Izomeria związków organicznych
Rodzaje izomerii
Izomeria strukturalna
izomeria łańcuchowa
izomeria położenia
izomeria z różnymi podstawnikami w cząsteczce
Stereoizomeria
izomeria geometryczna
izomeria optyczna
o
enacjomery
o
diastereoizomery
izomery konformacyjne
Rodzaje izomerii
Pierwsze możliwe przestrzenne rozmieszczenie atomów węgla w cząsteczce występuje gdy cząsteczka
zawiera 4 atomy węgla (C4H10). W takiej cząsteczce są możliwe dwa sposoby połączenia atomów węgla w
cząsteczce: w postaci łańcucha n-butanu i w postaci rozgałęzionej, czyli metylopropanu (izobutan).
Na przedstawionym modelu widzimy, że cząsteczki zawierają taką samą liczbę atomów tego samego
pierwiastka, lecz atomy te są połączone z sobą w inny sposób. Innym przykładem jest związek chemiczny o
wzorze sumarycznym - C5H12. Związek chemiczny o takim wzorze może posiadać trzy odmiany
strukturalne. Takie związki różniące się przestrzennym rozmieszczeniem atomów nazywa się izomerami.
Rodzaje izomerii występujące w związkach organicznych przedstawia poniższy schemat.
Wyróżnia się izomerię
strukturalną
steroeoizomeria (przestrzenna)
Izomeria strukturalna
Izomeria strukturalna
- polega na występowaniu związków izomerycznych, w których atomy tych samych
pierwiastków są ze sobą połączone w różnej kolejności
W odniesieniu do węglowodorów i ich pochodnych wyróżniamy izomerię
izomerię łańcuchową
, gdzie atomy węgla mogą przyjmować różne ułożenia w łańcuchu
izomerię położenia
, gdzie mamy do czynienia z różnym położeniem wiązań nienasyconych oraz
różnym położeniem podstawników w cząsteczce
izomerię z różnymi podstawnikami w cząsteczce
Izomeria łańcuchowa
W cząsteczkach węglowodorów począwszy od butanu atomy węgla mogą przyjmować różne ułożenia w
łąńcuchu
C
4
H
10
Ze wzrostem liczby atomów węgla szybko wzrasta ilość izomerów.
C
5
H
12
Dla cząsteczki posiadającej 10 atomów węgla izomerów jest 75, dla 20 atomów węgla - 366319, dla 30
atomów węgla - 411109 izomerów.
Nazwa
Wzór
sumaryczny
Wzór
półstrukturalny
Ilość
izomerów
Nazwa
Wzór
sumaryczny
Wzór
półstrukturalny
Ilość
izomerów
Metan
CH
4
CH
4
1
Heksan
C
6
H
14
CH
3
(CH
2
)
4
CH
3
5
Etan
C
2
H
6
CH
3
CH
3
1
Heptan
C
7
H
16
CH
3
(CH
2
)
5
CH
3
9
Propan
C
3
H
8
CH
3
CH
2
CH
3
1
Oktan
C
8
H
18
CH
3
(CH
2
)
6
CH
3
18
Butan
C
4
H
10
CH
3
CH
2
CH
2
CH
3
2
Nonan
C
9
H
20
CH
3
(CH
2
)
7
CH
3
35
Pentan
C
5
H
12
CH
3
(CH
2
)
3
CH
3
3
Dekan
C
10
H
22
CH
3
(CH
2
)
8
CH
3
75
Izomeria położenia
Izomeria położenia dotyczy położenia podstawnika lub wiązania wielokrotnego w cząsteczce.
Przykłady:
C
3
H
7
-Cl
1-chloropropan
CH
3
-CH
2
-CH
2
-Cl
2-chloropropan
CH
3
-CHCl-CH
3
C
5
H
10
Izomeria z różnymi podstawnikami w cząsteczce
Stereoizomeria
Stereoizomeria
- to szczególny rodzaj izomerii, gdzie atomy połączone są między sobą w identycznej
kolejności ale różnią się sposobem rozmieszczenia atomów w przestrzeni. Wyróżniamy tutaj następujące
rodzaje izomerii;
izomeria geometryczna
izomeria optyczna
Izomeria geometryczna
Ten typ izomerii występuje wówczas, gdy w układzie przestrzennym cząsteczki zaznacza się określona
płaszczyzna.
Jeżeli wyróżnione grupy cząsteczki leżą po tej samej stronie płaszczyzny mamy do czynienia z izomerem
cis a jeżeli po przeciwnych stronach z izomerem trans.
Konfigurację izomerów geometrycznych rozróżnia się za pomocą nazw, które zawierają przedrostek cis- lub
-trans, co wskazuje na usytuowanie grup po tej samej lub po przeciwnej stronie cząsteczki. Patrz rysunek
Izomeria optyczna
Jest to rodzaj stereoizomerii występującej w cząsteczkach chiralnych, które zawierają atom węgla, do
którego przyłączone są cztery różne grupy. Taki atom nosi nazwę centrum chiralności.
A to oznacza, że dla każdej cząsteczki posiadającej centrum chiralności możemy znalezć drugą cząsteczkę
będącą jej lustrzanym odbiciem
Izomeria optyczna wiąże się ze zdolnością skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego. Substancje
takie nazywa się optycznie czynnymi; skręcające płaszczyznę światła spolaryzowanego w prawo - nazywa
się prawoskrętnymi /+/, a skręcajace w lewo -lewoskrętnymi /-/.
Związki skręcające płaszczyznę światła w prawo zaznacza się za pomocą symbolu (+) przed nazwą
związku, skręcające w lewwo symbolem (-). Na przykład - (+) - glukoza, (-) - fruktoza
Izomery bedące wzajemnymi odbiciami lustrzanymi noszą nazwę enacjomerów
Przykład - kwas mlekowy
Właściwości enancjomerów
1. Enancjomery mają identyczne właściwości fizyczne z wyjątkiem kierunku skręcania płaszczyzny
polaryzacji światła
2. Enancjomery wykazują identyczne właściwości chemiczne; wyjątkiem jest ich zachowanie się w
stosunku do optycznie czynnych reagentów. Oznacza to, że jeżeli reagent jest optycznie czynny, jego
wpływ na oba enancjomery nie jest identyczny podczas ataku i dlatego szybkość reakcji jest różna - w
niektórych przypadkach tak dalece różna, że reakcja z jednym izomerem w ogóle nie zachodzi.
Równocząsteczkowa mieszanina enacjomerów nie wykazuje optycznej czynności i nosi nazwę mieszaniny
racemicznej
Odmiana racemiczna jest optycznie nieczynna. Jest wynikiem równoważenia skręcalności cząsteczki
jednego izomeru przez skręcalność cząsteczki drugiego izomeru.
W celu zaznaczenia racemicznego charakteru określonej próbki stosuje się znak (+/-), jak na przykład
kwas (+/-)-mlekowy.
Konfiguracja D- i L-
Często dla względnego charakteryzowania cząstek chiralnych wprowadzono pojęcie konfiguracji D- i L-, co
uwidocznione jest w nazwach związków. Na przykład - aldehyd D-glicerynowy, aldehyd L-glicerynowy
Punktem odniesienia dla konfiguracji D- i L- jest budowa cząsteczki aldehydu glicerynowego a konkretnie
położenie podstawników H- oraz HO- przy środkowym węglu.
D-aldehyd glicerynowy
L-aldehyd glicerynowy
Najczęściej konfigurację D- i L- spotykamy w grupie cukrów. Jeżeli cząsteczki cukrów prostych swoją
budową nawiązuje do D-aldehydu glicerynowego, zaliczane są do szeregu D, natomiast te, których budowa
nawiązuje
do
L-aldehydu
glicerynowego,
zaliczane
są
do
szeregu
L.
Uporządkowanie na szeregi D i L następuje według konfiguracji podstawników, przy czym bierzemy pod
uwagę to centrum chiralności, które jest najbardziej oddalone od grupy karbonylowej.
L-Glukoza
D-glukoza
Przykłady konfiguracji D- i L-.
W prezentowanych przykładach w nazwie zaznaczono skręcalność optyczną i konfiguracją D- i L-
.Uzyskano tym sposobem pełniejszą nazwę optycznie czynnego związku chemicznego. Na przykład -
D(+) - aldehyd glicerynowy, L(-) - aldehyd glicerynowy.
Często zachodzi potrzeba opisania konfiguracji w sposób prostszy i wygodniejszy, niż rysowanie jej za
każdym razem. Najbardziej użyteczny sposób, obecnie zalecany, polega na stosowaniu symboli
R i S
.
Konfiguracja R (łac. rectus -prawy) i S (łac. sinister - lewy)
W celu odczytania konfiguracji na podstawie modelu lub wzoru, podstawnikom przy asymetrycznym
atomie trzeba najpierw przypisać numery od 1 do 4 według tzw. reguł pierwszeństwa.
Reguły pierwszeństwa podstawników
Reguła 1. Jeżeli wszystkie cztery atomy połączone z centrum chiralności są różne, to pierwszeństwo grup
zależy od liczb atomowych, przy czym priorytet ma atom o wiekszej liczbie atomowej. Jeżeli dwa atomy
są izotopami tego samego pierwiastka, to pierwszeństwo ma atom o większej liczbie masowej.
Reguła 2 Jeżeli nie można na podstawie reguły 1 ustalić wzglednego pierwszeństwa dwóch grup, to
należy przeprowadzic podobne porównanie następnych atomów w tych grupach.
Następnie spoglądamy na cząsteczkę w taki sposób, aby grupa o najniższym pierwszeństwie (4) była jak
najdalej od nas oddalona. Trzeba pamiętać, żeby asymetryczny atom węgla znajdował się bliżej obserwatora
niż podstawnik 4. Przy takim ustawieniu podstawniki 1, 2, 3 zwrócone są w stronę patrzącego i można
wyobrazić sobie, że układają się na okręgu. Jeżeli kolejność 1, 2, 3 jest zgodna z kierunkiem ruchu
wskazówek zegara, to taką konfigurację oznaczamy symbolem R a odwrotnej konfiguracji przypisujemy
symbol S. Na przykład dla bromochlorojodometanu konfiguracje przedstawiają się następująco.
Dlaczego tak wygląda pierwszeństwo podstawników?
Ponieważ liczby atomowe Z podstawników
odpowiednio wynoszą I - 53, Br - 35, Cl - 17, H - 1. Prostym przykładem związku, który wymaga
stosowania reguły 2, jest optycznie czynny alkohol amylowy. Q związku tym przy asymetrycznym atomie
znajduje się atom wodoru, grupa metylowa - CH
3
, grupa etylowa - CH
2
CH
3
i hydroksymetylowa -CH
2
OH.
Wodór otrzymuje numer 4, ponieważ Z = 1. Z reguły 2 wynika, że grupa -CH
2
OH otrzymuje numer 1,
zawiera bowiem tlen o Z = 8, grupa -CH
2
CH
3
otrzymuje numer 2 (na drugiej pozycji znajduje się węgiel o Z
= 6) a grupa -CH
3
numer 4.
Diastereoizomery
Istnieje grupa związków chemicznych, która zawiera więcej jak jedno centrum chiralności. W tej grupie
związków chemicznych obok już wcześniej zdefiniowanych enacjomerów spotykamy się z izomerami nie
będące wzajemnymi lustrzanymi odbiciami. Noszą one nazwę diastereoizomerów.
W przedstawionym przykładzie struktury I i II oraz III i IV są enancjomerami, natomiast struktura III jest
diastereoizomerem zarówno związku I, jak i związku II oraz struktura IV jest diastereoizomerem związków
I i II.
Rozpatrując poniższy przykład (2,3-dichlorobutan), widzimy, że cząsteczka zawiera dwa centra chiralności.
Struktury I i II są enacjomerami (nie można na siebie nałożyć), natomiast struktury III i IV mimo że
posiadają centra chralności możemy na siebie nałożyć (wystarczy strukturę III obrócić o 180
o
, a pokryje się
ona całkowicie ze strukturą IV).
W przykładzie mamy tylko trzy struktury stereoizomeryczne, tj. I, II i III.
Związki chemiczne
, którego cząsteczki dają się nałożyć na swoje odbicia lustrzane, mimo iż zawierają centra
chiralności noszą nazwę
mezo
.
W zależności od ilości asymetrycznych atomów węgla (n), ilość izomerów optycznie czynnych
(enancjomerów) obliczamy ze wzoru 2
n
.
Przykładowo czasteczki o dwóch asymetrycznych atomach węgla dają cztery izomery optycznie czynne.
Izomery konformacyjne
Izomery konformacyjne
to stereoizomery różniące się między sobą rozmieszczeniem atomów w przestrzeni.
Różne
konformacje
powstają przez obrót poszczególnych części cząsteczki wokół wiązań pojedyńczych i
geometrycznie nie przystają do siebie (patrz przykład)
Konformacje różnią się tylko stanem energetycznym gdzie najkorzystniejszą jest konformacja najuboższa
energetycznie.
Konformacja ma znaczenie dla cząsteczek alkanów oraz ich pochodnych.