1.3 Структурная изомерия органических соединений

Изомерия является характерным явлением органических соединений. Изомеры - это различные вещества, имеющие одинаковый состав. Изомеры делят на две основные группы: структурные изомеры и стереоизомеры.

Структурные изомеры отличаются по своему химическому строению, т.е. природой или последовательностью связей между атомами. В свою очередь структурные изомеры делятся на ряд групп:

1. Изомеры цепи:

2. Изомеры положения:

а) по положению кратных связей:

б) по положению функциональных групп:

3. Изомеры функциональных групп:

Стереоизомеры различаются пространственным расположением атомов в молекуле. Для описания пространственных различий используются два важнейших в стереохимии понятия – конфигурация и конформация молекул.

Конфигурация – это определенное пространственное расположение атомов в молекуле.

Пространственная модель атома углерода, находящегося в состоянии -гибридизации, представляет собой тетраэдр, т.е. имеет тетраэдрическую конфигурацию. Такой атом углерода называют также тетраэдрическим. Тетраэдрический атом углерода характерен для предельных углеводородов и их производных.

По отношению к атому углерода, находящемуся в состоянии sp²-гибридизации употребляют термин – плоскостная конфигурация. К конфигурационным изомерам относятся оптические изомеры цис-транс-изомеры (-диастереоизомеры).

Конформации – это пространственное расположение атомов в молекуле определенной конфигурации обусловленное поворотом вокруг одной или нескольких одинарных –связей. Взаимные переходы конформационных изомеров (конформеров) осуществляются без разрыва связей. Конформации, в которых заместители находятся друг относительно друга в наиболее близком положении, обладают самой высокой энергией. Конформации, в которых заместители расположены наиболее далеко друг от друга в пространстве, обладают наименьшей энергией.

Для открытой углеродной цепи можно выделить клешневидную и зигзагообразную (более выгодная) конформации.

Иногда для молекул оказывается более выгодным существование конформации с большей энергией. Так конформации белков, нуклеиновых кислот и других биополимеров определяются в значительной мере водородными, ионными, дисульфидными связями и другими видами стабилизирующих взаимодействий.

Циклогексан может принимать конформацию кресла (более стабильная) или ванны.

2.1. Электронное строение атома углерода

Главный элемент органических соединений углерод. Атомы углерода обладают способностью образовывать цепи практически бесконечной длины и вступать в прочные связи как с электроположительными (например, водород), так и электроотрицательными (галогены, кислород, азот и др.) элементами.

С троение электронной оболочки углерода ¹²₆С записывается выражением 1S²2S²2P². Во время химической реакции он возбуждается и меняет свое электронное строение 1S²2S2P³. Орбиталь – область пространства с максимальной электронной плотностью, а, следовательно, имеет размер и форму. Орбитали S и P электронов отличаются друг от друга. S орбиталь имеет сферическую форму,

а Р-орбиталь – гантелеобразную.  

В возбужденном атоме углерода не существует в чистом виде 2S–орбитали, а она гибридизуется с 2P–орбиталями. В зависимости от типа гибридизации различают три валентных состояния углерода:

Первое валентное состояние характеризуется гибридизацией одной 2S и трех 2P-орбиталей с образованием четырех одинаковых SP³–гибридных орбиталей. По форме гибридная орбиталь представляет собой объемную восьмерку, одна из лопастей которой значительно больше другой.



Такое состояние углерода можно записать следующим образом 1S²2(SP³)⁴ или

Эти орбитали взаимно ориентированы под углом 109^оС и направлены к вершинам тетраэдра. Первое валентное состояние углерода характерно для предельных углеводородов.

Второе валентное состояние характеризуется гибридизацией одной 2S и двух 2P–орбиталей с образованием трех одинаковых SP²-гибридных орбиталей. Такое состояние углерода можно записать следующим образом 1S²2(SP²)³2Р или

	sp2 P

При этом одна 2-Р орбиталь остается в чистом виде. Образовавшиеся три SP²–гибридные орбитали лежат в одной плоскости под углом 120^оС друг от друга, а негибридизированная Р-орбиталь в перпендикулярной к ней плоскости. В состоянии SP²–гибридизации атом углерода находится в молекулах алкенов, в группе С=О, т.е. в соединениях содержащих двойную связь.

Третье валентное состояние характеризуется гибридизацией одной 2S- и одной 2P-орбиталей с образованием двух одинаковых SP–гибридных орбиталей. Такое состояние можно написать как 1S²2(SP)²2Р² или

	sp P P

SP-гибридные орбитали расположены линейно, а две Р-орбитали в двух взаимноперпендикулярных плоскостях. Атом углерода в третьем валентном состоянии характерен для алкинов и нитрилов R-C=N, т.е. соединений, содержащих тройную связь.