Izomeria związków organicznych

Rodzaje izomerii
Izomeria strukturalna

• izomeria łańcuchowa

• izomeria położenia

• izomeria z różnymi podstawnikami w cząsteczce

Stereoizomeria

• izomeria geometryczna

• izomeria optyczna

• enacjomery

• 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 wyrózniamy izomerię

• izomerię łańcuchową, gdzie atomy węgla mogą przyjmować różne ułóżenia 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

C₄H₁₀

Ze wzrostem liczby atomów węgla szybko wzrasta ilość izomerów.

C₅H₁₂

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	CH4	CH4	1	Heksan	C6H14	CH3(CH2)4CH3	5
Etan	C2H6	CH3CH3	1	Heptan	C7H16	CH3(CH2)5CH3	9
Propan	C3H8	CH3CH2CH3	1	Oktan	C8H18	CH3(CH2)6CH3	18
Butan	C4H10	CH3CH2CH2CH3	2	Nonan	C9H 20	CH3(CH2)7CH3	35
Pentan	C5H12	CH3(CH2 )3CH3	3	Dekan	C10H22	CH3(CH2)8CH3	75

Izomeria położenia

Izomeria położenia dotyczy położenia podstawnika lub wiązania wielokrotnego w cząsteczce.

Przykłady:

C₃H₇-Cl

1-chloropropan

CH₃-CH₂-CH₂-Cl

2-chloropropan

CH₃-CHCl-CH₃

C₅H₁₀

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 recemicznej

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 - CH₃, grupa etylowa - CH₂CH₃ i hydroksymetylowa -CH₂OH. Wodór otrzymuje numer 4, ponieważ Z = 1. Z reguły 2 wynika, że grupa -CH₂OH otrzymuje numer 1, zawiera bowiem tlen o Z = 8, grupa -CH₂CH₃ otrzymuje numer 2 (na drugiej pozycji znajduje się węgiel o Z = 6) a grupa -CH₃ 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 2ⁿ.
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.

---