У каких соединений не может быть изомеров?

4 ответов на вопрос “У каких соединений не может быть изомеров?”

  1. Rainfist Ответить

    Изомеры – вещества, имеющие одинаковый количественный и качественный состав, но разное строение.
    Изомерия делится на две группы: структурную и пространственную.
    __________________________________________________________
    К структурной изомерии относят изомерию углеродной цепи, положения (функц. группы или кратных связей) и межклассовую.
    ИЗОМЕРИЯ УГЛЕРОДНОЙ ЦЕПИ:
    Когда в веществе 4 или более атома углерода, то этому веществу уже свойственен данный вид изомерии, например:
    1. CH3 – CH2 – CH2 – CH3   – бутан
    CH3 – CH – CH3       –  2-метилпропан (изомер бутана по углеродн. цепи).
    I
    CH3
    ИЗОМЕРИЯ ПОЛОЖЕНИЯ:
    Несложный вид изомерии, заключается в смене положения радикала или кратной (двойной, тройной связи) по углеродной цепи вещества.
    1. Функц. группы (Cl, OH, CH3 и т.д.)
    CH3 – CH – CH2 – CH2 – CH3     –   пентанол-2
    I
    OH
    CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH3    –    пентанол-1
    I
    OH
    2. Кратной связи:
    CH2 = CH – CH2 – CH3  – бутен-1
    CH3 – CH = CH – CH3  – бутен-2
    МЕЖКЛАССОВАЯ:
    Когда молекулы различных классов веществ имеют одинаковую молекулярную формулу, но разный порядок связей или строение.
    Например, молекулярной формуле C5H8 соответствуют сразу же три вещества, которые являются друг другу изомерами (см. вложение 1)
    _____________________________________________________________
    К пространственной изомерии относят следующие два вида: геометрическая и оптическая.

    ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ИЗОМЕРИЯ:

    Характерна для соединений, имеющих двойные связи (алкены, циклоалканы, карбоновые кислоты). Заключается в том, что два вещества могут различаться лишь положением заместителей относительно так называемой “плоскости” двойной связи, при наглядном изображении более понятно, чем характеризуется данный вид изомерии (см. вложение 2).
    ОПТИЧЕСКАЯ ИЗОМЕРИЯ:

    Редко встречающийся в заданиях, но все же существующий вид изомерии. Заключается в способности некоторых веществ (алканы, альдегиды, карбоновые кислоты) иметь свое зеркальное отражение, копию. (см. вложение 3).

  2. Kishakar Ответить

    ИЗОМЕРИЯ
    (греч. isos ? одинаковый, meros ? часть) ? одно из важнейших понятий в химии, главным образом, в органической. Вещества могут иметь одинаковый состав и молекулярную массу, но различное строение и соединения, содержащие в своем составе одни и те же элементы в одинаковом количестве, но различающиеся пространственным расположением атомов или групп атомов, называют изомерами. Изомерия является одной из причин того, что органические соединения так многочисленны и разнообразны.
    Изомерия была впервые обнаружена Ю.Либихом в 1823, который установил, что серебряные соли гремучей и изоциановой кислот: Ag-О-N=C и Ag-N=C=O имеют одинаковый состав, но разные свойства. Термин «Изомерия» в 1830 ввел И.Берцелиус, предположивший, что различия в свойствах соединений одинакового состава возникают из-за того, что атомы в молекуле расположены в неодинаковом порядке. Представления об изомерии окончательно сформировались после создания A.M.Бутлеровым теории химического строения (1860-е). Основываясь на положениях этой теории, он предположил, что должно существовать четыре различных бутанола (рис. 1). К моменту создания теории был известен лишь один бутанол (СН3)2СНСН2ОН, получаемый из растительного сырья.

    Рис. 1. Изомеры бутанола
    Последовавший затем синтез всех изомеров бутанола и определение их свойств стали убедительным подтверждением теории.
    Согласно современному определению два соединения одинакового состава считают изомерами, если их молекулы нельзя совместить в пространстве так, чтобы они полностью совпадали. Совмещение, как правило, проделывают мысленно, в сложных случаях используют пространственные модели, либо расчетные методы.
    Есть несколько причин возникновения изомерии.
    СТРУКТУРНАЯ ИЗОМЕРИЯ
    Обусловлена, как правило, различиями в строении углеводородного скелета либо неодинаковым расположением функциональных групп или кратных связей.
    Изомерия углеводородного скелета.
    Насыщенные углеводороды, содержащие от одного до трех атомов углерода (метан, этан, пропан), не имеют изомеров. Для соединения с четырьмя атомами углерода С4Н10 (бутан) возможно существование двух изомеров, для пентана С5Н12 ? трех изомеров, для гексана С6Н14 ? пяти (рис.2):

    Рис. 2. Изомеры простейших углеводородов
    С увеличением числа атомов углерода в молекуле углеводорода количество возможных изомеров резко возрастает. Для гептана С7Н16 существует девять изомеров, для углеводорода С14Н30 ? 1885 изомеров, для углеводорода С20Н42 ? свыше 366 000.
    В сложных случаях вопрос о том, являются ли два соединения изомерами, решают, используя различные повороты вокруг валентных связей (простые связи это допускают, что в определенной степени соответствует их физическим свойствам). После перемещения отдельных фрагментов молекулы (не допуская при этом разрыва связей) накладывают одну молекулу на другую (рис. 3). Если две молекулы полностью совпадают, то это не изомеры, а одно и то же соединение:

    Изомеры, отличающиеся структурой скелета, обычно имеют разные физические свойства (температура плавления, температура кипения и т.п.), что позволяет отделить один от другого. Изомерия такого типа существует и у ароматических углеводородов (рис. 4):

    Рис. 4. Ароматические изомеры
    Изомерия положения.
    Другой вид структурной изомерии ? изомерия положения возникает в тех случаях, когда функциональные группы, отдельные гетероатомы или кратные связи расположены в различных местах углеводородного скелета. Структурные изомеры могут принадлежать к разным классам органических соединений, поэтому они могут различаться не только физическими, но и химическими свойствами. На рис. 5 показаны три изомера для соединения С3Н8О, два из них ? спирты, а третье ? простой эфир

    Рис. 5. Изомеры положения
    Нередко различия в строении изомеров положения столь очевидны, что не требуется даже мысленно совмещать их в пространстве, например, изомеры бутена или дихлорбензола (рис. 6):

    Рис. 6. Изомеры бутена и дихлорбензола
    Иногда структурные изомеры сочетают признаки изомерии углеводородного скелета и изомерии положения (рис. 7).

    Рис. 7. Сочетание двух видов структурной изомерии
    В вопросах изомерии теоретические рассмотрения и эксперимент взаимосвязаны. Если рассмотрения показывают, что изомеров быть не может, то эксперименты должны показывать то же. Если вычисления указывают на определенное число изомеров, то их может быть получено столько же, или меньше, но не больше ? не все теоретически рассчитанные изомеры могут быть получены, поскольку межатомные расстояния или валентные углы в предполагаемом изомере могут выходить за пределы допустимого. Для вещества, содержащего шесть групп СН (например, бензол), теоретически возможно 6 изомеров (рис. 8).

    Рис. 8. Изомеры бензола
    Первые пять из показанных изомеров существуют (второй, третий, четвертый и пятый изомеры были получены спустя почти 100 лет, после того, как было установлено строение бензола). Последний изомер, скорее всего, никогда не будут получен. Представленный в виде шестиугольника, он наименее вероятен, его деформации приводят к структурам в форме скошенной призмы, трехлучевой звезды, незавершенной пирамиды и сдвоенной пирамиды (незавершенному октаэдру). Каждый из этих вариантов содержит либо весьма различающиеся по величине связи С-С, либо сильно искаженные валентные углы (рис. 9):

    Химические превращения, в результате которых структурные изомеры превращаются, друг в друга, называют изомеризацией.
    Стереоизомерия
    возникает благодаря различному расположению атомов в пространстве при одинаковом порядке связей между ними.
    Один из видов стереоизомерии цис-транс-изомерия (цис ? лат. по одну строну, транс ? лат. через, по разные стороны) наблюдается в соединениях, содержащих кратные связи или плоские циклы. В отличие от простой связи, кратная связь не позволяет вращать вокруг нее отдельные фрагменты молекулы. Для того чтобы определить тип изомера, через двойную связь мысленно проводят плоскость и далее анализируют то, как размещаются заместители относительно этой плоскости. Если одинаковые группы находятся по одну сторону плоскости, то это цис-изомер, если по разные стороны ? транс-изомер:

    Рис. 10.
    Физические и химические свойства цис– и транс-изомеров иногда заметно отличаются, в малеиновой кислоте карбоксильные группы ?СООН пространственно близки, они могут реагировать (рис. 11), образуя ангидрид малеиновой кислоты (для фумаровой кислоты такая реакция не идет):

    Рис. 11. Образование ангидрида малеиновой кислоты
    В случае плоских циклических молекул проводить мысленно плоскость не требуется, так как она уже задана формой молекулы, как, например, в циклических силоксанах (рис. 12):

    Рис. 12. Изомеры циклосилоксана
    В комплексных соединениях металлов цис-изомером называют соединение, у которого две одинаковые группы, из тех, что окружают металл, находятся рядом, в транс-изомере, они разделены другими группами (рис. 13):

    Рис. 13. Изомеры комплекса кобальта
    Второй вид стереоизомерии ? оптическая изомерия возникает в тех случаях, когда два изомера, (в соответствии с определением, сформулированным ранее, две молекулы, не совмещаемые в пространстве) представляют собой зеркальное отражение друг друга. Таким свойством обладают молекулы, которые могут быть представлены в виде одиночного атома углерода, имеющего четыре различных заместителя. Валентности центрального атома углерода, связанного с четырьмя заместителями, направлены к вершинам мысленного тетраэдра ? правильного четырехгранника (см. ОРБИТАЛЬ) и жестко закреплены. Четыре неодинаковых заместителя изображены на рис. 14 в виде четырех шариков с различающейся окраской:

    Рис. 14. Атом углерода с четырьмя различными заместителями
    Чтобы обнаружить возможное образование оптического изомера нужно (рис. 15) отразить молекулу в зеркале, затем зеркальное изображение следует взять как реальную молекулу, поместить под исходной таким образом, чтобы их вертикальные оси совпали, и повернуть вторую молекулу вокруг вертикальной оси так, чтобы красный шар верхней и нижней молекулы находились друг под другом. В результате совпадает положение только двух шаров, бежевого и красного (отмечено сдвоенными стрелками). Если повернуть нижнюю молекулу таким образом, чтобы совместились синие шары, то вновь совпадет положение только двух шаров ? бежевого и синего (также отмечено сдвоенными стрелками). Все становится очевидным, если эти две молекулы мысленно совместить в пространстве, вкладывая одну в другую, как нож в ножны, красный и зеленый шар не совпадают:

    При любой взаимной ориентации в пространстве двух таких молекул нельзя добиться полного совпадения при совмещении, согласно определению, это изомеры. Важно отметить, что если у центрального атома углерода не четыре, а только три различающихся заместителя (то есть, два из них одинаковы), то при отражении в зеркале такой молекулы оптический изомер не образуется, поскольку молекулу и ее отражение можно совместить в пространстве (рис. 16):

    Помимо углерода, в роли асимметрических центров могут выступать другие атомы, у которых ковалентные связи направлены к углам тетраэдра, например, кремний, олово, фосфор.
    Оптическая изомерия возникает не только в случае асимметрического атома, она также реализуется в некоторых каркасных молекулах при наличии определенного количества различных заместителей. Например, каркасный углеводород адамантан, имеющий четыре различных заместителя (рис. 17), может иметь оптический изомер, при этом вся молекула играет роль асимметрического центра, что становится очевидным, если каркас адамантана мысленно стянуть в точку. Аналогично, силоксан, имеющий кубическую структуру (рис. 17), также становится оптически активным в случае четырех различных заместителей:

    Рис. 17. Оптически активные каркасные молекулы
    Возможны варианты, когда молекула не содержит асимметрического центра даже в скрытом виде, но может быть сама в целом несимметрична, при этом тоже возможны оптические изомеры. Например, в комплексном соединении бериллия два циклических фрагмента расположены во взаимоперпендикулярных плоскостях, в таком случае достаточно двух различных заместителей для получения оптического изомера (рис. 18). Для молекулы ферроцена, имеющего форму пятигранной призмы, для той же цели нужно три заместителя, атом водорода в этом случае играет роль одного из заместителей (рис. 18):

    Рис. 18. Оптическая изомерия несимметричных молекул
    В большинстве случаев структурная формула соединения позволяет понять, что именно следует в ней изменить, чтобы сделать вещество оптически активным.
    При синтезах оптически активных стереоизомеров обычно получают смесь право- и левовращающих соединений. Разделение изомеров проводят путем взаимодействия смеси изомеров с реагентами (чаще природного происхождения), содержащих асимметрический реакционный центр. Некоторые живые организмы, в том числе бактерии, преимущественно усваивают левовращающие изомеры.
    В настоящее время разработаны процессы (называемые асимметрическим синтезом), позволяющие целенаправленно получать определенный оптический изомер.
    Существуют реакции, позволяющие превратить оптический изомер в его антипод (см. ВАЛЬДЕНОВСКОЕ ОБРАЩЕНИЕ).
    Михаил Левицкий
    ЛИТЕРАТУРА
    Сланина 3. Теоретические аспекты явления изомерии в химии, пер. с чеш., Москва, «Мир», 1984
    Хоффман Р. Такой одинаковый и разнообразный мир. Москва, Мир, 2001

  3. Ice-Ice Baby Ответить

    Начнем с того, что для несовместимости со своим зеркальным отражением молекуле недостаточно быть просто несимметричной. Молекула может быть не равна своему отражению «на бумаге», но совместима с ним. Скажем, молекулу HCl мы можем просто повернуть (или посмотреть на нее с другой стороны). Мы можем также вращать части молекулы вокруг одинарных связей — а вот с двойными и тройными связями так поступать нельзя, они при этом рвутся.
    Итак, если структура молекулы имеет такую пространственную асимметрию, что она не совмещается со своим зеркальным отражением, то молекула и ее отражение называются оптическими изомерами. Наша цель — попробовать придумать структуру, которая бы была несовместима со своим зеркальным отражением, имела бы минимальное количество атомов углерода, и при этом сами эти атомы не были бы хиральными центрами молекулы.
    На первый взгляд, такой молекулой могли бы быть замещенные этилены, где вместо атомов водорода — четыре разных заместителя:

    Однако несмотря на то, что у такого вещества есть изомеры (два произвольно выбранных заместителя у разных атомов углерода могут располагаться по одну сторону двойной связи или по разные), хиральными они не будут, так как молекулы с одной двойной связью — плоские; чтобы совместить их со своим зеркальным отражением, их достаточно просто повернуть на 180° вокруг оси, лежащей в плоскости молекулы и перпендикулярной двойной связи.
    Существует вариант с тремя атомами углерода, который формально уже можно назвать решением нашей задачи. Четырехзамещенные аллены RR’C=C=CR”R”’ тоже содержат двойные связи, но их молекулы уже не плоские. Дело в том, что если у одного атома углерода есть две двойные связи, то их плоскости повернуты друг относительно друга на 90 градусов:

    Эта молекула уже хиральна, и можно сказать, что задачу мы решили. Однако в ней есть «хиральный центр» — центральный атом углерода. Попробуем решить задачу другим способом.
    Три атома углерода можно расположить по-другому — создав из них треугольник. У нас получится вещество циклопропан, С3H6:

    Это хорошо известное вещество, которое до сих пор иногда используется в медицине в качестве средства для наркоза. Атомы углерода образуют жесткую плоскость. Каждый из них связан с двумя атомами водорода — один над плоскостью, другой — под ней.
    Теперь заменим у двух атомов углерода по одному атому водорода на два других заместителя — к примеру, хлор и бром — так, чтобы они оказались по разные стороны от плоскости атомов углерода. Такое положение заместителей называется транс-изомером 1,2-дизамещенного циклопропана. (Если бы эти заместители располагались по одну сторону от плоскости, у нас получился бы цис-изомер, но он нас сейчас не интересует).
    Внимательно посмотрим на получившуюся молекулу и представим себе ее зеркальное отражение:

    Обе структуры, как бы мы ни крутили их в пространстве, друг с другом не совмещаются, а атома — хирального центра тут нет.

    А теперь попробуем создать полный аналог хирального атома углерода — но без хирального центра. Вернемся к первоначальному атому, с которого мы начали (см. условие задачи). Четыре связи его направлены к вершинам тетраэдра. Давайте попробуем расположить по атому углерода в его вершинах и соединить их связями.
    У нас получится углеродный скелет вещества C4H4 — тетраэдрана. Само это вещество еще не получено химиками, но его производные уже существуют в реальности. Если заместить в нём все атомы водорода на разные заместители, то получится вполне себе хиральная молекула, «хиральный центр» которой будет располагаться внутри тетраэдра:

  4. Adorarana Ответить

    Теория А.М. Бутлерова
    1. Атомы в молекулах соединены между собой в определенной последовательности химическими связями в соответствии с их валентностью. Порядок связи атомов называется их химическим строением. Углерод во всех органических соединениях четырехвалентен.
    2. Свойства веществ определяются не только качественным и количественным составом молекул, но и их строением.
    3. Атомы или группы атомов взаимно влияют друг на друга, от чего зависит реакционная способность молекулы.
    4. Строение молекул может быть установлено на основании изучения их химических свойств.
    Органические соединения обладают рядом характерных особенностей, которые отличают их от неорганических. Почти все они (за редким исключением) горючи; большинство органических соединений не диссоциирует на ионы, что обусловлено природой ковалентной связи в органических веществах. Ионный тип связи реализуется только в солях органических кислот, например, CH3COONa.
    Гомологический ряд – это бесконечный ряд органических соединений, имеющих сходное строение и, следовательно, сходные химические свойства и отличающихся друг от друга на любое число СН2– групп (гомологическая разность).

Добавить ответ

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *