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
- История открытия изомеров.
- 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.
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/%
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/
- Изомеры
- Изомеры и номенклатуру органических соединений
- Изометрическое превращение переохлаждённого аустенита в эвтектоидной стали. Устойчивость переохлажденного аустенита. Инкубационный пе
- Изоморфизм
- Изоморфизм
- Из опыта применения войск ПВО страны в Великой Отечественной войне
- Изотерапия, как одна из граней арттерапии
- Изоляционные материалы в трубопроводном строительстве
- Изоляционные материалы в трубопроводном строительстве
- Изоляционные строительные материалы
- Изоляция обмотки статора
- Изомеризация алканов нефти
- Изомеризация пентан-гексановой фракции
- Изомерия в химии
