Какво е геометричен изомер?

Геометричните изомери са цис-транс изомеризъм или EZ изомеризъм. Техните действия се основават на ограничена ротация на двойни или единични въглеродни връзки в циклични съединения.В циклична връзка, въртенето между въглеродната единична връзка е ограничено и две различни групи са прикрепени към всеки въглероден изомеризъм по подобен начин. Такива геометрични изомери често се различават по своите физични свойства. Това се дължи на формата на изомерите и на общия диполен момент. Ако двата атома с най-висок приоритет остават от една и съща страна на изомера, те се обозначават като Z, а ако са в противоположната страна, E.

Кратка история на изомеризма

Концепцията за конституционната изомеризъм е значителна стъпка напред в историята на съвременната химия и особено в развитието на органичната химия. До края на 1700-те години, няколко чисти вещества са били изолирани чрез изучаване на „животинска“ и „растителна“ химия. Много от тях са получени от Карл Вилхелм Шеле (1742-1786). Поради голямото разнообразие на органични съединения, всяко ново вещество представляваше различен елементен състав, който съответстваше на обобщено наблюдение на "минералната" химия. Броят на изолираните органични съединения се увеличава в началото на 18-ти век чрез идентифициране на различни вещества.

В книгата си по история на химията Томас Томсън пише през 1830 г., че:

Берцелиус прилага теорията на атома и към растителното царство, след като анализира няколко растителни киселини и показва своята атомна конституция, но тук възниква трудност, която не можем да преодолеем в сегашното състояние на нашите познания. Има две киселини, които се състоят от точно същите атоми. Сега, как трябва да обясним тази поразителна разлика в имотите? Безспорно, по различни начини, в които атомите се намират във всяка от тях.

Томсън използва различни схеми за атомни символи, използвани по това време, за да обясни защо две киселини със същия елементен състав, свързани с геометрични изомери, имат различни физични и химични свойства.

До началото на XIX век се смяташе, че тези химикали, намиращи се в живите организми, имат специална жизнена сила, свързана с живите същества, и че те са необходими в живите системи за размножаване. През 1828 г. Wohler синтезира проба от урея (NH2) 2CO (също CH4N2O), която не се различава от уреята, изолирана от биологичната урина.

Той е приготвил това „животинско“ вещество от ясно неорганичен (минералогичен) изходен материал от амониев цианат, (NH4) NCO (също CH4N2O), който е резултат от комбинирането на амониев хлорид и сребърен цианат. Така бариерата между „жива” и „неодушевена” изомерия се срина.

Определяне на изомери

В цис-изомера, две такива групи остават на една и съща страна на двойната връзка, докато в транс-изомера те остават в обратна посока. Например, 2-бутен има два цис и транс изомера.

В цис-изомера, две метилови групи и две водородни групи остават в една и съща страна на двойната връзка, докато в транс-изомера те остават в обратна посока.

Когато една или повече от групите, свързани с двойна връзка, не са еднакви, изомерите се наричат ​​Е или Z. За да уведоми този тип, потребителят трябва да определи формулите на въглеводороди, които имат геометрични изомери и определят атома с най-висок приоритет (най-висок атомен номер) прикрепени към всяка двойна връзка В. Ако двата атома с най-висок приоритет остават от една и съща страна на изомера, който е означен като Z, и ако те са в противоположната страна, са означени като Е.

Например, 1-бромо-1-флуоропропанът има два изомера. В Z-1-бром-1-флуоропропан може да се види, че бромът има по-висок приоритет или по-висок атомен номер (35) от флуор (9), който е прикрепен към С-1. Въглеродът има по-висок атомен номер (6), отколкото водород (1), който е прикрепен към С-2 на това съединение. Тъй като въглеродните атоми с най-висок приоритет (от групата -СНЗ) и брома, прикрепени към тези два въглеродни атома са от една и съща страна, това съединение се определя като Z. От друга страна, в Е-1-бром-1-флуоропропан с най-високата стойност приоритет С и бром са в обратна посока, така че се нарича Е-изомер.

Въглерод-въглеродна двойна връзка

Изомерите са две молекули, които имат един и същ атомния състав, но не са идентични. Атомите в два изомера могат да бъдат свързани в различен ред (структурна изомерия), или могат да бъдат свързани по същия начин, но имат различна ориентация - пространствена стереоизомеризъм.

Структурният и геометричният изомер в специални случаи, стереоизомерът, трябва да отговаря на две изисквания:

1. Има ограничена ротация в молекулата.
2. И двата атома, участващи в ограничителна връзка, имат две различни функционални групи за тях.

Общ пример за ограничена ротация е двойна връзка въглерод-въглерод. Тези връзки включват връзка pi, при повечето условия не е изгодно да се нарушават.

Геометричните изомери имат структура, която влияе на физичните свойства на съединението.

Сис / транс система

Наименуването на Cis / Trans е най-лесната система за свързване. Първо се идентифицира най-дългата въглеродна верига в молекулата и след това се идентифицират функционалните групи, представляващи интерес. В cis изомера, въпросните две групи са от една и съща страна на двойната връзка (цис означава "на същата страна" на латински). В транс-изомера, двете разглеждани групи са на противоположни страни на двойната връзка (транс-средства през латинския език). Например, два различни геометрични изомера на бутен-2.

И двата атома с двойна връзка имат същите две групи като тези две групи, но те се различават един от друг на един от двойните въглероди. Задачата е сложна, тъй като страничните вериги и функционалните групи стават по-сложни.

Официалната конвенция за именуване по IUPAC е E / Z. Няма специфична връзка между cis / trans и E / Z, и двете системи не са взаимозаменяеми. Обозначението E / Z използва правилата за приоритет на Cahn-Ingold-Prelog и се счита за по-надеждно. Името на фумаровата киселина IUPAC е транс-изомерът с формулата HO2CCH = CHCO2H, а малеиновата киселина е цис-бутандинова киселина.

IUPAC е Международният съюз за чиста и приложна химия, който определя международните правила и стандарти за етикетиране на химикали на всички езици.

Циклични съединения

При циклична връзка въртенето между въглеродната единична връзка е ограничено. По този начин, изомеризъм е възможен и за този тип съединение, ако две различни групи са прикрепени към всеки въглерод. Има два изомера на 1,2-диметилциклопропан.

Един от тях е цис-изомерът, където двете метилови групи са от едната страна, а другият е транс-изомерът, където двете метилови групи са от другата страна.

Геометричните изомери се различават по физическите си свойства. Това се дължи на формата на изомерите и на общия диполен момент. Например те се различават по точка на кипене. Температурата на кипене на цис- и транс-изомерите на 1,2-дихлороетилена е 60.3 ° С и 47.5 ° С, съответно.

В цис-изомера присъствието на две диполни връзки (С-С1) дава общия молекулен дипол. Това води до междумолекулни дипол-диполни сили. За тази сила цис-изомерът има по-висока точка на кипене от транс-изомера, където две диполни връзки (С-С1) се отменят поради тяхното положение в обратната посока.

Причината, поради която не е възможно да се върти двойната връзка въглерод-въглерод, е, че има две връзки, свързващи въглеродните атоми заедно и трябва да прекъснете връзката pi. Pi връзки се образуват по време на странично припокриване между р-орбитали. Ако се опита да превърне двойна връзка въглерод-въглерод, р-орбиталите вече няма да се подредят и следователно пи връзката ще бъде счупена. Енергията се изразходва за това и това се случва само ако съединението е много горещо.

Изграждане на структурни формули

Много е лесно да се пропуснат важни елементи от геометричните изомери при конструирането на структурните формули по време на свиването. Например, много е съблазнително да нарисувате but-2-en.Ако потребителят напише това неправилно, тогава съединението вече няма да е изомер. Ако има дори най-малък намек, че може да се използва изомер, винаги е необходимо да се използват съединения, съдържащи двойни връзки въглерод-въглерод, показващи правилните ъгли (120 °) около въглеродните атоми в краищата на връзката. С други думи, трябва да използвате формата, показан на фигурата.

Съединения, съдържащи двойна връзка въглерод-въглерод, имат ограничена ротация. За получаване на изомери трябва да бъдат изпълнени следните условия:

• ограничена ротация, обикновено включваща двойна връзка въглерод-въглерод;
• две различни групи в левия край на връзката и две различни групи в десния край.

Няма значение дали левите групи съвпадат с дясното или не.

Алкени: Молекулни и структурни формули

Геометричните изомери на алкените включват редица съединения, които се състоят от С и Н атоми във въглеродна верига. Тази група включва хомоложна серия с формулата CnH2n. Най-простият алкен е етен, той има два С-атома и формула C2H4.

Структурната формула за етен е показана на фигурата по-горе. В по-дълги алкенови вериги, допълнителни въглеродни атоми са прикрепени един към друг, използвайки някои ковалентни връзки. Всеки въглероден атом също е свързан с достатъчно водородни атоми, за да произведе общо четири единични ковалентни връзки.

В вериги с четири или повече С атоми, двойната връзка може да бъде разположена в различни позиции, което води до образуването на структурни изомери. В допълнение към структурните изомери, алкените също образуват стереоизомери. Тъй като въртенето около множествената връзка е ограничено, групите, свързани с атомите с двойна връзка, винаги остават в същите относителни позиции.

Тези "блокирани" позиции позволяват на химиците да идентифицират различни изомери от заместители, за да определят коя субстанция има геометрични изомери. Например, един структурен изомер С5Н10 има следните стереоизомери.

Изомерът отляво, в който два заместителя (метилови и етилови групи) са от една и съща страна на двойната връзка, се нарича цис изомер, докато изомерът отдясно с два неводородни заместителя на противоположни страни е транс изомер.

Например, хлорът има предимство, защото е по-тежък. От дясната страна бромът превъзхожда въглерода. Трето, определят се позициите на два атома с по-висок ранг. Ако два атома са в cis позиция, местоположението е Z (от немски zusammen, което означава "заедно"). Ако атомите или групите са в транс-позиция, местоположението е Е (от немския entgegen, което означава "обратното").

Съединения с твърда двойна връзка

Геометрични изомери бутен е алкен с твърда двойна връзка. Това означава, че в действителност има четири изомера, а не три, в позицията на двойна връзка. Има пети и шести въглеводороди със същия състав, но те не са алкени, въпреки същата формула.

Образуването на пръстена на циклобутан или метилциклопропан заема пространството от два водородни атома като двойна връзка, което води до факта, че те имат формули, идентични с различните бутени.

Примери за геометрични изомери:

• 1-бутилен (1-бутен);
• изо-бутилен (2-метил-пропен);
• цис-2-бутилен (цис-2-бутен);
• транс-2-бутилен (транс-2-бутен).

И бонуси: циклобутан и метилциклопропан, и двата от които имат една и съща емпирична формула като бутенови изомери, но не са алкени. Първото име е „общо” или „тривиално” име, а името в скоби е името IUPAC.

Бутенови изомери

Бутен има много приложения - от гориво в кола до торбички за хранителни стоки, които стотици милиони хора по света носят всеки ден. Химичната формула за бутен: C4H8, което означава, че тя се състои от четири атома С и осем атома Н, съединението се отнася до алкен.

Има няколко различни изомери или молекулярни структури, които могат да образуват това съединение (имената на IUPAC са показани в скоби):

• алфа-бутилен (бут-1-ен);
• цис-бета-бутилен - ((2Z) -бут-2-ен);
• транс-бета-бутилен - ((2Е) -бут-2-ен);
• изобутилен (2-метилпроп-1-ен).

Въпреки че всички те имат една и съща формула, техните структури са различни. Съотношенията между всеки от тези геометрични изомери са основно конституционални, което означава, че те имат една и съща молекулна формула, но различни връзки. Изключение прави цис-бета-бутилен и транс-бета-бутилен.

Много хора знаят, че транс-мазнините са вредни за хората и ненаситените мазнини са добри за тях. Единствената разлика между тези две мазнини е, че един има транс-връзка, а другият има цис-връзка, но тази малка диференциация може значително да повлияе на функцията на молекулата.

С цис-бета-бутилен и транс-бета-бутилен атомите са в същия ред, но полярностите са различни. Цис-изомерът е полярен, с двете СНЗ групи на една и съща страна. Това го прави наистина тромав и сложен, транс-изомерът е неполярен, обемните групи на СН3 се редуват, което дава повече пространство в молекулата. Това съотношение се нарича цис-транс-изомеризъм. Цис изомерите са полярни, докато транс изомерите не са.

Въпреки факта, че всеки от тези изомери на бутен се състои от същите материали, всеки от тях има различни физични свойства. Например точката на кипене:

1. Цис-бета-бутилен: 3.7 ° С.
2. Транс-бета бутилен: 0.8 ° С.
3. Изобутилен: -6.9 ° С.
4. Алфа бутилен: -6.3 ° С.

Материал за производство на пластмаси

Бутените са алкени с четири въглеродни атома, С4Н8. Има няколко различни структурни или конфигурационни изомери на бутен, включително геометрични и оптични изомери. Всичките четири бутена имат сходни физични свойства, като безцветни газове, тежки във вода, лесно разтворими в етер и алкани. Разликите във физическите свойства се обясняват със структурата на молекулите. Например, cis-But-2-en има по-висока точка на кипене от trans-But-2-en, защото е по-силен дипол.

Двете алкилови групи на цис-изомера работят с техния + 1 ефект в една посока и по този начин се увеличават, докато двете алкилови групи на транс-изомерите действат в противоположни посоки и по този начин се отслабват взаимно. Формулите за въглеводороди с геометрични изомери са обозначени с IUPAC стандарти. But-1-en има такава ниска точка на топене, тъй като СС е единична връзка между втория и третия въглеродни атоми, свободното въртене и етиловата група могат да се въртят около оста на въртене във всички посоки.

Това прави трудно класифицирането на молекулата в твърда кристална структура. Останалите три бутена с двойна връзка между 2-ри и 3-ти С-атоми са много твърди и могат лесно да бъдат класифицирани в кристалната структура. Следователно те имат относително високи точки на топене. Тези аргументи не винаги са валидни, като примерът показва 2-метил-бут-2-ен (или изобутен). Двете метилови групи с техните + I-ефекти действат в същата посока като cis-But-2-en и всъщност трябва да бъдат подобрени. Изобутенът обаче има много ниска точка на кипене само от -7 ° С.

Бут-1-ен и бут-2-ен се използват за получаване на бутадиен и бутан-2-ол. В допълнение, алкени се използват като алкилиращи средства. Следователно, важно е да се получи 2,2,4-триметил-пентан, по-известен като изооктан, от изобутен и изобутан. Накрая, бутените са изходни материали за производството на някои пластмаси, тъй като те са лесни за полимеризация. Известна пластмаса на But-1-en основа, е полибутен-1, от който се правят тръби.

Пентан, n-пентан, изопентан

Пентанът или п-пентанът е един от наситените алканови въглеводороди. Почти несъдържащият мирис п-пентан е течност при условия на околната среда и е изомер на херакетит от 3 изомера. Разклонените течни изоалкани С5 - С16 все повече се използват като гориво (Ото, Дизел). Освен това, тези алкани присъстват в нагряващите масла и смазочните масла. Те осигуряват пълно изгаряне. Преди да се запознаете с характеристиките на такива съединения, трябва да посочите формулите на въглеводородите с геометрични изомери:

1. Физическо състояние - течност.
2. Цвят - безцветен.
3. Миризма - почти не.
4. Лесно запалим.
5. Парите могат да образуват експлозивни смеси при излагане на въздух.
6. Разтворимостта във вода е много ниска (практически неразтворима).
7. Много нестабилна връзка.

Най-важните източници на пентан са петролните масла, които се различават значително по състава си в зависимост от техния произход. Разделянето става чрез фракционна дестилация. Тук са получени следните фракции:

1. Парафиново масло (точка на кипене> 320 ° C).
2. Масло (точка на кипене 180 до 250 ° C).
3. Отопление / дизелово гориво (точка на кипене 250 до 320 ° C).
4. Суров бензин (точка на кипене до около 180 ° C).
5. В нафта има разклонени въглеводороди (алкани) от С5 до С10.
6. Изгаряне на пентан с кислород (стехиометрично).
7. Крайните продукти са въглероден диоксид и вода. Формули на геометрични изомери: C5H12 + 8O2 CO 5CO2 + 6H2O.

Геометричният изомер пентен-2 е универсален разтворител. Използва се за разпенване на фенолни смоли и полистирол. Също така се изисква като референтно вещество в газовата хроматография и като пропелент в цилиндри за пръскане.