Gli isomeri differiscono nelle proprietà fisiche. Isomeri, isomeria. Cosa abbiamo imparato

L'isomerismo fu scoperto per la prima volta da J. Liebig nel 1823, il quale scoprì che i sali d'argento degli acidi fulminanti e isocianici: Ag-O-N=C e Ag-N=C=O hanno la stessa composizione, ma proprietà diverse. Nel 1830 fu introdotto il termine "isomeria".

Secondo la moderna definizione, due composti della stessa composizione sono considerati isomeri se le loro molecole non possono essere combinate nello spazio in modo da coincidere completamente. La combinazione, di regola, viene eseguita mentalmente; in casi complessi vengono utilizzati modelli spaziali o metodi di calcolo.

Ci sono diverse cause di isomeria.

In casi complessi, la questione se due composti siano isomeri viene decisa utilizzando varie rotazioni attorno ai legami di valenza (lo consentono i legami semplici, che in una certa misura corrispondono alle loro proprietà fisiche). Dopo il movimento dei singoli frammenti della molecola (senza rompere i legami), una molecola viene sovrapposta a un'altra (Fig.

Uno dei tipi di stereoisomeria è l'isomeria cis-trans (cis

Proprietà fisiche e chimiche

L'isomerismo ottico nasce non solo nel caso di un atomo asimmetrico, ma si realizza anche in alcune molecole framework in presenza di un certo numero di sostituenti differenti. Ad esempio, il frame idrocarburico adamantano, che ha quattro diversi sostituenti (Fig. 17), può avere un isomero ottico, mentre l'intera molecola svolge il ruolo di centro asimmetrico, che diventa evidente se il frame di adamantano è contratto mentalmente in un punto. Allo stesso modo, il silossano, che ha una struttura cubica (Fig. 17), diventa otticamente attivo anche nel caso di quattro diversi sostituenti:

Quando si sintetizzano stereoisomeri otticamente attivi, si ottiene solitamente una miscela di composti destrogiri e levogiri. La separazione degli isomeri viene effettuata facendo reagire una miscela di isomeri con reagenti (spesso di origine naturale) contenenti un centro di reazione asimmetrico. Alcuni organismi viventi, inclusi i batteri, metabolizzano preferenzialmente gli isomeri sinistri.

Attualmente sono stati sviluppati processi (chiamati sintesi asimmetrica) che consentono di ottenere appositamente uno specifico isomero ottico.

Ci sono reazioni che permettono di convertire un isomero ottico nel suo antipode (

Teoria di A.M. Butlerov

1. Gli atomi nelle molecole sono interconnessi in una certa sequenza da legami chimici secondo la loro valenza. L'ordine di legame degli atomi è chiamato struttura chimica. Il carbonio in tutti i composti organici è tetravalente.

2. Le proprietà delle sostanze sono determinate non solo dalla composizione qualitativa e quantitativa delle molecole, ma anche dalla loro struttura.

3. Atomi o gruppi di atomi si influenzano a vicenda, da cui dipende la reattività della molecola.

4. La struttura delle molecole può essere stabilita sulla base dello studio delle loro proprietà chimiche.

I composti organici hanno una serie di caratteristiche che li distinguono da quelli inorganici. Quasi tutti (salvo rare eccezioni) sono combustibili; la maggior parte dei composti organici non si dissocia in ioni, il che è dovuto alla natura del legame covalente nelle sostanze organiche. Il tipo di legame ionico si realizza solo in sali di acidi organici, ad esempio CH3COONa.

serie omologa- questa è una serie infinita di composti organici che hanno una struttura simile e, quindi, proprietà chimiche simili e differiscono tra loro per un numero qualsiasi di gruppi CH2 (differenza omologa).

Già prima della creazione della teoria della struttura erano note sostanze della stessa composizione elementare, ma con proprietà diverse. Tali sostanze erano chiamate isomeri e questo fenomeno stesso era chiamato isomeria.

Al centro dell'isomerismo, come mostrato da A.M. Butlerov, sta la differenza nella struttura delle molecole costituite dallo stesso insieme di atomi.

isomeria- questo è il fenomeno dell'esistenza di composti che hanno la stessa composizione qualitativa e quantitativa, ma una diversa struttura e, di conseguenza, diverse proprietà.

Esistono 2 tipi di isomeria: strutturale isomeria e spaziale isomeria.

Isomeria strutturale

Isomeri strutturali- composti della stessa composizione qualitativa e quantitativa, diversi nell'ordine degli atomi leganti, cioè nella struttura chimica.

Isomeria spaziale

isomeri spaziali(stereoisomeri) con la stessa composizione e la stessa struttura chimica differiscono nella disposizione spaziale degli atomi nella molecola.
Gli isomeri spaziali sono isomeri ottici e cis-trans (geometrici).

Isomeria cis-trans

risiede nella possibilità che i sostituenti si trovino su uno o sui lati opposti del piano del doppio legame o dell'anello non aromatico. isomeri cis i sostituenti sono sullo stesso lato del piano dell'anello o del doppio legame, in isomeri trans- in diversi modi.

Nella molecola butene-2 ​​CH3–CH=CH–CH3, i gruppi CH3 possono trovarsi su un lato del doppio legame, nell'isomero cis, o su lati opposti, nell'isomero trans.

Isomeria ottica

Appare quando il carbonio ha quattro diversi sostituenti.
Se due di essi vengono scambiati, si ottiene un altro isomero spaziale della stessa composizione. Le proprietà fisico-chimiche di tali isomeri differiscono in modo significativo. I composti di questo tipo si distinguono per la loro capacità di ruotare di una certa quantità il piano della luce polarizzata passata attraverso la soluzione di tali composti. In questo caso, un isomero ruota il piano della luce polarizzata in una direzione e il suo isomero nella direzione opposta. A causa di tali effetti ottici, questo tipo di isomeria è chiamato isomeria ottica.

Lezione #5

Tema "Isomeria e suoi tipi"

Tipo di lezione: combinata

Scopo: 1. Rivelare la posizione principale della teoria della struttura sul fenomeno dell'isomerismo. Dare un'idea generale dei tipi di isomeria. Mostra le direzioni principali nello sviluppo della teoria della struttura sull'esempio dello stereoisomeria.

2. continuare a formare la capacità di costruire formule di isomeri, dare nomi a sostanze secondo formule.

3. coltivare un atteggiamento cognitivo nei confronti dell'apprendimento

Equipaggiamento: modelli di molecole Stuart-Brigleb, plastilina colorata, fiammiferi, un paio di guanti, semi di cumino, menta gomma da masticare, tre tubi.

Piano di lezione

saluto, appello

Indagine sulle conoscenze di base

Imparare nuovo materiale:

Teoria della struttura e fenomeno dell'isomerismo;

Tipi di isomeria;

Ancoraggio

Avanzamento della lezione

2. Rilievo delle conoscenze di base: frontalmente

In base a quali criteri vengono classificati i composti organici, spiegare utilizzando un diagramma.

Quali sono le principali classi di composti organici, le caratteristiche della loro struttura

Eseguire l'esercizio n. 1 e 2 §6. Uno studente alla lavagna, il resto sui quaderni

3. Imparare nuovo materiale: Teoria della struttura e fenomeno dell'isomerismo

Ricordiamo la definizione di isomeria e isomeri. Spiega il motivo della loro esistenza.

Il fenomeno dell'isomerismo (dal greco isos - diverso e meros - share, parte) fu scoperto nel 1823 da J. Liebig e F. Wehler sull'esempio dei sali di due acidi inorganici: cianico e fulminante. NASO = N ciano; H-O-N = C tintinnio

Nel 1830 J. Dumas estese il concetto di isomeria ai composti organici. Il termine "isomero" è apparso un anno dopo, ed è stato suggerito da J. Berzellius. Poiché a quel tempo regnava il caos completo nel campo della struttura delle sostanze sia organiche che inorganiche, alla scoperta non fu data molta importanza.

Una spiegazione scientifica per il fenomeno dell'isomerismo è stata data da A.M. Butlerov nell'ambito della teoria della struttura, mentre né la teoria dei tipi né la teoria dei radicali hanno rivelato l'essenza di questo fenomeno. AM Butlerov ha visto la causa dell'isomerismo nel fatto che gli atomi nelle molecole degli isomeri sono collegati in un ordine diverso. La teoria della struttura ha permesso di prevedere il numero di possibili isomeri e la loro struttura, cosa che è stata brillantemente confermata nella pratica dallo stesso A.M. Butlerov e dai suoi seguaci.

Tipi di isomeria: fornire un esempio di isomeri e suggerire una caratteristica in base alla quale gli isomeri potrebbero essere classificati?(Ovviamente la base sarà la struttura delle molecole degli isomeri). Spiego il materiale usando lo schema:

Esistono due tipi di isomeria: strutturale e spaziale (stereoisomerismo). Gli isomeri strutturali sono quelli che hanno un diverso ordine di legame degli atomi in una molecola. Gli isomeri spaziali hanno gli stessi sostituenti su ciascun atomo di carbonio, ma differiscono nella loro disposizione reciproca nello spazio.

L'isomerismo strutturale è di tre tipi: isomeria interclasse associata alla struttura dello scheletro di carbonio e isomeria della posizione del gruppo funzionale o del legame multiplo.

Gli isomeri interclasse contengono diversi gruppi funzionali e appartengono a diverse classi di composti organici, quindi le proprietà fisiche e chimiche degli isomeri interclasse differiscono in modo significativo.

L'isomerismo dello scheletro di carbonio ti è già familiare, le proprietà fisiche sono diverse e le proprietà chimiche sono simili, perché queste sostanze appartengono alla stessa classe.

Isomeria della posizione di un gruppo funzionale o della posizione di legami multipli. Le proprietà fisiche di tali isomeri sono diverse, ma le proprietà chimiche sono simili.

Isomeria geometrica: hanno costanti fisiche diverse ma proprietà chimiche simili

Gli isomeri ottici sono immagini speculari l'uno dell'altro; come due palmi, è impossibile metterli insieme in modo che corrispondano.

4. Fixing: riconoscere gli isomeri, determinare il tipo di isomeria nelle sostanze le cui formule: eseguire l'esercizio 3§ 7

Il contenuto dell'articolo

isomeria(gr. isos - lo stesso, meros - parte) è uno dei concetti più importanti in chimica, principalmente in organico. Le sostanze possono avere la stessa composizione e peso molecolare, ma strutture e composti diversi che contengono gli stessi elementi nella stessa quantità, ma differiscono nella disposizione spaziale degli atomi o dei gruppi di atomi, sono chiamati isomeri. L'isomeria è uno dei motivi per cui i composti organici sono così numerosi e vari.

L'isomerismo fu scoperto per la prima volta da J. Liebig nel 1823, il quale scoprì che i sali d'argento degli acidi fulminanti e isocianici: Ag-O-N=C e Ag-N=C=O hanno la stessa composizione, ma proprietà diverse. Il termine "isomerismo" fu introdotto nel 1830 da I. Berzelius, il quale suggerì che le differenze nelle proprietà dei composti della stessa composizione derivano dal fatto che gli atomi nella molecola sono disposti in un ordine disuguale. Le idee sull'isomerismo si formarono finalmente dopo la creazione della teoria della struttura chimica di A.M. Butlerov (1860). Sulla base delle disposizioni di questa teoria, ha suggerito che devono esserci quattro diversi butanoli (Fig. 1). Al momento della creazione della teoria, era noto un solo butanolo (CH 3) 2 CHCH 2 OH, ottenuto da materiali vegetali.

Riso. 1. Isomeri del butanolo

La successiva sintesi di tutti gli isomeri del butanolo e la determinazione delle loro proprietà divenne una convincente conferma della teoria.

Secondo la moderna definizione, due composti della stessa composizione sono considerati isomeri se le loro molecole non possono essere combinate nello spazio in modo da coincidere completamente. La combinazione, di regola, viene eseguita mentalmente; in casi complessi vengono utilizzati modelli spaziali o metodi di calcolo.

Ci sono diverse cause di isomeria.

ISOMERISMO STRUTTURALE

È causato, di regola, da differenze nella struttura dello scheletro dell'idrocarburo o da una disposizione ineguale di gruppi funzionali o legami multipli.

Isomeria dello scheletro di idrocarburi.

Gli idrocarburi saturi contenenti da uno a tre atomi di carbonio (metano, etano, propano) non hanno isomeri. Per un composto con quattro atomi di carbonio C 4 H 10 (butano), sono possibili due isomeri, per pentano C 5 H 12 - tre isomeri, per esano C 6 H 14 - cinque (Fig. 2):

Riso. 2. Isomeri degli idrocarburi più semplici

Con un aumento del numero di atomi di carbonio in una molecola di idrocarburo, il numero di possibili isomeri aumenta notevolmente. Per l'eptano C 7 H 16 ci sono nove isomeri, per l'idrocarburo C 14 H 30 - 1885 isomeri, per l'idrocarburo C 20 H 42 - oltre 366.000.

In casi complessi, la questione se due composti siano isomeri viene decisa utilizzando varie rotazioni attorno ai legami di valenza (lo consentono i legami semplici, che in una certa misura corrispondono alle loro proprietà fisiche). Dopo il movimento dei singoli frammenti della molecola (senza rompere i legami), una molecola viene sovrapposta a un'altra (Fig. 3). Se due molecole sono esattamente le stesse, allora questi non sono isomeri, ma lo stesso composto:

Gli isomeri che differiscono per struttura scheletrica hanno solitamente proprietà fisiche diverse (punto di fusione, punto di ebollizione, ecc.), che consentono di separare l'uno dall'altro. Un isomeria di questo tipo esiste anche negli idrocarburi aromatici (Fig. 4):

Riso. 4. Isomeri aromatici

Isomeria di posizione.

Un altro tipo di isomeria strutturale: l'isomerismo di posizione si verifica quando gruppi funzionali, singoli eteroatomi o legami multipli si trovano in punti diversi dello scheletro dell'idrocarburo. Gli isomeri strutturali possono appartenere a diverse classi di composti organici, quindi possono differire non solo nelle proprietà fisiche ma anche chimiche. Sulla fig. 5 mostra tre isomeri per il composto C 3 H 8 O, due di loro sono alcoli e il terzo è un etere

Riso. 5. Posizione degli isomeri

Spesso le differenze nella struttura degli isomeri di posizione sono così evidenti che non è nemmeno necessario combinarli mentalmente nello spazio, ad esempio gli isomeri del butene o del diclorobenzene (Fig. 6):

Riso. 6. Isomeri del butene e del diclorobenzene

A volte gli isomeri strutturali combinano le caratteristiche dell'isomerismo dello scheletro di idrocarburi e dell'isomerismo posizionale (Fig. 7).

Riso. 7. Combinazione di due tipi di isomeria strutturale

Nelle questioni di isomeria, considerazioni teoriche ed esperimenti sono interconnessi. Se le considerazioni mostrano che non possono esserci isomeri, gli esperimenti dovrebbero mostrare lo stesso. Se i calcoli indicano un certo numero di isomeri, allora possono essere ottenuti tanto, o meno, ma non di più - non tutti gli isomeri calcolati teoricamente possono essere ottenuti, poiché le distanze interatomiche o gli angoli di legame nell'isomero proposto potrebbero essere fuori portata. Per una sostanza contenente sei gruppi CH (ad esempio benzene), sono teoricamente possibili 6 isomeri (Fig. 8).

Riso. 8. Isomeri del benzene

I primi cinque degli isomeri mostrati esistono (il secondo, il terzo, il quarto e il quinto isomero sono stati ottenuti quasi 100 anni dopo che è stata stabilita la struttura del benzene). L'ultimo isomero molto probabilmente non sarà mai ottenuto. Presentato come un esagono, è il meno probabile, le sue deformazioni portano a strutture a forma di prisma obliquo, una stella a tre raggi, una piramide incompleta e una doppia piramide (un ottaedro incompleto). Ognuna di queste opzioni contiene legami CC molto diversi o angoli di legame fortemente distorti (Fig. 9):

Le trasformazioni chimiche, a seguito delle quali gli isomeri strutturali vengono convertiti l'uno nell'altro, sono chiamate isomerizzazione.

stereoisomeria

nasce a causa della diversa disposizione degli atomi nello spazio con lo stesso ordine di legami tra di loro.

Uno dei tipi di stereoisomeria è cis-trans-isomerismo (cis - lat. un lato, trans - lat. attraverso, su lati opposti) si osserva in composti contenenti legami multipli o cicli piatti. A differenza di un legame singolo, un legame multiplo non consente ai singoli frammenti della molecola di ruotare attorno ad esso. Per determinare il tipo di isomero, un piano viene disegnato mentalmente attraverso il doppio legame e quindi viene analizzato il modo in cui i sostituenti sono posti rispetto a questo piano. Se gruppi identici sono sullo stesso lato dell'aereo, allora questo cis-isomero, se su lati opposti - trance-isomero:

Proprietà fisiche e chimiche cis- e trance-gli isomeri sono talvolta notevolmente diversi, nell'acido maleico i gruppi carbossilici -COOH sono spazialmente vicini, possono reagire (Fig. 11), formando anidride maleica (per l'acido fumarico, questa reazione non si verifica):

Riso. 11. Formazione di anidride maleica

Nel caso di molecole cicliche planari, non è necessario disegnare mentalmente un piano, poiché è già fissato dalla forma della molecola, come, ad esempio, nei silossani ciclici (Fig. 12):

Riso. 12. Isomeri del ciclosilossano

In composti complessi di metalli cis Un isomero è un composto in cui due gruppi identici, di quelli che circondano il metallo, sono adiacenti, in trance-isomero, sono separati da altri gruppi (Fig. 13):

Riso. 13. Isomeri del complesso del cobalto

Il secondo tipo di stereoisomeria - l'isomerismo ottico si verifica quando due isomeri (secondo la definizione formulata in precedenza, due molecole che non sono compatibili nello spazio) sono immagini speculari l'una dell'altra. Molecole che possono essere rappresentate come un singolo atomo di carbonio con quattro diversi sostituenti hanno questa proprietà. Le valenze dell'atomo di carbonio centrale associato a quattro sostituenti sono dirette ai vertici del tetraedro mentale - un tetraedro regolare ( centimetro. ORBITALI) e sono fissati rigidamente. Quattro diversi sostituenti sono mostrati in Fig. 14 a forma di quattro palline di diversi colori:

Riso. 14. Un atomo di carbonio con quattro diversi sostituenti

Per rilevare la possibile formazione di un isomero ottico, è necessario (Fig. 15) riflettere la molecola nello specchio, quindi l'immagine speculare va presa come una vera molecola, posta sotto quella originale in modo che i loro assi verticali coincidano, e ruotare la seconda molecola attorno all'asse verticale in modo che la sfera rossa le molecole superiore e inferiore si trovassero l'una sotto l'altra. Di conseguenza, la posizione di due sole palline, beige e rossa, coincide (contrassegnate da doppie frecce). Se ruoti la molecola inferiore in modo che le palline blu siano allineate, solo le posizioni delle due palline, beige e blu, coincideranno di nuovo (contrassegnate anche con doppie frecce). Tutto diventa evidente se queste due molecole si combinano mentalmente nello spazio, mettendosi l'una nell'altra, come un coltello in un fodero, la pallina rossa e quella verde non combaciano:

Per qualsiasi orientamento reciproco nello spazio di due di queste molecole, è impossibile ottenere una coincidenza completa quando combinati, secondo la definizione, questi sono isomeri. È importante notare che se l'atomo di carbonio centrale non ha quattro, ma solo tre diversi sostituenti (cioè due di essi sono gli stessi), quando una tale molecola viene riflessa nello specchio, non si forma un isomero ottico, poiché la molecola e la sua riflessione possono essere combinate nello spazio (Fig. 16):

Oltre al carbonio, altri atomi possono agire come centri asimmetrici, in cui i legami covalenti sono diretti agli angoli del tetraedro, ad esempio silicio, stagno, fosforo.

L'isomerismo ottico nasce non solo nel caso di un atomo asimmetrico, ma si realizza anche in alcune molecole framework in presenza di un certo numero di sostituenti differenti. Ad esempio, il frame idrocarburico adamantano, che ha quattro diversi sostituenti (Fig. 17), può avere un isomero ottico, mentre l'intera molecola svolge il ruolo di centro asimmetrico, che diventa evidente se il frame di adamantano è contratto mentalmente in un punto. Allo stesso modo, il silossano, che ha una struttura cubica (Fig. 17), diventa otticamente attivo anche nel caso di quattro diversi sostituenti:

Riso. 17. Molecole struttura otticamente attive

Sono possibili varianti quando la molecola non contiene un centro asimmetrico anche in forma latente, ma può essere essa stessa generalmente asimmetrica, mentre sono possibili anche isomeri ottici. Ad esempio, in un composto complesso di berillio, due frammenti ciclici si trovano su piani reciprocamente perpendicolari, in questo caso sono sufficienti due sostituenti diversi per ottenere un isomero ottico (Fig. 18). Per la molecola di ferrocene, che ha la forma di un prisma a cinque lati, sono necessari tre sostituenti per lo stesso scopo, l'atomo di idrogeno in questo caso svolge il ruolo di uno dei sostituenti (Fig. 18):

Riso. 18. Isomeria ottica di molecole asimmetriche

Nella maggior parte dei casi, la formula strutturale di un composto consente di capire cosa esattamente dovrebbe essere modificato in esso per rendere la sostanza otticamente attiva.

Quando si sintetizzano stereoisomeri otticamente attivi, si ottiene solitamente una miscela di composti destrogiri e levogiri. La separazione degli isomeri viene effettuata facendo reagire una miscela di isomeri con reagenti (spesso di origine naturale) contenenti un centro di reazione asimmetrico. Alcuni organismi viventi, inclusi i batteri, metabolizzano preferenzialmente gli isomeri sinistri.

Attualmente sono stati sviluppati processi (chiamati sintesi asimmetrica) che consentono di ottenere appositamente uno specifico isomero ottico.

Ci sono reazioni che permettono di convertire un isomero ottico nel suo antipode ( centimetro. CONVERSAZIONE DI WALDEN).

Michele Levitsky