Стеріоізомери – це сполуки, що однакові за своєю хімічною структурою, але відмінні за просторовим розташуванням молекул. Одним з видів стереоізомерії є геометрична. Друга її назва цис-транс ізомерія.
У ізомерних молекул цього типу різне розташування радикалів в просторі.
Умови для просторової ізомерії
Не всі хімічні сполуки мають здатність утворювати геометричні ізомери. Просторова цис-транс ізомерія можлива для наступних речовин:
- алкенів;
- циклоалканів;
- алкадієнів;
- ненасичених жирних кислот.
Важливою умовою для отримання структурної ізомерії молекул є наявність подвійного зв’язку або неароматичного кільця. У гексану, як представника алканів, не буде існувати просторових ізомерів. Так само вони не зустрічаються в алкінів. Наприклад, у атомів вуглецю в речовині бутин-2 буде тільки одна метильна група радикалів, тому просторова ізомерія не спостерігається.
При просторовому зображенні молекул такого типу площину проводять через 2 атоми вуглецю, з’єднаних подвійним зв’язком, або через ароматичне кільце. Решта радикалів розташовуються в просторі щодо цієї площини. Цис-ізомер молекула, у якої однакові радикали, лежить на одній стороні від площини симетрії. У трансізомера радикали розташовані хрест навхрест щодо подвійного зв’язку.
Наприклад, речовина бутен-2. Це алкен з довжиною ланцюжка в 4 атоми вуглецю. Формула записується СН3-СН = СН-СН3. При умовному зображенні цис-форми, атоми водню будуть розташовані вгорі від кратного зв’язку, а метильні групи внизу. У транс-бутена розташування замісників буде симетричним.
Алкадієни – це ненасичені вуглеводні, що мають 2 подвійні зв’язки і не циклічні за своєю структурою. Цис-транс ізомери є у речовин з гомологічного ряду бутадієну R-CH=CH-CH=CH2. Площина симетрії у алкадієнів проходить через один подвійний зв’язок, а замісниками є групи R- та -CH=CH2. Для ненасичених жирних кислот визначення цис-транс ізомерів буде аналогічним.
Для циклічних сполук просторова ізомерія залежить від розташування замісників щодо ароматичного кільця. У молекулі диметилциклобутану атоми водню заміщають 2 метильних радикалів.
У цис-диметилциклобутану заміщають групи розташовані по одну сторону від кільця, а атоми водню по іншу. У транс-ізомері розташування радикалів буде перехресним.
Різні замісники
Друга важлива умова для існування геометричних форм – це наявність різних замісників при атомі вуглецю. Наприклад, для бутадієну просторові форми неможливі, оскільки при одному з атомів знаходяться тільки 2 атоми водню.
Так само 2-метилбутен-2 не утворює просторових ізомерів, через два радикали метилу при одному атомі вуглецю. Щоб їх існування стало можливо, необхідно збільшити довжину ланцюжка. Наприклад, октен-2 утворює структурні ізомери, оскільки при кожному атомі вуглецю знаходиться водень і алкільний радикал.
Відмінність у властивостях
Різна просторова форма молекул впливає на фізичні властивості речовин. У різних геометричних форм будуть відрізнятися:
- точка кипіння;
- точка топлення;
- розчинність.
Якщо замісники представлені слабкими донорами, їх вплив на властивості речовини буде несильним. Наприклад, цис- та транс пентен-2 майже не відрізняються за фізичними властивостями, тому що водень заміщають метильна і етильна групи.
Але якщо є полярна група, що впливає на подвійний зв’язок, властивості просторових форм істотно відрізняються. Наприклад, малеїнова кислота за фізичними властивостями і хімічною активністю сильно відрізняється від фумарової. Але обидві вони є ізомерними формами бутендіової кислоти. Це пов’язано з тим, що у цис- ізомера відстань між функціональною групою і радикалом менше, ніж у транс- ізомера.
Співвідношення ізомерів
У молекул простих алкенів висока енергія обертання щодо кратного зв’язку. Це дозволяє цис-транс ізомерам існувати окремо. Прикладом алкена служить гексен
3СН3 — СН2 — СН= СН — СН2-СН3
Однак енергію обертання можна знизити. Для цього в молекулу потрібно внести сильний донор по одну сторону від кратного зв’язку, і сильний акцептор — по іншу. До таких сполук відносяться амідні похідні ефірів і кетонів. Співвідношення просторових ізомерів для таких речовин залежить від природи розчинника.
