Izomeria związków organicznych

Rodzaje izomerii

Izomeria strukturalna

izomeria łańcuchowa

izomeria położenia

izomeria z różnymi podstawnikami w cząsteczce

Stereoizomeria

izomeria geometryczna

izomeria optyczna

o

enacjomery

o

diastereoizomery

izomery konformacyjne

Rodzaje izomerii

Pierwsze możliwe przestrzenne rozmieszczenie atomów węgla w cząsteczce występuje gdy cząsteczka
zawiera 4 atomy węgla (C4H10). W takiej cząsteczce są możliwe dwa sposoby połączenia atomów węgla w
cząsteczce: w postaci łańcucha n-butanu i w postaci rozgałęzionej, czyli metylopropanu (izobutan).

Na przedstawionym modelu widzimy, że cząsteczki zawierają taką samą liczbę atomów tego samego
pierwiastka, lecz atomy te są połączone z sobą w inny sposób. Innym przykładem jest związek chemiczny o
wzorze sumarycznym - C5H12. Związek chemiczny o takim wzorze może posiadać trzy odmiany
strukturalne. Takie związki różniące się przestrzennym rozmieszczeniem atomów nazywa się izomerami.
Rodzaje izomerii występujące w związkach organicznych przedstawia poniższy schemat.

Wyróżnia się izomerię

strukturalną

steroeoizomeria (przestrzenna)

Izomeria strukturalna

Izomeria strukturalna

- polega na występowaniu związków izomerycznych, w których atomy tych samych

pierwiastków są ze sobą połączone w różnej kolejności
W odniesieniu do węglowodorów i ich pochodnych wyróżniamy izomerię

izomerię łańcuchową

, gdzie atomy węgla mogą przyjmować różne ułożenia w łańcuchu

izomerię położenia

, gdzie mamy do czynienia z różnym położeniem wiązań nienasyconych oraz

różnym położeniem podstawników w cząsteczce

izomerię z różnymi podstawnikami w cząsteczce

Izomeria łańcuchowa

W cząsteczkach węglowodorów począwszy od butanu atomy węgla mogą przyjmować różne ułożenia w
łąńcuchu

C

4

H

10

Ze wzrostem liczby atomów węgla szybko wzrasta ilość izomerów.

C

5

H

12

Dla cząsteczki posiadającej 10 atomów węgla izomerów jest 75, dla 20 atomów węgla - 366319, dla 30
atomów węgla - 411109 izomerów.

Nazwa

Wzór

sumaryczny

Wzór

półstrukturalny

Ilość

izomerów

Nazwa

Wzór

sumaryczny

Wzór

półstrukturalny

Ilość

izomerów

Metan

CH

4

CH

4

1

Heksan

C

6

H

14

CH

3

(CH

2

)

4

CH

3

5

Etan

C

2

H

6

CH

3

CH

3

1

Heptan

C

7

H

16

CH

3

(CH

2

)

5

CH

3

9

Propan

C

3

H

8

CH

3

CH

2

CH

3

1

Oktan

C

8

H

18

CH

3

(CH

2

)

6

CH

3

18

Butan

C

4

H

10

CH

3

CH

2

CH

2

CH

3

2

Nonan

C

9

H

20

CH

3

(CH

2

)

7

CH

3

35

Pentan

C

5

H

12

CH

3

(CH

2

)

3

CH

3

3

Dekan

C

10

H

22

CH

3

(CH

2

)

8

CH

3

75

Izomeria położenia

Izomeria położenia dotyczy położenia podstawnika lub wiązania wielokrotnego w cząsteczce.

Przykłady:

C

3

H

7

-Cl

1-chloropropan

CH

3

-CH

2

-CH

2

-Cl

2-chloropropan

CH

3

-CHCl-CH

3

C

5

H

10

Izomeria z różnymi podstawnikami w cząsteczce

Stereoizomeria

Stereoizomeria

- to szczególny rodzaj izomerii, gdzie atomy połączone są między sobą w identycznej

kolejności ale różnią się sposobem rozmieszczenia atomów w przestrzeni. Wyróżniamy tutaj następujące
rodzaje izomerii;

izomeria geometryczna

izomeria optyczna

Izomeria geometryczna

Ten typ izomerii występuje wówczas, gdy w układzie przestrzennym cząsteczki zaznacza się określona
płaszczyzna.
Jeżeli wyróżnione grupy cząsteczki leżą po tej samej stronie płaszczyzny mamy do czynienia z izomerem
cis a jeżeli po przeciwnych stronach z izomerem trans.

Konfigurację izomerów geometrycznych rozróżnia się za pomocą nazw, które zawierają przedrostek cis- lub
-trans, co wskazuje na usytuowanie grup po tej samej lub po przeciwnej stronie cząsteczki. Patrz rysunek

Izomeria optyczna

Jest to rodzaj stereoizomerii występującej w cząsteczkach chiralnych, które zawierają atom węgla, do
którego przyłączone są cztery różne grupy. Taki atom nosi nazwę centrum chiralności.
A to oznacza, że dla każdej cząsteczki posiadającej centrum chiralności możemy znalezć drugą cząsteczkę
będącą jej lustrzanym odbiciem

Izomeria optyczna wiąże się ze zdolnością skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego. Substancje
takie nazywa się optycznie czynnymi; skręcające płaszczyznę światła spolaryzowanego w prawo - nazywa
się prawoskrętnymi /+/, a skręcajace w lewo -lewoskrętnymi /-/.

Związki skręcające płaszczyznę światła w prawo zaznacza się za pomocą symbolu (+) przed nazwą
związku, skręcające w lewwo symbolem (-). Na przykład - (+) - glukoza, (-) - fruktoza

Izomery bedące wzajemnymi odbiciami lustrzanymi noszą nazwę enacjomerów

Przykład - kwas mlekowy

Właściwości enancjomerów
1. Enancjomery mają identyczne właściwości fizyczne z wyjątkiem kierunku skręcania płaszczyzny
polaryzacji światła
2. Enancjomery wykazują identyczne właściwości chemiczne; wyjątkiem jest ich zachowanie się w
stosunku do optycznie czynnych reagentów. Oznacza to, że jeżeli reagent jest optycznie czynny, jego
wpływ na oba enancjomery nie jest identyczny podczas ataku i dlatego szybkość reakcji jest różna - w
niektórych przypadkach tak dalece różna, że reakcja z jednym izomerem w ogóle nie zachodzi.

Równocząsteczkowa mieszanina enacjomerów nie wykazuje optycznej czynności i nosi nazwę mieszaniny
racemicznej

Odmiana racemiczna jest optycznie nieczynna. Jest wynikiem równoważenia skręcalności cząsteczki
jednego izomeru przez skręcalność cząsteczki drugiego izomeru.
W celu zaznaczenia racemicznego charakteru określonej próbki stosuje się znak (+/-), jak na przykład
kwas (+/-)-mlekowy.

Konfiguracja D- i L-
Często dla względnego charakteryzowania cząstek chiralnych wprowadzono pojęcie konfiguracji D- i L-, co
uwidocznione jest w nazwach związków. Na przykład - aldehyd D-glicerynowy, aldehyd L-glicerynowy

Punktem odniesienia dla konfiguracji D- i L- jest budowa cząsteczki aldehydu glicerynowego a konkretnie
położenie podstawników H- oraz HO- przy środkowym węglu.

D-aldehyd glicerynowy

L-aldehyd glicerynowy

Najczęściej konfigurację D- i L- spotykamy w grupie cukrów. Jeżeli cząsteczki cukrów prostych swoją
budową nawiązuje do D-aldehydu glicerynowego, zaliczane są do szeregu D, natomiast te, których budowa
nawiązuje

do

L-aldehydu

glicerynowego,

zaliczane

są

do

szeregu

L.

Uporządkowanie na szeregi D i L następuje według konfiguracji podstawników, przy czym bierzemy pod
uwagę to centrum chiralności, które jest najbardziej oddalone od grupy karbonylowej.

L-Glukoza

D-glukoza

Przykłady konfiguracji D- i L-.

W prezentowanych przykładach w nazwie zaznaczono skręcalność optyczną i konfiguracją D- i L-
.Uzyskano tym sposobem pełniejszą nazwę optycznie czynnego związku chemicznego. Na przykład -
D(+) - aldehyd glicerynowy, L(-) - aldehyd glicerynowy.

Często zachodzi potrzeba opisania konfiguracji w sposób prostszy i wygodniejszy, niż rysowanie jej za
każdym razem. Najbardziej użyteczny sposób, obecnie zalecany, polega na stosowaniu symboli

R i S

.

Konfiguracja R (łac. rectus -prawy) i S (łac. sinister - lewy)

W celu odczytania konfiguracji na podstawie modelu lub wzoru, podstawnikom przy asymetrycznym
atomie trzeba najpierw przypisać numery od 1 do 4 według tzw. reguł pierwszeństwa.

Reguły pierwszeństwa podstawników
Reguła 1. Jeżeli wszystkie cztery atomy połączone z centrum chiralności są różne, to pierwszeństwo grup
zależy od liczb atomowych, przy czym priorytet ma atom o wiekszej liczbie atomowej. Jeżeli dwa atomy
są izotopami tego samego pierwiastka, to pierwszeństwo ma atom o większej liczbie masowej.
Reguła 2 Jeżeli nie można na podstawie reguły 1 ustalić wzglednego pierwszeństwa dwóch grup, to
należy przeprowadzic podobne porównanie następnych atomów w tych grupach.

Następnie spoglądamy na cząsteczkę w taki sposób, aby grupa o najniższym pierwszeństwie (4) była jak
najdalej od nas oddalona. Trzeba pamiętać, żeby asymetryczny atom węgla znajdował się bliżej obserwatora
niż podstawnik 4. Przy takim ustawieniu podstawniki 1, 2, 3 zwrócone są w stronę patrzącego i można
wyobrazić sobie, że układają się na okręgu. Jeżeli kolejność 1, 2, 3 jest zgodna z kierunkiem ruchu
wskazówek zegara, to taką konfigurację oznaczamy symbolem R a odwrotnej konfiguracji przypisujemy
symbol S. Na przykład dla bromochlorojodometanu konfiguracje przedstawiają się następująco.

Dlaczego tak wygląda pierwszeństwo podstawników?

Ponieważ liczby atomowe Z podstawników

odpowiednio wynoszą I - 53, Br - 35, Cl - 17, H - 1. Prostym przykładem związku, który wymaga
stosowania reguły 2, jest optycznie czynny alkohol amylowy. Q związku tym przy asymetrycznym atomie
znajduje się atom wodoru, grupa metylowa - CH

3

, grupa etylowa - CH

2

CH

3

i hydroksymetylowa -CH

2

OH.

Wodór otrzymuje numer 4, ponieważ Z = 1. Z reguły 2 wynika, że grupa -CH

2

OH otrzymuje numer 1,

zawiera bowiem tlen o Z = 8, grupa -CH

2

CH

3

otrzymuje numer 2 (na drugiej pozycji znajduje się węgiel o Z

= 6) a grupa -CH

3

numer 4.

Diastereoizomery
Istnieje grupa związków chemicznych, która zawiera więcej jak jedno centrum chiralności. W tej grupie
związków chemicznych obok już wcześniej zdefiniowanych enacjomerów spotykamy się z izomerami nie
będące wzajemnymi lustrzanymi odbiciami. Noszą one nazwę diastereoizomerów.

W przedstawionym przykładzie struktury I i II oraz III i IV są enancjomerami, natomiast struktura III jest
diastereoizomerem zarówno związku I, jak i związku II oraz struktura IV jest diastereoizomerem związków
I i II.

Rozpatrując poniższy przykład (2,3-dichlorobutan), widzimy, że cząsteczka zawiera dwa centra chiralności.
Struktury I i II są enacjomerami (nie można na siebie nałożyć), natomiast struktury III i IV mimo że
posiadają centra chralności możemy na siebie nałożyć (wystarczy strukturę III obrócić o 180

o

, a pokryje się

ona całkowicie ze strukturą IV).

W przykładzie mamy tylko trzy struktury stereoizomeryczne, tj. I, II i III.

Związki chemiczne

, którego cząsteczki dają się nałożyć na swoje odbicia lustrzane, mimo iż zawierają centra

chiralności noszą nazwę

mezo

.

W zależności od ilości asymetrycznych atomów węgla (n), ilość izomerów optycznie czynnych
(enancjomerów) obliczamy ze wzoru 2

n

.

Przykładowo czasteczki o dwóch asymetrycznych atomach węgla dają cztery izomery optycznie czynne.

Izomery konformacyjne

Izomery konformacyjne

to stereoizomery różniące się między sobą rozmieszczeniem atomów w przestrzeni.

Różne

konformacje

powstają przez obrót poszczególnych części cząsteczki wokół wiązań pojedyńczych i

geometrycznie nie przystają do siebie (patrz przykład)

Konformacje różnią się tylko stanem energetycznym gdzie najkorzystniejszą jest konformacja najuboższa
energetycznie.
Konformacja ma znaczenie dla cząsteczek alkanów oraz ich pochodnych.