовался левовращающий антипод.