Геометрическими изомерами являются цис-транс-изомеризм, или изомеризм EZ. Их действия основываются на ограниченном вращении двойных или одинарных углеродных связей в циклических соединениях.В циклическом соединении, вращение между углеродной одинарной связью ограничено и две различные группы присоединены к каждой углеродной изомерии аналогичным образом. Такие геометрические изомеры часто отличаются по своим физическим свойствам. Это связано с формой изомеров и общим дипольным моментом. Если два атома с наивысшим приоритетом остаются на той же стороне изомера, то они обозначаются как Z, и если они находятся в противоположной стороне - E.
Краткая история изомерии
Концепция конституционной изомерии - это значительный шаг вперед в истории современной химии и, особенно в развитии органической химии. Уже к концу 1700-х годов было выделено несколько чистых веществ путем изучения «животной» и «растительной» химии. Многие были получены Карлом Вильгельмом Шееле (1742-1786 гг.). Из-за большого разнообразия органических соединений каждое новое вещество представляло иной элементный состав, который соответствовал обобщенному наблюдению из «минеральной» химии. Количество изолированных органических соединений увеличилось вначале 1800-х годов, с помощью идентификации различных веществ.
В своей книге по истории химии Томас Томсон в 1830 году писал, что:
Берцелиус применил теорию атома также к растительному царству, проанализировав несколько растительных кислот, и показывая свою атомную конституцию, но здесь возникает трудность, которую в нынешнем состоянии наших знаний, мы не можем преодолеть. Есть две кислоты, которые состоят из точно таких же атомов. Теперь, как мы должны учитывать эту поразительную разницу в свойствах? Несомненно, различными способами, в которых атомы расположенных в каждом из них.
Затем Томсон использовал различные схемы атомных символов, используемых в то время, чтобы объяснить, почему две кислоты с одним и тем же элементарным составом, относящихся к геометрическим изомерам имеют разные физические и химические свойства.
До начала XIX века считалось, что эти химические вещества, обнаруженные в живых организмах, обладают особой жизненной силой, связанной с живыми существами, и что они нужны в живых системах для воспроизводства. В 1828 году Велер синтезировал образец мочевины, (NH2) 2CO (также CH4N2O), которая была неотличимой от мочевины, выделенной из биологической мочи.
Он подготовил это «животное» вещество из явно неорганического (минералогического) исходного вещества цианата аммония, (NH4)NCO (также CH4N2O), что является результатом объединения хлорида аммония и цианата серебра. Таким образом барьер между «живой» и «неживой» изомерией рухнул.
Обозначение изомеров
В цис-изомере две подобные группы остаются на одной стороне двойной связи, а в транс-изомере они остаются в противоположной стороне. Например, 2-бутен имеет два изомера цис и транс.
В цис-изомере две метильные группы и две водородные группы остаются в одной и той же стороне двойной связи, тогда как в транс-изомере они остаются в противоположной стороне.
Когда одна, или больше групп, связанных с двойной связью, не являются одинаковыми, изомеры называются E или Z. Для уведомления об этом типе пользователю потребуется указать формулы углеводородов, имеющих геометрические изомеры, и определяют атом с наивысшим приоритетом (самый высокий атомный номер), прикрепленный к каждой двойной связи C. Если два атома с наивысшим приоритетом остаются на той же стороне изомера, который обозначен как Z, и, если они находятся в противоположной стороне, обозначаются как E.
Например, 1 - бром - 1 - фторпропан имеет два изомера. В Z-1 - бром - 1 - фторпропане видно, что бром имеет более высокий приоритет или более высокий атомный номер (35), чем фтор (9), которые присоединены к С-1. Углерод имеет более высокое атомное число (6), чем водород (1), который присоединен к С-2 этого соединения. Поскольку атомы углерода с наивысшим приоритетом (из группы -CH3) и брома, присоединенные к этим двум атомам углерода, находятся на одной стороне, это соединение определяется как Z. С другой стороны, в E-1 - бром - 1 - фторпропан атомы с наивысшим приоритетом C и брома находятся в противоположной стороне, поэтому он называется E-изомером.
Углерод-углеродная двойная связь
Изомеры представляют собой две молекулы, которые имеют один и тот же атомный состав, но не идентичны. Атомы в двух изомерах могут быть связаны в другом порядке (структурная изомерия), или могут быть связаны таким же образом, но имеют другую ориентацию - пространственную стереоизомерию.
Структурный и геометрический изомер в особых случаях - стереоизомер, должен соответствовать двум требованиям:
- Существует ограниченное вращение в молекуле.
- Оба атома, участвующие в ограничительной связи, имеют к ним две различные функциональные группы.
Общим примером ограниченного вращения является углерод-углеродная двойная связь. Эти связи включают связь pi, в большинстве условий их разрывать не выгодно.
Геометрические изомеры имеют структуру, которая влияет на физические свойства соединения.
Система Cis/Trans
Именование Cis/Trans является самой простой системой соединений. Сначала идентифицируется самая длинная углеродная цепь в молекуле, а затем идентифицируются функциональные группы, представляющие интерес. В цис- изомере две рассматриваемые группы находятся на одной стороне двойной связи (cis означает "на той же стороне" на латыни). В транс- изомере две рассматриваемые группы находятся на противоположных сторонах двойной связи (транс означает поперек латинского языка). Например, два разных геометрических изомера бутена-2.
Оба атома с двойной связью имеют те же две группы, что и эти две группы, но они на одном из двойных углеродов отличаются друг от друга. Задача усложняется по мере того, как боковые цепи и функциональные группы становятся более сложными.
В официальной системе именования IUPAC используется обозначение E/Z. Специфической связи между цис/транс и E/Z нет, и эти две системы не являются взаимозаменяемыми. Обозначение E/Z использует правила приоритета Cahn-Ingold-Prelog, и считаются более надежными. Название IUPAC для фумаровой кислоты представляет собой транс-изомер с формулой HO2CCH=CHCO2H, а малеиновая кислота представляет собой цис-бутендиовую кислоту.
IUPAC - это Международный союз чистой и прикладной химии, который устанавливает международные правила и стандарты для обозначения химических веществ на всех языках.
Циклические соединения
В циклическом соединении вращение между углеродной одинарной связью ограничено. Таким образом, для этого типа соединений также возможна изомерия, если к каждому углероду присоединяются две разные группы. Существует два изомера 1,2-диметилциклопропана.
Один из них представляет собой цис-изомер, где две метильные группы находятся на одной стороне, а другая представляет собой транс-изомер, где две метильные группы находятся на другой стороне.
Геометрические изомеры различаются по своим физическим свойствам. Это связано с формой изомеров и общим дипольным моментом. Например, они отличаются точкой кипения. Точка кипения цис- и транс-изомеров 1,2-дихлорэтилена составляет 60,3 °C и 47,5 °C, соответственно.
В цис-изомере присутствие двух дипольных связей (C-Cl) дает общий молекулярный диполь. Это приводит к межмолекулярным диполь-дипольным силам. Для этой силы цис-изомер имеет большую температуру кипения, чем транс-изомер, где две дипольные связи (C-Cl) отменены из-за их положения в противоположном направлении.
Причина, по которой невозможно вращать углерод-углеродную двойную связь, состоит в том, что есть две связи, соединяющие атомы углерода вместе и придется разорвать связь pi. Связи pi образуются при боковом перекрытии между p-орбиталями. Если попытается повернуть углерод-углеродную двойную связь, p-орбитали больше не будут выстраиваться в линию, и поэтому связь pi будет нарушена. На это затрачивается энергии, и это происходит только в том случае, если соединение сильно нагревается.
Построение структурных формул
Очень легко пропустить важные элементы геометрических изомеров во время построения структурных формул при сокращении. Например, очень заманчиво рисовать but-2-ene.Если пользователь напишет это неправильно, то соединение уже не будет изомером. Если есть хоть малейший намек на то, что может быть использован изомер, всегда необходимо использовать соединения, содержащие углерод-углеродные двойные связи, показывающие правильные углы (120°) вокруг атомов углерода на концах связи. Другими словами, необходимо использовать формат, показанный на рисунке.
Соединения, содержащие углерод-углеродную двойную связь, имеют ограниченное вращение. Чтобы получить изомеры, должны быть выполнены обязательные условия:
- ограниченное вращение, обычно, включающее углерод-углеродную двойную связь;
- две разные группы на левом конце связи и две разные группы на правом конце.
Не имеет значения, совпадают ли левые группы с правыми или нет.
Алкены: молекулярные и структурные формулы
Геометрические изомеры алкенов включают ряд соединений, которые состоят из атомов С и Н в цепи углерода. Эта группа включает гомологичную серию с формулой CnH2n. Простейший алкен - этен, имеет два атома С и формулу C2H4.
Структурная формула для этена представлена на рисунке выше. В более длинных алкеновых цепях дополнительные атомы углерода присоединены друг к другу с помощью одних ковалентных связей. Каждый атом углерода также присоединен к достаточным атомам водорода для получения в общей сложности четырех одиночных ковалентных связей.
В цепях с четырьмя и более атомами С, двойная связь может быть расположена в разных положениях, что приводит к образованию структурных изомеров. В дополнение к структурным изомерам алкены также образуют стереоизомеры. Поскольку вращение вокруг множественной связи ограничено, группы, присоединенные к атомам с двойной связью, всегда остаются в одинаковых относительных положениях.
Эти «заблокированные» позиции позволяют химикам идентифицировать различные изомеры из заместителей для того, чтобы определить, какое вещество имеет геометрические изомеры. Например, один структурный изомер C5H10 имеет следующие стереоизомеры.
Изомер слева, в котором два заместителя (метильная и этильная группы) находятся на одной стороне двойной связи, называют цис-изомер, тогда как изомер справа с двумя неводородными заместителями на противоположных сторонах является транс-изомером.
Например, хлор имеет приоритет, потому что он тяжелее. С правой стороны бром превосходит углерод. В-третьих, определяются положения двух атомов более высокого ранга. Если два атома находятся в цис-положении, расположение Z (с немецкого zusammen, что означает «вместе»). Если атомы, или группы, находятся в транс-положении, расположение E (от немецкого entgegen, что означает «противоположность»).
Соединения с жесткой двойной связью
Геометрические изомеры бутен представляет собой алкен с жесткой двойной связью. Это означает, что на самом деле существует четыре изомера, а не три, в позиции двойной связи. Существует пятый и шестой углеводород того же состава, но они не являются алкенами, несмотря на ту же формулу.
Кольцевое образование циклобутана или метилциклопропана занимает пространство двух атомов водорода, как двойная связь, что приводит к тому, что они имеют формулы, идентичные различным бутенам.
Геометрические изомеры примеры:
- 1-butylene (1-butene);
- iso-butylene (2-methyl-propene);
- cis-2-butylene (cis-2-butene);
- trans-2-butylene (trans-2-butene).
И бонусы: циклобутан и метилциклопропан, - оба из которых имеют ту же эмпирическую формулу, что и изомеры бутена, но не являются алкенами. Первое имя - это «общее» или «тривиальное» имя, а имя в круглых скобках - это имя IUPAC.
Изомеры бутена
Бутен имеет множество применений, от топлива в автомобиле до продуктовых сумок, которые носят ежедневно сотни миллионов жителей планеты. Химическая формула для бутена: C4H8, что означает, что она состоит из четырех атомов С и восьми атомов Н, соединение относится к алкену.
Существует несколько различных изомеров или молекулярных структур, которые могут образовывать это соединение (в скобках указаны названия IUPAC):
- alpha-butylene (but-1-ene);
- cis-beta-butylene - ((2Z)-but-2-ene);
- trans-beta-butylene - ((2E)-but-2-ene);
- isobutylene (2-methylprop-1-ene).
Хотя все они имеют одну и ту же формулу, их структуры различаются. Соотношения между каждым из этих геометрических изомеров в основном конституциональны, что означает, что они имеют одну и ту же молекулярную формулу, но разные связи. Исключением является цис-бета-бутилен и транс-бета-бутилен.
Многие знают, что транс-жиры вредны для человека, а ненасыщенные жиры полезные для него. Единственная разница между этими двумя жирами заключается в том, что у одного есть транс-связь, а у другого есть цис-связь, тем не менее эта небольшая дифференциация может существенно повлиять на функцию молекулы.
С цис-бета-бутиленом и транс-бета-бутиленом атомы находятся в одном порядке, но полярности различны. Цис-изомер является полярным, причем обе группы СН3 находятся на одной стороне. Это делает его действительно громоздким и сложным.Транс-изомер является неполярным, объемные группы CH3 чередуются, что дает больше места в молекуле. Это соотношение называется цис-транс-изомерией . Цис-изомеры являются полярными, тогда как транс-изомеры такими не являются.
Несмотря на то что каждый из этих изомеров бутена состоит из одних и тех же материалов, каждый из них имеет разные физические свойства. Например, точка кипения:
- Цис-бета-бутилен: 3,7 °C.
- Транс-бета-бутилен: 0,8 °C.
- Изобутилен: -6,9 °C.
- Альфа-бутилен: -6,3 °C.
Материал для производства пластмасс
Бутены представляют собой алкены с четырьмя атомами углерода, C4H8. Существует несколько различных структурных или конфигурационных изомеров бутена, в том числе геометрические и оптические изомеры. Все четыре бутена имеют схожие физические свойства, будучи бесцветными газами, тяжелыми в воде, хорошо растворимы в эфире и алканах. Различия в физических свойствах объясняются структурой молекул. Например, cis-But-2-en имеет более высокую температуру кипения, чем trans-But-2-en, потому что он является более сильным диполем.
Две алкильные группы цис-изомера работают со своим + I эффектом в одном направлении и тем самым усиливают, в то время как две алкильные группы транс-изомеров действуют в противоположных направлениях и, таким образом, ослабляют друг друга. Формулы углеводородов имеющих геометрические изомеры, указывают по стандартам IUPAC. But-1-en имеет такую низкую точку плавления, так как CC одинарная связь между вторым и третьим атомом углерода свободное вращения и этильная группа может, вращаться вокруг оси поворота во всех направлениях.
Это затрудняет классификацию молекулы в твердую кристаллическую структуру. Остальные три бутена с двойной связью между 2-м и 3-м атомом C, очень жесткие и могут быть легко классифицированы в кристаллической структуре. Поэтому они имеют относительно высокие температуры плавления. Эти аргументы не всегда действительны, так как на примере показан 2-Methyl-but-2-en (или изобутен). Две метильные группы с их + I-эффектами действуют в том же направлении, что и cis-But-2-en, и на самом деле должны быть улучшены. Тем не менее изобутен имеет очень низкую температуру кипения только -7 °C.
But-1-en и But-2-ene, используются для получения бутадиена и бутан- 2-ol. Кроме того, алкены используются в качестве алкилирующих агентов. Таким образом, из изобутена и изобутана получают важный топливный 2,2,4-Trimethyl-pentan, более известный как изооктан. Наконец, бутены являются исходными материалами для производства некоторых пластмасс, поскольку их легко полимеризовать. Известный пластик на But-1-en основе, является полибутеном-1, из которого производятся трубы.
Пентан, n-пентан, изопентан
Пентан, или n-пентан, является одним из насыщенных углеводородов алканов. Почти без запаха n-пентан является жидким в условиях окружающей среды и представляет собой изомер геракетхита из 3-х изомеров. Разветвленные жидкие изоалканы C5 - C16 все чаще используются в качестве топлива (Otto, Diesel). Кроме того, эти алканы присутствуют в отопительных маслах и смазочных маслах. Они обеспечивают полное горение. Прежде чем знать характеристику таких соединений нужно указать формулы углеводородов имеющих геометрические изомеры:
- Физическое состояние - жидкость.
- Цвет - бесцветный.
- Запах - почти нет.
- Легко воспламеним.
- Пары могут образовывать взрывоопасные смеси под воздействием воздуха.
- Водорастворимость очень низкая (практически нерастворимая).
- Очень неустойчивое соединение.
Наиболее важными источниками пентана являются нефтяные масла, которые значительно отличаются по своему составу в зависимости от их происхождения. Разделение происходит посредством фракционной перегонки. Здесь получают следующие фракции:
- Парафиновое масло (точка кипения> 320 °C).
- Нефть (точка кипения от 180 до 250 °C).
- Отопление / дизельное топливо (точка кипения от 250 до 320 °C).
- Сырой бензин (температура кипения до примерно 180 °C).
- В лигроине присутствуют разветвленные углеводороды (алканы) от C5 до C10.
- Сгорание пентана с кислородом (стехиометрическое).
- Конечными продуктами являются углекислый газ и вода. Формулы геометрических изомеров: C5H12 + 8O2 ⟹ 5CO2 + 6H2O.
Геометрический изомер пентен-2 является универсальным растворителем. Он используется для вспенивания фенольной смолы и полистирола. Он также необходим в качестве эталонного вещества в газовой хроматографии, и в качестве пропеллента в баллонах для распыления.