Struktūrinis (konstitucinis) izomerizmas: apibrėžimas ir rūšys
Sužinokite apie struktūrinį (konstitucinį) izomerizmą: apibrėžimą, skeleto, padėties (regio) ir funkcinius izomerus bei tautomeriją aiškiai ir suprantamai.
Struktūrinis izomerizmas (IUPAC jį vadina konstituciniu izomerizmu) yra izomerizmo rūšis, kai dvi arba daugiau cheminių medžiagų turi tą pačią molekulinę formulę, bet skiriasi tuo, kaip atomai tarpusavyje susijungę — t. y. skiriasi atomų jungčių (skeleto) tvarka arba funkcinės grupės padėtys. Skirtingai nuo stereoizomerijos, kur išsaugoma atomų jungčių seka, bet skiriasi jų erdvinis išsidėstymas, struktūriniai izomerai skiriasi būtent jungčių išdėstymu.
Pagrindinės rūšys
- Skeleto (grandinės) izomerai – skiriasi pagrindinio angliavandenilio grandinės struktūra (tiesi arba šakota). Pavyzdys: C4H10 molekulės dvi struktūros — n-butanas ir izobutanas (2-metilpropanas).
- Padėties (poziciniai, regioizomerai) – tos pačios funkcinių grupių ir skeletų molekulės, bet funkcinių grupių padėtis atomų grandinėje skiriasi. Pavyzdžiai: 1-propanolis ir 2-propanolis; 1-butenas ir 2-butenas.
- Funkciniai izomerai – tos pačios molekulinės formulės junginiai, turintys skirtingas funkcinės grupes. Pavyzdys: etanolis (alkoholis) ir dietilėteris (eteris) arba etanolis ir dimetiléteris (C2H6O).
Tautomerai
Tautomerai yra speciali funkcinių izomerų grupė: tai greitai persiformuojantys izomerai, kuriuose atomai ir ryšiai keičiasi per protono (H+) perkėlimą ir dvigubo ryšio perkėlimą. Dažniausi pavyzdžiai – keto–enol tautomerys, pvz., tam tikrose sąlygose anglies junginiai gali egzistuoti tiek keto, tiek enol formose. Tautomerizmas turi didelę reikšmę organinėje chemijoje ir biocheminėse reakcijose.
Praktinė reikšmė ir požymiai
- Skirtingi struktūriniai izomerai dažnai turi skirtingas fizines ir chemines savybes: virimo ir lydymosi temperatūras, tirpumą, dažnai skiriasi ir cheminis aktyvumas.
- Izomerų atpažinimui naudojami instrumentiniai metodai: NMR, IR, masių spektrometrija, chromatografija ir kt.
- Pavienius izomerus nustato ir aprašo pagal IUPAC nomenklatūrą — teisingas pavadinimas priklauso nuo jungties struktūros bei funkcinės grupės padėties.
Santrauka: struktūrinis (konstitucinis) izomerizmas reiškia, kad junginiai su ta pačia molekuline formule gali turėti skirtingą atomų jungčių seką arba skirtingas funkcinės grupės vietas, todėl jų savybės gali būti labai skirtingos. Pagrindinės rūšys — skeleto izomerai, padėties (poziciniai) izomerai ir funkciniai izomerai; tautomerai yra funkcinės izomerijos potipis.
Skeleto izomerija
Skeleto izomerijos arba grandinės izomerijos atveju skeleto komponentai (dažniausiai anglis) yra pertvarkomi, kad susidarytų skirtingos struktūros. Pentanas turi tris izomerus. Tai n-pentanas (dažnai vadinamas tiesiog pentanu), izopentanas (metilbutanas) ir neopentanas (dimetilpropanas).
| Pentano skeleto izomerija | ||
|
|
|
|
| n-pentanas | Izopentanas | Neopentanas |
Padėties izomerija
Pozicinės izomerijos atveju funkcinė grupė arba kitas substituentas pakeičia savo padėtį pradinėje struktūroje. Toliau pateiktoje lentelėje hidroksilo grupė gali būti trijose skirtingose n-pentano grandinės padėtyse ir sudaryti tris skirtingus junginius.
| Padėties izomerijos pavyzdys | ||
|
|
|
|
| 1-pentanolis | 2-pentanolis | 3-pentanolis |
Egzistuoja daug aromatinių izomerų, nes pakaitalai gali būti išdėstyti skirtingose benzeno žiedo dalyse. Egzistuoja tik vienas fenolio arba hidroksibenzeno izomeras, tačiau krezolis arba metilfenolis turi tris izomerus, kuriuose papildoma metilo grupė gali būti trijose skirtingose žiedo vietose. Ksilenolis turi vieną hidroksilo grupę ir dvi metilo grupes, iš viso egzistuoja 6 izomerai.
| Ksilenolio izomerų padėtis | ||
|
|
|
|
| 2,3-ksilenolis | 2,4-ksilenolis | 2,5 ksilenolio |
|
|
|
|
| 2,6 ksilenolio | 3,4-ksilenolis | 3,5-ksilenolis |
Funkcinės grupės izomerija
Funkciniai izomerai yra vienas iš struktūrinių izomerų. Dviejų funkcinės izomerijos junginių molekulinė formulė yra tokia pati (kiekvieno atomo skaičius yra toks pat, pvz., cikloheksanas: C
6H
12 ir 1-heksenas:C
6H
12). Tačiau atomai sujungti kitais būdais, todėl jų grupės skiriasi. Šias atomų grupes vadiname funkcinėmis grupėmis, funkcijomis arba molekulėmis. Kitas būdas tai pasakyti yra toks: du junginiai, turintys tą pačią molekulinę formulę, bet skirtingas funkcines grupes, yra funkciniai izomerai.
Pavyzdžiui, cikloheksano ir 1-hekseno cheminė formulė yra C6 H12 . Juos vadiname funkcinių grupių izomerais, nes cikloheksanas yra cikloalkanas, o heks-1-enas - alkenas.
| Funkcinės grupės izomerijos pavyzdys | |
|
|
|
| 1-heksenas | |
Kad dvi molekulės būtų funkciniai izomerai, jose turi būti tam tikru būdu išdėstytos pagrindinės atomų grupės. Vieni geriausių pavyzdžių yra iš organinės chemijos. C2 H6 O yra molekulinė formulė. Priklausomai nuo to, kaip išdėstyti atomai, ji gali reikšti du skirtingus junginius dimetilo eterį CH3 -O-CH3 arba etanolį CH CH32 -O-H. Dimetilo eteris ir etanolis yra funkciniai izomerai. Pirmasis yra eteris. Anglies grandinės deguonies ir anglies grandinės funkcionalumas vadinamas eteriu. Antrasis yra alkoholis. Anglies grandinė-deguonis-deguonis-vandenilis funkcija vadinama alkoholiu.
Jei funkcinės savybės išlieka tos pačios, bet keičiasi jų vieta, struktūriniai izomerai nėra funkciniai izomerai. 1-propanolis ir 2-propanolis yra struktūriniai izomerai, bet jie nėra funkciniai izomerai. Abu jie yra alkoholiai. Funkcinė grupė (anglies grandinė-O-H) yra abiejuose šiuose junginiuose, tačiau jie nėra vienodi.
Nors kai kurie chemikai terminus struktūrinis izomeras ir funkcinis izomeras vartoja pakaitomis, ne visi struktūriniai izomerai yra funkciniai izomerai.
Funkciniai izomerai chemijoje dažniausiai nustatomi naudojant infraraudonąją spektroskopiją. Infraraudonoji spinduliuotė atitinka energijas, susijusias su molekuliniais virpesiais. Alkoholio funkcionalumas turi labai ryškią vibraciją, vadinamą OH ruožu, kuris atsiranda dėl vandenilinio ryšio. Visi skysti ir kieti alkoholiai sugeria infraraudonąją spinduliuotę tam tikrais bangos ilgiais.
Junginiai su tomis pačiomis funkcinėmis grupėmis sugeria tam tikro ilgio infraraudonąją šviesą dėl su tomis grupėmis susijusių virpesių. Iš tikrųjų infraraudonosios spinduliuotės spektras skirstomas į dvi sritis. Pirmoji dalis vadinama funkcinių grupių sritimi. Dimetileterio ir etanolio infraraudonosios spinduliuotės spektrai funkcinių grupių srityje būtų skirtingi.
Antroji infraraudonųjų spindulių spektro dalis vadinama pirštų atspaudų sritimi; ji susijusi su judėjimo tipais, kuriuos leidžia molekulės simetrija ir kuriems įtakos turi ryšių energijos. Pirštų atspaudų sritis yra labiau būdinga atskiram junginiui. Nors 1-propanolio ir 2-propanolio infraraudonųjų spindulių spektrai funkcinių grupių srityje yra panašūs, jie skiriasi pirštų atspaudų srityje.
Paprastai tariant, funkciniai izomerai yra struktūriniai izomerai, turintys skirtingas funkcines grupes, pavyzdžiui, alkoholį ir eterį.
Izomerų skaičiavimas
Kaip izomerų skaičiavimo pavyzdį galima pateikti 7 struktūrinius izomerus, kurių molekulinė formulė yra C3 H6 O. Kiekvieno iš jų ryšiai skiriasi ir jie yra stabilūs aplinkos temperatūroje. Dar du struktūriniai izomerai yra karbonilo izomerų enoliniai tautomerai, tačiau jie nėra stabilūs.
| Molekulinė struktūra | Lydymosi temperatūra (°C) | Virimo temperatūra (°C) | Komentaras | |
| Alilo alkoholis |
| -129 | 97 | |
| Ciklopropropanolis |
| 101-102 | ||
| Propanalis |
| - 81 | 48 | Tautomerinis su (E)-1-propenoliu ir (Z)-1-propenoliu |
| Acetonas |
| - 94.9 | 56.53 | Tautomerinis su 2-propenoliu |
| Oksetanas |
| - 97 | 48 | |
| Propileno oksidas |
| - 112 | 34 | Galima išskirti du enantiomerus |
| Metilo vinilo eteris |
| - 122 | 6 |
Ieškoti