Positionsisomerie. Isomerie und ihre Typen
Strukturisomere- Dies sind Verbindungen, die die gleiche Summenformel haben, sich aber in der Reihenfolge der Bindung von Atomen im Molekül voneinander unterscheiden.
Strukturisomerie wird in Kohlenstoffkettenisomerie, Positionsisomerie und Isomerie funktioneller Gruppen unterteilt.
Isomerie der Kohlenstoffkette. Aufgrund der unterschiedlichen Reihenfolge der Bindung von Atomen, die das Kohlenstoffgerüst des Moleküls bilden. Beispielsweise können für ein Alkan der Zusammensetzung C 4 H 10 zwei Isomere geschrieben werden;
Bei organischen Verbindungen mit zyklischer Struktur kann Kettenisomerie durch die Größe des Zyklus verursacht werden.
Positionsisomerie aufgrund unterschiedlicher Positionen von funktionellen Gruppen, Substituenten oder Mehrfachbindungen im Molekül.
Isomerie von funktionellen: Gruppen aufgrund des Vorhandenseins von funktionellen Gruppen unterschiedlicher Art in den Isomeren gleicher Zusammensetzung.
RÄUMLICHE ISOMERIE (STEREOISOMERIE)
Räumliche Isomere- Dies sind Verbindungen, die dieselbe Summenformel, dieselbe Bindungsreihenfolge von Atomen in einem Molekül haben, sich jedoch in der Anordnung der Atome im Raum voneinander unterscheiden.
Räumliche Isomere werden auch als Stereoisomere und (von den griechischen Stereos - räumlich) bezeichnet.
Räumliche Isomerie wird in Konfigurations- und Konformationsisomerie unterteilt.
Bevor wir uns jedoch mit der Betrachtung dieser Arten von Stereoisomerie befassen, wollen wir uns mit der Darstellung der räumlichen Struktur der Moleküle organischer Verbindungen befassen.
Zur Darstellung der räumlichen Struktur von Molekülen, ihrer Konfiguration oder Konformation werden Molekülmodelle und spezielle Stereoformeln verwendet.
Molekulare Modelle - eine visuelle Darstellung der Moleküle organischer und anorganischer Verbindungen, die es ermöglicht, die relative Position der Atome zu beurteilen, aus denen das Molekül besteht.
Drei Haupttypen von Modellen werden am häufigsten verwendet: sphärische (Kekule-Vant-Hoff-Modelle), skelettartige (Dryding-g-Modelle) und halbkugelförmige (Stuart-Briegleb-Modelle) Modelle erlauben es einem, nicht nur die gegenseitige Anordnung von Atomen in a zu beurteilen Molekül, aber sie sind bequem und berücksichtigen Bindungswinkel und die Möglichkeit der Rotation um einfache Bindungen. Trocknungsmodelle berücksichtigen auch interatomare Abstände, während Stewart-Briegleb-Modelle auch die Volumina von Atomen widerspiegeln. Die folgende Abbildung zeigt die Modelle von Ethan- und Ethylenmolekülen.
Reis. 3.1. Modelle von Ethan- (links) und Ethylenmolekülen (rechts); a - Kugel und Stock; b - Trocknen; in – halbkugelförmig (Stuart-Brigleb)
Stereoformeln. Um die räumliche Struktur eines Moleküls auf einer Ebene darzustellen, werden am häufigsten stereochemische und perspektivische Formeln sowie Newman-Projektionsformeln verwendet.
BEI Stereochemische Formeln in der Zeichenebene liegende chemische Bindungen sind als regelmäßige Linie dargestellt; Verbindungen über der Ebene - ein fetter Keil oder eine fette Linie und eine pssh-Ebene - ein gestrichelter Keil oder eine gestrichelte Linie:
Vielversprechende Formeln beschreiben die räumliche Struktur in der Ebene unter Berücksichtigung der Betrachtung des Moleküls entlang einer der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen. Im Aussehen ähneln sie Sägewerkziegen:
Beim Bauen Newman Projektionsformeln das Molekül wird in Richtung einer C-C-Bindung so betrachtet, dass sich die Atome, die diese Bindung bilden, gegenseitig verdecken. Von dem ausgewählten Paar wird das dem Betrachter am nächsten liegende Kohlenstoffatom durch einen Punkt und das am weitesten entfernte durch einen Kreis dargestellt. Die chemischen Bindungen des nächstgelegenen Kohlenstoffatoms mit anderen Atomen werden durch Linien dargestellt, die vom Punkt in der Mitte des Kreises und dem entfernten - vom Kreis ausgehen:
Es gibt Fisher-Projektionsformeln, die normalerweise verwendet werden, um die räumliche Struktur optischer Isomere auf einer Ebene darzustellen.
Vortrag Nr. 5
Thema "Isomerie und ihre Typen"
Unterrichtstyp: kombiniert
Zweck: 1. Die Hauptposition der Strukturtheorie zum Phänomen der Isomerie aufzuzeigen. Geben Sie eine allgemeine Vorstellung von den Arten der Isomerie. Zeigen Sie die Hauptrichtungen in der Entwicklung der Strukturtheorie am Beispiel der Stereoisomerie.
2. weiterhin die Fähigkeit zu bilden, Formeln aus Isomeren zu bilden, Stoffen nach Formeln Namen zu geben.
3. eine kognitive Einstellung zum Lernen kultivieren
Ausrüstung: Stuart-Briegleb-Molekülmodelle, farbige Knetmasse, Streichhölzer, ein Paar Handschuhe, Kreuzkümmel, Minzkaugummi, drei Reagenzgläser.
Unterrichtsplan
Begrüßung, Appell
Erhebung des Grundwissens
Neues lernen:
Strukturtheorie und das Phänomen der Isomerie;
Arten von Isomerie;
Verankerung
Unterrichtsfortschritt
2. Erhebung des Grundwissens: frontal
Nach welchen Kriterien organische Verbindungen eingeteilt werden, erklären Sie anhand eines Diagramms.
Was sind die Hauptklassen organischer Verbindungen, die Merkmale ihrer Struktur?
Führen Sie Übung Nr. 1 und 2 §6 durch. Ein Schüler an der Tafel, der Rest in Heften
3. Neues lernen: Strukturtheorie und das Phänomen der Isomerie
Erinnern Sie sich an die Definition von Isomerie und Isomeren. Erklären Sie den Grund für ihre Existenz.
Das Phänomen der Isomerie (von griech. isos – anders und meros – Anteil, Teil) wurde 1823 von J. Liebig und F. Wehler am Beispiel von Salzen zweier anorganischer Säuren entdeckt: Cyan und Fulminant. NASE = N Cyan; H-O-N = C Rasseln
1830 erweiterte J. Dumas das Konzept der Isomerie auf organische Verbindungen. Der Begriff "Isomer" tauchte ein Jahr später auf und wurde von J. Berzellius vorgeschlagen. Da damals auf dem Gebiet der Struktur organischer und anorganischer Substanzen ein völliges Chaos herrschte, wurde der Entdeckung keine große Bedeutung beigemessen.
Eine wissenschaftliche Erklärung für das Phänomen der Isomerie wurde von A. M. Butlerov im Rahmen der Strukturtheorie gegeben, während weder die Typentheorie noch die Radikalentheorie das Wesen dieses Phänomens enthüllten. A. M. Butlerov sah die Ursache der Isomerie darin, dass die Atome in den Molekülen der Isomere in einer anderen Reihenfolge verbunden sind. Die Strukturtheorie ermöglichte die Vorhersage der Anzahl möglicher Isomere und ihrer Struktur, was in der Praxis von A. M. Butlerov selbst und seinen Anhängern hervorragend bestätigt wurde.
Arten von Isomerie: Nennen Sie ein Beispiel für Isomere und schlagen Sie ein Merkmal vor, nach dem Isomere klassifiziert werden könnten.(Offensichtlich wird die Basis die Struktur der Moleküle der Isomere sein). Ich erkläre das Material anhand des Diagramms:
Es gibt zwei Arten von Isomerie: strukturelle und räumliche (Stereoisomerie). Strukturisomere sind solche, die eine unterschiedliche Reihenfolge der Bindung von Atomen in einem Molekül haben. Raumisomere haben an jedem Kohlenstoffatom die gleichen Substituenten, unterscheiden sich aber in ihrer gegenseitigen Anordnung im Raum.
Es gibt drei Arten von struktureller Isomerie: Isomerie zwischen Klassen, die mit der Struktur des Kohlenstoffskeletts verbunden ist, und Isomerie der Position der funktionellen Gruppe oder Mehrfachbindung.
Interclass-Isomere enthalten unterschiedliche funktionelle Gruppen und gehören zu unterschiedlichen Klassen organischer Verbindungen, und daher unterscheiden sich die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Interclass-Isomeren signifikant.
Die Isomerie des Kohlenstoffskeletts ist Ihnen bereits bekannt, die physikalischen Eigenschaften sind unterschiedlich und die chemischen Eigenschaften ähnlich, weil diese Substanzen zur gleichen Klasse gehören.
Isomerie der Position einer funktionellen Gruppe oder der Position von Mehrfachbindungen. Die physikalischen Eigenschaften solcher Isomere sind unterschiedlich, aber die chemischen Eigenschaften sind ähnlich.
Geometrische Isomerie: haben unterschiedliche physikalische Konstanten, aber ähnliche chemische Eigenschaften
Optische Isomere sind Spiegelbilder voneinander; wie zwei Palmen ist es unmöglich, sie so zusammenzufügen, dass sie zusammenpassen.
4. Fixieren: Isomere erkennen, Art der Isomerie bei Stoffen bestimmen, deren Formeln: Aufgabe 3 durchführen§ 7
Und das griechische μέρος - Anteil, Teil), ein Phänomen, das in der Existenz chemischer Verbindungen gleicher Zusammensetzung mit gleichem Molekulargewicht, aber unterschiedlicher Struktur besteht. Solche Verbindungen werden als Isomere bezeichnet. Strukturelle Unterschiede bewirken eine unterschiedliche gegenseitige Beeinflussung von Atomen in Molekülen und bestimmen unterschiedliche physikalische und chemische Eigenschaften von Isomeren. Isomerie ist in der organischen Chemie weit verbreitet und einer der Hauptgründe für die Vielfalt und Fülle organischer Verbindungen. In der anorganischen Chemie tritt Isomerie hauptsächlich bei komplexen Verbindungen auf.
Der Begriff "Isomerie" wurde 1830 von J. Berzelius eingeführt und beendete damit die Kontroverse zwischen J. Liebig und F. Wöhler über die Existenz zweier Substanzen, die sich in ihren Eigenschaften stark unterscheiden und die gleiche AgCNO-Zusammensetzung haben - Silbercyanat und Fulminat und basierend über die Ergebnisse der Forschung Weinsäure und Weinsäure. Das Wesen der Isomerie wurde später auf der Grundlage der Theorie der chemischen Struktur erklärt.
Es gibt zwei Haupttypen von Isomerie: strukturelle und räumliche (Stereoisomerie). Strukturisomere unterscheiden sich in der Reihenfolge der Bindungen von Atomen in einem Molekül, dh in ihrer chemischen Struktur. Stereoisomere (Raumisomere) mit gleicher Bindungsordnung von Atomen in einem Molekül unterscheiden sich in der gegenseitigen Anordnung der Atome im Raum.
Die Strukturisomerie wird in Kohlenstoffskelettisomerie (Skelettisomerie), Positionsisomerie (Positionsisomerie), Metamerie und andere Arten unterteilt. Die Isomerie des Kohlenstoffgerüsts ist auf die unterschiedliche Reihenfolge der Bindungen der Kohlenstoffatome zurückzuführen, die das Skelett des Moleküls bilden. Um die strukturellen Merkmale von Isomeren zu spezifizieren, wird die Skelettisomerie in Kohlenstoffkettenisomerie, Ringisomerie und Seitenkettenisomerie unterteilt. Zum Beispiel ist die Kohlenstoffkettenisomerie charakteristisch für Alkane, beginnend mit dem vierten Mitglied der homologen C 4 H 10 -Reihe, das zwei Strukturisomere aufweist: n-Butan CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 und Isobutan (2-Methylpropan ) CH3-CH(CH3)-CH3. Das fünfte Mitglied der C 5 H 12 -Alkanreihe hat drei Isomere: CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 3 - n-Pentan, CH 3 -CH(CH 3) -CH 2 -CH 3 - Isopentan (2-Methylbutan) und Neopentan (2,2-Dimethylpropan) CH 3 -C (CH 3) 2 -CH 3. Mit zunehmender Kettenlänge nimmt die Anzahl möglicher Isomere schnell zu. So sind für Alkane der Zusammensetzung C 10 H 22 75 Strukturisomere möglich, für C 13 H 28 - 802 Isomere, für C 20 H 42 - mehr als 366 Tausend Isomere. Alicyclische Verbindungen sind durch Ringisomerie und Seitenkettenisomerie gekennzeichnet. Beispielsweise sind unter den Skelettisomeren (Formeln I–IV) Methylcyclopentan (I), Cyclohexan (II) und Propylcyclopropan (III) zyklische Isomere, und Propylcyclopropan (III) und Isopropylcyclopropan (IV) sind Seitenkettenisomere. Unterschiede in den Eigenschaften von Skelettisomeren äußern sich beispielsweise im Unterschied ihrer Siedepunkte (Isomere mit einer normalen Kohlenstoffkette sieden bei einer höheren Temperatur als Isomere mit einer verzweigten Kette), ihrer Dichte und anderen n-Alkanen im Gegensatz zu ihnen verzweigte Isomere, sie haben einen geringeren Detonationswiderstand (siehe Artikel Oktanzahl), bilden mit Harnstoff Komplexe (Clathrate).
Positionsisomerie ist auf die unterschiedliche Position von funktionellen Gruppen, Substituenten oder Mehrfachbindungen zurückzuführen. Positionsisomere sind beispielsweise 1-Propanol CH 3 -CH 2 -CH 2 OH und 2-Propanol CH 3 -CH (OH) -CH 3, 1-Buten CH 2 \u003d CH-CH 2 -CH 3 und 2- Buten CH 3 -CH=CH-CH 3 . Eine Änderung der Position der funktionellen Gruppe kann zu einer Änderung der Klasse der Verbindung führen. Beispielsweise beziehen sich die Positionsisomere Aceton CH 3 -C(O)-CH 3 und Propanal CH 3 -CH 2 -CHO auf Ketone bzw. Aldehyde. Strukturisomere mit unterschiedlichen funktionellen Gruppen unterscheiden sich stark in ihren chemischen Eigenschaften.
Die Metamerie beruht auf den unterschiedlichen Positionen der Heteroatome (O, N, S) in der Kette. Metamere sind beispielsweise Methylpropylether CH 3 O-CH 2 -CH 2 -CH 3 und Diethylether CH 3 -CH 2 -O-CH 2 -CH 3 , Diethylamin CH 3 -CH 2 -NH-CH 2 -CH 3 und CH 3 -NH-CH 2 -CH 2 -CH 3 -Methylpropylamin.
Oft werden Unterschiede in Isomeren durch mehrere Strukturmerkmale bestimmt. Beispielsweise unterscheiden sich Methylisopropylketon (3-Methyl-2-butanon) CH 3 -C(O)-CH(CH 3 ) 2 und Valerianaldehyd (Pentanal) CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CHO voneinander andere als die Struktur des Kohlenstoffskeletts und die Position der funktionellen Gruppe.
Eine besondere Art der Strukturisomerie ist die Tautomerie (equilibrium dynamic isomerism). Dabei gehen Isomere mit unterschiedlichen funktionellen Gruppen leicht ineinander über, bis ein Gleichgewicht erreicht ist, bei dem die Substanz gleichzeitig in einem bestimmten Verhältnis tautomere Moleküle enthält.
Räumliche Isomerie wird in geometrische (cis, trans und syn, anti-Isomerie oder E, Z-Isomerie) und optische (Enantiomerie) unterteilt. Geometrische Isomerie ist charakteristisch für Verbindungen, die Doppelbindungen oder nichtaromatische Ringe enthalten, die strukturell starre Fragmente von Molekülen sind. Bei cis-Isomeren befinden sich zwei Substituenten auf der gleichen Seite der Ebene der Doppelbindung oder des Zyklus, bei trans-Isomeren auf gegenüberliegenden Seiten. Geometrische Isomere sind beispielsweise cis-2-Buten (Formel V) und trans-2-Buten (VI), cis-1,2-Dichlorcyclopropan (VII) und trans-1,2-Dichlorcyclopropan (VIII).
Charakteristische Unterschiede zwischen den cis-trans-Isomeren sind der niedrigere Schmelzpunkt der cis-Isomere, eine deutlich bessere Wasserlöslichkeit und ein ausgeprägtes Dipolmoment. Trans-Isomere sind normalerweise stabiler. Siehe beispielsweise den Artikel Malein- und Fumarsäuren.
Die bei Verbindungen mit Doppelbindungen C=N (Oxime) und N=N (Azo-, Azoxyverbindungen) beobachtete geometrische Isomerie wird oft als syn, anti-Isomerie bezeichnet. Beispielsweise sind geometrische Isomere Anti-Benzaldoxim (Formel IX) und Syn-Benzaldoxim (X); syn-Azobenzol (XI) und anti-Azobenzol (XII).
Im allgemeinen Fall wird die Ε,Z-Nomenklatur verwendet. Bei Z-Isomeren befinden sich ältere Substituenten (mit einer höheren Ordnungszahl) auf einer Seite der Doppelbindung oder des Zyklus, bei E-Isomeren auf gegenüberliegenden Seiten. Beispielsweise sind geometrische Isomere (Z)-1-Brom-1-iod-2-chlorethylen (Formel XIII) und (E)-1-Brom-1-iod-2-chlorethylen (XIV).
Optische Isomerie ist charakteristisch für Verbindungen, deren Moleküle Chiralitätselemente aufweisen, wie beispielsweise ein asymmetrisches (chirales) Kohlenstoffatom, das an vier verschiedene Substituenten gebunden ist. Sie wurde erstmals 1848 von L. Pasteur am Beispiel der Weinsäuren entdeckt und 1874 von J. H. van't Hoff und J. A. Le Bel anhand des Konzepts der tetraedrischen Anordnung von Kohlenstoffatomen in gesättigten Verbindungen erklärt. Moleküle, die ein asymmetrisches Kohlenstoffatom enthalten, können als zwei optische Isomere dargestellt werden, die räumlich nicht kombiniert werden können (d. h. sie verhalten sich zueinander wie ein Objekt zu seinem Spiegelbild). Solche Spiegelisomere, die sich nur durch die entgegengesetzte Anordnung gleicher Substituenten am Chiralitätszentrum unterscheiden, nennt man Enantiomere (von griech. έναντίος - Gegenstück und μέρος - Teil). Beispielsweise können Milchsäure-Enantiomere (XV und XVI) in 3D oder als Fisher-Formeln dargestellt werden (siehe Chemische Nomenklatur).
Enantiomere haben unterschiedliche biologische Aktivitäten; Sie zeichnen sich auch durch optische Aktivität aus - die Fähigkeit, auf linear polarisiertes Licht einzuwirken (die Polarisationsebene zu drehen). Enantiomere drehen die Polarisationsebene um den gleichen Winkel, aber in die entgegengesetzte Richtung, weshalb sie als optische Antipoden bezeichnet werden.
Lange Zeit wurde die Konfiguration von Enantiomeren relativ zur Konfiguration eines bekannten Standards bestimmt, nämlich der Enantiomere von Glycerinaldehyd (sterische Reihe D, L). Universaler ist die R,S-Nomenklatur (vorgeschlagen von R. Kahn, K. Ingold und V. Prelog), die die absolute Konfiguration räumlicher Isomere festlegt. Gemäß den Regeln der R-, S-Nomenklatur sind Milchsäure-Enantiomere (XV, XVI) (R)-Milch- bzw. (S)-Milchsäuren. Es gibt keine Regeln für die Übersetzung der D, L-Nomenklatur in das R, S-System, da diese Nomenklaturen unterschiedliche Prinzipien verwenden. Es wurde keine Verbindung zwischen der absoluten Konfiguration und den Parametern der optischen Rotation hergestellt.
Für Verbindungen mit n Chiralitätszentren im Molekül beträgt die Zahl der möglichen Stereoisomere 2". Bei n ≥ 2 gibt es jedoch Stereoisomere, die sich in einem Teil der enthaltenen Chiralitätselemente voneinander unterscheiden. Solche Stereoisomere, die keine Enantiomere sind, sind Diastereomere genannt (von griechisch δια ... - durch, zwischen, Stereo ... und μέρος - Teil) und XX sind Enantiomere, die restlichen Paare (XVII und XIX, XVII und XX, XVIII und XIX, XVIII und XX) sind Diastereomere.
Mit dem Auftreten zusätzlicher Symmetrieelemente (Ebene, Achse oder Symmetriezentrum) kann die Gesamtzahl der Stereoisomere sowie die Zahl der optisch aktiven Formen abnehmen. Beispielsweise haben Weinsäuren drei Stereoisomere, von denen zwei optisch aktiv sind: D-Weinsäure oder (2R,3R)-Weinsäure (Formel XXI) und L-Weinsäure oder (2S,3S)-Weinsäure (XXII), die Enantiomere sind. Ihr Diastereomer – Mesoweinsäure oder (2R,3S)-Weinsäure (Formel XXIII oder identische Konfiguration XXIV) ist aufgrund des Vorhandenseins einer Symmetrieebene (durch eine gestrichelte Linie angezeigt) optisch inaktiv – ist das sogenannte intramolekulares Racemat.
Der Prozess der gegenseitigen Umwandlung von Enantiomeren wird als Racemisierung bezeichnet. Eine Mischung aus gleichen Mengen optischer Antipoden – eine racemische Mischung oder ein Racemat hat keine optische Aktivität. Der Stereoisomerie wird beim Studium natürlicher Verbindungen und der Synthese biologisch aktiver Substanzen große Aufmerksamkeit geschenkt. Substanzen natürlichen Ursprungs, die Chiralitätselemente enthalten, haben eine bestimmte Stereokonfiguration sowie optische Aktivität. Wenn unter den Bedingungen der chemischen Synthese (mit Ausnahme der asymmetrischen Synthese) ein Chiralitätszentrum gebildet wird, wird ein Racemat gebildet; die Isolierung von Enantiomeren erfordert den Einsatz komplexer Methoden zur Auftrennung des Racemats in optisch aktive Komponenten.
Durch die interne Rotation von Molekülen entstehen Konformationsisomere oder Konformere, die sich im Grad der Rotation von Molekülfragmenten um eine oder mehrere einfache Bindungen unterscheiden. In einigen Fällen können einzelne Konformere, manchmal auch als Rotationsisomere bezeichnet, isoliert werden. Die Konformationsanalyse wird verwendet, um die Bildung, die Unterschiede in den Eigenschaften und die Reaktivität von Konformeren zu untersuchen.
Isomere können durch Isomerisierungsreaktionen ineinander überführt werden.
Lit .: Potapov V. M. Stereochemie. 2. Aufl. M., 1988; Traven VF Organische Chemie. M., 2004. T. 1.
ἴσος - gleich + μέρος - Anteil, Teil) - ein Phänomen, das in der Existenz chemischer Verbindungen besteht - Isomere, - identisch in atomarer Zusammensetzung und Molekulargewicht, aber unterschiedlich in der Struktur oder Anordnung der Atome im Raum und damit in den Eigenschaften.Enzyklopädisches YouTube
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Isomerie und Nomenklatur gesättigter Kohlenwasserstoffe
1.1. Alkane: Struktur, Nomenklatur, Isomerie. Vorbereitung auf die Prüfung in Chemie
Arten von Isomerie
Stereoisomere, Enantiomere, Diastereomere, Strukturisomere, Meso-Verbindungen
Nr. 42. Organische Chemie. Thema 12. Halogenderivate. Teil 1. Nomenklatur, Isomerie
Untertitel
Historische Informationen
Diese Art der Isomerie wird unterteilt in Enantiomere(optische Isomerie) und Diastereomerie.
Enantiomerie (optische Isomerie)
Der Prozess der gegenseitigen Umwandlung von Enantiomeren wird genannt Racemisierung: Es führt zum Verschwinden der optischen Aktivität durch Bildung eines äquimolaren Gemisches von (−)- und (+)-Formen, also eines Racemats. Die Umwandlung von Diastereomeren ineinander führt zur Bildung eines Gemisches, in dem die thermodynamisch stabilere Form vorherrscht. Bei π-Diastereomeren ist dies meist die trans-Form. Die gegenseitige Umwandlung von Konformationsisomeren wird Konformationsgleichgewicht genannt.
Das Phänomen der Isomerie trägt stark zum Wachstum der Anzahl bekannter (und noch mehr - der Anzahl potenziell möglicher) Verbindungen bei. So beträgt die mögliche Zahl strukturisomerer Decylalkohole mehr als 500 (von denen etwa 70 bekannt sind), es gibt mehr als 1500 räumliche Isomere.
Bei der theoretischen Betrachtung von Problemen der Isomerie setzen sich topologische Methoden immer mehr durch; mathematische Formeln wurden abgeleitet, um die Anzahl der Isomere zu berechnen.
Ein weiteres Beispiel waren Weinsäure und Weinsäure, nach deren Untersuchung J. Berzelius den Begriff einführte Isomerie und schlug vor, dass die Unterschiede aus der "unterschiedlichen Verteilung einfacher Atome in einem komplexen Atom" (dh einem Molekül) resultieren. Die wahre Erklärung der Isomerie erhielt man erst in der 2. Hälfte des 19. Jahrhunderts. basierend auf der Theorie der chemischen Struktur von A. M. Butlerov (Strukturisomerie) und der stereochemischen Theorie von J. G. van't Hoff (räumliche Isomerie).
Strukturelle Isomerie
Strukturisomerie ist das Ergebnis von Unterschieden in der chemischen Struktur. Dieser Typ umfasst:
Isomerie der Kohlenwasserstoffkette (Kohlenstoffgerüst)
Isomerie des Kohlenstoffgerüsts, bedingt durch die unterschiedliche Bindungsordnung der Kohlenstoffatome. Das einfachste Beispiel ist Butan CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 und Isobutan (CH 3 ) 3 CH. DR. Beispiele: Anthracen und Phenanthren (Formeln I bzw. II), Cyclobutan und Methylcyclopropan (III und IV).
Valenzisomerie
Valenzisomerie (eine spezielle Art der Strukturisomerie), bei der Isomere nur durch Umverteilung von Bindungen ineinander überführt werden können. Beispielsweise sind die Valenzisomere von Benzol (V) Bicyclohexa-2,5-dien (VI, "Dewar-Benzol"), Prisman (VII, "Ladenburg-Benzol"), Benzvalen (VIII).
Isomerie funktioneller Gruppen
Sie unterscheidet sich in der Natur der funktionellen Gruppe. Beispiel: Ethanol (CH 3 -CH 2 -OH) und Dimethylether (CH 3 -O-CH 3)
Positionsisomerie
Eine Art struktureller Isomerie, die durch einen Unterschied in der Position derselben funktionellen Gruppen oder Doppelbindungen mit demselben Kohlenstoffgerüst gekennzeichnet ist. Beispiel: 2-Chlorbuttersäure und 4-Chlorbuttersäure.
Räumliche Isomerie (Stereoisomerie)
Enantiomerie (optische Isomerie)
Räumliche Isomerie (Stereoisomerie) entsteht durch Unterschiede in der räumlichen Anordnung von Molekülen gleicher chemischer Struktur. Diese Art von Isomeren wird unterteilt in Enantiomere(optische Isomerie) und Diastereomerie.
Enantiomere (optische Isomere, Spiegelisomere) sind Paare optischer Antipoden von Substanzen, die durch Drehungen der Polarisationsebene des Lichts mit entgegengesetztem Vorzeichen und gleicher Größe mit der Identität aller anderen physikalischen und chemischen Eigenschaften (mit Ausnahme von Reaktionen mit anderen) gekennzeichnet sind optisch aktive Substanzen und physikalische Eigenschaften in einem chiralen Medium ). Ein notwendiger und hinreichender Grund für das Auftreten optischer Antipoden ist die Zuordnung eines Moleküls zu einer der folgenden Punktsymmetriegruppen C n, D n, T, O, I (Chiralität). Meistens sprechen wir von einem asymmetrischen Kohlenstoffatom, dh einem Atom, das mit vier verschiedenen Substituenten assoziiert ist, zum Beispiel:
Andere Atome können auch asymmetrisch sein, wie etwa Silizium-, Stickstoff-, Phosphor- und Schwefelatome. Das Vorhandensein eines asymmetrischen Atoms ist nicht der einzige Grund für Enantiomere. So haben Derivate von Adamantan (IX), Ferrocen (X), 1,3-Diphenylallen (XI), 6,6"-Dinitro-2,2"-diphensäure (XII) optische Antipoden. Der Grund für die optische Aktivität der letzteren Verbindung ist Atropisomerie, d. h. räumliche Isomerie, die durch das Fehlen einer Rotation um eine Einfachbindung verursacht wird. Enantiomerismus tritt auch in den helikalen Konformationen von Proteinen, Nukleinsäuren, Hexahelycen (XIII) auf.
(R)-, (S)-Nomenklatur optischer Isomere (Namensregel)
Den vier Gruppen, die an das asymmetrische Kohlenstoffatom C abcd gebunden sind, wird entsprechend der Reihenfolge: a>b>c>d ein unterschiedlicher Rang zugeordnet. Im einfachsten Fall wird das Dienstalter durch die Seriennummer des Atoms festgelegt, das an das asymmetrische Kohlenstoffatom gebunden ist: Br(35), Cl(17), S(16), O(8), N(7), C(6). ), H(1) .
Zum Beispiel in Bromchloressigsäure:
Die Rangfolge der Substituenten am asymmetrischen Kohlenstoffatom ist wie folgt: Br(a), Cl(b), C der COOH-Gruppe (c), H(d).
In Butanol-2 ist Sauerstoff der Senior-Substituent (a), Wasserstoff ist der Junior-Substituent (d):
Es ist erforderlich, die Frage der Substituenten CH 3 und CH 2 CH 3 zu lösen. In diesem Fall wird das Dienstalter durch die Seriennummer oder Nummern anderer Atome in der Gruppe bestimmt. Das Primat bleibt bei der Ethylgruppe, da dort das erste C-Atom an ein weiteres C(6)-Atom und an weitere H(1)-Atome gebunden ist, während in der Methylgruppe Kohlenstoff an drei H-Atome mit der Ordnungszahl 1 gebunden ist Vergleichen Sie in komplexeren Fällen weiterhin alle Atome, bis Sie Atome mit unterschiedlichen Seriennummern erreichen. Wenn Doppel- oder Dreifachbindungen vorhanden sind, werden die daran gebundenen Atome als zwei bzw. drei Atome betrachtet. Somit wird die -COH-Gruppe als C (O, O, H) betrachtet und die -COOH-Gruppe wird als C (O, O, OH) betrachtet; Die Carboxylgruppe ist älter als die Aldehydgruppe, da sie drei Atome mit einer laufenden Nummer von 8 enthält.
In D-Glycerinaldehyd ist die OH(a)-Gruppe am höchsten, gefolgt von CHO(b), CH 2 OH(c) und H(d):
Im nächsten Schritt wird bestimmt, ob die Anordnung der Gruppen rechts, R (lat. rectus), oder links, S (lat. finster) ist. Weiter zum entsprechenden Modell, das so ausgerichtet ist, dass die Nebengruppe (d) in der Perspektivformel unten ist, und dann von oben entlang der Achse betrachtet wird, die durch die schattierte Fläche des Tetraeders und der Gruppe (d) verläuft. In der D-Glycerinaldehyd-Gruppe
befindet sich in Rechtsdrehrichtung und hat daher eine R-Konfiguration:
(R)-Glycerinaldehyd
Im Gegensatz zur D,L-Nomenklatur sind die Bezeichnungen für (R)- und (S)-Isomere in Klammern gesetzt.
Diastereomerie
σ-Diastereomerie
Jede Kombination räumlicher Isomere, die kein Paar optischer Antipoden bilden, wird als diastereomer betrachtet. Es gibt σ- und π-Diastereomere. σ-Diastereomere unterscheiden sich voneinander in der Konfiguration einiger der Chiralitätselemente, die sie enthalten. Diastereomere sind also zum Beispiel (+)-Weinsäure und meso-Weinsäure, D-Glucose und D-Mannose:
Für einige Arten der Diastereomerie wurden spezielle Bezeichnungen eingeführt, beispielsweise sind threo- und erythro-Isomere eine Diastereomerie mit zwei asymmetrischen Kohlenstoffatomen und Zwischenräumen, wobei die Anordnung der Substituenten an diesen Atomen an die entsprechende Threose erinnert (verwandte Substituenten sind auf gegenüberliegende Seiten in Fishers Projektionsformeln) und Erythrose ( Stellvertreter - auf einer Seite):
Erythro-Isomere, deren asymmetrische Atome an die gleichen Substituenten gebunden sind, werden Meso-Formen genannt. Sie sind im Gegensatz zu den anderen σ-Diastereomeren aufgrund der intramolekularen Kompensation der Beiträge zweier identischer Asymmetriezentren entgegengesetzter Konfiguration zur Drehung der Lichtpolarisationsebene optisch inaktiv. Paare von Diastereomeren, die sich in der Konfiguration eines von mehreren asymmetrischen Atomen unterscheiden, werden als Epimere bezeichnet, zum Beispiel:
Der Begriff "Anomere" bezieht sich auf ein Paar diastereomerer Monosaccharide, die sich in der Konfiguration des glykosidischen Atoms in der cyclischen Form unterscheiden, beispielsweise sind α-D- und β-D-Glucose anomer.
π-Diastereomerie (geometrische Isomerie)
π-Diastereomere, auch geometrische Isomere genannt, unterscheiden sich voneinander durch die unterschiedliche räumliche Anordnung der Substituenten relativ zur Doppelbindungsebene (meist C=C und C=N) bzw. zum Ring. Dazu gehören beispielsweise Malein- und Fumarsäure (Formeln XIV bzw. XV), (E)- und (Z)-Benzaldoxime (XVI und XVII), cis- und trans-1,2-Dimethylcyclopentane (XVIII und XIX) .
Konformere. Tautomer
Das Phänomen ist untrennbar mit den Temperaturbedingungen seiner Beobachtung verbunden. So liegt beispielsweise Chlorcyclohexan bei Raumtemperatur als Gleichgewichtsgemisch zweier Konformere vor - mit äquatorialer und axialer Orientierung des Chloratoms:
Allerdings kann bei minus 150 °C eine einzelne a-Form isoliert werden, die sich unter diesen Bedingungen als stabiles Isomer verhält.
Andererseits können sich Verbindungen, die unter Normalbedingungen Isomere sind, im Gleichgewicht mit steigender Temperatur als Tautomere herausstellen. Beispielsweise sind 1-Brompropan und 2-Brompropan Strukturisomere, jedoch stellt sich bei Temperaturerhöhung auf 250 °C ein für Tautomere charakteristisches Gleichgewicht zwischen ihnen ein.
Isomere, die sich bei Temperaturen unterhalb der Raumtemperatur ineinander umwandeln, können als nicht starre Moleküle betrachtet werden.
Die Existenz von Konformeren wird manchmal als "Rotationsisomerie" bezeichnet. Unter den Dienen werden s-cis- und s-trans-Isomere unterschieden, die im Wesentlichen Konformere sind, die durch Rotation um eine einfache (s-Einfach-) Bindung entstehen:
Isomerie ist auch für Koordinationsverbindungen charakteristisch. So sind Verbindungen, die sich in der Art der Koordination von Liganden (Ionisationsisomerie) unterscheiden, isomer, zum Beispiel sind sie isomer:
SO 4 - und + Br -
Hier besteht im Wesentlichen eine Analogie zur Strukturisomerie organischer Verbindungen.
Chemische Umwandlungen, bei denen Strukturisomere ineinander umgewandelt werden, nennt man Isomerisierung. Solche Prozesse sind in der Industrie wichtig. So wird beispielsweise zur Erhöhung der Oktanzahl von Kraftstoffen eine Isomerisierung von Normalalkanen zu Isoalkanen durchgeführt; Pentan isomerisiert zu Isopentan für die anschließende Dehydrierung zu Isopren. Auch intramolekulare Umlagerungen sind Isomerisierungen, von denen beispielsweise die Umsetzung von Cyclohexanonoxim zu Caprolactam, einem Rohstoff für die Herstellung von Capron, von großer Bedeutung ist.
