Kaj je geometrični izomer?

Geometrični izomeri so cis-trans izomerija ali EZ izomerija. Njihovo delovanje temelji na omejeni rotaciji dvojnih ali enojnih ogljikovih vezi v cikličnih spojinah.V ciklični povezavi je rotacija med ogljikovo enojno vezjo omejena in dve različni skupini sta povezani na vsako ogljikovo izomerijo na podoben način. Takšni geometrični izomeri se pogosto razlikujejo po svojih fizikalnih lastnostih. To je posledica oblike izomerov in celotnega dipolnega momenta. Če dva atoma z najvišjo prednostjo ostajata na isti strani izomera, sta označena kot Z in če sta na nasprotni strani, E.

Kratka zgodovina izomerizma

Koncept ustavnega izomerizma je pomemben korak naprej v zgodovini moderne kemije, predvsem pa v razvoju organske kemije. Do konca 17. stoletja je bilo več čistih snovi izoliranih s preučevanjem "živalske" in "rastlinske" kemije. Veliko jih je prejel Karl Wilhelm Scheele (1742-1786). Zaradi velike raznolikosti organskih spojin je vsaka nova snov predstavljala drugačno elementarno sestavo, kar je ustrezalo splošnemu opazovanju "mineralne" kemije. Število izoliranih organskih spojin se je v začetku 19. stoletja povečalo z identifikacijo različnih snovi.

Thomas Thomson je v svoji zgodovinski knjigi o kemiji leta 1830 zapisal, da:

Berzelius je uporabil teorijo o atomu tudi v rastlinskem kraljestvu, potem ko je analiziral več rastlinskih kislin in pokazal svojo atomsko ustavo, toda tu se pojavi težava, ki je ne moremo premagati v sedanjem stanju našega znanja. Obstajata dve kislini, ki sta sestavljeni iz popolnoma enakih atomov. Kako naj pojasnimo to presenetljivo razliko v lastnostih? Nedvomno na različne načine, kjer se atomi nahajajo v vsaki od njih.

Thomson je nato uporabil različne sheme atomskih simbolov, ki so jih takrat uporabljali, da bi pojasnili, zakaj imata dve kislini z enako elementarno sestavo, povezani z geometrijskimi izomeri, različne fizikalne in kemijske lastnosti.

Do začetka XIX. Stoletja je veljalo, da imajo te kemikalije v živih organizmih posebno življenjsko silo, povezano z živimi bitji, in da so potrebne v živih sistemih za razmnoževanje. Leta 1828 je Wohler sintetiziral vzorec sečnine, (NH2) 2CO (tudi CH4N2O), ki ga ni bilo mogoče ločiti od sečnine, izolirane iz biološkega urina.

To "živalsko" snov je pripravil iz jasno anorganskega (mineraloškega) vhodnega materiala amonijevega cianata, (NH4) NCO (tudi CH4N2O), ki je rezultat združevanja amonijevega klorida in srebrovega cianata. Tako se je porušila pregrada med »živo« in »nežive« izomerijo.

Označevanje izomerov

V cis-izomeru dve taki skupini ostajata na isti strani dvojne vezi, v trans-izomeri pa ostanejo v nasprotni smeri. 2-buten ima na primer dva cis in trans izomera.

V cis-izomeru ostajata dve metilni skupini in dve vodikovi skupini na isti strani dvojne vezi, v trans-izomeri pa ostanejo v nasprotni smeri.

Če ena ali več skupin, ki so povezane z dvojno vezjo, niso enake, se izomeri imenujejo E ali Z. Za obveščanje o tej vrsti mora uporabnik določiti formule ogljikovodikov, ki imajo geometrične izomere in določajo atom z najvišjo prioriteto (najvišje atomsko število). vezan na vsako dvojno vez C. Če dva atoma z najvišjo prednostjo ostanejo na isti strani izomera, ki je označen kot Z, in če sta na nasprotni strani, sta označena kot E.

Na primer 1-bromo-1-fluoropropan ima dva izomera. V Z-1-brom-1-fluoropropanu je razvidno, da ima brom večjo prednost ali večjo atomsko številko (35) kot fluor (9), ki je vezan na C-1. Ogljik ima višje atomsko število (6) kot vodik (1), ki je vezan na C-2 te spojine. Ker so atomi ogljika z najvišjo prioriteto (iz skupine -CH3) in broma, vezani na ta dva ogljikova atoma, na isti strani, je ta spojina definirana kot Z. Po drugi strani pa je v E-1-brom-1-fluoropropanu z najvišjim prednost C in brom sta v nasprotni smeri, zato se imenuje E-izomer.

Dvojna vez ogljik-ogljik

Izomeri sta dve molekuli, ki imata enako atomsko sestavo, vendar nista identični. Atomi v dveh izomerih so lahko povezani v drugačnem vrstnem redu (strukturna izomerija) ali pa so povezani na enak način, vendar imajo drugačno orientacijo - prostorski stereoizomerizem.

Strukturni in geometrični izomer v posebnih primerih, stereoizomer, mora izpolnjevati dve zahtevi:

1. V molekuli je rotacija omejena.
2. Oba atoma, vključena v restriktivno vez, imata dve različni funkcionalni skupini.

Običajen primer omejene rotacije je dvojna vez ogljik-ogljik. Te povezave vključujejo povezavo pi, v večini pogojev pa je neupravičeno prekiniti.

Geometrični izomeri imajo strukturo, ki vpliva na fizikalne lastnosti spojine.

Cis / Trans sistem

Poimenovanje Cis / Trans je najlažji povezovalni sistem za uporabo. Najprej najdemo najdaljšo ogljikovo verigo v molekuli, nato pa identificiramo funkcionalne skupine. V cis izomeru sta obe skupini na isti strani dvojne vezi (cis pomeni "na isti strani" v latinščini). V trans-izomeru se obravnavani skupini nahajata na nasprotnih straneh dvojne vezi (trans pomeni preko latinskega jezika). Na primer, dva različna geometrična izomera butena-2.

Oba atoma z dvojno vezjo imata iste dve skupini kot ti dve skupini, vendar se med seboj razlikujeta na enem od dvojnih ogljikov. Naloga je zapletena, saj stranske verige in funkcionalne skupine postanejo bolj zapletene.

Uradna konvencija za poimenovanje IUPAC je E / Z. Med cis / trans in E / Z ni specifičnega razmerja, oba sistema pa nista zamenljiva. Oznaka E / Z uporablja pravila prednosti Cahn-Ingold-Preloga in velja za bolj zanesljivo. Ime IUPAC fumarne kisline je trans-izomer s formulo HO2CCH = CHCO2H, maleinska kislina pa je cis-butandična kislina.

IUPAC je Mednarodna zveza za čisto in uporabno kemijo, ki določa mednarodna pravila in standarde za označevanje kemikalij v vseh jezikih.

Ciklične spojine

V ciklični povezavi je rotacija med ogljikovo enojno vezjo omejena. Tako je izomerija možna tudi za to vrsto spojine, če sta dve različni skupini vezani na vsak ogljik. Obstajata dva izomera 1,2-dimetilciklopropana.

Eden od njih je cis izomer, kjer sta metilni skupini na eni strani, drugi pa trans izomer, kjer sta metilni skupini na drugi strani.

Geometrični izomeri se razlikujejo po svojih fizikalnih lastnostih. To je posledica oblike izomerov in celotnega dipolnega momenta. Na primer, razlikujejo se v vrelišču. Vrelišče cis- in trans-izomerov 1,2-dikloroetilena je 60,3 ° C oziroma 47,5 ° C.

V cis-izomeru prisotnost dveh dipolnih vezi (C-Cl) daje celoten molekularni dipol. To vodi do medmolekularnih dipol-dipolskih sil. Za to silo ima cis-izomer višje vrelišče kot trans-izomer, kjer se zaradi svojega položaja v nasprotni smeri odpovedujeta dve dipolni vezi (C-Cl).

Razlog, zakaj ni mogoče vrteti dvojne vezi ogljik-ogljik, je, da obstajata dve vezi, ki združujeta ogljikove atome skupaj in morate prekiniti pi vez. Pi povezave se tvorijo med stranskim prekrivanjem med p-orbitali. Če poskuša obrniti dvojno vez ogljik-ogljik, p-orbitale ne bodo več poravnale, zato bo vezana pi. Na to se porabi energija in to se zgodi le, če je spojina zelo vroča.

Konstrukcija strukturnih formul

Med konstrukcijo strukturnih formul pri krčenju je zelo enostavno izpustiti pomembne elemente geometrijskih izomerov. Na primer, zelo vabljivo je narisati but-2-en.Če uporabnik to napačno napiše, potem spojina ne bo več izomer. Če je tudi najmanjši namig, da lahko uporabimo izomer, je vedno treba uporabiti spojine, ki vsebujejo dvojne vezi ogljik-ogljik, ki kažejo pravilne kote (120 °) okoli atomov ogljika na koncih vezi. Z drugimi besedami, uporabite format, prikazan na sliki.

Spojine, ki vsebujejo dvojno vez ogljik-ogljik, imajo omejeno rotacijo. Za pridobitev izomerov morajo biti izpolnjeni naslednji pogoji: t

• omejena rotacija, ki običajno vključuje dvojno vez ogljik-ogljik;
• dve različni skupini na levem koncu povezave in dve različni skupini na desnem koncu.

Ni pomembno, ali leve skupine sovpadajo z desnico ali ne.

Alkeni: molekularne in strukturne formule

Geometrični izomeri alkenov vključujejo številne spojine, ki so sestavljene iz C in H atomov v ogljikovi verigi. Ta skupina vključuje homologne serije s formulo CnH2n. Najpreprostejši alken je eten, ima dva C-atoma in formulo C2H4.

Strukturna formula za eten je prikazana na zgornji sliki. V daljših alkenskih verigah so dodatni atomi ogljika vezani drug na drugega z uporabo nekaterih kovalentnih vezi. Vsak atom ogljika je vezan tudi na zadostne vodikove atome, da proizvede skupno štiri enojne kovalentne vezi.

V verigah s štirimi ali več C-atomi se lahko dvojna vez nahaja v različnih položajih, kar vodi do tvorbe strukturnih izomerov. Poleg strukturnih izomerov tudi alkeni tvorijo stereoizomere. Ker je rotacija okoli mnogokratne vezi omejena, skupine, vezane na atome z dvojno vezjo, vedno ostanejo v istih relativnih položajih.

Te "blokirane" pozicije omogočajo kemikom, da identificirajo različne izomere iz substituentov, da bi določili, katera snov ima geometrične izomere. Na primer, en strukturni izomer C5H10 ima naslednje stereoizomere.

Izomer na levi, v katerem sta dva substituenta (metilna in etilna skupina) na isti strani dvojne vezi, se imenuje cis izomer, medtem ko je izomer na desni z dvema nevodikovima substituentoma na nasprotnih straneh trans izomer.

Na primer, klor ima prednost, ker je težji. Na desni strani je brom boljši od ogljika. Tretjič, določimo položaje dveh atomov višjega ranga. Če sta dva atoma v cis položaju, je lokacija Z (od nemškega zusammena, kar pomeni »skupaj«). Če so atomi ali skupine v trans položaju, je lokacija E (iz nemškega entgegena, kar pomeni "nasprotno").

Trdne spojine z dvojno vezjo

Geometrični izomeri buten je alken s trdno dvojno vezjo. To pomeni, da so dejansko štiri izomere, ne tri, v položaju dvojne vezi. Obstajajo peti in šesti ogljikovodik iste sestave, vendar kljub isti formuli niso alkeni.

Oblikovanje ciklobutana ali metilciklopropana zavzema prostor dveh vodikovih atomov kot dvojno vez, kar vodi do dejstva, da imajo enake formule za različne butene.

Primeri geometrijskih izomerov:

• 1-butilen (1-buten);
• izo-butilen (2-metil-propen);
• cis-2-butilen (cis-2-buten);
• trans-2-butilen (trans-2-buten).

In bonusi: ciklobutan in metilciklopropan, oba imata enako empirično formulo kot izomere butena, vendar nista alkeni. Prvo ime je »običajno« ali »trivialno« ime, ime v oklepajih pa je ime IUPAC.

Izomeri butena

Butene ima veliko uporab, od goriva v avtomobilu do vrečk, ki jih vsak dan prenaša na stotine milijonov ljudi po vsem svetu. Kemijska formula za buten: C4H8, kar pomeni, da je sestavljena iz štirih atomov C in osmih atomov H, spojina se nanaša na alken.

Obstaja več različnih izomerov ali molekularnih struktur, ki lahko tvorijo to spojino (imena IUPAC so prikazana v oklepajih):

• alfa-butilen (but-1-en);
• cis-beta-butilen - ((2Z) -but-2-en);
• trans-beta-butilen - ((2E) -but-2-en);
• izobutilen (2-metilprop-1-en).

Čeprav imajo vsi enako formulo, so njihove strukture različne. Razmerja med vsako od teh geometričnih izomerov so v bistvu ustavna, kar pomeni, da imajo enako molekulsko formulo, vendar različne vezi. Izjema je cis-beta-butilen in trans-beta-butilen.

Mnogi ljudje vedo, da so transmaščobe škodljive za ljudi, in nenasičene maščobe so dobre zanje. Edina razlika med tema dvema maščobama je v tem, da ima ena trans povezava, druga pa cis povezavo, vendar pa lahko ta majhna diferenciacija pomembno vpliva na delovanje molekule.

Pri cis-beta-butilenu in trans-beta-butilenu so atomi v istem vrstnem redu, vendar so polarnosti različne. Cis izomer je polaren, pri čemer sta obe CH3 skupini na isti strani. Zaradi tega je zelo zapleten in zapleten, trans-izomer je nepolaren, volumetrične skupine CH3 se izmenjujejo, kar daje več prostora v molekuli. To razmerje se imenuje cis-trans-izomerizem. Cis izomeri so polarni, trans izomeri pa niso.

Kljub temu, da je vsak od teh izomerov butena sestavljen iz istih materialov, ima vsak od njih različne fizikalne lastnosti. Na primer, vrelišče:

1. Cis-beta-butilen: 3,7 ° C.
2. Trans Beta butilen: 0,8 ° C.
3. Izobutilen: -6,9 ° C.
4. Alfa butilen: -6,3 ° C.

Material za proizvodnjo plastičnih mas

Buteni so alkeni s štirimi atomi ogljika, C4H8. Obstaja več različnih strukturnih ali konfiguracijskih izomerov butena, vključno z geometrijskimi in optičnimi izomeri. Vsi štirje buteni imajo podobne fizikalne lastnosti, kot so brezbarvni plini, težki v vodi, zlahka topni v etru in alkanih. Razlike v fizikalnih lastnostih so razložene s strukturo molekul. Na primer, cis-But-2-en ima višje vrelišče kot trans-But-2-en, ker je močnejši dipol.

Dve alkilni skupini cis-izomera delujeta s svojim + 1 učinkom v eni smeri in s tem naraščata, medtem ko obe alkilni skupini trans-izomerov delujeta v nasprotni smeri in se tako medsebojno oslabita. Formule za ogljikovodike z geometrijskimi izomeri so označene s standardi IUPAC. But-1-en ima tako nizko tališče, ker je CC ena vez med drugim in tretjim ogljikovim atomom, prosto vrtenje in etilna skupina se lahko vrti okoli osi vrtenja v vseh smereh.

Zaradi tega je težko razvrstiti molekulo v trdno kristalno strukturo. Preostali trije buteni z dvojno vezjo med 2. in 3. C-atomi so zelo togi in jih je mogoče zlahka razvrstiti v kristalno strukturo. Torej imajo relativno visoke talilne točke. Ti argumenti niso vedno veljavni, kot kaže primer 2-metil-but-2-en (ali izobuten). Dve metilni skupini s svojimi + I-učinki delata v isti smeri kot cis-But-2-en in ju je treba dejansko izboljšati. Vendar je izobuten zelo nizko vrelišče samo -7 ° C.

But-1-en in But-2-en uporabljamo za pripravo butadiena in butan-2-ola. Poleg tega se kot alkilirajoča sredstva uporabljajo alken. Tako je iz izobutena in izobutana pridobljeno pomembno gorivo 2,2,4-trimetil-pentan, bolj znano kot izooktan. Končno, buteni so izhodni materiali za proizvodnjo nekaterih plastičnih mas, saj jih je enostavno polimerizirati. Znana plastika na osnovi But-1-en, je polibuten-1, iz katere so izdelane cevi.

Pentan, n-pentan, izopentan

Pentan ali n-pentan je eden od nasičenih alkanskih ogljikovodikov. Skoraj brez vonja n-pentan je tekočina v okoljskih pogojih in je izomer heraketita 3 izomerov. Kot gorivo se vse pogosteje uporabljajo razvejani tekoči izoalkani C5 - C16 (Otto, Diesel). Poleg tega so ti alkani prisotni v kurilnih oljih in mazalnih oljih. Zagotavljajo popolno gorenje. Preden se seznanite z lastnostmi teh spojin, morate navesti formule ogljikovodikov z geometrijskimi izomeri:

1. Fizično stanje - tekočina.
2. Barva - brezbarvna.
3. Vonj - skoraj ne.
4. Lahko vnetljivo.
5. Hlapi lahko tvorijo eksplozivne zmesi, kadar so izpostavljeni zraku.
6. Topnost v vodi je zelo nizka (praktično netopna).
7. Zelo nestabilna povezava.

Najpomembnejši viri pentana so naftna olja, ki se glede na izvor bistveno razlikujejo po sestavi. Ločevanje poteka s frakcijsko destilacijo. Tukaj dobimo naslednje frakcije:

1. Parafinsko olje (vrelišče> 320 ° C).
2. Olje (vrelišče 180 do 250 ° C).
3. Ogrevanje / dizelsko gorivo (vrelišče 250 do 320 ° C).
4. Surovi bencin (vrelišče do približno 180 ° C).
5. V nafti obstajajo razvejeni ogljikovodiki (alkani) od C5 do C10.
6. Izgorevanje pentana s kisikom (stehiometrično).
7. Končni proizvodi so ogljikov dioksid in voda. Formule geometričnih izomerov: C5H12 + 8O2 CO 5CO2 + 6H2O.

Geometrični izomer penten-2 je univerzalno topilo. Uporablja se za penjenje fenolne smole in polistirena. Potrebna je tudi kot referenčna snov pri plinski kromatografiji in kot pogonsko sredstvo v brizgalnih cilindrih.