Strukturní izomer - Structural isomer

V chemii , je strukturální izomer (nebo konstituční izomer v IUPAC nomenklatury) ze sloučeniny je další sloučenina, jejíž molekula má stejný počet atomů každého prvku, ale logicky odlišných vazeb mezi nimi. Termín metamer byl dříve používán pro stejný koncept.

Například butanol H
3
C
- (CH
2
)
3
–OH, methylpropylether H
3
C
- (CH
2
)
2
–O– CH
3
a diethylether ( H
3
C
- CH
2
-) 2 O mají stejný molekulární vzorec C
4
H
10
O,
ale jsou to tři odlišné strukturní izomery.

Koncept platí také pro polyatomové ionty se stejným celkovým nábojem. Klasickým příkladem je kyanátový iont O = C = N - a fulminátový iont C - ≡N + O - . Rovněž se vztahuje na iontové sloučeniny, takže (například) amoniumkyanát [ NH
4
] + [O = C = N] - a močovina ( H
2
N
-) 2 C = O jsou považovány za strukturní izomery, stejně jako methylamoniumformiát [ H
3
C
- NH
3
] + [ HCO
2
] - a octan amonný [ NH
4
] + [ H.
3
C
- CO
2
] - .

Strukturální izomerismus je nejradikálnějším typem izomerismu . Je to na rozdíl od stereoizomerismu , ve kterém jsou atomy a vazebné schéma stejné, ale odlišné je pouze relativní prostorové uspořádání atomů. Příkladem posledně jmenovaných jsou enantiomery , jejichž molekuly jsou vzájemně zrcadlovými obrazy, a cis a trans verze 2-butenu .

Mezi strukturními izomery lze rozlišit několik tříd, včetně skeletálních izomerů , pozičních izomerů (nebo regioizomerů ), funkčních izomerů , tautomerů a strukturních topoizomerů .

Kosterní izomerismus

Kosterní izomer sloučeniny je strukturální izomer, který se liší od toho v atomů a vazeb, které jsou považovány za zahrnují „kostra“ molekuly. U organických sloučenin , jako jsou alkany , to obvykle znamená atomy uhlíku a vazby mezi nimi.

Například existují tři kosterní izomery pentanu : n- pentan (často nazývaný jednoduše „pentan“), isopentan (2-methylbutan) a neopentan (dimethylpropan).

Kosterní izomery pentanu
Pentane-2D-Skeletal.svg 2-methylbutan-2D-skeletal.svg Neopentane-2D-skeletal.png
n - Pentan Isopentan Neopentan

Pokud je kostra acyklická , jako ve výše uvedeném příkladu, lze použít výraz izomerismus řetězce .

Poziční izomerismus (regioizomerismus)

Poziční izomery (také poziční izomery nebo regioizomery ) jsou strukturní izomery, které lze považovat za odlišné pouze v poloze funkční skupiny , substituentu nebo nějakého jiného znaku na „mateřské“ struktuře.

Například nahrazení jednoho z 12 atomů vodíku –H hydroxylovou skupinou –OH na mateřské molekule n- pentanu může poskytnout kterýkoli ze tří různých polohových izomerů:

Pentan-1-ol-pos.png Pentan-2-ol-pos.png Pentan-3-ol-pos.png
Pentan-1-ol Pentan-2-ol Pentan-3-ol

Funkční izomerismus

Funkční izomery jsou strukturní izomery, které mají různé funkční skupiny , což vede k výrazně odlišným chemickým a fyzikálním vlastnostem.

Příkladem je dvojice propanal H 3 C-CH 2 -C (= O) -H a aceton H 3 C-C (= O) -CH 3 : první je -C (= O) H funkční skupinou, která z něj dělá aldehyd , zatímco druhý má skupinu C – C (= O) –C, což z něj dělá keton .

Dalším příkladem je dvojice ethanol H 3 C-CH 2 -OH (AN alkohol ) a dimethylether H 3 C-O-CH 2 H (AN ether ). Naproti tomu 1-propanol a 2-propanol jsou strukturní izomery, ale ne funkční izomery, protože mají stejnou významnou funkční skupinu ( hydroxyl – OH) a jsou oba alkoholy.

Kromě odlišné chemie mají funkční izomery obvykle velmi různá infračervená spektra . Infračervené spektrum je do značné míry určeno vibračními režimy molekuly a funkční skupiny jako hydroxyl a estery mají velmi odlišné vibrační režimy. Tedy 1-propanol a 2-propanol mají relativně podobná infračervená spektra kvůli hydroxylové skupině, která se značně liší od spektra methyletheru.

Strukturní izotopomery

V chemii člověk obvykle ignoruje rozdíly mezi izotopy stejného prvku. V některých situacích (například v Ramanově , NMR nebo mikrovlnné spektroskopii ) však lze zacházet s různými izotopy stejného prvku jako s různými prvky. Ve druhém případě se říká, že dvě molekuly se stejným počtem atomů každého izotopu, ale odlišná schémata vazeb, jsou strukturní izotopomery .

Například eten by podle první interpretace neměl žádné strukturní izomery; ale nahrazením dvou atomů vodíku ( 1 H) atomy deuteria ( 2 H) může vzniknout kterýkoli ze dvou strukturních izotopomerů (1,1-dideuteroethen a 1,2-dideuteroethen), pokud jsou oba atomy uhlíku stejný izotop. Pokud, kromě toho dva atomy uhlíku jsou různé izotopy (řekněme 12 ° C a 13 ° C), by měly být tři odlišné strukturální isotopomers, protože 1- 13 C-1,1-dideuteroethene bude lišit od 1- 13 C-2 , 2-dideuteroethen.) A v obou případech by se 1,2-dideutero strukturní izotopomer vyskytoval jako dva stereoizotopoomery, cis a trans .

Strukturální ekvivalence a symetrie

Strukturální ekvivalence

Jeden říká, že dvě molekuly (včetně polyatomových iontů) A a B mají stejnou strukturu, pokud každý atom A může být spárován s atomem B stejného prvku, způsobem jedna ku jedné, takže pro každou vazbu v A existuje vazba v B, stejného typu, mezi odpovídajícími atomy; a naopak. Tento požadavek platí také pro komplexní vazby, které zahrnují tři nebo více atomů, jako je delokalizovaná vazba v molekule benzenu a další aromatické sloučeniny.

V závislosti na kontextu lze požadovat, aby každý atom byl spárován s atomem stejného izotopu, nejen se stejným prvkem.

O dvou molekulách lze potom říci, že jsou strukturální izomery (nebo, mají-li izotopy význam, strukturní izotopomery), pokud mají stejný molekulární vzorec, ale nemají stejnou strukturu.

Strukturální symetrie a ekvivalentní atomy

Strukturální symetrie molekuly může být definována matematicky jako permutace atomů, které si vyměňují alespoň dva atomy, ale nemění strukturu molekuly. O dvou atomech lze potom říci, že jsou strukturně ekvivalentní, pokud existuje strukturní symetrie, která vede jeden k druhému.

Například všechny čtyři atomy vodíku methanu jsou strukturně ekvivalentní, protože jejich permutace zachová všechny vazby molekuly.

Podobně všech šest vodíků etanu ( C
2
H
6
) jsou navzájem strukturně ekvivalentní, stejně jako oba uhlíky; protože jakýkoli vodík může být přepnut na jakýkoli jiný, a to buď permutací, která zamění jen tyto dva atomy, nebo permutací, která zamění dva uhlíky a každý vodík v jedné methylové skupině s jiným vodíkem na druhé methylové. Každá operace zachovává strukturu molekuly. To platí také pro atomy vodíku, cyklopentan , allen , 2-butin , hexamethylentetramin , prisman , kuban , dodekahedran atd.

Na druhou stranu atomy vodíku v propanu nejsou všechny strukturně ekvivalentní. Šest vodíků připojených k prvnímu a třetímu uhlíku je ekvivalentních jako v etanu a dva připojené k prostřednímu uhlíku jsou navzájem rovnocenné; ale mezi těmito dvěma třídami ekvivalence neexistuje rovnocennost .

Symetrie a poziční izomerismus

Strukturní ekvivalence mezi atomy mateřské molekuly snižují počet pozičních izomerů, které lze získat nahrazením těchto atomů za jiný prvek nebo skupinu. Tak například strukturální ekvivalence mezi šesti vodíky etanu C
2
H
6
znamená, že existuje pouze jeden strukturní izomer ethanolu CH
5
OH
, ne 6. Osm vodíků propanu C
3
H
8
jsou rozděleny do dvou tříd strukturní ekvivalence (šest na methylových skupinách a dvě na středním uhlíku); proto existují pouze dva polohové izomery propanolu ( 1-propanol a 2-propanol ). Podobně existují pouze dva poziční izomery butanolu a tři pentanolu nebo hexanolu .

Symetrie narušení substitucemi

Jakmile je substituce provedena na mateřské molekule, její strukturální symetrie je obvykle snížena, což znamená, že atomy, které byly dříve ekvivalentní, již nemusí být. Substituce dvou nebo více ekvivalentních atomů stejným prvkem tedy může generovat více než jeden poziční izomer.

Klasickým příkladem jsou deriváty benzenu . Jeho šest vodíků je strukturně ekvivalentních, stejně jako šest uhlíků; protože struktura se nemění, pokud jsou atomy permutovány způsoby, které odpovídají převrácení molekuly nebo jejímu otočení o násobky 60 stupňů. Nahrazením vodíku chlorem se získá pouze jeden chlorbenzen . S touto náhradou však již nejsou platné atomové permutace, které tento vodík pohnuly. Zůstává pouze jedna permutace, což odpovídá převrácení molekuly při zachování fixovaného chloru. Těchto pět zbývajících vodíků pak spadá do tří různých tříd ekvivalence: ta, která je naproti chloru, je třída sama o sobě (nazývá se para poloha), dva nejblíže chloru tvoří další třídu ( ortho ) a zbývající dva jsou třetí třída ( meta ). Proto druhá substituce vodíku chlorem může přinést tři polohové izomery: 1,2- nebo ortho - , 1,3- nebo meta - a 1,4- nebo para -dichlorobenzene .

O-Dichlorbenzen-3D-balls.png M-Dichlorobenzene-3D-balls.png P-Dichlorobenzene-3D-balls.png
ortho- dichlorbenzen meta- dichlorbenzen para- dichlorbenzen
1,2-dichlorbenzen 1,3-dichlorbenzen 1,4-dichlorbenzen

Ze stejného důvodu existuje pouze jeden fenol (hydroxybenzen), ale tři benzendioly ; a jeden toluen (methylbenzen), ale tři toluoly a tři xyleny .

Na druhou stranu může druhá náhrada (stejným substituentem) zachovat nebo dokonce zvýšit symetrii molekuly, a tak může zachovat nebo snížit počet tříd ekvivalence pro další náhradu. Čtyři zbývající vodíky v meta -dichlorbenzenu tedy stále spadají do tří tříd, zatímco ty ortho - spadají do dvou a ty para - jsou opět všechny rovnocenné. Přesto některé z těchto 3 + 2 + 1 = 6 substitucí nakonec poskytnou stejnou strukturu, takže existují pouze tři strukturně odlišné trichlorbenzeny : 1,2,3- , 1,2,4- a 1,3,5- .

1,2,3-trichlorbenzen.svg 1,2,4-trichlorbenzen.svg 1,3,5-Trichlorbenzen.svg
1,2,3-trichlorbenzen 1,2,4-trichlorbenzen 1,3,5-trichlorbenzen

Pokud jsou substituenty v každém kroku odlišné, bude obvykle více strukturních izomerů. Xylenol , což je benzen s jedním hydroxylovým substituentem a dvěma methylovými substituenty, má celkem 6 izomerů:

2,3-xylenol.svg 2,4-xylenol.svg 2,5-dimethylfenol.png
2,3-xylenol 2,4-xylenol 2,5-xylenol
2,6-dimethylfenol.png 3,4-xylenol.svg 3,5-xylenol.svg
2,6-xylenol 3,4-xylenol 3,5-xylenol

Výčet a počítání izomerů

Výčet nebo počítání strukturních izomerů obecně je obtížným problémem, protože je třeba vzít v úvahu několik typů vazeb (včetně delokalizovaných), cyklické struktury a struktury, které nelze z důvodu valenčních nebo geometrických omezení realizovat, a neoddělitelné tautomery.

Například, existuje devět strukturní izomery s molekulovým vzorcem C 3 H 6 O , které mají různé connectivities obligací. Sedm z nich je stabilních na vzduchu při pokojové teplotě a jsou uvedeny v následující tabulce.

Chemická sloučenina Molekulární struktura
Bod tání
(° C)
Varu
tání
(° C)
Komentář
Allylalkohol Allylalkohol.png –129 97
Cyklopropanol Cyklopropanol.svg 101–102
Propionaldehyd Propanal-skeletal.png –81 48 Tautomerní s prop-1-en-1-olem, který má jak cis, tak trans stereoizomerní formy
Aceton Aceton-2D-skeletal.svg –94,9 56,53 Tautomerní s propen-2-olem
Oxetan Oxetane.png –97 48
Propylenoxid Propylenoxid.png –112 34 Má dvě enantiomerní formy
Methylvinylether Methylvinylether.png –122 6

Dva strukturní izomery jsou enol tautomery karbonylových izomerů (propionaldehyd a aceton), ale nejsou stabilní.

Viz také

Reference

  1. ^ „Ústavní izomerismus“ . Zlatá kniha IUPAC . IUPAC . Citováno 19. července 2018 .
  2. ^ Frederick A. Bettelheim, William H. Brown, Mary K. Campbell, Shawn O. Farrell (2009): Úvod do organické a biochemie . 752 stránek. ISBN   9780495391166
  3. ^ a b Peter P. Mumba (2018): Užitečné principy chemie pro studenty zemědělství a ošetřovatelství , 2. vydání. 281 stránek. ISBN   9781618965288
  4. ^ a b William F. Bynum, E. Janet Browne, Roy Porter (2014): Slovník dějin vědy . 530 stran. ISBN   9781400853410
  5. ^ Jim Clark (2000). „Strukturální izomerismus“ v Chemguide , nl
  6. ^ Poppe, Laszlo; Nagy, Jozsef; Hornyanszky, Gabor; Boros, Zoltan; Mihaly, Nogradi (2016). Stereochemie a stereoselektivní syntéza: Úvod . Weinheim, Německo: Wiley-VCH. 26–27. ISBN   978-3-527-33901-3 .
  7. ^ D. Brynn Hibbert, AM James (1987): Macmillan Dictionary of Chemistry . 532 stránek. ISBN   9781349188178
  8. ^ Zdeněk Slanina (1986): Současná teorie chemického izomerismu . 254 stránek. ISBN   9789027717078
  9. ^ H. Stephen Stoker (2015): Obecná, organická a biologická chemie , 7. vydání. 1232 stránek. ISBN   9781305686182
  10. ^ Barry G. Hinwood (1997): Učebnice vědy pro zdravotnické profese . 489 stránek. ISBN   9780748733774
  11. ^ Jean-Loup Faulon, Andreas Bender (2010): Handbook of Chemoinformatics Algorithms . 454 stránek. ISBN   9781420082999
  12. ^ CRC Handbook of Chemistry and Physics 65th Ed.