Izomeria substanțelor organice. Izomeria interclasă a compușilor organici

Subiectul și rolul chimiei organice. Teoria structurii chimice compusi organici A.M. Butlerov și semnificația sa.

Chimie organica, o știință care studiază compușii carbonului cu alte elemente (compuși organici), precum și legile transformărilor acestora.

Diversitatea și numărul enorm de compuși organici determină importanța chimiei organice ca cea mai mare secțiune chimia modernă. Lumea din jurul nostru este construită în principal din compuși organici; alimente, combustibil, îmbrăcăminte, medicamente, vopsele, detergenți, explozivi, materiale fără de care este imposibil să se creeze transport, să imprime cărți, să pătrundă în spațiu etc. - toate acestea constau din compuși organici. Compușii organici joacă un rol vital în procesele vieții. Chimia organică studiază nu numai compușii obținuți din organisme vegetale și animale (așa-numitele substanțe naturale), ci în principal compușii creați artificial folosind sinteza organică de laborator sau industrială.

Principiile de bază ale teoriei structurii chimice a lui A.M. Butlerov

1. Atomii din molecule sunt legați între ei într-o anumită secvență în funcție de valențele lor. Secvența legăturilor interatomice dintr-o moleculă se numește ea structura chimicași este reflectată de o formulă structurală (formula de structură).

2. Structura chimică poate fi stabilită metode chimice. (În prezent sunt utilizate și metode fizice moderne).

3.Proprietățile substanțelor depind de structura lor chimică.

4.După proprietăți a acestei substante se poate determina structura moleculei sale, iar din structura moleculei se pot prezice proprietățile acesteia.

5. Atomii și grupurile de atomi dintr-o moleculă au o influență reciprocă unul asupra celuilalt.

Teoria lui Butlerov a fost fundamentul științific al chimiei organice și a contribuit la dezvoltarea rapidă a acesteia. Pe baza prevederilor teoriei, A.M. Butlerov a explicat fenomenul de izomerie, a prezis existența diverșilor izomeri și a obținut unii dintre ei pentru prima dată.

Fenomenul de izomerie a compușilor organici, tipurile acestuia.

Baza izomerismului, așa cum arată A.M. Butlerov, constă diferența în structura moleculelor constând din același set de atomi. Prin urmare, izomerie- acesta este fenomenul existenței compușilor care au aceeași compoziție calitativă și cantitativă, dar structuri diferite și, prin urmare, proprietăți diferite.

De exemplu, atunci când o moleculă conține 4 atomi de carbon și 10 atomi de hidrogen, este posibilă existența a 2 compuși izomeri:

În funcție de natura diferențelor în structura izomerilor, se disting izomeria structurală și spațială.

Izomeri structurali- compuși de aceeași compoziție calitativă și cantitativă, diferiți în ordinea legăturii atomilor, adică. structura chimica.

De exemplu, compoziția C5H12 corespunde la 3 izomeri structurali:

Izomeri spațiali (stereoizomeri) cu aceeași compoziție și aceeași structură chimică, ele diferă prin aranjarea spațială a atomilor din moleculă.

Izomerii spațiali sunt izomeri optici și cis-trans. Moleculele unor astfel de izomeri sunt incompatibile spațial.

Reprezentări electronice în chimie organică. Structura atomului de carbon. Hibridarea orbitalilor (stările de valență ale atomului de carbon). Legătura covalentă și tipurile sale (simple sau δ- și multiple).

Aplicarea teoriei electronice a structurii atomice și a legăturii chimice în chimia organică a fost una dintre cele mai importante etape în dezvoltarea teoriei structurii compușilor organici. Conceptul de structură chimică ca o secvență de legături între atomi (A.M. Butlerov) teoria electronilor completate cu idei despre structura electronică și spațială și influența lor asupra proprietăților compușilor organici. Aceste idei fac posibilă înțelegerea modalităților de transmitere a influenței reciproce a atomilor în molecule (efecte electronice și spațiale) și comportamentul moleculelor în reacții chimice.

Conform conceptelor moderne, proprietățile compușilor organici sunt determinate de:

· natura și structura electronică a atomilor;

· tipul de orbitali atomici și natura interacțiunii lor;

· tip legături chimice;

· structura chimică, electronică și spațială a moleculelor.

Atomul de carbon este format dintr-un nucleu care are o sarcină pozitivă de +6 (deoarece conține șase protoni) și învelișul de electroni, care conține șase electroni localizați pe două niveluri de energie (straturi). Configurație electronică de stare de bază 1s 2 2s 2 2p 2 .

În starea normală (neexcitată), atomul de carbon are două 2 nepereche R 2 electroni. Într-o stare excitată (când energia este absorbită) una din 2 s 2 electroni pot merge la liber R-orbital. Apoi patru electroni nepereche apar în atomul de carbon:

Hibridizare orbitalii este procesul de aliniere a acestora ca formă și energie. Numărul de orbitali hibrizi este egal cu numărul de orbitali originali. În comparație cu aceștia, orbitalii hibrizi sunt mai alungiți în spațiu, ceea ce asigură o suprapunere mai completă a acestora cu orbitalii atomilor vecini.

sp- Hibridizare – aceasta este amestecarea (alinierea în formă și energie) a unuia s-și unul R-orbitali pentru a forma doi hibrizi sp-orbitali. sp-Orbitalii sunt situati pe aceeasi linie (la un unghi de 180°) si dirijati in directii opuse fata de nucleul atomului de carbon. Două R-orbitalii raman nehibridati. Ele sunt așezate reciproc perpendicular pe direcțiile conexiunilor.

Există trei tipuri de legături chimice covalente, care diferă în mecanismul de formare:
1. Legătură covalentă simplă. Pentru formarea sa, fiecare atom furnizează un electron nepereche. Când se formează o legătură covalentă simplă, sarcinile formale ale atomilor rămân neschimbate.

Dacă atomii formând o legătură covalentă simplă sunt la fel, atunci adevăratele sarcini ale atomilor din moleculă sunt, de asemenea, aceleași, deoarece atomii care formează o legătură dețin în mod egal o pereche de electroni comună, o astfel de legătură se numește nepolar legătură covalentă.

Dacă atomii diferit, atunci gradul de posesie a unei perechi comune de electroni este determinat de diferența de electronegativitate a atomilor. Un atom cu electronegativitate mai mare atrage o pereche de electroni de legătură mai puternic spre sine, iar sarcina sa adevărată devine negativă. Un atom cu electronegativitate mai mică capătă aceeași sarcină pozitivă. Această legătură covalentă se numește polar.

2. Legătura donor-acceptor. Pentru a forma acest tip de legătură covalentă, ambii electroni sunt furnizați de unul dintre atomi - donor. Al doilea dintre atomii implicați în formarea unei legături se numește acceptor. În molecula rezultată, sarcina formală a donorului crește cu unu, iar sarcina formală a acceptorului scade cu unu.

3. Conexiune semipolară. Acest tip de legătură covalentă se formează între un atom cu o pereche singură de electroni (azot, fosfor, sulf, halogeni etc.) și un atom cu doi electroni nepereche (oxigen, sulf). Formarea unei legături semipolare are loc în două etape:

· Oxidarea (transferul unui electron);

· Socializarea electronilor nepereche.

legătură σ (legatură sigma)- o legătură covalentă formată prin suprapunerea norilor de electroni „de-a lungul liniei centrale”. Caracterizat prin simetrie axială. O legătură formată atunci când orbitalii hibrizi se suprapun de-a lungul unei linii care leagă nucleele unui atom.

Clasificarea compușilor organici. Grupuri funcționale și cele mai importante clase de compuși organici. Compuși heterofuncționali. Analiza funcțională calitativă (identificarea chimică a claselor de compuși organici).

Compuși aciclici (grași sau alifatici) – compuși ale căror molecule conțin un lanț de carbon deschis (nu închis într-un inel) drept sau ramificat, cu legături simple sau multiple. Compușii aciclici sunt împărțiți în două grupe principale:

hidrocarburi saturate (saturate) (alcani),în care toți atomii de carbon sunt legați între ei doar prin legături simple;

hidrocarburi nesaturate (nesaturate) (alchene, alchine și alcadiene),în care între atomii de carbon, pe lângă legăturile simple simple, există și legături duble și triple.

Compușii ciclici, la rândul lor, sunt împărțiți în două grupuri mari:

1. compuși carbociclici - compuși ale căror cicluri constau numai din atomi de carbon; Compușii carbociclici se împart în aliciclic- saturate (cicloparafine) si aromatice;
2. compuși heterociclici - compuși ale căror cicluri constau nu numai din atomi de carbon, ci atomi de alte elemente: azot, oxigen, sulf etc.

„Alte clase de compuși organici” includ următoarele: alcooli, aldehide, acizi carboxilici, esteri, grasimi, carbohidrati, amine, aminoacizi, proteine, acizi nucleici.

Majoritate materie organică implicate în procesele metabolice sunt clasificate ca compuși heterofuncționali, adică având în structura sa mai multe grupuri funcţionale diferite. Cei mai comuni compuși heterofuncționali sunt aminoalcoolii, aminoacizii, hidroxiacizii și oxoacizii. Proprietățile chimice ale compușilor heterofuncționali nu pot fi considerate ca suma proprietăților datorită prezenței fiecărei grupe funcționale. Deoarece grupurile funcționale se influențează reciproc, compușii heterofuncționali au și ei specifici Proprietăți chimice.

Analiza calitativa urmărește detectarea anumitor substanțe sau componente ale acestora în obiectul analizat. Detectarea este efectuată de Identificare substanțe, adică stabilirea identității (asemănării) SA a obiectului analizat și SA cunoscută a substanțelor analizate în condițiile metodei de analiză aplicată. Pentru a face acest lucru, această metodă examinează preliminar substanțele de referință în care prezența substanțelor analitice este cunoscută.

Teoria A.M. Butlerov

1. Atomii din molecule sunt legați între ei într-o anumită succesiune prin legături chimice în conformitate cu valența lor. Ordinea în care atomii se leagă se numește structura lor chimică. Carbonul din toți compușii organici este tetravalent.

2. Proprietățile substanțelor sunt determinate nu numai de compoziția calitativă și cantitativă a moleculelor, ci și de structura lor.

3. Atomii sau grupurile de atomi se influențează reciproc, ceea ce determină reactivitatea moleculei.

4. Structura moleculelor poate fi stabilită pe baza studiului proprietăților lor chimice.

Compușii organici au un număr de trasaturi caracteristice, care le deosebesc de cele anorganice. Aproape toate (cu rare excepții) sunt inflamabile; Majoritatea compușilor organici nu se disociază în ioni, ceea ce se datorează naturii legăturilor covalente din substanțele organice. Legătura de tip ionic se realizează numai în sărurile acizilor organici, de exemplu, CH3COONa.

Seria omologa- aceasta este o serie nesfârșită de compuși organici care au o structură similară și, prin urmare, proprietăți chimice similare și diferă între ei prin orice număr de grupe CH2– (diferență omoloagă).

Chiar înainte de crearea teoriei structurii, erau cunoscute substanțe cu aceeași compoziție elementară, dar cu proprietăți diferite. Astfel de substanțe au fost numite izomeri, iar acest fenomen în sine a fost numit izomerie.

Baza izomerismului, așa cum arată A.M. Butlerov, constă diferența în structura moleculelor constând din același set de atomi.

Izomerie- acesta este fenomenul existenței compușilor care au aceeași compoziție calitativă și cantitativă, dar structuri diferite și, prin urmare, proprietăți diferite.

Există 2 tipuri de izomerie: structural izomerie şi spațială izomerie.

Izomerie structurală

Izomeri structurali– compuși de aceeași compoziție calitativă și cantitativă, care diferă în ordinea legăturilor atomilor, adică structura chimică.

Izomerie spațială

Izomeri spațiali(stereoizomerii) cu aceeași compoziție și aceeași structură chimică diferă prin aranjarea spațială a atomilor din moleculă.
Izomerii spațiali sunt izomeri optici și cis-trans (geometrici).

Izomerie cis-trans

constă în posibilitatea de a plasa substituenți pe una sau laturile opuse ale planului unei duble legături sau a inelului nearomatic izomeri cis substituenții sunt pe o parte a planului inelului sau a legăturii duble, în izomeri trans- în diverse feluri.

În molecula butenă-2 CH3–CH=CH–CH3, grupările CH3 pot fi localizate fie pe o parte a dublei legături - în izomerul cis, fie pe părți opuse - în izomerul trans.

Izomerie optică

Apare atunci când un carbon are patru substituenți diferiți.
Dacă schimbați oricare dintre ele, obțineți un alt izomer spațial cu aceeași compoziție. Proprietățile fizico-chimice ale acestor izomeri diferă semnificativ. Compușii de acest tip se disting prin capacitatea lor de a roti planul luminii polarizate transmise printr-o soluție de astfel de compuși cu o anumită cantitate. În acest caz, un izomer rotește planul luminii polarizate într-o direcție, iar izomerul său se rotește în direcția opusă. Datorită unor astfel de efecte optice, acest tip de izomerie se numește izomerie optică.

Folosit pe scară largă în chimia organică izomerie, a cărui esență este că există mai multe substanțe diferite care au aceeași formulă moleculară, dar au structuri diferite și, ca urmare, substanțe chimice și proprietăți fizice. În acest caz, cunoașterea este doar formulă moleculară nu oferă o imagine completă a proprietăților unei substanțe. O astfel de idee ne poate fi dată prin cunoașterea formulei structurale (grafice) a unei substanțe.

Există tipuri structurale, poziționale, geometrice (cis-, trans-) și optice de izomerie ale compușilor organici.

Izomeria structurală a compuşilor organici

A. Conexiuni multiple

B. Deputati

ÎN. Grup functional

Izomeria geometrică a compuşilor organici

În acest caz, ordinea de conectare a atomilor din moleculele izomerice este aceeași, dar aranjarea lor spațială este diferită. Astfel de izomeri sunt numiți spațiali sau stereoizomeri. La rândul lor, stereoizomerii în care gruparea stereogenă este o legătură multiplă sau inele mici sunt numiți geometrici.

Existența izomerilor geometrici este posibilă în prezența grupărilor funcționale la o legătură multiplă. Iar diferența dintre izomeri constă în aranjarea spațială a grupărilor funcționale în raport cu planul dublei legături.

Denumirile unor astfel de izomeri sunt construite folosind cis -, trans- denumiri:

În izomerul cis doi substituenți identici pe atomi de carbon diferiți legați printr-o legătură dublă se află pe aceeași parte a legăturii duble.

În izomerul trans substituenți identici se află pe părțile opuse ale dublei legături.

În cazul în care, într-o legătură multiplă, toți substituenții sunt diferiți E-, Z- denumiri (« E"din entgegen - dimpotrivă," Z„din zusammen – împreună). Pentru a determina tipul de configurare ( E- sau, Z-) se impune stabilirea vechimii deputaților, i.e. compararea numerelor lor atomice.

Z- un izomer are o configurație în care doi substituenți seniori sunt localizați pe o parte a dublei legături și E- configurația este un izomer în care doi substituenți seniori sunt localizați pe părți opuse ale dublei legături.

De exemplu, să determinăm tipul de configurație a izomerilor 1-brom-1-cloro-2-nitroetilen prezentați în figură. Izomerii de etilenă au următorii substituenți: H (număr atomic - 1), Br (număr atomic - 35), N (număr atomic - 7), Cl (număr atomic - 17).

A) la primul atom de carbon substituentul principal este Br (35), la al doilea atom de carbon este N (7). Acești substituenți sunt pe părțile opuse ale legăturii multiple. Prin urmare aceasta E– izomer.

b) la primul atom de carbon substituentul principal este CI (17), la al doilea atom de carbon este Br (35). Acești substituenți sunt pe o parte a legăturii multiple. Prin urmare aceasta Z– izomer.

În cazul în care substituenții legați direct la atomii de carbon nesaturați („primul strat”) sunt aceiași, atunci se compară substituenții „al doilea strat”, „al treilea strat”, etc.

În exemplul prezentat, toți substituenții „primului strat” sunt aceiași - acesta este C. Prin urmare, este necesar să se ia în considerare „al doilea strat”. În acest strat, primul atom de carbon conectat printr-o legătură dublă va avea un substituent senior - ​​Cl, iar al doilea atom de carbon va avea un substituent C. Cei doi substituenți seniori sunt localizați pe o parte a legăturii duble, ceea ce înseamnă izomerul are 2 Z configurație

Izomeria optică a compușilor organici

La începutul secolului al XIX-lea, s-a descoperit că unele substanțe, când trece prin ele lumina polarizată, deviază planul de polarizare cu un anumit unghi. În plus, există doi compuși (izomeri) care deviază planul de polarizare prin unghiuri egale ca mărime, dar diferite ca semn (stângaci și dreptaci). Se numeau astfel de substanțe izomeri optici(antipozi sau enantiomeri).

Un amestec care conține cantități egale de izomeri stângaci și dreptaci este optic inactiv și se numește amestec racemic.

Activitatea optică este caracteristică substanțelor care conțin unul sau mai mulți atomi de carbon asimetrici (adică carbon legat la patru substituenți diferiți), de exemplu:

Cei doi izomeri optici diferă unul de celălalt ca obiect și imaginea în oglindă. Când sunt combinate, nu se potrivesc ca stânga și mana dreapta când sunt suprapuse una peste alta. Astfel de molecule sunt numite chiral(greacă „cheiros” - mână). Dacă molecula, atunci când este suprapusă, coincide cu ea imagine in oglinda atunci ea achiral.

În moleculele organice, pe lângă carbonul legat de patru substituenți diferiți, compușii care conțin atomi precum siliciu, azot și fosfor și care au, de asemenea, o axă sau un plan stereogen, pot avea chiralitate.

Pe un plan, izomerii optici sunt reprezentați folosind Formule de proiecție Fischer

Reguli pentru construirea formulelor Fisher:

1. Linia punctată verticală arată proiecțiile conexiunilor îndreptate departe de observator
2. Linia orizontală arată proiecțiile conexiunilor îndreptate către observator
3. Centrul de intersecție al liniilor verticale și orizontale corespunde centrului chiral, care este cel mai adesea jucat de un atom de carbon asimetric. În acest caz, simbolul celui mai asimetric atom de carbon C nu este reprezentat.
4. Dacă centrul asimetric nu este carbon, ci un alt atom, atunci simbolul său trebuie trasat în centrul intersecției liniilor.
5. Substituenții sunt reprezentați la capetele liniilor verticale și orizontale, respectând cu strictețe dispunerea lor spațială.

Izomeri, izomerie

Izomerii- sunt substanțe care au aceeași compoziție calitativă și cantitativă, dar structuri diferite și, prin urmare, proprietăți diferite

Fenomenul existenței izomerilor se numește izomerie

De exemplu, o substanță cu compoziția C4H10 are doi compuși izomeri.

Proprietățile fizice ale butanului și ale izobutanului sunt diferite: izobutanul are mai mult temperaturi scăzute topindu-se si fierbinte decat n.butan.

Model cu bile și băț al moleculei de butan
Model cu bile și baston al moleculei de izobutan

Proprietățile chimice ale acestor izomeri diferă ușor, deoarece au aceeași compoziție calitativă și natura legăturilor dintre atomii din moleculă.

O altă definiție a izomerilor poate fi dată după cum urmează:

izomeri - substanțe care au aceleași formule moleculare, dar structurale diferite.

Tipuri de izomerie

În funcție de natura diferențelor în structura izomerilor, există structuralȘi spațială izomerie.

Izomeri structurali- compuși de aceeași compoziție calitativă și cantitativă, care diferă în ordinea legăturilor atomilor, adică structura chimică.

Izomerie structurală

Izomeri spațiali (stereoizomeri) cu aceeași compoziție și aceeași structură chimică, ele diferă prin aranjarea spațială a atomilor din moleculă

Izomerii optici sunt numiți și oglindă sau chirali (cum ar fi mâna stângă și dreaptă)

Izomerie –existenţa unor substanţe diferite cu aceeaşi formulă moleculară. Acest fenomen se datorează faptului că aceiași atomi se pot conecta între ei în moduri diferite. Toți izomerii sunt împărțiți în două clase mari - izomeri structuraliȘi izomeri spațiali (stereoizomeri).

Structural sunt izomeri care corespund diferitelor formule structurale ale compușilor organici (cu ordine diferită de conectare a atomilor).

Stereoizomerii sunt compuși care au aceeași compoziție și aceeași ordine de legătură a atomilor, dar diferă prin aranjarea atomilor în spațiu.

Izomeri structurali.În conformitate cu clasificarea de mai sus a compușilor organici după tip, între izomerii structurali se disting trei grupe:

1) compuși care conțin diferite grupe funcționale și aparținând diferitelor clase de compuși organici, de exemplu:

2) compuși care diferă în scheletele de carbon:

3) compuși care diferă în poziția substituentului sau a legăturii multiple în moleculă:

Izomeri spațiali (stereoizomeri). Stereoizomerii pot fi împărțiți în două tipuri: izomeri geometrici și izomeri optici.

Izomerie geometrică caracteristic compuşilor care conţin o legătură dublă sau inel. În astfel de molecule este adesea posibil să se deseneze un plan convențional în așa fel încât substituenții de pe diferiți atomi de carbon să poată fi pe aceeași parte (cis-) sau pe laturi diferite. (transă-) din acest avion. Dacă o modificare a orientării acestor substituenți în raport cu planul este posibilă numai datorită ruperii uneia dintre legăturile chimice, atunci se vorbește despre prezența izomerilor geometrici.

Izomerii geometrici pot diferi semnificativ în proprietățile lor fizice și chimice.

Izomeri optici sunt molecule ale căror imagini în oglindă sunt incompatibile între ele. Ele pot fi împărțite în două tipuri: enantiomeriȘi diastereomeri.

Se numesc stereoizomerii care au o configurație în oglindă a centrilor asimetrici (chirali). enantiomeri sau antipozi optici.

Enantiomerismul este caracteristic moleculelor care au una atom asimetric (chiral). carbon, adică un atom legat de patru atomi sau grupuri diferite de atomi. Moleculele de enantiomeri se raportează între ele ca un obiect și o imagine în oglindă incompatibilă. Enantiomerii au aceleași proprietăți fizice și chimice, dar diferă prin semnul de rotație a luminii polarizate.

De exemplu, acidul lactic există sub formă de enantiomeri. CH3-CH(OH)-COOH:

Un amestec echimolar de enantiomeri (+) și (–) este optic inactiv și se numește amestec racemic sau racemat.

Diastereomeri– izomeri spațiali, ale căror molecule nu sunt imagini în oglindă unele ale altora. Diastereomerii diferă unul de celălalt prin proprietăți fizice și chimice.