Виды изомерии органических соединений

Различают следующие виды изомерии.

1. Структурная изомерия.

1. Изомерия цепи. Изомеры отличаются длиной углеводородной цепи. Характерна для всех классов органических веществ. Например:

СН₃–СН₂–СН₂–СН₃ бутан, t_кип = 0С,

2-метилпропан, t_кип = –12С.

2. Изомерия положения

а) углеводородных радикалов:

3-метилпентан 2-метилпентан

б) кратных связей:

СН₂=СН–СН₂–СН₃ бутен-1; СН₃–СН=СН–СН₃ бутен-2;

в) функциональных групп:

СН₃–СН₂–СН₂–ОН пропанол-1; пропанол-2.

3. Изомерия взаимного положения кратных связей, радикалов, функциональных групп:

СН₂=СН–СН₂–СН=СН₂ СН₂=СН–СН=СН–СН₃

пентадиен-1,4 пентадиен-1,3

2,3-диметилгексан 2,4-диметилгексан

НО–СН₂–СН₂–СН₂–ОН

пропандиол-1,2 пропандиол-1,3

4. Метамерия. Характерна для соединений, имеющих в составе молекулы (цепи) гетероатом, и зависит от его положения. Например:

СН₃–О–СН₂–СН₂–СН₃ метилпропиловый эфир;

СН₃–СН₂–О–СН₂–СН₃ диэтиловый эфир.

5. Межклассовая изомерия. Например:

НСС–СН₂–СН₃ бутин-1 Н₂С=СН–СН=СН₂ бутадиен-1,3

СН₃–СН₂–ОН этиловый спирт; СН₃–О–СН₃ диметиловый эфир

бутановая кислота метилпропаноат

пропаналь пропанон

CH₃–CH₂–NO₂ H₂N–CH₂–COOH

нитроэтан аминоэтановая кислота

6. Кольчато-цепная изомерия. Характерна для соединений, имеющих в составе молекулы кратную связь или цикл. Например:

СН₂=СН–СН₂–СН₃ бутен-2; циклобутан.

2. Пространственная изомерия.

1. Конфигурационная изомерия.

   1. Геометрическая изомерия. Характерна для соединений, имеющих в составе молекулы двойную связь или цикл и около них одинаковые атомы или группы атомов. Примеры:

1. СН₃–СН=СН–СН₃ бутен-2. Для этого вещества характерны два геометрических изомера:

цис-бутен-2 транс-бутен-2

2. Для циклопропандикарбоновой кислоты также характерны два геометрических изомера:

цис-циклопропандикарбоноваятранс-циклопропандикарбоновая

кислота кислота

1.2. Оптическая изомерия. Характерна для соединений, имеющих в составе молекулы асимметричный атом углерода (С*), т.е. атом, у которого все 4 валентности заняты разными атомами или группами атомов. Такие молекулы способны вращать поляризованный свет. Если вещество отклоняет плоскость поляризации влево, то оно называется левовращающим (L)изомером, если вправо –правовращающим (D)изомером. МолекулыD- иL-изомеров являются зеркальным отражением друг друга. Например:

2. Конформационная изомерия. Электронная плотность -связи между двумяsp³-гибридизованными атомами углерода распределена равномерно относительно оси связи, т.е.-связь обладает осевой симметрией. Из этого следует, что вокруг одинарной С–С-связи возможно вращение атомов углерода. Это хорошо видно на шаростержневой модели этана. Поворот одной метильной группы относительно другой в этане происходит без нарушения химического строения молекулы, не меняются порядок связывания атомов, межатомные расстояния, величины углов между связями. Изменяется лишь взаимное расположение в пространстве атомов водорода. В случае других соединений можно говорить об изменении взаимного расположения заместителей, не связанных друг с другом ковалентными связями. Молекула может принимать при этом различные геометрические формы.

Различные геометрические формы молекулы, переходящие друг в друга путем вращения вокруг -связей, называютсяконформациями.

В результате вращения вокруг -связи между атомами углерода из множества возможных конформаций молекула этана стремится принять наиболее выгодную конформацию, обладающую наименьшей внутренней энергией. Рассмотрим из всех возможных две конформации этана. В одной из этих конформаций:

расстояние между атомами водорода двух метильных групп наименьшее, поэтому находящиеся друг против друга связи С–Н отталкиваются. Это приводит к увеличению потенциальной энергии молекулы, а следовательно, к меньшей устойчивости этой конформации. Такая конформация называется заслоненной.

В другой конформации:

атомы водорода двух метильных групп удалены на максимально возможное расстояние друг от друга. При этом электронное взаимодействие связей С–Н наименьшее и потенциальная энергия этой конформации также наименьшая. Такая конформация называется заторможенной. Она более устойчива. Разница в энергиях заслоненной и заторможенной конформаций этана составляет 10–12 кДж/моль. При обычных условиях конформации этана легко переходят друг в друга и составляют равновесную смесь. Выделить этан в виде какой-либо отдельной конформации невозможно. Существование конформаций этана обнаруживается только с помощью физико-химических методов.

Однако в случае более сложных соединений появляется реальная возможность выделения в индивидуальном состоянии отдельных, наиболее устойчивых конформаций, которые принято называть конформерами.

3. Таутомерия – вид изомерии, при которой одно и то же вещество существует в виде нескольких форм, находящихся в состоянии динамического равновесия. Примеры:

1). Кольчато-цепная таутомерия глюкозы:

-глюкоза открытая, альдегидная -глюкоза

форма глюкозы

2). Кето-енольная таутомерия (енолы – это соединения, содержащие в молекулах гидроксильную группу и двойную связь):

⇄

виниловый спирт уксусный альдегид

(енольная форма) (кетоформа);

⇄

кетоформа енольная форма

пептидной связи.

Классификация и номенклатура органических веществ

В классификации органических веществ принимаются за основу два важнейших признака:

• строение углеродного скелета и

• наличие в молекуле функциональных групп.

Различают следующие типы соединений по строению углеродного скелета (табл. 1).

Таблица 1

Типы органических соединений по строению углеродного скелета

Органические вещества
Ациклические		Карбоциклические			Гетероциклические
Предельные	Непредельные	Предельные	Непредельные	Ароматические	Предельные	Непредельные	Ароматические

1. Ациклические (алифатические, соединения жирного ряда) – это соединения, имеющие открытую углеродную цепь (разветвленную или неразветвленную). Например:

СН₃–СН₂–СН₂–СН₃ бутан, 2-метилпропан.

2. Карбоциклические – это соединения, в которых углеродная цепь замкнута в цикл (кольцо). Например:

3. Гетероциклические – это соединения, содержащие в цикле, кроме атомов С, атомы других элементов. Например:

Карбоциклические и гетероциклические соединения могут быть ароматическими, если наблюдается сопряжение р-электронов и образование циклической -электронной системы.

В большинстве органических молекул помимо атомов С и Н содержатся атомы других элементов. Именно от них в первую очередь зависят химические свойства вещества. Эти атомы входят в состав функциональных групп, т. е. групп атомов неуглеводородного характера, определяющих принадлежность соединения к определенному классу (табл. 2).

Таблица 2