В органічній хімії існує таке поняття як ізомерія – це особливе явище, при якому у декількох різних речовин однакова молекулярна формула, але різна будова. Саме тому у них відрізняються фізичні, електронні та хімічні властивості.
Визначення поняття
У 1823 році зав’язалася суперечка між вченими Ф. Велером та Ю. Лібіхом через різні властивості однієї речовини – AgCNO. Ця формула відповідала і гримучому, і ціановокислому сріблу.
Другий подібний випадок стався з Й. Берцеліусом. Він досліджував виноградну та винну кислоти і в 1830 році вперше використовував термін «ізомерія». Це явище вчений пояснив тим, що прості атоми таблиці Менделєєва по-різному розподіляються в молекулі.
І лише в другій половині XIX століття з’явилося справжнє визначення терміна. У його основу лягли стереохімічне вчення Я.Вант-Гоффа і теорії будови А. Бутлерова. Перший виявив просторову ізомерію, а другий – структурну.
Структурний тип
Існує кілька типів ізомерії. Структурним є той, при якому відмінності спостерігаються в хімічній будові молекули.
Сюди можна віднести кілька видів будови:
- вуглецевого скелета;
- валентний;
- міжкласовий;
- положення;
- метамерія.
Різний порядок зв’язку атомів обумовлює ізомерію вуглецевого скелета. Найпростіші приклади для цього випадку: бутан і ізобутан. Формула першого – CH3-CH2-CH2-CH3, а другого — (CH3)3CH.
Сюди ж можна віднести такі речовини, як:
- фенантрен і антрацен;
- метилциклопропан і циклобутан.
Також структурна ізомерія характерна для гомологічного ряду алканів.
Якщо відрізняється характер функціональної групи, то говорять про міжкласовий тип. До нього відносять диметиловий ефір і етанол: CH3-O-CH3 та CH3-CH2-OH. Відмінності в положенні одних і тих же кратних зв’язків або функціональних груп при загальному вуглецевому скелеті — це характерні риси однойменної ізомерії. Основні приклади: 4-хлорбутанова кислота або 2-хлорбутанова кислота.
Метамерія – ще один вид ізомерії органічних сполук. Його особливості полягають в тому, що атоми вуглецю по-різному розподіляються між вуглеводневими радикалами, які розділені гетероатомом. Відомий цей тип поміж:
- простих і складних ефірів;
- амінів;
- тіоспиртів.
Але сьогодні це поняття рідко використовується. А. Бутлеров називав явище ізомерією нецільних структур, а наочними прикладами служать діетиловий і метилпропіловий ефір: CH3CH2OCH2CH3 і CH3OCH2CH2CH3.
Особливості стереоізомерії
Причина виникнення просторової або стереоізомерії — молекули розрізняються в просторовій конфігурації, але мають абсолютно однакову хімічну будову. Їх позначають за допомогою спеціальної стереохімічної номенклатури, зібраної в розділі Е правил ІЮПАК.
Цю групу ділять на кілька видів:
- енантиомерія або оптична ізомерія;
- диастереомерія;
- геометричний тип.
Якщо комбінація просторових ізомерів не складає пару антиподів, то їх відносять до діастереомерів. Такі молекули мають різну конфігурацію елементів хіральності.
Подібні речовини:
- D-манноза і D-глюкоза;
- винна та мезовинна кислота.
Інші види стереоізомерії краще розглянути більш детально.
Геометричний вигляд
Геометрична класифікація характеризується однаковим порядком з’єднання атомів при різному їх розташуванні. Стереогенна група у таких ізомерах – це малі цикли або кратний зв’язок. Але вони можуть існувати тільки при наявності функціональних з’єднань. Назви такого явища можуть відрізнятися – транс- і цис- ізомерія.
У першому випадку відрізняються замісники, що знаходяться по різні боки від подвійного зв’язку. А в другому однакові елементи при різних вуглецевих атомах мають загальне місце розташування. Різні замісники позначають латинськими літерами E — entgegen або Z — zusammen. Якщо необхідно встановити тип конфігурації, то визначають старшинство атомів, порівнюють їх порядкові числа.
Приклад розрахунків: речовина з Формулою 1-бром-1-хлор-2 — нітроетилен, старші замісники – Н з номером 1, Br (35), N (7) і Cl (17). У першому атомі вуглецю головніший бром (35), у другому — азот (7). Вони знаходяться по різні сторони, тому ізомер належить до групи E. А якщо старший замісник у першого атома Cl (17), а у другого Br (35), то це Z-ізомер.
Іноді елементи однакові, вони пов’язані з ненасиченими атомами вуглецю, тоді необхідно порівнювати другий і третій шар молекули. Якщо в конкретному прикладі замісники однакові, то потрібно розглядати наступні групи.
Оптична група
У 19 столітті вчені виявили, що при пропущенні поляризованих променів через деякі види речовин, вони відхиляють площину світла на певний кут. Є також два з’єднання, які спотворюють поляризацію на кути, однакові за величиною, але різні за знаком. Ці молекули отримали назву оптичних ізомерів – енантиомерів або антиподів.
Два таких ізомери відрізняються, як який-небудь предмет і його відображення в дзеркалі. Якщо їх накласти один на одного, то вони не співпадуть — хіральні молекули. Але іноді вони повністю ідентичні – ахіральні речовини.
До хіральних, крім вуглецю, відносяться сполуки з атомами:
- кремнію;
- фосфору;
- азоту.
У них є спільна риса – стереогенна площина або вісь. Зобразити такі ізомери можна за допомогою рівнянь Фішера. Ключові моменти побудови:
- проєкції зв’язків, спрямованих від глядача, малюють вертикальною пунктирною лінією;
- проєкції зв’язків, спрямовані до спостерігача – горизонтальна лінія;
- центр їх перетину називається хіральним перетином – це асиметричний атом вуглецю;
- на кінцях ліній зображують замісники.
У цій схемі не потрібно малювати символ атома вуглецю. Але якщо центром є інша частка, то її необхідно підписати. При зображенні замісників строго дотримуються їх просторового розташування.
Хімічні перетворення
Явище, при якому структурні ізомери перетворюються один в інший, називають ізомеризацією. Ці процеси особливо важливі в промисловості. Є особлива технологія перетворення алканів в ізоалкани, що підвищує октанове число моторного палива. Пентан ізомеризується в ізопентан, потім його дегідрують і створюють ізопрен.
Перегрупування всередині молекул також вважаються ізомеризацією. Велике значення в промисловості має явище Бекмана – циклогексаноноксим переходить в капролактам, так називається сировина для виготовлення капрону.
Рацемізацією є процес взаємного перетворення енантиомерів. Наслідок цього явища – зникнення оптичної активності через появу еквімолярної суміші негативних і позитивних форм. Діастереомери при взаємоперетворенні утворюють тремодинамічно стійку суміш. А процес з конформаційними ізомерами називається однойменною рівновагою.
Для підрахунків використовуються спеціальні математичні формули, а при розгляді проблем хімічного явища застосовують топологічні методи.
