Ізомерія - Вікіпедія

Ізомерія(від др.-грец. ἴσος - рівний + μέρος - частка, частина) - явище, що полягає в існуванні хімічних сполук -ізомерів, - однакових за атомним складом і молекулярною масою, але розрізняються за будовою чи розташування атомів у просторі і, внаслідок цього, за властивостями.

Зміст

Історичні відомості

У результаті дискусії Ю. Лібіха та Ф. Велера в 1823 році було встановлено, що існують два різко різні за властивостями речовини складу AgCNO - ціановокисле (AgNCO (англ.) українськ.) і гримуче (AgONC) срібло. Ще одним прикладом послужили винна і виноградна кислоти, після дослідження яких Й. Берцеліус в 1830 ввів термін «ізомерія» і висловив припущення, що відмінності виникають через «різного розподілу простих атомів у складному атомі» (тобто, в сучасних термінах, молекули).

Справжнє пояснення ізомерія отримала лише у 2-й половині XIX століття на основі теорії хімічної будови А. М. Бутлерова (структурна ізомерія) та стереохімічного вчення Я. Г. Вант-Гоффа (просторова ізомерія).

Структурна ізомерія

Структурна ізомерія - результат відмінностей у хімічній будові. До цього типу відносять:

Ізомерія вуглецевого ланцюга (вуглецевого скелета)

Ізомерія вуглецевого скелета, обумовлена ​​різним порядком зв'язку атомів вуглецю. Найпростіший приклад - бутан СН3-СН2-СН2-СН3 і ізобутан (СН3)3СН. Інші приклади: антрацен та фенантрен (формули I та II, відповідно), циклобутан та метилциклопропан (III та IV).

Валентна ізомерія

Валентна ізомерія - особливий вид структурної ізомерії, при якій ізомери можна перевести один в одного лише за рахунок перерозподілу зв'язків. Наприклад, валентними ізомерами бензолу (V) єбіцикло[2.2.0]гекса-2,5-дієн (VI, «бензол Дьюара»), призман (VII, «бензол Ладенбурга»), бенвален (VIII).

Ізомерія функціональної групи (міжкласова ізомерія)

Розрізняється характером функціональної групи; наприклад, етанол (CH3-CH2-OH) і диметиловий ефір (CH3-O-CH3).

Ізомерія положення

Тип структурної ізомерії, що характеризується відмінністю положення однакових функціональних груп або кратних зв'язків при однаковому скелеті вуглецю. Приклад: 2-хлорбутанова кислота та 4-хлорбутанова кислота.

Метамерія - вид структурної ізомерії, для якого характерний різний розподіл вуглецевих атомів між кількома вуглеводневими радикалами, поділеними в молекулі гетероатомом. Метамерія відома у рядах аліфатичних простих ефірів, складних ефірів, тіоспиртів та амінів. Нині термін використовується рідко.

На цей вид ізомерії ще вказував А. М. Бутлеров, називаючи його "ізомерія нецільних структур".

Просторова ізомерія (стереоізомерія)

Просторова ізомерія (стереоізомерія) виникає в результаті відмінностей у просторовій конфігурації молекул, що мають однакову хімічну будову. Для позначення просторових ізомерів різних типів розроблено стереохімічну номенклатуру, зібрану в розділі E номенклатурних правил ІЮПАК з хімії.

Цей тип ізомерії поділяють наенантіомерію(оптичну ізомерію) тадіастереомерію.

Енантіомерія (оптична ізомерія)

Енантіомерами (оптичними ізомерами, дзеркальними ізомерами) є пари оптичних антиподів - речовин, що характеризуються протилежними за знаком і однаковими за величиною обертаннями площини поляризації світла при ідентичності всіхінших фізичних та хімічних властивостей (за винятком реакцій з іншими оптично активними речовинами та фізичних властивостей у хіральному середовищі). Необхідна і достатня причина виникнення оптичних антиподів - приналежність молекули до однієї з наступних точкових груп симетрії: Cn, Dn, T, O або I (хіральність). Найчастіше йдеться про асиметричний атом вуглецю, тобто про атом, пов'язаний із чотирма різними заступниками.

Асиметричними можуть бути інші атоми, наприклад атоми кремнію, азоту, фосфору, сірки. Наявність асиметричного атома – не єдина причина енантіомерії. Так, мають оптичні антиподи похідні адамантану (IX), ферроцену (X), 1,3-дифенілаллену (XI), 6,6'-динітро-2,2'-дифенової кислоти (XII). Причина оптичної активності останньої сполуки -атропоізомерія, тобто просторова ізомерія, викликана відсутністю обертання навколо простого зв'язку. Енантіомерія також проявляється у спіральних конформаціях білків, нуклеїнових кислот, гексагеліценні (XIII).

Діастереомерія

Діастереомірними вважають будь-які комбінації просторових ізомерів, які не становлять пару оптичних антиподів. Розрізняють σ- та π-діастереомери.

σ-діастереомерія

σ-діастереомери відрізняються один від одного конфігурацією частини наявних у них елементів хіральності. Так, діастереомерами є (+)-винна кислота і мезо-винна кислота, D-глюкоза та D-маннозу, наприклад:

π-діастереомерія (геометрична ізомерія)

π-діастереомери, звані також геометричними ізомерами, відрізняються один від одного різним просторовим розташуванням замісників щодо площини подвійного зв'язку (найчастіше С=С та С=N) або циклу. До них відносяться, наприклад, малеїнова та фумарова кислоти (формули XIV таXV відповідно), (Е)- та (Z)-бензальдоксими (XVI та XVII), цис- та транс-1,2-диметилциклопентани (XVIII і XIX).

Ізомеризація

Хімічні перетворення, внаслідок яких структурні ізомери перетворюються одна на одну, називаєтьсяізомеризацією. Такі процеси мають важливе значення у промисловості. Так, наприклад, проводять ізомеризацію нормальних алканів в ізоалкани підвищення октанового числа моторних палив; ізомеризують пентан в ізопентан для подальшого дегідрування в ізопрен. Ізомеризацією є і внутрішньомолекулярні перегрупування, з яких велике значення має, наприклад, перегрупування Бекмана - перетворення циклогексаноноксиму на капролактам (сировина для виробництва капрону).

Процес взаємоперетворення енантіомерів називаєтьсярацемізацією: вона призводить до зникнення оптичної активності в результаті утворення еквімолярної суміші (−)- та (+)-форм, тобто рацемату. Взаємоперетворення діастереомерів призводить до утворення суміші, в якій переважає більш стійка термодинамічно форма. У разі π-діастереомерів це зазвичай трансформа. Взаємоперетворення конформаційних ізомерів називається конформаційною рівновагою.

Явище ізомерії значною мірою сприяє зростанню числа відомих (і ще більшою мірою — числа потенційно можливих) сполук. Так, можлива кількість структурно-ізомерних децилових спиртів — понад 500 (відомо їх близько 70), просторових ізомерів тут понад 1500.

При теоретичному розгляді проблем ізомерії все більшого поширення набувають топологічні методи; для підрахунку числа ізомерів виведено математичні формули.

---