Лекции для студентов педиатрического факультета

Лекция 2

Тема: Пространственное строение органических соединений

Цель: знакомство с видами структурной и пространственной изомерии органических соединений.

План:

Классификация изомерии.

Структурная изомерия.

Пространственная изомерия

Оптическая изомерия

Первые попытки понять строение органических молекул относятся к началу XIX в. Впервые явление изомерии открыл Й. Берцелиус, а А. М. Бутлеров в 1861 г. предложил теорию химического строения органических соединений, которая объяснила явление изомерии.

Изомерия – существование соединений с одинаковым качественным и количественным составом, но разным строением или расположением их в пространстве, а сами вещества называются изомерами.

Классификация изомеров

Структурная

(различный порядок соединения атомов)

Стереоизомерия

(различное расположение атомов в пространстве)

Положения кратной связи

Положения функциональной группы

Конфигура

Конформа-

Структурная изомерия .

Структурные изомеры – это изомеры, имеющие одинаковый качественный и количественный состав, но отличающиеся химическим строением.

Структурная изомерия обуславливает многообразие органических соединений, в частности алканов. С увеличением числа атомов углерода в молекулах алканов быстро возрастает количество структурных изомеров. Так, для гексана (С 6 Н 14) оно равно 5, для нонана (С 9 Н 20) – 35.

Атомы углерода различаются по месту положения в цепи. Атом углерода, стоящий в начале цепи, связан с одним атомом углерода и называется первичным. Атом углерода, связанный с двумя атомами углерода – вторичным , с тремя – третичным , с четырьмя – четвертичным . В молекулах алканов с неразветвленной цепью содержатся только первичные и вторичные атомы углерода, а в молекулах алканов с разветвлённой цепью и третичные и четвертичные.

Виды структурной изомерии.

Метамеры – соединения, относящиеся к одному классу соединений, но имеющие различные радикалы:

Н 3 С – О – С 3 Н 7 – метилпропиловый эфир,

Н 5 С 2 – О – С 2 Н 5 – диэтиловый эфир

Межклассовая изомерия. При одном и том же качественном и количественном составе молекул, строение веществ различное.

Например: альдегиды изомерны кетонам:

Алкины – алкадиенам

Н 2 С = СН – СН = СН 2 бутадиен -1,3 НС = С - СН 2 – СН 3 – бутин-1

Структурная изомерия обусловливает и многообразие углеводородных радикалов. Изомерия радикалов начинается с пропана, для которого возможны два радикала. Если атом водорода отнять от первичного атома углерода, то получится радикал пропил (н-пропил). Если атом водорода отнять от вторичного атома углерода, то получится радикал изопропил

-

изопропил

СН 2 – СН 2 – СН 3 - пропил

Пространственная изомерия (стереоизомерия)

Это существование изомеров, имеющих одинаковый состав и порядок соединения атомов, но отличающихся характером расположения атомов или групп атомов в пространстве относительно друг друга.

Этот вид изомерии описали Л. Пастер (1848), Я. Вант-Гофф, Ле Бель (1874).

В реальных условиях сама молекула и её отдельные части (атомы, группы атомов) находятся в состоянии колебательно – вращательного движения и это движение сильно изменяет взаимное расположение атомов в молекуле. В это время происходит растяжение химических связей и изменение валентных углов и таким образом возникают различные конфигурации и конформации молекул.

Поэтому пространственные изомеры делятся на два вида: конформационные и конфигурационные.

Конфигурации – это порядок расположения атомов в пространстве без учета различий, которые возникают в результате вращения вокруг одинарных связей. Эти изомеры существуют в виде различных конформаций.

Конформации – очень неустойчивые динамические формы одной и той же молекулы, которые возникают в резцльтате вращения атомов или групп атомов вокруг одинарных связей, в результате чего атомы занимают различное пространственное положение. Каждая конформация молекулы характеризуется определённой конфигурацией.

б-связь допускает вращение вокруг неё, поэтому одна молекула может иметь множество конформаций. Из множества конформаций во внимание принимают только шесть, т.к. за минимальный угол поворота считают угол равный 60 о, который называется торсионным углом.

Различают: заслоненную и заторможенную конформации.

Заслонённая конформация возникает в том случае, если одинаковые заместители расположены на минимальном расстоянии друг от друга и между ними возникают силы взаимного отталкивания, и молекула должна обладать большим запасом энергии, чтобы сохранить эту конформацию. Эта конформация энергетически невыгодна.

Заторможенная конформация – возникает в том случае, если одинаковые заместители максимально удалены друг от друга и молекула обладает минимальным запасом энергии. Эта конформация энергетически выгодна.

Первое соединение, для которого известно существование конформационных изомеров, является этан. Его строение в пространстве изображается перспективной формулой или формулой Ньюмена:

С 2 Н 6

заслонённая заторможенная

конформация конформация

Проекционные формулы Ньюмена.

Ближайший к нам атом углерода обозначают точкой в центре круга, круг изображает удаленный атом углерода. Три связи каждого атома изображают в виде линий, расходящихся из центра круга – для ближнего атома углерода и маленькие – для удаленного атома углерода.

Вдлинных углеродных цепях вращение возможно вокруг несколькихС – С связей. Поэтому вся цепь может принимать разнообразные геометрические формы. По рентгенографическим данным длинные цепи насыщенных углеводородов имеют зигзагообразную и клешневидную конформации. Например: пальмитиновая (С 15 Н 31 СООН) и стеариновая (С 17 Н 35 СООН) кислоты в зигзагообразных конформациях входят в состав липидов клеточных мембран, а молекулы моносахаридов в растворе принимают клешневидную конформацию.

Конформации циклических соединений

Для циклических соединений характерно угловое напряжение, связанное с наличием замкнутого цикла.

Если считать циклы плоскими, то для многих из них валентные углы будут значительно отклоняться от нормального. Напряжение, вызванное отклонением валентных углов между атомами углерода в цикле от нормального значения, называют угловым или байеровским.

Например, в циклогексане атомы углерода находятся в sp 3 - гибридном состоянии и соответственно валентный угол должен быть равным 109 о 28 / . Если бы атомы углерода лежали бы в одной плоскости, то в плоском цикле внутренние валентные углы были бы равны 120 о, а все атомы водороданаходились бы в заслоненной конформации. Но циклогексан не может быть плоским из-за наличия сильных углового и торсионного напряжений. У него возникают менее напряженные неплоские конформации за счет частичного поворота вокруг ϭ-связей, среди которых более устойчивыми являются конформации кресла и ванны.

Наиболее энергетически выгодной является конформация кресла, т.к в ней отсутствуют заслоненные положения атомов водорода и углерода. Расположение атомов Н у всех атомов С такое же, как в заторможенной конформации этана. В этой конформации все атомы водорода открыты и доступны для реакций.

Конформация ванны менее энергетически выгодная, так как у 2-х пар атомов С (С-2 и С-3), (С-5 и С-6), лежащих в основании, атомы Н находятся в заслонённой конформации, поэтому эта конформация обладает большим запасом энергии и неустойчива.

С 6 Н 12 циклогексан

Форма «кресла» более энергетически выгодна, чем «ванна».

Оптическая изомерия.

В конце XIX века было обнаружено, что многие органические соединения способны вращать плоскость поляризованного луча влево и вправо. Т. е. световой луч, падающий на молекулу вступает во взаимодействие с её электронными оболочками, при этом происходит поляризация электронов, что приводит к изменению направления колебаний в электрическом поле. Если вещество вращает плоскость колебаний по часовой стрелке, его называют правовращающим (+), если против часовой стрелки – левовращающим (-). Эти вещества были названы оптическими изомерами. Оптически активные изомеры содержат ассиметричный атом углерода (хиральный) – это атом, содержащий четыре разных заместителя. Вторым важным условием является отсутствие всех видов симметрии (оси, плоскости). К ним относятся многие окси- и аминокислоты

Исследования показали, что такие соединения отличаются порядком расположения заместителей у атомов углерода в sp 3 - гибридизации.

Простейшим соединением является молочная кислота (2-гидроксипропановая)

Стереоизомеры, молекулы которых относятся между собой как предмет и несовместимое с ним зеркальное отображение или как левая и правая рука называются энантиомерами (оптические изомеры, зеркальные изомеры, антиподы, а явление называется энантиомерией. Все химические и физические свойства энантиомеров одинаковы, кроме двух: вращение плоскости поляризованного света (в приборе поляриметре) и биологическая активность.

Абсолютную конфигурацию молекул определяют сложными физико-химическими методами.

Относительную конфигурацию оптически активных соединений определяют путем сравнения со стандартом глицеринового альдегида. Оптически активные вещества, имеющие конфигурацию правовращающего или левовращающего глицеринового альдегида (М. Розанов, 1906), называются веществами D- и L-ряда. Равная смесь право- и левовращающих изомеров одного соединения называется рацематом и оптически неактивна.

Исследования показали, что знак вращения света нельзя связывать с принадлежностью вещества к D- и L-рядам, его определяют только экспериментально в приборах – поляриметрах. Например, L-молочная к-та имеет угол вращения +3,8 о, D- молочная к-та - 3,8 о.

Энантиомеры изображают с помощью формул Фишера.

Углеродная цепь изображается вертикальной линией.

Вверху ставится старшая функциональная группа, внизу младшая.

Ассиметричный атом углерода изображается горизонтальной линией, на концах которой стоят заместители.

Количество изомеров определяются по формуле 2 n , n – число асимметрических атомов углерода.

L-ряд D-ряд

Среди энантиомеров могут быть симметричные молекулы, не обладающие оптической активностью, и называются мезоизомерами.

Например: Винная к-та

D – (+) – ряд L – (–) – ряд

Мезовинная к-та

Рацемат – виноградная к-та

Оптические изомеры, не являющиеся зеркальными изомерами, отличающиеся конфигурацией нескольких, но не всех асимметрических атомов С, обладающие различными физическими и химическими св-вами, наз-ся -ди -а -стереоизомерами.

-Диастереомеры (геометрические изомеры) – это стереомеры, имеющие в молекуле -связь. Они встречаются у алкенов, непредельных высших карбоновых к-т, непредельных дикарбоновых к-т. Например:

Цис-бутен-2 Транс-бутен-2

Биологическая активность органических вещ-в связана с их строением. Например:

Цис-бутендиовая к-та, Транс-бутендиовая к-та,

малеиновая к-та – фумаровая к-та – не ядовита,

очень ядовита содержится в организме

Все природные непредельные высшие карбоновые к-ты являются цис-изомерами.

В ходе урока вы получите общее представление о видах изомерии, узнаете, что такое изомер. Узнаете о видах изомерии в органической химии: структурной и пространственной (стереоизомерии). С помощью структурных формул веществ рассмотрите подвиды структурной изомерии (скелетную и изомерию положений), узнаете о разновидностях пространственной изомерии: геометрической и оптической.

Тема: Введение в органическую химию

Урок: Изомерия. Виды изомерии. Структурная изомерия, геометрическая, оптическая

Рассмотренные нами ранее виды формул, описывающих органические вещества, показывают, что одной молекулярной может соответствовать несколько разных структурных формул.

Например, молекулярной формуле C 2 H 6 O соответствуют два вещества с разными структурными формулами - этиловый спирт и диметиловый эфир. Рис. 1.

Этиловый спирт - жидкость, которая реагирует с металлическим натрием с выделением водорода, кипит при +78,5 0 С. При тех же условиях диметиловый эфир - газ, не реагирующий с натрием, кипит при -23 0 С.

Эти вещества отличаются своим строением - разным веществам соответствует одинаковая молекулярная формула.

Рис. 1. Межклассовая изомерия

Явление существования веществ, имеющих одинаковый состав, но разное строение и поэтому разные свойства называют изомерией (от греческих слов «изос» - «равный» и «мерос» - «часть», «доля»).

Типы изомерии

Существуют разные типы изомерии.

Структурная изомерия связана с разным порядком соединения атомов в молекуле.

Этанол и диметиловый эфир - структурные изомеры. Поскольку они относятся к разным классам органических соединений, такой вид структурной изомерии называется еще и межклассовой . Рис. 1.

Структурные изомеры могут быть и внутри одного класса соединений, например формуле C 5 H 12 соответствуют три разных углеводорода. Это изомерия углеродного скелета . Рис. 2.

Рис. 2 Примеры веществ - структурных изомеров

Существуют структурные изомеры с одинаковым углеродным скелетом, которые отличаются положением кратных связей (двойных и тройных) или атомов, замещающих водород. Этот вид структурной изомерии называется изомерией положения .

Рис. 3. Структурная изомерия положения

В молекулах, содержащих только одинарные связи, при комнатной температуре возможно почти свободное вращение фрагментов молекулы вокруг связей, и, например, все изображения формул 1,2-дихлорэтана равноценны. Рис. 4

Рис. 4. Положение атомов хлора вокруг одинарной связи

Если же вращение затруднено, например, в циклической молекуле или при двойной связи, то возникает геометрическая или цис-транс изомерия. В цис-изомерах заместители находятся по одну сторону плоскости цикла или двойной связи, в транс-изомерах - по разные стороны.

Цис-транс изомеры существуют в том случае, когда с атомом углерода связаны два разных заместителя. Рис. 5.

Рис. 5. Цис- и транс- изомеры

Еще один тип изомерии возникает в связи с тем, что атом углерода с четырьмя одинарными связями образует со своими заместителями пространственную структуру - тетраэдр. Если в молекуле есть хотя бы один углеродный атом, связанный с четырьмя разными заместителями, возникает оптическая изомерия . Такие молекулы не совпадают со своим зеркальным изображением. Это свойство называется хиральностью - от греческого с hier - «рука». Рис. 6. Оптическая изомерия характерна для многих молекул, входящих в состав живых организмов.

Рис. 6. Примеры оптических изомеров

Оптическая изомерия называется также энантиомерией (от греческого enantios - «противоположный» и meros - «часть»), а оптические изомеры - энантиомерами . Энантиомеры оптически активны, они вращают плоскость поляризации света на один и тот же угол, но в противоположные стороны: d- , или (+)-изомер, - вправо, l- , или (-)-изомер, - влево. Смесь равных количеств энантиомеров, называемая рацематом , оптически недеятельна и обозначается символом d,l- или (±).

Подведение итога урока

В ходе урока вы получили общее представление о видах изомерии, что такое изомер. Узнали о видах изомерии в органической химии: структурной и пространственной (стереоизомерии). С помощью структурных формул веществ рассмотрели подвиды структурной изомерии (скелетную и изомерию положений), познакомились с разновидностями пространственной изомерии: геометрической и оптической.

Список литературы

1. Рудзитис Г.Е. Химия. Основы общей химии. 10 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень / Г. Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. - 14-е издание. - М.: Просвещение, 2012.

2. Химия. 10 класс. Профильный уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений/ В.В. Еремин, Н.Е. Кузьменко, В.В. Лунин и др. - М.: Дрофа, 2008. - 463 с.

3. Химия. 11 класс. Профильный уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений/ В.В. Еремин, Н.Е. Кузьменко, В.В. Лунин и др. - М.: Дрофа, 2010. - 462 с.

4. Хомченко Г.П., Хомченко И.Г. Сборник задач по химии для поступающих в вузы. - 4-е изд. - М.: РИА «Новая волна»: Издатель Умеренков, 2012. - 278 с.

Домашнее задание

1. №№ 1,2 (с.39) Рудзитис Г.Е. Химия. Основы общей химии. 10 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень/ Г. Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. - 14-е издание. - М.: Просвещение, 2012.

2. Почему число изомеров у углеводородов ряда этилена больше, чем предельных углеводородов?

3. Какие углеводороды имеют пространственные изомеры?

Структурные изомеры – это соединения, имеющие одинаковую молекулярную формулу, но отличающиеся друг от друга порядком связывания атомов в молекуле.

Структурная изомерия подразделяется на изомерию углеродной цепи, изомерию положения и изомерию функциональных групп.

Изомерия углеродной цепи . Обусловлена различной последовательностью связывания атомов, образующих углеродный скелет молекулы. Например, для алкана состава С 4 Н 10 можно написать два изомера;

Для органических соединений циклического строения изомерия цепи может быть вызвана величиной цикла.

Изомерия положения обусловлена разным положением функциональных групп, заместителей пли кратных связей в молекуле.

Изомерия функциональных: групп обусловлена присутствием в изомерах одинакового состава различных по природе функциональных групп.

ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ИЗОМЕРИЯ (СТЕРЕОИЗОМЕРИЯ)

Пространственные изомеры – это соединения, имеющие одинаковую молекулярную формулу, одинаковый порядок связывания атомов в молекуле, но отличающиеся друг от друга расположением атомов в пространстве.

Пространственные изомеры называют также стерео изомерам и (от греч. stereos – пространственный).

Пространственная изомерия подразделяется на конфигурационную и конформационную.

Но прежде, чем перейти к рассмотрению этих видов стереоизомерии, остановимся на способах изображения пространственного строения молекул органических соединений.

Для изображения пространственного строения молекул, их конфигурации или конформаиии используют молекулярные модели и специальные стереоформулы.

Молекулярные модели – наглядное изображение молекул органических и неорганических соединений, позволяющее судить о взаимном расположении атомов, входящих в состав молекулы.

Наиболее часто используют три основных типа моделей: шаростержневые (модели Кекуле – Вант – Гоффа), скелетные (модели Драйдин-га) и полусферические (модели Стюарта – Бриглеба), Модели позволяют судить не только о взаимном расположении атомов в молекуле, но они удобны и для рассмотрения валентных углов и возможности вращения вокруг простых связей. Модели Драйдинга учитывают и межатомные расстояния, а модели Стюарта – Бриглеба отражают и объемы атомов. Ниже на рисунке приведены модели молекул этана и этилена.

Рис. 3.1. Модели молекул этана (слева) и этилена (справа); а – шаростержневые; б – Драйдинга; в – полусферические (Стюарта – Бриглеба)

Стереоформулы . Для изображения пространственного строения молекулы на плоскости чаще всего используют стереохимические и перспективные формулы, а также проекционные формулы Ньюмена.

В стереахимических формулах химические связи, расположенные в плоскости чертежа, изображают обычной чертой; связи, находящиеся над плоскостью – жирным клином или жирной чертой, а расположенные псщ плоскостью – штриховым клином или пунктирной линией:

Перспективные формулы описывают пространственное строение на плоскости с учетом рассмотрения молекулы вдоль одной из углерод-углеродных связей. По внешнему виду они напоминают лесопильные козлы:

При построении проекционных формул Ньюмена молекулу рассматривают в направлении одной С–С-связи таким образом, чтобы атомы, образующие данную связь, заслоняли друг друга. Из выбранной пары ближний к наблюдателю атом углерода изображают точкой, а дальний – окружностью. Химические связи ближнего атома углерода с другими атомами представляют линиями, берущими начало отточки в центре круга, а дальнего – от окружности:

Существуют проекционные формулы Фишера, которые применяют обычно для изображения на плоскости пространственного строения оптических изомеров.

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).

Еще до создания теории строения были известны вещества одинакового элементного состава, но c разными свойствами. Такие вещества были названы изомерами, а само это явление – изомерией.

В основе изомерии, как показал А.М. Бутлеров, лежит различие в строении молекул, состоящих из одинакового набора атомов.

Изомерия – это явление существования соединений, имеющих одинаковый качественный и количественный состав, но различное строение и, следовательно, разные свойства.

Различают 2 вида изомерии: структурную изомерию и пространственную изомерию.

Структурная изомерия

Структурные изомеры – соединения одинакового качественного и количественного состава, отличающиеся порядком связывания атомов, т.е химическим строением.

Пространственная изомерия

Пространственные изомеры (стереоизомеры) при одинаковом составе и одинаковом химическом строении различаются пространственным расположением атомов в молекуле.
Пространственными изомерами являются оптические и цис-транс изомеры (геометрические).

Цис-транс-изомерия

заключается в возможности расположения заместителей по одну или по разные стороны плоскости двойной связи или неароматического цикла.В цис-изомерах заместители находятся по одну сторону от плоскости кольца или двойной связи, в транс-изомерах – по разные.

В молекуле бутена-2 СН3–СН=СН–СН3 группы СН3 могут находиться либо по одну сторону от двойной связи — в цис-изомере, либо по разные стороны — в транс-изомере.

Оптическая изомерия

Появляется тогда, когда углерод имеет четыре разных заместителя.
Если поменять местами любые два из них, получается другой пространственный изомер того же состава. Физико-химические свойства таких изомеров существенно различаются. Соединения такого типа отличаются способностью вращать плоскость пропускаемого через раствор таких соединений поляризованного света на определенную величину. При этом один изомер вращает плоскость поляризованного света в одном направлении, а его изомер – в противоположном. Вследствие таких оптических эффектов этот вид изомерии называют оптической изомерией.

Изомеры, изомерия

Изомеры – это вещества, имеющие одинаковый качественный и количественный состав, но различное строение и, следовательно, разные свойства

Явление существования изомеров называется изомерией

Например, вещество состава С 4 Н 10 имеет два изомерных соединения.

Физические свойства бутана и изобутана отличаются: изобутан имеет более низкие температуры плавления и кипения, чем н.бутан.

Шаростержневая модель молекулы бутанаШаростержневая модель молекулы изобутана

Химические свойства данных изомеров различаются незначительно, т.к. они имеют одинаковые качественный состав и характер связи между атомами в молекуле.

По- другому определение изомеров можно дать так:

Изомеры – вещества, имеющие одинаковую молекулярную, но разную структурную формулу.

Виды изомерии

В зависимости от характера отличий в строении изомеров различают структурную и пространственную изомерию.

Структурные изомеры - соединения одинакового качественного и количественного состава, отличающиеся порядком связывания атомов, т.е химическим строением .

Структурная изомерия делится на:
1.Изомерию углеродного скелета	2.Изомерию положения (кратной связи, функциональной группы, заместителя)	3.Межклассовую изомерию CH 3 -CH 2 -NO 2 нитроэтан HOOC-CH 2 -NH 2 аминоуксусная кислота (глицин)

Изомерия положения
кратной связи СН 2 = СН-СН= СН 2 СН 3 -СН= С= СН 2	функциональной группы СН 3 -СНОН -СН 3 СН 2 ОН -СН 2 -СН 3	Заместителя СН 3 -СНCI -СН 3 СН 2 CI -СН 2 -СН 3

Структурная изомерия

	Изомерия положения кратной (двойной) связи: Бутен-1 и бутен -2
	Изомерия углеродного скелета: Циклобутан и метилциклопропан
	Межклассовая изомерия: Бутен и циклобутан

Пространственные изомеры (стереоизомеры) при одинаковом составе и одинаковом химическом строении различаются пространственным расположением атомов в молекуле

Пространственная изомерия делится на:
	Характерна для веществ, содержащих двойные связи или циклические.

Оптические изомеры еще называют зеркальными или хиральными (как левая и правая рука)