Изомерия

Еще в 1814 г. французский ученый Гей-Люссак установил, что некоторые вещества при одном и том же качественном и количественном составе обладают различными физическими и химическими свойствами. Например, состав C₂H₆O и, соответственно, молекулярный вес 46,07 имеют два различных изомерных органических вещества: этиловый спирт – жидкость, кипящая при 78,4 ^оС, смешивающаяся с водой в любых соотношениях, и диметиловый эфир – газ, почти не растворимый в воде и существенно отличающийся от этилового спирта по химически свойствам.

Это явление, заключающееся в существовании нескольких химических соединений с одинаковым качественным и количественным составом, но отличных по физическим и химическим свойствам, было названо изомерией. Указанные соединения получили название изомеров.

Сущность явления изомерии была раскрыта в теории Бутлерова. Выяснилось, что изомерия обусловлена различным химическим строением, т.е. различием в порядке соединения атомов в молекулах при одном и том же составе и молекулярном весе веществ.

Для каждого из трех простейших углеводородов (метана, этана и пропана) возможно по одной структурной формуле:

H H H H H H

ï ï ï ï ï ï

H¾C¾H; H¾C¾C¾H; H¾C¾C¾C¾H.

ï ï ï ï ï ï

H H H H H H

В молекуле пропана четвертый углеродный атом может быть присоединен либо к одному из двух крайних углеродных атомов, либо к среднему. Цепь из четырех атомов углерода, как видим, дает начало двум изомерным молекулам состава C₄H₁₀ с различными углеродными скелетами:

H H H H H H H

ï ï ï ï ï ï ï

H¾C¾C¾C¾C¾H (1), H¾C¾¾C¾¾C¾H (2)

ï ï ï ï ï ï ï

H H H H H H¾C¾H H

ï

H

изображаемым сокращенно:

CH₃—CH₂—CH₂—CH₃ (1), CH₃—CH—CH₃ (2).

ï

CH₃

Первый изомер углеводорода бутана C₄H₁₀ имеет прямую (нормальную) цепь. Второй изомер – изобутан – разветвленную цепь атомов углерода.

Для углеводорода пентана C₅H₁₂ различия в последовательности связи углеводородных атомов приводят к образованию трех изомеров:

нормальный пентан изопентан

СН₃—СН₂—СН₂—СН₂—СН₃ СН₃—СН—СН₂—СН₃

СН₃ ½

½ СН₃

тетраметилметан СН₃—С—СН₃

½

СН₃

С увеличением числа атомов углерода в молекуле резко возрастает число изомеров. Известны все 9 структурных изомерных гептанов C₇H₁₆, предсказанных теорией химического строения. Для углеводородов C₁₀H₂₂ возможно 75 структурных изомеров, для C₁₁H₂₄ 159 изомеров, для C₁₂H₂₆ 802 изомера, для C₁₄H₃₀ 1858 изомеров, для – C₂₀H₄₂ 366319 изомеров.

Явление изомерии – одна из важнейших причин существования большого числа органических соединений.

Свойства органических соединений зависят от присутствия – функциональных групп (—ОН у спиртов; >С=О у альдегидов и кетонов; —СООН у карбоновых кислот; —NH₂ у аминосоединений; F, Cl, Br, J у галогенпроизводных и так далее). Функциональные группы обуславливают важнейшие свойства и прежде всего химическое поведение молекул. Изучение спектров молекул показало, что функциональные группы имеют характеристические частоты, мало отличающиеся для отдельных представителей каждого класса органических соединений.

Изомерия характерна не только для линейных, но и для циклических молекул:

СН₃

Циклогексан СН₂ метилциклопентан ½

СН₂ СН₂ СН

СН₂ СН₂

СН₂ СН₂

СН₂ СН₂—СН₂

Структурная изомерия может иметь место и при одинаковом углеродном скелете, если функциональные группы занимают различное положение в молекуле. Порядок связи атомов в молекуле пропана выражается одной структурной формулой: CH₃—CH₂—CH₃. Замещение одного из атомов водорода пропана гидроксильной группой приводит к получению двух изомерных спиртов:

CH₃—CH₂—CH₂OH (1) CH₃—CHOH—CH₃ (2)

пропиловый спирт изопропиловый спирт

Эти структурные изомеры отличаются положением в молекуле функциональной гидроксильной группы, характерной для класса спиртов.