Kaj je geometrijska izomerija? Izomerija

prostorsko

ogljikov skelet

Konfiguracija

Konformacijski

Funkcionalni položaj

Optični

Medrazredni

Geometrijski

1. Strukturna izomerija

Strukturni izomeri se razlikujejo po kemični strukturi, tj. naravo in zaporedje vezi med atomi v molekuli. Strukturni izomeri so izolirani v čisti obliki. Obstajajo kot samostojne, stabilne snovi, njihova medsebojna transformacija zahteva veliko energije - približno 350 - 400 kJ/mol. V dinamičnem ravnovesju so samo strukturni izomeri – tavtomeri. Tavtomerija je pogost pojav v organski kemiji. Možno je s prenosom mobilnega vodikovega atoma v molekuli (karbonilne spojine, amini, heterocikli itd.), znotrajmolekulskimi interakcijami (ogljikovi hidrati).

Vsi strukturni izomeri so predstavljeni v obliki strukturnih formul in poimenovani po nomenklaturi IUPAC. Na primer, sestava C 4 H 8 O ustreza strukturnim izomerom:

A)z različnim ogljikovim skeletom

nerazvejana C-veriga - CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH=O (butanal, aldehid) in

razvejana C-veriga -

(2-metilpropanal, aldehid) oz

cikel - (ciklobutanol, ciklični alkohol);

b)z različnim položajem funkcionalne skupine

butanon-2, keton;

V)z različno sestavo funkcionalne skupine

3-butenol-2, nenasičen alkohol;

G)metamerizem

Funkcionalna skupina heteroatoma je lahko vključena v ogljikov skelet (cikel ali verigo). Eden od možnih izomerov te vrste izomerije je CH 3 -O-CH 2 -CH=CH 2 (3-metoksipropen-1, eter);

d)tavtomerizem (keto-enol)

enolna oblika keto oblika

Tavtomeri so v dinamičnem ravnovesju, v zmesi pa prevladuje stabilnejša oblika, keto oblika.

Pri aromatskih spojinah se strukturna izomerija upošteva samo za stransko verigo.

2. Prostorska izomerija (stereoizomerija)

Prostorski izomeri imajo enako kemijsko strukturo in se razlikujejo po prostorski razporeditvi atomov v molekuli. Ta razlika ustvarja razliko v fizikalnih in kemijskih lastnostih. Prostorski izomeri so upodobljeni v obliki različnih projekcij ali stereokemičnih formul. Veja kemije, ki proučuje prostorsko zgradbo in njen vpliv na fizikalne in kemijske lastnosti spojin, na smer in hitrost njihovih reakcij, se imenuje stereokemija.

A)Konformacijska (rotacijska) izomerija

Brez spreminjanja veznih kotov ali dolžin vezi si lahko predstavljamo številne geometrijske oblike (konformacije) molekule, ki se med seboj razlikujejo po medsebojnem vrtenju ogljikovih tetraedrov okoli vezi σ-C-C, ki jih povezuje. Kot rezultat te rotacije nastanejo rotacijski izomeri (konformerji). Energija različnih konformerjev ni enaka, vendar je energijska pregrada, ki ločuje različne konformacijske izomere, majhna za večino organskih spojin. Zato je v običajnih pogojih praviloma nemogoče pritrditi molekule v eno strogo določeno konformacijo. Značilno je, da več konformacijskih izomerov zlahka prehaja drug v drugega in obstaja v ravnovesju.

Metode upodabljanja in nomenklaturo izomerov lahko obravnavamo na primeru molekule etana. Zanj lahko predvidimo obstoj dveh konformacij, ki se maksimalno razlikujeta po energiji, kar lahko upodobimo v obliki perspektivne projekcije(1) ("žagarske koze") ali projekcije Newman(2):

inhibirana konformacija zasenčena konformacija

V perspektivni projekciji (1) si je treba povezavo C-C predstavljati, da gre v daljavo; Atom ogljika na levi je blizu opazovalca, atom ogljika na desni pa je dlje od njega.

V Newmanovi projekciji (2) je molekula opazovana vzdolž C-C vezi. Tri črte, ki se od središča kroga odmikajo pod kotom 120°, označujejo vezi ogljikovega atoma, ki je najbližji opazovalcu; črte, ki štrlijo izza kroga, so vezi oddaljenega atoma ogljika.

Konformacija, prikazana na desni, se imenuje zakrita . To ime nas spomni, da sta atoma vodika obeh skupin CH 3 nasproti drug drugemu. Zatemnjena konformacija ima povečano notranjo energijo in je zato neugodna. Konformacija, prikazana na levi, se imenuje zaviral , kar pomeni, da je prosta rotacija okoli C-C vezi v tem položaju "zavirana", tj. molekula obstaja pretežno v tej konformaciji.

Najmanjša energija, ki je potrebna za popolno vrtenje molekule okoli določene vezi, se imenuje rotacijska pregrada za to vez. Rotacijsko pregrado v molekuli, kot je etan, lahko izrazimo v smislu spremembe potencialne energije molekule kot funkcije spremembe diedričnega (torzijskega - τ) kota sistema. Energijski profil rotacije okoli C-C vezi v etanu je prikazan na sliki 1. Rotacijska pregrada, ki ločuje obe obliki etana, je približno 3 kcal/mol (12,6 kJ/mol). Minimumi krivulje potencialne energije ustrezajo inhibiranim konformacijam, maksimumi pa okludiranim konformacijam. Ker lahko pri sobni temperaturi energija nekaterih molekularnih trkov doseže 20 kcal/mol (približno 80 kJ/mol), je to oviro 12,6 kJ/mol zlahka premagati in vrtenje v etanu velja za prosto. V mešanici vseh možnih konformacij prevladujejo inhibirane konformacije.

Slika 1. Diagram potencialne energije konformacij etana.

Pri kompleksnejših molekulah se število možnih konformacij poveča. Da, za n-butan lahko upodabljamo že v šestih konformacijah, ki nastanejo pri rotaciji okoli centralne C 2 - C 3 vezi in se razlikujejo po medsebojni razporeditvi CH 3 skupin. Različne zatemnjene in inhibirane konformacije butana se razlikujejo po energiji. Inhibirane konformacije so energijsko ugodnejše.

Energijski profil vrtenja okoli C 2 -C 3 vezi v butanu je prikazan na sliki 2.

Slika 2. Diagram potencialne energije konformacij n-butana.

Pri molekuli z dolgo ogljikovo verigo se število konformacijskih oblik poveča.

Za molekulo alicikličnih spojin so značilne različne konformacijske oblike cikla (npr. za cikloheksan naslanjač, kopel, zasuk- obrazci).

Konformacije so torej različne prostorske oblike molekule, ki ima določeno konfiguracijo. Konformerji so stereoizomerne strukture, ki ustrezajo energijskim minimumom na diagramu potencialne energije, so v mobilnem ravnovesju in so zmožne medsebojne pretvorbe z vrtenjem okoli preprostih vezi σ.

Če pregrada za takšne transformacije postane dovolj visoka, lahko stereoizomerne oblike ločimo (na primer optično aktivne bifenile). V takih primerih ne govorimo več o konformerjih, temveč o dejansko obstoječih stereoizomerih.

b)Geometrijska izomerija

Geometrijski izomeri nastanejo kot posledica odsotnosti v molekuli:

1. rotacija ogljikovih atomov drug glede na drugega je posledica togosti dvojne vezi C=C ali ciklične strukture;

2. dve enaki skupini pri enem ogljikovem atomu dvojne vezi ali obroča.

Geometrične izomere je za razliko od konformerjev mogoče izolirati v čisti obliki in obstajajo kot posamezne, stabilne snovi. Za njihovo medsebojno pretvorbo je potrebna višja energija - približno 125-170 kJ/mol (30-40 kcal/mol).

Obstajajo cis-trans-(Z,E) izomeri; cis- oblike so geometrijski izomeri, v katerih enaki substituenti ležijo na isti strani ravnine π vezi ali obroča, trans- oblike so geometrijski izomeri, v katerih enaki substituenti ležijo na nasprotnih straneh ravnine π vezi ali obroča.

Najenostavnejši primer so izomeri butena-2, ki obstaja v obliki cis-, trans-geometričnih izomerov:

cis-buten-2 ​​trans-buten-2

temperatura taljenja

138,9 °C - 105,6 °C

temperatura vrelišča

3,72 0 С 1,00 0 С

gostota

1,2 – diklorociklopropan obstaja v obliki cis-, trans-izomerov:

cis-1,2-diklorociklopropan trans-1,2-diklorociklopropan

V bolj zapletenih primerih se uporablja Z,E-nomenklatura (Kanna, Ingold, Prelog nomenklatura - KIP, nomenklatura delovne dobe poslancev). V povezavi

1-bromo-2-metil-1-klorobuten-1 (Br)(CI)C=C(CH 3) - CH 2 -CH 3 vsi substituenti na ogljikovih atomih z dvojno vezjo so različni; zato ta spojina obstaja v obliki Z-, E- geometrijskih izomerov:

E-1-bromo-2-metil-1-klorobuten-1 Z-1-bromo-2-metil-1-klorobuten-1.

Če želite označiti konfiguracijo izomera, označite razporeditev višjih substituentov pri dvojni vezi (ali obroču) je Z- (iz nemškega Zusammen - skupaj) ali E- (iz nemškega Entgegen - nasprotno).

V sistemu Z,E se substituenti z velikim atomskim številom štejejo za starejše. Če so atomi, neposredno vezani na nenasičene atome ogljika, enaki, pojdite na "drugo plast", če je potrebno - na "tretjo plast" itd.

V prvi projekciji sta višji skupini ena nasproti drugi glede na dvojno vez, tako da gre za E izomer. V drugi projekciji so starejše skupine na isti strani dvojne vezi (skupaj), tako da gre za Z-izomer.

Geometrijski izomeri so v naravi zelo razširjeni. Na primer, naravni polimeri kavčuk (cis-izomer) in gutaperča (trans-izomer), naravna fumarna (trans-butendiojska kislina) in sintetična maleinska (cis-butendiojska kislina) kisline, v sestavi maščob - cis-oleinska, linolna, linolenska kislina.

V)Optična izomerija

Molekule organskih spojin so lahko kiralne in akiralne. Kiralnost (iz grščine cheir - roka) je nezdružljivost molekule z njeno zrcalno sliko.

Kiralne snovi so sposobne vrteti ravnino polarizacije svetlobe. Ta pojav imenujemo optična aktivnost, ustrezne snovi pa optično aktivna. Optično aktivne snovi se pojavljajo v parih optični antipodi- izomeri, katerih fizikalne in kemijske lastnosti so v normalnih pogojih enake, z izjemo ene stvari - znaka rotacije polarizacijske ravnine: eden od optičnih antipodov odkloni polarizacijsko ravnino v desno (+, desno rotacijski izomer), drugi - v levo (-, levo rotacijski). Konfiguracijo optičnih antipodov lahko eksperimentalno določimo z napravo - polarimetrom.

Optična izomerija se pojavi, ko molekula vsebuje asimetrični ogljikov atom(obstajajo tudi drugi razlogi za kiralnost molekule). To je ime za atom ogljika v sp 3 - hibridizacija in povezano s štirimi različnimi substituenti. Možni sta dve tetraedrski postavitvi substituentov okoli asimetričnega atoma. V tem primeru dveh prostorskih oblik ni mogoče združiti z nobeno rotacijo; eden od njih je zrcalna slika drugega:

Obe zrcalni obliki tvorita par optičnih antipodov oz enantiomeri .

Optične izomere je v obliki projekcijskih formul upodobil E. Fischer. Dobimo jih s projiciranjem molekule z asimetričnim ogljikovim atomom. V tem primeru je sam asimetrični ogljikov atom na ravnini označen s piko, na vodoravni črti pa so označeni s simboli substituentov, ki štrlijo pred ravnino risbe. Navpična črta (črtkana ali polna) označuje substituente, ki so odstranjeni izven ravnine risbe. Spodaj so različni načini za zapis projekcijske formule, ki ustreza levemu modelu na prejšnji sliki:

V projekciji je glavna ogljikova veriga upodobljena navpično; glavna funkcija, če je na koncu verige, je navedena na vrhu projekcije. Na primer, stereokemične in projekcijske formule (+) in (-) alanina - CH 3 - * CH(NH 2)-COOH so predstavljene na naslednji način:

Zmes z enako vsebnostjo enantiomerov imenujemo racemat. Racemat nima optične aktivnosti in je značilen po fizikalnih lastnostih, ki se razlikujejo od enantiomerov.

Pravila za preoblikovanje projekcijskih formul.

1. Formule lahko zavrtite za 180° v risalni ravnini, ne da bi spremenili njihov stereokemični pomen:

2. Dve (ali katero koli sodo število) preureditve substituentov na enem asimetričnem atomu ne spremenijo stereokemičnega pomena formule:

3. Ena (ali poljubno liho število) preureditev substituentov v asimetričnem središču vodi do formule za optični antipod:

4. Zasuk v risalni ravnini za 90° spremeni formulo v antipod.

5. Vrtenje katerih koli treh substituentov v smeri ali nasprotni smeri urinega kazalca ne spremeni stereokemičnega pomena formule:

6. Formul projekcije ni mogoče izpeljati iz risalne ravnine.

Optično aktivnost imajo organske spojine, v katerih molekulah so kiralni centri drugi atomi, kot so silicij, fosfor, dušik in žveplo.

Spojine z več asimetričnimi ogljikovimi atomi obstajajo v obliki diastereomeri , tj. prostorski izomeri, ki med seboj ne predstavljajo optičnih antipodov.

Diastereomeri se med seboj ne razlikujejo le po optični rotaciji, ampak tudi po vseh drugih fizikalnih konstantah: imajo različna tališča in vrelišča, različno topnost itd.

Število prostorskih izomerov je določeno s Fischerjevo formulo N=2 n, kjer je n število asimetričnih ogljikovih atomov. Število stereoizomerov se lahko zmanjša zaradi delne simetrije, ki se pojavi v nekaterih strukturah. Optično neaktivni diastereomeri se imenujejo meso- obrazci.

Nomenklatura optičnih izomerov:

a) D-, L- nomenklatura

Za določitev serije D ali L izomera se konfiguracija (položaj skupine OH pri asimetričnem atomu ogljika) primerja s konfiguracijami enantiomerov gliceraldehida (ključ glicerola):

L-gliceraldehid D-gliceraldehid

Uporaba D-, L-nomenklature je trenutno omejena na tri razrede optično aktivnih snovi: ogljikove hidrate, aminokisline in hidroksi kisline.

b) R -, S-nomenklatura (nomenklatura Kahna, Ingolda in Preloga)

Za določitev R (desno) ali S (levo) konfiguracije optičnega izomera je treba razporediti substituente v tetraedru (stereokemična formula) okoli asimetričnega ogljikovega atoma tako, da ima najmlajši substituent (običajno vodik). smer "stran od opazovalca". Če se prehod preostalih treh substituentov iz starejšega v srednji in nižji v seniornosti zgodi v smeri urinega kazalca, je to R-izomer (zmanjšanje seniornosti sovpada z gibanjem roke pri pisanju zgornjega dela črke R). Če se prehod zgodi v nasprotni smeri urinega kazalca, je to S - izomer (padajoča prednost sovpada z gibanjem roke pri pisanju vrha črke S).

Za določitev R- ali S-konfiguracije optičnega izomera z uporabo projekcijske formule je treba substituente razporediti s sodim številom permutacij, tako da je najmlajši od njih na dnu projekcije. Zmanjšanje seniornosti preostalih treh substituentov v smeri urinega kazalca ustreza R-konfiguraciji, v nasprotni smeri urinega kazalca pa S-konfiguraciji.

Optične izomere pridobivamo z naslednjimi metodami:

a) izolacija iz naravnih materialov, ki vsebujejo optično aktivne spojine, kot so beljakovine in aminokisline, ogljikovi hidrati, številne hidroksi kisline (vinska, jabolčna, mandljeva), terpenski ogljikovodiki, terpenski alkoholi in ketoni, steroidi, alkaloidi itd.

b) cepitev racematov;

c) asimetrična sinteza;

d) biokemična proizvodnja optično aktivnih snovi.

ALI VEŠ TO

Pojav izomerizma (iz grščine - jazsos - različne in meros - delež, del), odprt leta 1823. J. Liebig in F. Wöhler na primeru soli dveh anorganskih kislin: cianske H-O-C≡N in eksplozivne H-O-N= C.

Leta 1830 je J. Dumas razširil koncept izomerizma na organske spojine.

Leta 1831 izraz "izomer" za organske spojine je predlagal J. Berzelius.

Za stereoizomere naravnih spojin je značilna različna biološka aktivnost (aminokisline, ogljikovi hidrati, alkaloidi, hormoni, feromoni, zdravilne snovi naravnega izvora itd.).

Geometrijski izomeri nastanejo, če je prosto vrtenje atomov v molekuli omejeno zaradi prisotnosti dvojne vezi. Primer takega para izomerov sta maleinska (12.23) in fumarna (12.24) kislina (cis- oziroma trans-).

Geometrijski izomeri so si po kemijski strukturi zelo podobni, vendar niso zrcalne slike drug drugega in ne vrtijo ravnine polarizacije svetlobe. Praviloma se cis- in trans-izomeri bistveno razlikujejo po fizikalnih lastnostih. Na primer, maleinska kislina (12.23) se tali pri 130 °C, njena vrednost pKa je 1,9, je zelo topna v hladni vodi (79 g na 100 ml); konstante njegovega geometrijskega izomera - fumarne kisline (12.24) so ​​287 °C, 3,0 oziroma 0,7 g na 100 ml. Ni presenetljivo, da imajo geometrijski izomeri različne biološke lastnosti, zato je pri proučevanju kemijske formule nove spojine zelo pomembno, da se upoštevajo vse možnosti za obstoj te vrste izomerije.

Cis in trans izomere lahko enostavno ločimo s kristalizacijo ali kromatografijo. Ni splošne metode za pretvorbo enega izomera v drugega, vendar segrevanje običajno proizvede najbolj stabilen izomer, izpostavljenost svetlobi pa manj stabilnega. Človeški vid je odvisen od pretvorbe 11-cis izomera retinala v 11-trans obliko pod vplivom svetlobe. Takoj, ko vznemirljivi žarek svetlobe izgine,
Ta karotenoidni pigment spet preide v cis obliko in s tem prekine impulz, ki gre v možgane.Cis in trans izomeri obstajajo tudi na ploščatem ciklopentanskem obroču, ki je kot velika dvojna vez. Čeprav cikloheksanski obroč sploh ni raven, je vseeno dovolj raven, da tvori cis in trans izomere. Tako obstajata in sta na voljo tako cis (12.25) kot trans (12.26) oblika diaminocikloheksana. Ista molekula lahko tvori geometrijske in optične izomere. Na primer, trans izomer (12.26) lahko ločimo na (S,S) (12.27) in (R.R) (12.28) kiralne izomere. Vendar cis izomera ni mogoče razdeliti na kiralne oblike, saj ima simetrijsko ravnino. Benzenov obroč nima geometrijskih izomerov, ker ima vsak atom ogljika v obroču samo en substituent.

Stereoizomeri 1,2-diaminocinlogensana

Včasih je lahko težko izbrati dva od štirih substituentov na dvojni vezi, da bi določili cis ali trans konfiguracijo. Pravilo zaporedja narekuje izbiro substituentov z najtežjimi atomi, pri čemer je cis oblika označena s črko Z (iz nemške besede zusammen), transformacija pa s črko E (entgegen). Včasih je v imenih spojin, v katerih se geometrijska izomerija lahko pojavi večkrat, substituent z najmanjšim številom (po pravilu oštevilčenja) označen s črko g, oznaki c-(cis) in t-(trans) pa v spredaj drugi substituenti nakazujejo njihov položaj glede na gospoda namestnika.

Podobno kot indol-3-ilocetna kislina (4,82), ki spodbuja rast rastlinskih celic, lahko delujejo tudi druge karboksilne kisline, katerih karboksilna skupina je pod kotom na ravnino aromatskega obroča. Geometrična izomerija omejuje možnost takšne razporeditve dveh substituentov, zato je od cimetovih kislin aktiven le cis izomer. V 2-fenilciklopropan-1-karboksilni in 1,2,3,4-tetrahidronaftaliden-ocetni kislini so aktivni le cis-izomeri. Molekularni modeli kažejo, da obroč in karboksilna skupina v trans izomeru (neaktivni) teh snovi ležita v isti ravnini, medtem ko sta v cis obliki (aktivni) nekoplanarni. Veidstra je bil prvi, ki je opozoril na to povezavo med nekoplanarnostjo in aktivnostjo, ki spodbuja rast. Nekomplanarnost lahko nastane tudi zaradi steričnih ovir. Tako ima benzojska kislina planarno obliko in ni aktivna, medtem ko sta 2,6-diklorobenzojska in 8-metil-1-naftojska kislina neravni in biološko aktivni.

V avksinskih analogih je karboksilna skupina lahko nadomeščena z drugimi elektronoprivlačnimi skupinami (-CN, -N02, -SO3H), medtem ko je biološka aktivnost le rahlo zmanjšana. O razmerju med strukturo in akcijo v tej seriji glej Koepfli, Thimann, Went (1938) in Veidstra

Geometrična izomerija steroidov si zasluži posebno pozornost. Formula (12.29) prikazuje splošno strukturo te skupine naravnih nasičenih spojin (prikazano je oštevilčenje ogljikovih atomov in črkovne oznake štirih ciklov). Pri naravnih steroidih sta obroča B in C v transstičišču, pri čemer sta oba zasidrana v konformaciji stola. Pri srčnih glikozidih ima stičišče ciklov C in D cis konfiguracijo, pri živalskih hormonih, sterolih in žolčnih kislinah pa transstičišče. Pri večini biološko aktivnih steroidov sta obroča A in B v transjunkciji (serija »5a«, prej imenovana »allo«). Vsak od obročev v molekuli steroida tvori gube, kar je jasno vidno v stranski projekciji formule (12.30).

Oznaka "5a" označuje, da je vodikov atom na položaju 5 pod splošno ravnino obročev. Vsi substituenti, ki se nahajajo pod to ravnino, so označeni s simbolom "a" in zgoraj - s simbolom, prikazanim v formulah (12.34) in (12.35).

Oblika stola je najmanj obremenjena in zato najprimernejša za molekulo cikloheksana, pri čemer je vsak aksialni atom vodika odmaknjen za 0,25 nm od drugih dveh aksialnih atomov vodika, ki se nahajata na isti strani cikla. Zvita (ali twist) oblika zavzema vmesno mesto (med oblikama stola in čolna), najbolj intenzivna pa je oblika kopalne kadi. Slednjega pa lahko stabiliziramo z dvema ali več kondenziranimi obroči, ki vsebujejo ustrezne substituente. Molekula dekahidronaftalena (dekalin) lahko obstaja v dveh stabilnih oblikah, katerih strukturo smo določili z elektronsko difrakcijo, ki je pokazala, da je trans oblika (tališče -30 ° C, vrelišče 117 ° C pri 100 mm Hg) sestavljena iz dveh transfuzirani obroči v konformaciji stol, cis oblika (tališče -43 °C, vrelišče 124 °C pri 100 mmHg) pa je sestavljena iz dveh cis-fuziranih obročev v konformaciji stol. Cis oblika preide v trans obliko pri povišanih temperaturah in v prisotnosti katalizatorja. Molekula dekalina je primer geometrijske izomerije glede na premostitvene ogljikove atome, vendar vsak cikel ostaja konformacijsko mobilen.

Zanimiva je konformacijska analiza -CO-H- vezi, ki določa strukturo peptidov. Pri proteinih je njegova konformacija vedno »raztegnjena« (trans), čeprav je pri peptidih, ki vsebujejo prolin, to je terciarno amidno skupino, delež ravnotežne »zaprte« (cis) konformacije precej velik (do 40%). V sekundarnih formamidih je v primeru N-metilformamida ravnotežna mešanica "razširjenih" in "zaključenih" konformerjev v razmerju 8:92 (12.39, 12.40). Njihov obstoj ugotavlja prisotnost dveh ločenih signalov v PMR spektrih. Z naraščanjem prostornine substituenta pri dušikovem atomu se poveča delež "razširjenega" konformerja, ki doseže 18% pri zamenjavi metilne skupine s terc.butilom.

Prostorski izomeri (stereoizomeri) imajo enako kvalitativno in kvantitativno sestavo ter enak vrstni red vezave atomov (kemijsko strukturo), vendar različno prostorsko razporeditev atomov v molekuli.

Obstajata dve vrsti prostorske izomerije: optični in geometrijski.

Optična izomerija

Pri optični izomeriji so različni fragmenti molekul različno locirani glede na določen atom, tj. imajo različne konfiguracijo Na primer:

Takšne molekule niso enake, med seboj se nanašajo kot predmet in njegova zrcalna slika in se imenujejo enantiomeri.

Enantiomeri imajo lastnosti kiralnosti. Najenostavnejši primer kiralnosti je posledica prisotnosti v molekuli središče kiralnosti(kiralni center), ki je lahko atom, ki vsebuje štiri različne substituente. Tak atom nima elementov simetrije. Zaradi tega se imenuje tudi asimetrična.

Da bi ugotovili, ali je molekula kiralna, je treba zgraditi njen model, model njene zrcalne slike (slika 3.1). , A) in ugotovi, ali sta združena v prostoru. Če nista združljiva, je molekula kiralna (slika 3.1, b), če sta združljiva, je ahiralna.

riž. 3.1.

Vse kemijske lastnosti enantiomerov so enake. Njihove fizične lastnosti so enake, z izjemo optične aktivnosti: ena oblika vrti ravnino polarizacije svetlobe v levo, druga - za isti kot v desno.

Mešanica enakih količin optičnih antipodov se obnaša kot posamezna kemična spojina, ki je brez optične aktivnosti in se po fizikalnih lastnostih zelo razlikuje od vsakega od antipodov. Ta snov se imenuje racemna mešanica, oz racemat.

Pri vseh kemičnih transformacijah, pri katerih nastajajo novi asimetrični ogljikovi atomi, vedno nastanejo racemati. Obstajajo posebne tehnike za ločevanje racematov na optično aktivne antipode.

Če je v molekuli več asimetričnih atomov, je možna situacija, ko prostorski izomeri ne bodo optični antipodi. Na primer:

Prostorski izomeri, ki med seboj niso enantiomeri, se imenujejo diastereomeri.

Poseben primer diastereomerov - geometrijski (cis-trais-) izomeri.

Geometrijska izomerija

Geometrična (cis-trans) izomerija je značilen za spojine, ki vsebujejo dvojne vezi (C=C, C=N itd.), pa tudi za nearomatske ciklične spojine in je posledica nezmožnosti prostega vrtenja atomov okoli dvojne vezi ali v ciklu. Substituenti v geometrijskih izomerih se lahko nahajajo na eni strani ravnine dvojne vezi ali obroča - ^wc-položaj ali na nasprotnih straneh - tirsh/c-položaj (slika 3.2).

riž. 3.2. Dis-izomer (a) intrans-izomer(b)

Geometrijski izomeri se običajno bistveno razlikujejo po fizikalnih lastnostih (vrelišča in tališča, topnost, dipolni momenti, termodinamična stabilnost itd.)

• Izraz "kiralnost" pomeni, da sta dva predmeta med seboj v enakem razmerju kot leva in desna roka (iz grškega stola - roka), tj. so zrcalne slike, ki ne sovpadajo, ko jih poskušate združiti v prostoru.

Med lekcijo boste dobili splošno predstavo o vrstah izomerizma in izvedeli, kaj je izomer. Spoznajte vrste izomerije v organski kemiji: strukturno in prostorsko (stereoizomerija). S pomočjo strukturnih formul snovi razmislite o podvrstah strukturne izomerije (skeletna in pozicijska izomerija), spoznajte vrste prostorske izomerije: geometrijsko in optično.

Tema: Uvod v organsko kemijo

Lekcija: Izomerija. Vrste izomerizma. Strukturna izomerija, geometrijska, optična

1. Kaj je izomerija

Vrste formul, ki opisujejo organske snovi, ki smo jih pregledali prej, kažejo, da lahko več različnih strukturnih formul ustreza eni molekulski formuli.

Na primer, molekulska formula C2H6O dopisovati dve snovi z različnimi strukturnimi formulami - etilni alkohol in dimetil eter. riž. 1.

Etilni alkohol je tekočina, ki reagira s kovinskim natrijem, da sprosti vodik in vre pri +78,50C. Pri enakih pogojih dimetil eter, plin, ki ne reagira z natrijem, vre pri -230C.

Te snovi se razlikujejo po zgradbi – različne snovi imajo enako molekulsko formulo.

riž. 1. Medrazredna izomerija

Pojav obstoja snovi, ki imajo enako sestavo, vendar različne strukture in s tem različne lastnosti, se imenuje izomerija (iz grških besed "isos" - "enako" in "meros" - "del", "delež").

Vrste izomerizma

Obstajajo različne vrste izomerije.

2. Medrazredna izomerija

Strukturna izomerija je povezana z drugačnim vrstnim redom spajanja atomov v molekuli.

Etanol in dimetil eter sta strukturna izomera. Ker pripadajo različnim razredom organskih spojin, se ta vrsta strukturne izomerije imenuje tudi medrazredni. riž. 1.

3. Izomerija ogljikovega skeleta

Strukturni izomeri lahko obstajajo tudi znotraj istega razreda spojin, na primer formula C5H12 ustreza trem različnim ogljikovodikom. to izomerija ogljikovega skeleta. riž. 2.

riž. 2 Primeri snovi - strukturni izomeri

4. Položajna izomerija

Obstajajo strukturni izomeri z enakim ogljikovim skeletom, ki se razlikujejo po položaju več vezi (dvojne in trojne) ali atomov, ki nadomeščajo vodik. Ta vrsta strukturne izomerije se imenuje položajna izomerija.

riž. 3. Izomerija strukturne lege

5. Prostorska izomerija

V molekulah, ki vsebujejo samo enojne vezi, je pri sobni temperaturi možno skoraj prosto vrtenje molekularnih fragmentov okoli vezi in na primer vse slike formul 1,2-dikloroetana so enakovredne. riž. 4

riž. 4. Položaj atomov klora okoli enojne vezi

Če je rotacija ovirana, na primer v ciklični molekuli ali z dvojno vezjo, potem geometrijska ali cis-trans izomerija. V cis-izomerih so substituenti nameščeni na eni strani ravnine obroča ali dvojne vezi, v trans-izomerih - na nasprotnih straneh.

Cis-trans izomeri obstajajo, ko so vezani na ogljikov atom. dva različna namestnik riž. 5.

riž. 5. Cis - in trans - izomeri

6. Optična izomerija

Druga vrsta izomerizma nastane zaradi dejstva, da ogljikov atom s štirimi enojnimi vezmi tvori prostorsko strukturo s svojimi substituenti - tetraedrom. Če ima molekula vsaj en ogljikov atom vezan na štiri različne substituente, optična izomerija. Take molekule se ne ujemajo z zrcalno sliko. Ta lastnost se imenuje kiralnost - iz grškega chier - "roka". riž. 6. Optična izomerija je značilna za številne molekule, ki sestavljajo žive organizme.

riž. 6. Primeri optičnih izomerov

Imenuje se tudi optična izomerija enantiomerizem(iz grškega enantios - "nasproti" in meros - "del"), optični izomeri pa so enantiomeri. Enantiomeri so optično aktivni, zasukajo ravnino polarizacije svetlobe za isti kot, vendar v nasprotni smeri: d-, ali (+)-izomer, - na desno, jaz-, ali (-)-izomer, - na levo. Mešanica enakih količin enantiomerov, imenovana racemat, je optično neaktivna in je označena s simbolom d, l- ali (±).

Povzetek lekcije

Med lekcijo ste pridobili splošno razumevanje vrst izomerizma in kaj je izomer. Spoznali smo vrste izomerije v organski kemiji: strukturno in prostorsko (stereoizomerija). S pomočjo strukturnih formul snovi smo preučili podvrste strukturne izomerije (skeletna in položajna izomerija) ter se seznanili z vrstami prostorske izomerije: geometrijsko in optično.

Bibliografija

1. Rudzitis G. E. Kemija. Osnove splošne kemije. 10. razred: učbenik za splošnoizobraževalne ustanove: osnovna raven / G. E. Rudzitis, F. G. Feldman. - 14. izdaja. - M.: Izobraževanje, 2012.

2. Kemija. 10. razred. Stopnja profila: akademska. za splošno izobraževanje ustanove / V. V. Eremin, N. E. Kuzmenko, V. V. Lunin itd. - M.: Bustard, 2008. - 463 str.

3. Kemija. 11. razred. Stopnja profila: akademska. za splošno izobraževanje institucije / V. V. Eremin, N. E. Kuzmenko, V. V. Lunin itd. - M.: Bustard, 2010. - 462 str.

4. Khomchenko G. P., Khomchenko I. G. Zbirka problemov iz kemije za kandidate na univerzah. - 4. izd. - M .: RIA "New Wave": Založnik Umerenkov, 2012. - 278 str.

1. Interneturok. ru.

2. Organska kemija.

Domača naloga

1. št. 1,2 (str. 39) Rudzitis G. E. Kemija. Osnove splošne kemije. 10. razred: učbenik za splošnoizobraževalne ustanove: osnovna raven / G. E. Rudzitis, F. G. Feldman. - 14. izdaja. - M.: Izobraževanje, 2012.

2. Zakaj je število izomerov v ogljikovodikih etilenske serije večje od števila nasičenih ogljikovodikov?

3. Kateri ogljikovodiki imajo prostorske izomere?

Utrdite snov z vadbenimi napravami

Trener 1 Trener 2 Trener 3

Geometrijski izomeri nastanejo, če je prosto vrtenje atomov v molekuli omejeno zaradi prisotnosti dvojne vezi. Primer takega para izomerov sta maleinska (12.23) in fumarna (12.24) kislina (cis- oziroma trans-).

Geometrijski izomeri so si po kemijski strukturi zelo podobni, vendar niso zrcalne slike drug drugega in ne vrtijo ravnine polarizacije svetlobe. Praviloma se cis- in trans-izomeri bistveno razlikujejo po fizikalnih lastnostih. Na primer, maleinska kislina (12.23) se tali pri 130 °C, njena vrednost pKa je 1,9, je zelo topna v hladni vodi (79 g na 100 ml); konstante njegovega geometrijskega izomera - fumarne kisline (12.24) so ​​287 °C, 3,0 oziroma 0,7 g na 100 ml. Ni presenetljivo, da imajo geometrijski izomeri različne biološke lastnosti, zato je pri proučevanju kemijske formule nove spojine zelo pomembno, da se upoštevajo vse možnosti za obstoj te vrste izomerije.

Cis in trans izomere lahko enostavno ločimo s kristalizacijo ali kromatografijo. Ni splošne metode za pretvorbo enega izomera v drugega, vendar segrevanje običajno proizvede najbolj stabilen izomer, izpostavljenost svetlobi pa manj stabilnega. Človeški vid je odvisen od pretvorbe 11-cis izomera retinala v 11-trans obliko pod vplivom svetlobe. Takoj, ko vznemirljivi žarek svetlobe izgine,

ta karotenoidni pigment spet preide v cis obliko in s tem prekine impulz, ki gre v možgane.

Cis- in trans-izomeri obstajajo tudi na ploščatem ciklopentanskem obroču, ki je kot velika dvojna vez. Čeprav cikloheksanski obroč sploh ni raven, je vseeno dovolj raven, da tvori cis in trans izomere. Tako obstajata in sta na voljo tako cis (12.25) kot trans (12.26) oblika diaminocikloheksana. Ista molekula lahko tvori geometrijske in optične izomere. Na primer, trans izomer (12.26) lahko ločimo na (S,S) (12.27) in (R,R) (12.28) kiralne izomere. Vendar cis izomera ni mogoče razdeliti na kiralne oblike, saj ima simetrijsko ravnino. Benzenov obroč nima geometrijskih izomerov, ker ima vsak atom ogljika v obroču samo en substituent.

Stereoizomeri 1,2-diaminocinlogensana

Včasih je lahko težko izbrati dva od štirih substituentov na dvojni vezi, da bi določili cis ali trans konfiguracijo. Pravilo zaporedja narekuje izbiro substituentov z najtežjimi atomi, pri čemer je cis oblika označena s črko Z (iz nemške besede zusammen), transformacija pa s črko E (entgegen). Včasih je v imenih spojin, v katerih se geometrijska izomerija lahko pojavi večkrat, substituent z najmanjšim številom (po pravilu oštevilčenja) označen s črko g, oznaki c-(cis) in t-(trans) pa v spredaj drugi substituenti nakazujejo njihov položaj glede na gospoda namestnika.

Podobno kot indol-3-ilocetna kislina (4,82), ki spodbuja rast rastlinskih celic, lahko delujejo tudi druge karboksilne kisline, katerih karboksilna skupina je pod kotom na ravnino aromatskega obroča. Geometrična izomerija omejuje možnost takšne razporeditve dveh substituentov, zato je od cimetovih kislin aktiven le cis izomer. V 2-fenilciklopropan-1-karboksilni in 1,2,3,4-tetrahidronaftaliden-1-ocetni kislini so aktivni le cis-izomeri. Molekularni modeli kažejo, da obroč in karboksilna skupina v trans izomeru (neaktivni) teh snovi ležita v isti ravnini, medtem ko sta v cis obliki (aktivni) nekoplanarni. Prvič opozoril na to povezavo med

nekoplanarnost in aktivnost Veidstre, ki spodbuja rast. Nekomplanarnost lahko nastane tudi zaradi steričnih ovir. Tako ima benzojska kislina planarno obliko in ni aktivna, medtem ko sta 2,6-diklorobenzojska in 8-metil-1-naftojska kislina neravni in biološko aktivni.

V avksinskih analogih je karboksilna skupina lahko nadomeščena z drugimi elektronoprivlačnimi skupinami (-CN, -NO 2, -SO3H), medtem ko je biološka aktivnost le rahlo zmanjšana. O razmerju med strukturo in akcijo v tej seriji glej Koepfli, Thimann in Went (1938) in Veidstra (1963).

Geometrična izomerija steroidov si zasluži posebno pozornost. Formula (12.29) prikazuje splošno strukturo te skupine naravnih nasičenih spojin (prikazano je oštevilčenje ogljikovih atomov in črkovne oznake štirih ciklov). Pri naravnih steroidih sta obroča B in C v transstičišču, pri čemer sta oba zasidrana v konformaciji stola. Pri srčnih glikozidih ima stičišče ciklov C in D cis konfiguracijo, pri živalskih hormonih, sterolih in žolčnih kislinah pa transstičišče. Pri večini biološko aktivnih steroidov sta obroča A in B v transjunkciji (serija »5a«, prej imenovana »allo«). Vsak od obročev v molekuli steroida tvori gube, kar je jasno vidno v stranski projekciji formule (12.30).

Oznaka "5a" označuje, da je vodikov atom na položaju 5 pod splošno ravnino obročev. Vsi substituenti, ki se nahajajo pod to ravnino, so označeni s simbolom "a", zgoraj pa s simbolom "p". α-substituenti so označeni s pikčastimi črtami, ^-substituenti pa s polnimi črtami. Simbola a- in ^- se uporabljata tudi za druge policiklične spojine, na primer triterpene in alkaloide. Kompleksnost strukture teh spojin otežuje uporabo R- in S-nomenklature.

Praviloma je pri sesalcih visoka biološka aktivnost steroidnih spojin povezana z odsotnostjo α-substituentov na položajih 1, 9, 11-13, 17 in odsotnostjo β-substituentov na položajih 4-8, 14, 15. Bočna projekcija molekule hidrokortizona ponazarja to pravilo. Prva stopnja v biološkem delovanju steroidnih hormonov je njihov učinek na specifičen transport beljakovin (poglavje 2.4). Predpostavlja se, da steroidi medsebojno delujejo z beljakovinami s pomočjo ravne spodnje strani (a-površine) molekule.

Različni steroidi se med seboj razlikujejo predvsem po substituentih R 1 , R 2 in R 3 (12.29), včasih pa tudi po stopnji nenasičenosti ali prisotnosti drugih substituentov izven obročev. Da ima steroid progestinsko, androgeno in kortikoidno delovanje, je praviloma potrebna prisotnost cikloheksenonske strukture obroča A. Za delovanje kortizonskega tipa so atomi kisika na položajih 3, 11 in 17 ter značilnost skupino -CO-CH 2 OH na položaju 17. Androgena in kortikoidna aktivnost sta v večji meri odvisni od teh podrobnosti zgradbe molekule, vendar progestinska aktivnost ostane, če je acetilna skupina na položaju 17 v a-konfiguraciji, kar ni v naravnih spojinah, zamenjava metilne skupine na položaju 18 z etilno pa vodi celo do povečanja te aktivnosti (oralni kontraceptiv norgestrel).

Od vseh steroidnih hormonov najmanj stroge strukturne zahteve postavljajo spojine z estrogensko aktivnostjo. Glede na aromatizacijo obroča A in prisotnost kisle hidroksilne skupine na položaju 3 je struktura preostale molekule drugotnega pomena. Leta 1938 so se pojavili preprosti, zelo učinkoviti benzenski analogi steroidnih estrogenov. Čeprav so mislili, da so njihove molekule po obliki podobne molekulam steroidov, v resnici med njimi ni veliko skupnega. Glede na analizo rentgenske difrakcije ima molekula dietilstilbestrola (12.31) trans konfiguracijo, popačeno zaradi steričnih ovir, ki jih ustvarjajo metilenski fragmenti dveh etilnih skupin. Zato oba benzenova obroča z etilenskim fragmentom tvorita diedrični kot 63°, zaradi česar je oblika molekule popolnoma drugačna od steroidne. Vendar je v teh molekulah razdalja med atomi kisika približno enaka: 1,21 nm pri dietilstilbestrolu in od 1,07 do 1,11 nm pri steroidnih estrogenih, vendar so vse te molekule preveč toge in zato ne morejo komunicirati z istim receptorjem, v pri čemer je razdalja med veznimi točkami fiksna. Znano je, da je za manifestacijo estrogene aktivnosti potrebna tvorba dveh vodikovih vezi receptorja z atomi kisika liganda, zato mora imeti receptor določeno prožnost. Oki, Urushibara (1952) je prvi ugotovil, da je učinek dietilstilbestrola povezan tudi z debelino njegove molekule, ki je 0,45 nm in je enaka debelini molekul steroidnih estrogenov.

Dietilstilbestrol 3,4-di(4-hidroksifenil)heks-3-en

(12.31), učinkovit in poceni nadomestek za glavni ženski hormon estradiol (12.32), se je pojavil leta 1938. To sintetično zdravilo, ki se od naravnega hormona razlikuje po visoki učinkovitosti pri peroralni uporabi in daljšem delovanju, je postalo glavno zdravilo v endokrini terapiji. Nekaj ​​nezaupanja do tega zdravila je nastalo zaradi dveh dejavnikov: prvič, neomejeno so ga uporabljali za povečanje teže domačih živali, in drugič, bili so primeri raka pri ženskah, katerih matere so ga jemale med nosečnostjo. Kljub temu se dietilstilbestrol še naprej pogosto uporablja in velja za varno zdravilo; ni predpisan samo v prvih treh mesecih nosečnosti (kar, mimogrede, enako velja za naravni hormon). Za uporabo njegovega fosfata za zdravljenje raka prostate glejte poglavje. 4.2. Podobne estrogenske lastnosti ima tudi dihidro derivat dietilstilbestrol-sinestrola (12.33a) (konfiguracija 3R, 4S). Veže se na protein, ki veže estrogen (oddelek 2.4), močneje kot sam dietilstilbestrol, njegov nižji homolog, norheksestrol, pa še močneje sodeluje s tem proteinom (12.33, b).

Srčni glikozidi so obravnavani v poglavju. 14.1. Za podrobno razpravo o kemiji in stereokemiji steroidov glejte Shoppee (1964), biokemija in farmakologija - Briggs, Christie (1977).

Geometrična izomerija 4-aminokrotonske kisline, ki je pomagala določiti aktivno konformacijo nevrotransmiterja gama-aminomaslene kisline, je obravnavana v oddelku. 12.7.