Чем отличается структурная изомерия от пространственной кратко

Обновлено: 03.07.2024

Гомологи — вещества, имеющие сходное строение и свойства, но различающиеся по составу на одну или несколько групп CH 2 .

Изомеры могут различаться порядком соединения атомов в молекуле (химическим строением) или расположением атомов в пространстве. Поэтому различают структурную и пространственную изомерию.

Этот вид изомерии может быть обусловлен разным строением углеродного скелета, положением кратных связей или функциональных групп. Также есть межклассовая изомерия.

По расположению атомов в пространстве выделяют оптическую (энантиомерию) и геометрическую (цис-транс) изомерию.

Оптические изомеры являются зеркальным отражением друг друга. Оптические изомеры существуют в том случае, если в молекуле есть хотя бы один атом углерода, связанный с четырьмя разными группами. Такой атом называют оптически активным.

Геометрические изомеры отличаются расположением групп атомов относительно двойной связи: у цис-изомеров одинаковые группы атомов находятся с одной стороны, а у транс-изомеров — по разные стороны от двойной связи C = C . Этот вид изомерии возможен, если каждый из атомов, соединённых двойной связью, связан с разными атомами или группами атомов.

Изомеры – это вещества, имеющие одинаковый состав (число атомов каждого типа), но разное взаимное расположение атомов – разное строение.

Изомерия – это явление существования веществ с одинаковым составом, но различным строением.

Например, формуле C₄H₁₀ соответствуют два изомерных соединения н-бутан с линейным углеродным скелетом и изобутан (2-метилбутан) с разветвленным скелетом:

При этом температура кипения н-бутана –0,5 о С, а изобутана –11,4 о С.

Виды изомерии

Различают два основных вида изомерии: структурную и пространственную (стереоизомерию) .

Структурные изомеры отличаются друг от друга взаимным расположением атомов в молекуле; стереоизомеры — расположением атомов в пространстве.

Структурная изомерия

Структурные изомеры – соединения с одинаковым составом, но различным порядком связывания атомов, т.е. с различным химическим строением. Молекулярная формула у структурных изомеров одинаковая, а структурная различается.

1. Изомерия углеродного скелета: вещества различаются строением углеродной цепи, которая может быть линейная или разветвленная.

Например, молекулярной формуле С₅Н₁₂ соответствуют три изомера:

2. Изомерия положения обусловлена различным положением кратной связи, функциональной группы или заместителя при одинаковом углеродном скелете молекул.

2.1. Изомерия положения функциональной группы . Например, существует два изомерных предельных спирта с общей формулой С₃Н₈О: пропанол-1 (н-пропиловый спирт) пропанол-2 (изопропиловый спирт):

2.2. Изомерия положения кратной связи может быть вызвана различным положением кратной (двойной или тройной) связи в непредельных соединениях. Например, в бутене-1 и бутене-2:

2.3. Межклассовая изомерия – ещё один вид структурной изомерии, когда вещества из разных классов веществ имеют одинаковую общую формулу.

Например, формуле С₂Н₆О соответствуют: спирт (этанол) и простой эфир (диметиловый эфир):

Пространственная изомерия

Пространственные изомеры – это вещества с одинаковым составом и химическим строением, но с разным пространственным расположением атомов в молекуле. Виды пространственной изомерии – геометрическая (цис—транс) и оптическая изомерия.

1. Геометрическая изомерия (или цис-транс-изомерия).

Геометрическая изомерия характерна для соединений, в которых различается положение заместителей относительно плоскости двойной связи или цикла. Например, для алкенов и циклоалканов.

Двойная связь не имеет свободного вращения вокруг своей оси.

Поэтому заместители у атомов углерода при двойной связи могут быть расположены либо по одну сторону от плоскости двойной связи (цис-изомер), либо по разные стороны от плоскости двойной связи (транс-изомер). При этом никаким вращением нельзя получить из цис-изомера транс-изомер, и наоборот.

Например, бутен-2 существует в виде цис— и транс-изомеров

1,2-Диметилпропан также образует цис-транс-изомеры:

Геометрические изомеры различаются по физическим свойствам (температура кипения и плавления, растворимость, дипольный момент и др.). Например, температура кипения цис-бутена-2 составляет 3,73 о С, а транс-бутена-2 0,88 о С.

При этом цис—транс-изомерия характерна для соединений, в которых каждый атом углерода при двойной связи С=С (или в цикле) имеет два различных заместителя.

Например , в молекуле бутена-1 CH₂=CH-CH₂-CH₃ заместители у первого атома углерода при двойной связи (два атома водорода) одинаковые, и цис—транс-изомеры бутен-1 не образует. А вот в молекуле бутена-2 CH₃—CH=CH-CH₃ заместители у каждого атома углерода при двойной связи разные (атом водорода и метильная группа CH₃), поэтому бутен-2 образует цис— и транс-изомеры.

Таким образом, для соединений вида СH₂=СHR и СR₂=СHR’ цис—транс-изомерия не характерна.

2. Оптическая изомерия

Оптические изомеры – это пространственные изомеры, молекулы которых соотносятся между собой как предмет и несовместимое с ним зеркальное изображение.

Оптическая изомерия свойственна молекулам веществ, имеющих асимметрический атом углерода.

Асимметрический атом углерода — это атом углерода, связанный с четырьмя различными заместителями.

Такие молекулы обладают оптической активностью — способностью к вращению плоскости поляризации света при прохождении поляризованного луча через раствор вещества.

Органические соединения с одинаковым качественным и количественным составом – изомеры — могут отличаться по свойствам. Причиной является различное строение, которое определяет отношение веществ к классу соединений.

Чтобы определить класс недостаточно оперировать молекулярной формулой вещества – необходимо знать графическую формулу, которая показывает структурное и пространственное расположение атомов в молекуле.

Определение

Изомеры — это химические соединения с идентичным атомным составом, но различные по строению или пространственному расположению атомов. Изомеры имеют разные химические свойства.

Основные виды изомерии:

Структурная изомерия

Структурные изомеры – химические вещества, при одинаковом качественном и количественном составе различающиеся порядком расположения атомов – строением вещества.

Выделяют шесть видов структурной изомерии:

Изомерия углеродного скелета

Пентан имеет три структурные формулы изомеров:

Изомерия положения кратной связи

При общей формуле пентен имеет два изомера, различающихся расположением двойной связи:

У изомеров положения кратной связи параллельно может быть изомерия углеродного скелета. Для пентена это:

Общее число структурных изомеров пентена равно пяти, из которого два изомера положения двойной связи и три изомера углеродного скелета.

Изомерия положения функциональной группы

К функциональным группам относятся фрагменты органических соединений, определяющие их свойства.

Для примера: -ОН гидроксильная, -СООН карбоксильная, -NH2 аминогруппа, -CN цианогруппа и другие.

Как выглядит изомерия положения можно рассмотреть на примере пентана и -Cl в качестве функциональной группы:

Хлорпентан имеет 3 положения функциональной группы, которые различаются между собой местом расположения заместителя на углеродной цепи.

Валентная изомерия

Изомеры, которые можно перевести из одного в другой путем перераспределения внутренних связей называют валентными. Внутримолекулярная перегруппировка является не катализируемым и не зависящим от растворителя процессом.

На внутримолекулярные изменения, влияет температура, в случае с бензолом Хюккеля УФ-облучение.

Бензол Дьюара трансформируется в обычный бензол при t 20°С за 48 часов, при t 90°С для изомеризации достаточно 30 минут.

Преобразование бензола в бензвален (бензол Хюккеля) происходит при его облучении УФ-светом с определенной длиной волны.

Призман – самый нестабильный из изомеров бензола.

Межклассовая изомерия

Соединения, имеющие общую формулу, могут содержать функциональные группы, относящиеся к разным классам соединений.

Общую формулу имеют два вещества:

Изомерия статическая и динамическая

Различают типы изомерии:

статическая – изомеры образуются в результате химического процесса изомеризации;
динамическая – несколько изомеров существуют одномоментно и легко переходят друг в друга.

К статической относятся изомерия углеродного скелета, положения кратной связи, функциональной группы, межклассовая и валентная.

Пример динамической изомерии – прототропная таутомерия, при которой обратимая изомеризация происходит за счет перехода протона водорода внутри молекулы.

Стереоизомерия

В пространственных изомерах с одинаковой структурной формулой, атомы молекулы ориентированы в пространстве по-разному.

Чем же отличается структурная изомерия от пространственной: первая рассматривает порядок атомов в молекуле на плоскости, а вторая – в объеме.

Стереоизомерия делится на геометрическую (цис-транс) и оптическую.

Цис-транс — изомерия (геометрическая)

Геометрические изомеры присутствуют в веществах, имеющих двойные связи или циклы.

Подразделяют геометрические изомеры относительно плоскости, в которой расположена π-связь или закольцованный цикл.

Изомеры, у которых одинаковые заместители расположены по одну сторону от плоскости называют цис- изомерами.

Соединения, у которых заместители расположены по разные стороны от плоскости π-связь или кольца называют транс- изомерами.

Наглядной иллюстрацией могут служить простейшие геометрические изомеры — бутен-:

Оптическая изомерия

При исследовании веществ с одинаковой структурной формулой на поляриметре было выявлено явление вращения плоскости поляризованного света. Такие вещества получили название оптически активных веществ.

Исследования показали, что молекулы этих веществ хиральны, то есть несовместимы со своим отражением в зеркале. Хиральные вещества присутствуют в виде двух оптических антиподов (энантиомеров), один из которых правовращающий (+), а другой – левовращающий (-).

Определить знак оптического изомера можно с помощью поляриметра.

Причина хиральности состоит в присутствии ассиметрического атома углерода – связанного с четырьмя различными заместителями.

Хиральные молекулы невозможно совместить, так как они зеркально симметричны.

Пример пары стереоизомеров, представляющих зеркальные отражения:

(S)-(+)- Молочная кислота (слева) и (R)-(-)-Молочная кислота (справа).

Для изображения оптических изомеров используют проекционные формулы Э.Фишера.

Правила построения формул Фишера

Изображают стереоизомеры с ассиметрическим атомом углерода на плоскости в виде проекционных форм, предложенных в конце XIX века Э.Фишером.

Правила изображения проекции Фишера:

Углеродный скелет располагается в пространстве вертикально, нумерация атомов углерода идет сверху вниз.
Горизонтальные связи в проекции направлены к наблюдателю, а вертикальные – от него.

Правила пользования проекциями Фишера имеют ограничения:

проекция корректна только в плоскости чертежа;
нельзя разворачивать чертеж на 90° и 270°, так как вертикальные и горизонтальные линии меняются местами;
допускается разворот на 180°.

Номенклатура стереоизомеров основана на правиле последовательности заместителей при асимметрическом атоме углерода по старшинству (определяется как порядковый номер в Периодической таблице). Учитывается направление уменьшения старшинства: падение по часовой стрелке обозначается как R, против – как S.

Заключение

Все виды изомерии органических соединений делят на две части – структурная изомерия и пространственная.

Изомеры, относящиеся к первой группе, различаются порядком соединения атомов, а ко второй – только их пространственным расположением. Классификация изомеров опирается на различия между ними. Изучение множества структурных и пространственных форм веществ стали возможны благодаря работам А.М.Бутлерова и Я.Г.Вант-Гоффа.

Представьте себе: аналог одного из видов изомерии можно найти повсюду, и даже на теле человека. Но об этом узнает тот, кто внимательно прочитает нашу статью. Давайте разбираться, какие вещества называются изомерами и какие виды изомерии соединений выделяют в органической химии.

О чем эта статья:

10 класс, 11 класс, ЕГЭ/ОГЭ

Строение органических веществ в химии отображают структурные формулы. Они показывают порядок соединения атомов в молекулах (но не отражают расположение атомов в пространстве).

Если в составе молекулы 4 или больше атома углерода, они могут быть соединены в различном порядке — линейном и разветвленном. Молекулы с одинаковым количественным и качественным составом, но разным порядком связи атомов соответствуют разным веществам. Например, рассмотрим структурные формулы бутана и изобутана — обратите внимание на различие в температурах кипения:

Тут мы подходим к такому понятию, как изомеры.

Изомеры — это вещества, которые имеют одинаковый атомный состав, но различное химическое строение, а значит, и свойства. Явление существования различных форм веществ или изомеров называется изомерией.

Виды изомерии

Различают две большие категории изомерии: структурную и пространственную. Внутри каждой категории выделяют еще несколько разновидностей. Давайте рассмотрим каждую из них.

Структурная изомерия

Обусловлена разным порядком соединения атомов в составе молекулы. Делится на 4 вида, о каждом из которых мы сейчас расскажем.

Изомерия углеродного скелета обусловлена различным порядком связи между атомами углерода, за счет которых образуется скелет молекулы.

Например, молекула состава C5H12 имеет несколько форм расположения в пространстве:

Линейная молекула пентана

Немного разветвленная молекула 2-метилбутана

Еще более разветвленная молекула 2,2-диметалпропана

Как видно, количество углерода и водорода в этих молекулах абсолютно идентично, однако свойства отличаются колоссально. Например, температура кипения неопентана — 9,5 °С, изопентана — 27,7 °C, а линейной молекулы пентана — 36 °C.

Изомерия положения функциональных групп (заместителей) обусловлена различным положением заместителя или функциональной группы при одинаковом углеродном скелете молекулы. Такой вид изомерии можно реализовать при минимум трех атомах углерода. Рассмотрим на примерах:

Сравним температуры кипения: пропанол-1 кипит при 97 °C, а его разветвленный брат — при температуре 82 °C. Уже второй пример демонстрирует, что для более разветвленной структуры характерны более низкие температуры кипения. Это связано с тем, что форма разветвленных молекул стремится к сферической, при этом площадь поверхности уменьшается, и в результате уменьшаются межмолекулярные силы, которые теперь преодолеваются при более низкой температуре.

Следующий вид структурной изомерии — это изомерия положения кратной связи. Она обусловлена различным положением кратной связи при одинаковом углеродном скелете молекулы. Его можно реализовать при наличии не менее четырех атомов углерода. Рассмотрим на примерах:

Температура кипения пентина-1 составляет 40,23 °C, а пентина-2 — 56,1 °C.

И последний вид структурной изомерии — межклассовая изомерия. Она обусловлена различным положением и сочетанием атомов в молекулах веществ, которые имеют одинаковую молекулярную формулу, но принадлежат к разным классам. Межклассовые изомеры имеют одинаковую общую формулу. Например, только алканы имеют общую формулу C_nH_2n+2, следовательно, межклассовых изомеров у них нет. А вот общую формулу C_nH_2n имеют как алкены, так и циклоалканы. Значит, алкены и циклоалканы — межклассовые изомеры по отношению друг к другу. Рассмотрим наглядный пример:

Оба соединения имеют формулу C₆H₁₂, однако одно принадлежит к алкенам, а другое к циклоалканам.

Пространственная изомерия

Обусловлена различным положением атомов в пространстве.

Частный случай пространственной изомерии — геометрическая или цис-транс-изомерия. Она характерна для соединений с кратными связями и циклических соединений. Такие изомеры имеют различные физические и химические свойства. У каждого атома углерода должны быть разные заместители, иначе такой вид изомерии не имеет смысла. Рассмотрим примеры геометрической изомерии.

Еще один вид пространственной изомерии — оптическая изомерия. Она характерна для веществ, у которых есть асимметрический атом с четырьмя различными заместителями. Молекулы оптических изомеров соотносятся друг с другом как объект и его зеркальное отражение. Руки, ноги, уши человека — тоже своего рода оптические изомеры. А вот пример оптических изомеров в органической химии:

Для удобства обобщили все виды изомерии на схеме:

Вопросы для самопроверки

1. Какая форма не относится к структурной изомерии?

Изомерия положения кратной связи.

Изомерия положения функциональной группы.

3. Какие формы относятся к пространственной изомерии?

Цис- и транс-изомерия.

Изомерия углеродного скелета и межклассовая изомерия.

Изомерия положения функциональной группы и изомерия кратной связи.

Транс-изомерия и изомерия углеродного скелета.

4. Какая характеристика не описывает оптическую изомерию?

При наложении двух оптических изомеров предмет и его зеркальное отражение совпадают.

Наличие асимметрического атома углерода.

У атома углерода четыре разных заместителя.

Одинаковое химическое строение, но различное положение атомов в пространстве.

В ходе урока вы получите общее представление о видах изомерии, узнаете, что такое изомер. Узнаете о видах изомерии в органической химии: структурной и пространственной (стереоизомерии). С помощью структурных формул веществ рассмотрите подвиды структурной изомерии (скелетную и изомерию положений), узнаете о разновидностях пространственной изомерии: геометрической и оптической.

Читайте также: