Chemija · Pamoka

Struktūriniai izomerai ir stereoizomerai

Klasifikuokite struktūrų porą nuoseklia tvarka: pirmiausia pagal sudėtį, tada pagal atomų jungimosi tvarką ir galiausiai pagal nurodytą erdvinį išsidėstymą. Išvardykite kelių mažų molekulių formulių izomerus, nelaikydami pasuktų brėžinių ar konformacijų naujais struktūriniais izomerais.

Grįžti į chemijos planą

Baigę pamoką, galėsite

Atskirti struktūrinius izomerus, konfigūracinius stereoizomerus ir konformacijas.
Taikyti paprastą E/Z sąlygą pagal dvi grupes prie kiekvieno alkeno dvigubojo ryšio anglies atomo.
Patikrinti ribotos apimties mažų molekulių formulių izomerų skaičiavimus, atsižvelgiant į lygiaverčių atomų peržymėjimą.
Skaičiuojant izomerus neįtraukti protonavimo ir rezonanso.

Prieš lygindami brėžinius, palyginkite sudėtį

Pradėkite nuo molekulinės formulės ir krūvio. Jei jie skiriasi, pateikti junginiai nėra tos pačios molekulinės formulės izomerai: CH₃NH₂ ir CH₃NH₃⁺ iliustruoja protonavimo pokytį. Toliau palyginkite atomų jungimosi tvarką ir ryšių kartotinumą, leisdami peržymėti lygiaverčius atomus. Skirtingi to paties grafo brėžiniai savaime nereiškia skirtingų struktūrinių izomerų.

Jei formulė sutampa, o sandara skiriasi, porą sudaro struktūriniai izomerai. Vienas pavyzdys – etanolis ir dimetileteris, kitas – propanalis ir propanonas. Jei sandara sutampa, palyginkite nurodytą erdvinį išsidėstymą. Enantiomerai yra nesutapdinami vienas kito veidrodiniai atvaizdai; kiti skirtingi stereoizomerai yra diastereomerai. Konformacija, susidariusi sukantis apie pasirinktą viengubąjį ryšį, išlaiko tą pačią sandarą. Šioms kategorijoms nustatyti reikia pakankamai informacijos: plokščias brėžinys be atitinkamų žymėjimų neleidžia nustatyti nenurodytos konfigūracijos.

E/Z palyginimui reikia dviejų skirtingų grupių kiekviename gale

Kad pasirinktas paprastas alkenas turėtų E/Z konfigūracijas, prie kiekvieno dvigubojo ryšio anglies atomo turi būti prijungtos dvi atskiriamos grupės. Pagal Cahn–Ingold–Prelog taisykles palyginkite didesnio prioriteto grupes abiejuose dvigubojo ryšio galuose. Z konfigūracijoje šios didesnio prioriteto grupės yra toje pačioje dvigubojo ryšio pusėje, o E konfigūracijoje – priešingose pusėse.

But-2-enas kiekviename dvigubojo ryšio gale turi metilo grupę ir vandenilio atomą, todėl turi E ir Z formas. But-1-enas prie galinio dvigubojo ryšio anglies atomo turi du vandenilio atomus ir E/Z poros neturi. Pasukus puslapį, konfigūracija išlieka. E/Z poros formoms virsti viena kita reikia proceso, kuris pakeistų dvigubojo ryšio konfigūraciją; tai nėra įprastas laisvas sukimasis apie pavaizduotą C=C ryšį. Šį procesą lemia mechanizmas, apšvita, temperatūra ir kitos sąlygos.

Nurodykite, kas įtraukiama į skaičiavimą

Toliau skaičiuodami nagrinėkite įprastas neutralias jungias uždaro elektroninio sluoksnio struktūras, atitinkančias nurodytas elementinės sudėties formules, be izotopinių pakeitimų. Lygiaverčius atomų peržymėjimus skaičiuokite tik vieną kartą, o įprastų žiedo ar viengubojo ryšio konformerų nelaikykite skirtingomis sandaromis. C₄H₁₀ turi dvi sandaras: butano ir 2-metilpropano.

Laikantis šių ribų, C₄H₈ turi penkis sandaros izomerus: but-1-eną, but-2-eną, 2-metilpropeną, ciklobutaną ir metilciklopropaną. Jo DBE=1 leidžia vieną žiedą arba vieną dvigubąjį ryšį. Tik but-2-eno sandara turi E/Z izomerų porą, todėl šiame sąraše yra šešios apibrėžtos konfigūracijos cheminės rūšys.

Atskirkite sandaros variantų skaičių nuo nurodytų konfigūracijų

Formulė	Sandaros izomerų klasės	Cheminės rūšys, nurodžius konfigūracijas	Kas lemia porinio izomero atsiradimą?
C₄H₁₀	2	2	Nė vienai sandarai nebūdinga pasirinkta konfigūracinių izomerų pora
C₄H₈	5	6	But-2-enas turi E ir Z formas
C₄H₁₀O	7	8	Butan-2-olis turi R ir S formas

Tikslūs skaičiai apibrėžtose ribose, taikomi įprastoms neutralių, junglių, uždaro elektroninio sluoksnio molekulių formulėms, neįtraukiant izotopinio pakeitimo ir įprastų konformerų skaičiavimo. Skirtingi brėžiniai, susiję lygiaverčių atomų peržymėjimu, skaičiuojami vieną kartą. Konfigūracijų stulpelyje įtrauktos but-2-eno E/Z ir butan-2-olio R/S konfigūracijos; tai nėra universalus visų organinių junginių izomerų išvardijimo metodas.

Formulė gali atitikti ir alkoholius, ir eterius

Įprastoms neutralioms C₄H₁₀O struktūroms DBE=0. Septynios jo sandaros atitinka keturis alkoholius — butan-1-olį, butan-2-olį, 2-metilpropan-1-olį ir 2-metilpropan-2-olį — ir tris eterius: 1-metoksipropaną, 2-metoksipropaną ir etoksietaną. Butan-2-olis turi du enantiomerus, todėl, nurodžius konfigūracijas, šios sandaros atitinka aštuonias chemines rūšis.

Šis skaičius nereiškia, kad visos keturis anglies atomus ir deguonį turinčios struktūros tam tikroje aplinkoje yra vienodai stabilios, prieinamos ar naudingos. Tai grafų ir konfigūracijų skaičiavimas pagal nurodytas prielaidas, o ne sintezės katalogas. Rezonansinės struktūros aprašo vieną elektroninį darinį ir izomerų skaičiaus nedidina. Protonų pernaša keičia sudėtį arba branduolių padėtį ir turi būti klasifikuojama pagal jai būdingus kriterijus, o ne įtraukiama į rezonansinių struktūrų ar konformerų skaičių.

Išnagrinėti pavyzdžiai

Atmeskite lygiaverčius anglies atomų peržymėjimus

Kodėl tiesiosios ir šakotosios grandinės C₄H₁₀ sudaro dvi sandaros klases?

DBE=0; pagal šias sąlygas keturių anglies atomų angliavandenilio skeletas yra jungus, aciklinis ir turi tik viengubuosius ryšius.
Viename grafe anglies atomų laipsniai yra 1,2,2,1: tai butano kelias.
Kitame grafe laipsniai yra 3,1,1,1: tai šakota 2-metilpropano struktūra.
Pernumeravus, pasukus ar sulenkus bet kurį iš šių grafų, kita sandara nesusidaro.

Dvi sandaros izomerų klasės, o ne atskira klasė kiekvienai galimai piešinio orientacijai.

Išskleiskite tik sandarą, turinčią E/Z porą

Pradėdami nuo penkių išvardytų C₄H₈ sandarų, suskaičiuokite jų nurodytas konfigūracijas.

But-1-enas viename dvigubojo ryšio gale turi du vienodus H atomus; 2-metilpropenas taip pat neatitinka dviejų skirtingų grupių sąlygos.
But-2-enas turi E ir Z formas.
Šiame nepakeistų ir vieną pakaitą turinčių junginių sąraše ciklobutanas ir metilciklopropanas turi po vieną konfigūracinę atmainą.
Iš viso yra 1+2+1+1+1=6.

Pagal nurodytas nagrinėjimo ribas – penkios sandaros izomerų klasės ir šešios konfigūracinės atmainos.

Atskirkite rezonansinių struktūrų porą nuo izomerų poros

Suklasifikuokite etanolį / dimetileterį, acetato rezonansines struktūras A/B ir butano anti/gauche formas.

Etanolis / dimetileteris: ta pati formulė, skirtingas O atomo jungimasis su kitais atomais.
Acetato A/B: tie patys pažymėti branduoliai ir bendras elektronų skaičius, skirtingos elektronų apskaitą atspindinčios rezonansinės struktūros.
Butano anti ir gauche konformacijos: ta pati atomų jungimosi tvarka, skirtingos konformacijos apie viengubąjį ryšį.

Atitinkamai: konstituciniai izomerai; vieno jono rezonansinės struktūros; tos pačios sandaros konformacijos.

Pabandykite patys

Ar CH₂=CHCH₂CH₃ turi E/Z izomerų porą ties šiuo dvigubuoju ryšiu?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Ne.
CH₂ anglies atomas turi du vienodus vandenilio atomus.
Kiek iš nurodytų C₄H₁₀O konstitucinių izomerų klasių yra eteriai?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Trys.
Tai 1-metoksipropanas, 2-metoksipropanas ir etoksietanas.
Koks ryšys tarp E-but-2-eno ir Z-but-2-eno?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Jie yra konfigūraciniai diastereomerai.
Jų sandara vienoda, tačiau dvigubojo ryšio konfigūracijos skiriasi ir nėra viena kitos veidrodiniai atvaizdai.
Ar žiūrint į tą pačią tam tikros konfigūracijos molekulę iš priešingos lapo pusės susidaro naujas izomeras?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Ne.
Pakeitus žiūrėjimo kampą, molekulės tapatybė išlieka; brėžinyje turi būti nuosekliai laikomasi jo žymėjimo taisyklių.

Ką verta įsidėmėti

Palyginkite formulę ir krūvį, tada atomų jungimosi tvarką, tada konfigūraciją.
Lygiaverčiai atomų žymėjimai ir lapo orientacijos nesukuria papildomų izomerų.
Patikrinkite E/Z sąlygą abiejuose dvigubojo ryšio galuose.
Kiekvienam izomerų išvardijimui būtina nurodyti cheminę ir skaičiavimo aprėptį.

Šaltiniai

Mokomoji medžiaga ir žinynai, kuriais remiasi pamokos paaiškinimai ir pavyzdžiai.