1.3 Изомерия органических соединений

Все изомеры делят на две большие группы – структурные изомеры и пространственные изомеры. Структурные изомеры отличаются друг от друга порядком соединения атомов. В пространственных изомерах порядок соединения атомов один и тот же, но атомы благодаря электронным или геометрическим особенностям отличаются положением в пространстве относительно других атомов.

Среди структурных изомеров выделяют три группы:

1. Изомеры, принадлежащие одному классу соединений, но отличающиеся строением углеродных скелетов, например:

пентан 2-метилбутан

бутен–1 2-метилпропен

Этот вид изомерии характерен для всех классов органических соединений.

2. Изомеры, принадлежащие одному классу соединений, отличающиеся положением функциональной группы:

1-хлорпропан 2-хлорпропан

или кратной связи в молекуле:

3-метилбутен–1 3-метилбутен–2

Этот вид изомерии характерен для всех классов органических соединений, кроме предельных углеводородов.

3. Изомеры, относящиеся к различным классам органических соединений (межклассовые изомеры), например:

СН₃СООН НСООСН₃

уксусная кислота метилацетат

Единственный класс органических соединений, представители которого не имеют межклассовых изомеров, это – алканы (предельные алифатические углеводороды).

Пространственные изомеры (стереоизомеры) можно разделить на два класса: цис-транс-изомеры и оптические изомеры.

1. Цис-транс-изомерия характерна для соединений, содержащих двойную связь или цикл. В таких молекулах отсутствует свободное вращение вокруг связи С = С или С – С (в циклах) и заместители у двух соседних атомов углерода могут оказаться по одну сторону (цис-) или по разные стороны (транс-) от плоскости, проходящей через двойную связь:

Цис- и транс-изомеры могут заметно отличаться друг от друга по своим физическим и химическим свойствам.

Если хотя бы один из атомов углерода при двойной связи соединен с двумя одинаковыми заместителями, то цис- и транс-изомеры совпадают друг с другом и, следовательно, представляют одно и то же вещество, например:

2. Оптическая изомерия характерна для молекул, которые не совпадают со своим зеркальным отображением. Таким свойством обладают любые молекулы, имеющие хотя бы один асимметрический (хиральный) центр – атом углерода, связанный с четырьмя различными заместителями. Например, оптические изомеры имеет молекула молочной кислоты СН₃СН(ОН)СООН, в которой асимметрическим центром является центральный атом углерода:

Оптические изомеры имеют почти одинаковые физические и химические свойства.

1.4 Строение атома углерода. Типы гибридизаций

Электронная структура атома углерода в основном состоянии имеет вид 1s²2s²2p². При небольшом возбуждении один из s-электронов переходит на 2р–подуровень, и атом приобретает электронную конфигурацию 1s²2s¹2р³. При образовании связей 2s-орбиталь и от одной до трех 2p-орбиталей перемешиваются, образуя смешанные, или так называемые гибридные орбитали. Это явление называется гибридизацией. Основные типы гибридизации углерода:

1) sр³-Гибридизация (первое валентное состояние) характерна для насыщенных УВ. В этом случае в гибридизации участвуют одна 2s- и три 2p-орбитали, в результате образуются четыре одинаковые sp³-гибридные атомные орбитали (АО). Образовавшиеся гибридные орбитали образуют четыре σ-связи, в пространстве располагаются в форме тетраэдра на расстоянии максимального отталкивания друг от друга – под углом 109,5°.

2) sр²-Гибридизация (второе валентное состояние) характерна для органических соединений, содержащих двойную связь. Гибридизации подвергаются одна 2s- и две 2p-орбитали атома углерода. В результате образуются три sp²-гибридные орбитали, которые расположены под углом 120° друг к другу и направлены к вершинам правильного треугольника, в центре которого находится атом углерода. Три sp²-гибридные орбитали атома углерода образуют три σ-связи при перекрывании с орбиталями атомов других элементов. Единственная негибридная 2p-орбиталь может перекрываться с аналогичными негибридными 2p-орбиталями других атомов углерода с образованием π-связей.

3) sр-Гибридизация (третье валентное состояние) характерна для органических соединений, содержащих тройную связь. В этом случае одна 2s- и одна 2p-орбитали атома углерода в результате перемешивания образуют две одинаковые sp-гибридные орбитали, которые расположены под углом 180° друг к другу. Две sp-гибридные орбитали атома углерода образуют две σ-связи. Две негибридные 2р-орбитали образуют две π-связи.