Изомерия в химии

Балтийский Федеральный университет им. И. Канта

Факультет: Биоэкология

Специальность: Химия

 

 

 

 

Реферат

“Изомерия в химии”

 

Выполнила:

Студентка 3 курса

Факультета : Биоэкологии

Специальность: Химия

 

Преподаватель:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

Введение

1. История открытия изомеров.
2. Геометрическая изомерия.

   1).Геометрическая изомерия непредельных кислот.

3. Оптическая изомерия (энантиомерия).

4.Пространственная изомерия (стереоизомерия).

5.Динамичкая изомерия(таутомерия).

6.Изомерия комплексных  соединений.

7. Таутомерия комплексных  соединений.

8.Заключение.

9. Список литературы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Изомерия - важнейшее понятие в органической химии. Вещества могут иметь одинаковый состав, молекулярную массу, но разное строение , которое содержит  в составе одни и те же элементы в одинаковом количестве и которое различается пространственным расположением атомов или групп атомов, называют изомерами.

 

1.История  открытия изомерии

Термин “изомерия” ввел И. Берцелиус в 1830 году, предположил что различия в свойствах соединений одинакового состава возникают из-за того, что атомы в молекуле расположены в неодинаковом порядке. Но решающий вклад о представлении изомерии окончательно сформировался после создания А. М. Бутлеровым (1860-е) теории химического строения. Но лишь во второй половине 19 века на основе теории химического строения А. М. Бутлерова (структурная изомерия) и стереохимического учения Я. Г. Вант- Гоффа (пространственная изомерия). Основываясь на положении теории Бутлеров  предположил, что должно существовать четыре различных бутанола (рис. 1). До создания теории был известен только один бутанол , получаемый из растительного сырья

 

                 

рис.1 различные положения ОН- в молекуле бутанола.

Убедительным подтверждение теории стал синтез изомеров бутанола и определение их свойств.

 

                                   2. Геометрическая изомерия

Вращение групп атомов вокруг углеродной - связи требует затраты количества энергии(2-5 ккал/моль), которое легко доставляется из окружающей среды уже при комнатной и более низких температурах . При этом вращении обуславливается отсутствие изомеров вращения(конформеров) как отдельных химических индивидуумов. По- другому обстоит  с вращение вокруг двойной связи, для которого требуется уже разрыв -связи и, следовательно, затрата для -группировки примерно 60 ккал/моль.

Такая пространственная изомерия- стереоизомерия - называется геометрической изомерией. Приведем пример:

 

                                                       

 

Геометрические изомеры отличаются друг от друга по физическим свойствам  так же как и структурные изомеры. В реакциях, доказывающих структуру, геометрические изомеры ведут себя одинаково, так как их структура идентична. Так , и цис -, и транс – бутен-2 каталитически гидрируются, давая один и тот же бутан, в результате озонирования каждый из них превращается в две молекулы ацетальдегида, при действии HBr они превращаются в один и тот же 2- бром бутан.

Приставка цис- придается тому геометрическому изомеру, у которого одинаковые заместители ( два водорода) находятся по одну сторону двойной связи, а приставка транс- тому, у которого они находятся накрест по отношению к двойной связи.

Цис- изомеры легко отличить от транс- изомеров благодаря тому, что у центросимметричных  транс- изомеров дипольный момент равен нулю.

2.1 Геометрическая изомерия непредельных кислот

Фумаровая и малеиновая кислоты дают много идентичных реакций. Обе кислоты присоединяют молекулу воды (в присутствии сильных кислот), образуя яблочную кислоту. Присоединение хлористого водорода приводит в обоих случаях к одной и той же хлорянтарной кислоте, а озонирование- к глиоксиловой кислоте:

                                       

Отсюда следует, что строение фумаровой и малеиновой кислот одинаково и их различие вызвано другой причиной. Именно малеиновая кислота циклизуется в ангидрид, а фумаровая к этому не способна, поэтому в малеиновой кислоте карбоксилы расположены ближе друг к другу, чем в фумаровой, следовательно, изомерия этих кислот является изомерией геометрической и их конфигурации можно изобразить:

                    

Таким образом, фумаровая кислота - транс- этилендикарбоновая кислота, а малеиновая – ее цис- изомер.

 

3.Оптическая  изомерия (энантиомерия)

Оптическая изомерия возникает, когда два изомера, представляют собой зеркальное отражение друг друга. Таким свойством обладают молекулы которые могут быть представлены в виде одиночного атома углерода, имеющего четыре различных заместителя. Такой углеродный атом называют асимметрическим:

                             

Молекула содержит асимметрический углерод, если .

Наличие четырех различных заместителей у асимметрического атома углерода в сочетании с его тетраэдрической конфигурацией обуславливает возможность существования двух форм молекулы, относящихся друг к другу как предмет к его зеркальному отражению. Ниже пример молекулы молочной кислоты, которая представлена в виде пространственных моделей.

                           

Эти модели позволяют видеть, что четыре различных заместителя можно расположить вокруг атома углерода (на рисунке он находится в центре тетраэдра) двумя различными способами: в модели I заместители H;CH3OH расположены по часовой стрелке, а в модели II- против часовой стрелки (если смотреть на молекулу со стороны четвертого заместителя карбоксильной группы).

Модели I и II являются зеркальными отображениями друг друга, причем эти отображения несовместимы и потому неидентичны. Их несовместимость связана с отсутствием таких элементов симметрии, как плоскость сомметрии и центр симметрии. Двум формам молекулы, относящимся друг к другу, как предмет и его зеркальное отображение, будут соответствовать два разных вещества.

Известны две молочные кислоты, обе отвечающие структурной формуле CH3CHOHCOOH. Одна из них обнаружена в кислом молоке(молочная кислота брожения), другая образуется в мышце при ее работе (мясомолочная кислота). Оба изомера молочной кислоты имеют одинаковые физические и химические свойства ( так как одинаковые группы находятся на одинаковом расстоянии друг от друга).Единственным отличием этих кислот является то, что их удельное вращение, имеющее одну и ту же абсолютную величину, характеризуется противоположным по знаку значениями.(одна- левовращающая, другая- правовращающая)

Два стереоизомера типа молочных кислот, которые относятся друг к другу, как предмет и его зеркальное отображение, называется энантиомерами (зеркальными изомерами).

Смесь равных количеств двух энантиомеров не оказывает действия на поляризованный свет, такая оптически неактивная смесь называется рацемической модификацией (рацематом).

4.Пространственная  изомерия (стереоизомерия)

Учение о пространственном строении органических соединений (Вант-Гофф, Ле-Бель, 1874г.) позволило объяснить различие свойств веществ, имеющих одинаковую структурную формулу, но отличающихся расположением в пространстве некоторых заместителей. Стереозомерия  представляет собой изомерию соединений, имеющих одинаковые структурные формулы, но различное расположение групп в пространстве. Но нужно учесть органические соединения представляют собой не плоские фигуры, а трехмерные тела. Четыре -связи насыщенного атома углерода направлены от центра к вершинам правильного тетраэдра. Угол между осями гибридных sp3- орбиталей , участвующих в образовании -связей, составляет . При такой геометрии электронные облака связанных электронов максимально удалены друг от друга:

                                      

У атомов углерода двойной связи оси трех sp2-гибридных орбиталей, образующих -связи, лежат в одной плоскости, угол между орбиталями составляет ,ось четвертой орбитали, сохраняющей чистый р- характер и образующей -связь, перпендикулярна плоскости sp2-гибридных орбиталей.

                               

Молекула этилена является, таким образом, плоской. Пространственное строение органических соединений позволяет объяснить существование основных видов стереоизомерии: геометрической, оптической и конформационной.

7.Таутомерия  комплексных соединений.

Одним из видов структурной изомерии является таутомерия. Существуют вещества, которые в различных реакциях ведут себя таким образом, как будто они обладают  двумя или несколькими структурами  (так, если бы взаимное  расположение атомов в их  молекулах было различным ).  Для примера рассмотрим ацетоуксусный эфир( этиловый эфир ацетоуксусной кислоты). Это вещество ведет себя в некоторых реакциях так, как если бы он обладал строением (I), а в других- строением II.

         

Ацетоуксусный эфир с кислым сернистокислым натрием (NaHSO3) дает соответствующий кетонам продукт присоединения (бисульфитное соединение), а при взаимодействии с синильной кислотой получается циангидрин строения .

Обе реакции хорошо согласуются с кетонным строением ацетоуксусного эфира (формула I).

С другой стороны, обыкновенный ацетоуксусный эфир дает ряд реакций, отвечающих структуре (II). При этом:

а) реакция присоединения брома , характерна для соединений у которых кратные углерод- углеродные связи.

б) Образование при взаимодействии с хлорным железом раствора интенсивно- фиолетовой окраски. Эта реакция характерна для енольных соединений и отсутствует у кетонов.

Все эти химические превращения, сообщающие ацетоуксусному эфиру двойственную реакционную способность, являются следствием реального существования кето-(I) и енольной (II) форм.

Явление обратимой изомерии, при которой два или более изомера легко переходят друг в друга и находятся в состоянии подвижного равновесия, называют таутомерией, а так же взаимопереходящие формы- таутомерами или таутомерными формами.

В химической реакции ацетоуксусный эфир, т. е. равновесная смесь кетонной и енольной форм, обычно реагирует нацело либо как кетон, либо как енол. По мере вывода одной из форм в результате реакции другая форма быстро переходит в первую до установления равновесия и реакция продолжается. Таким образом, можно заставить целиком всю систему прореагировать так, как если бы она состояла лишь из одного таутомера.

Таумерные взаимодействия в некоторых случаях приводят к образованию циклов. В сахарах (альдопентозах, альдо- и кетогексозах) карбональная группа может таутомерно взаимодействовать с оксигруппой , приводя к образованию кислородсодержащих пяти- (фкранозных) или шестичленных (пиранозных) циклов.

                  

Образование именно шестичленного или пятичленного циклов согласуется с общим правилом, что эти циклы более стабильны и легче образуются, чем циклы меньших размеров.

Последние характерны и для других классов органических соединений. Примером служит лактим- лактамная таутомерия.

              

            

Такой вид таутомерии имеет в соединениях гетероциклический ряд. Соединение изатин существует в двух таутомерных формах:

              

          

 

Оксипиримидимы известны только в одной форме, но они могут взаимодействовать в двух таутомерных формах:

             .

 

8.Заключение

Изомерия – Это способность веществ иметь одинаковый состав и молекулярную массу, но разное строение или расположение атомов в пространстве.

Те изомеры, которые отличаются последовательностью соединения атомов в молекуле , называют структурными изомерами.

Кроме структурных изомеров существуют группа пространственные изомеры. Выявлено, что атомы в молекуле могут располагаться в пространстве по-разному, при этом не нарушается последовательность их соединения.

Стериоизомеры имеют одинаковый структурный состав, но различаются в отношении пространственного расположения входящих в их состав групп. Цис- и транс- бутена-2 стереоизомерны, они относятся к числу геометрических изомеров.

Оптические изомеры представляют собой другой вид стереоизомерии. Различие между ними проявляется в различной способности вращать плоскость поляризованного света.

 

 

 

                             

 

 

 

9.Список  литературы

1. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%98%D0%B7%D0%BE%D0%BC%D0%B5%D1%80%D0%B8%D1%8F

2. И. Б. Репинская , Изомерия органических соединений, 1972

3. Несмеянов Н. А., Несмеянов А. Н., Начала Органической химии,1969

4.Большой энциклопедический словарь. Химия. Изд.: Большая Российская энциклопедия, 2003.

5. Пальм В.А., Введение в теоретическую органическую химию, М., 2001;

6.http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/himiya/IZOMERIYA.html? page=0,2