§ 5. Структурные изомеры различаются строением

Определения и обозначения

Структурные изомеры — вещества с одинаковой молекулярной формулой, но разным порядком соединения атомов. Иными словами, одинаковое число атомов можно связать разными способами. Это не то же самое, что различие пространственного расположения атомов при неизменном порядке связей. Понятие помогает понять, почему одна формула может обозначать разные вещества.

Изомерия углеродного скелета — различие в строении цепи атомов углерода у веществ с одинаковой молекулярной формулой. Цепь может быть неразветвлённой или разветвлённой. Так различаются бутан и 2-метилпропан состава C₄H₁₀. Этот термин нужен, чтобы описать именно изменение углеродной цепи, а не положение связи в ней.

Изомерия положения — различие в месте кратной связи или функциональной группы в углеродной цепи. Функциональная группа — часть молекулы, которая во многом определяет принадлежность вещества к классу и его свойства. Например, бут-1-ен и бут-2-ен различаются положением двойной связи. Так можно отделить изменение положения от изменения самого скелета.

Межклассовая изомерия — структурная изомерия веществ разных классов с одинаковой молекулярной формулой. Например, этанол и диметиловый эфир имеют формулу C₂H₆O, но относятся к спиртам и простым эфирам. Их атомы соединены по-разному, поэтому различаются функциональные группы. Этот термин показывает, что одна формула не всегда позволяет определить класс вещества.

Как это устроено

Молекулярная формула сообщает, сколько атомов каждого элемента входит в состав вещества, но не указывает, какие именно атомы соединены друг с другом. Поэтому при одинаковом составе возможны разные структурные формулы. Например, два атома углерода могут быть связаны с кислородом по-разному, образуя спирт или эфир. Чтобы различить такие варианты, нужно смотреть на связи, а не только на набор символов в формуле.

При изомерии углеродного скелета углеродные атомы соединяются в цепи разной формы. В неразветвлённой цепи атомы углерода выстроены последовательно, а в разветвлённой часть цепи отходит в сторону. Такое отличие возможно, потому что один атом углерода может соединяться с несколькими другими, если соблюдена его валентность. Бутан и 2-метилпропан показывают, что даже при одинаковом составе C₄H₁₀ скелет можно построить по-разному.

При изомерии положения сохраняется порядок соединения атомов углерода, но меняется место кратной связи или функциональной группы. Кратная связь занимает определённое положение в цепи, поэтому её перенос меняет структурную формулу, хотя число атомов остаётся тем же. Например, у бут-1-ена двойная связь начинается у первого атома углерода, а у бут-2-ена — у второго. Сравнение скелетов позволяет не спутать этот случай с разветвлением цепи.

При межклассовой изомерии одна молекулярная формула соответствует разным функциональным группам. Это возможно потому, что атомы одного и того же набора могут образовать разные фрагменты молекулы. В этаноле присутствует группа –OH, характерная для спиртов, а в диметиловом эфире кислород соединяет два углеродных фрагмента. Следовательно, совпадение формулы не означает совпадения строения или класса вещества.

Чтобы выяснить, являются ли две формулы структурными изомерами, сначала сравнивают числа атомов каждого элемента. Если молекулярные формулы отличаются, это не изомеры друг друга. Если формулы одинаковы, сравнивают порядок связей: ищут разветвление, перемещение связи или группы либо различие функциональных групп. В конце проверяют валентности, иначе формула может быть составлена неправильно и сравнение потеряет смысл.

Основные виды структурной изомерии

В таблице указано, какой именно признак нужно сравнить для каждого вида изомерии. Сначала проверьте совпадение молекулярных формул, затем сопоставьте строение из колонки «Что различается». Если меняется только положение связи или группы, не называйте это изомерией скелета.

Разбор задач

Задача 1. Запишите две структурные формулы веществ состава C₄H₁₀ и укажите, чем они различаются. Нужно разместить четыре атома углерода и добавить водороды так, чтобы каждый углерод имел четыре связи. Сначала построим непрерывную цепь, затем проверим, можно ли получить цепь с ответвлением без изменения состава. Запись формул с сокращёнными группами CH₃ и CH₂ удобна для подсчёта атомов.

1. Для неразветвлённой цепи соединяем четыре атома углерода последовательно: CH₃–CH₂–CH₂–CH₃.
2. Для разветвлённого скелета соединяем три атома в главную цепь и присоединяем четвёртый к среднему атому: CH₃–CH(CH₃)–CH₃.
3. В обеих формулах четыре атома C и десять атомов H, поэтому состав совпадает. Сравниваем связи между углеродами: в первой цепь неразветвлённая, во второй — разветвлённая.

Ответ: CH₃–CH₂–CH₂–CH₃ и CH₃–CH(CH₃)–CH₃; это изомеры углеродного скелета. При записи в скобках обозначена боковая группа CH₃. У центрального атома углерода во второй формуле четыре связи: с тремя группами углерода и одним водородом.

Задача 2. Сравните бут-1-ен и бут-2-ен: запишите структурные формулы и определите вид изомерии. В обоих названиях указана цепь из четырёх атомов углерода, поэтому сначала проверяем, одинаков ли скелет. Цифра в названии показывает, от какого атома начинается двойная связь. Затем сравниваем состав и убеждаемся, что атомы распределены по формулам одинаково.

1. Бут-1-ен записываем как CH₂=CH–CH₂–CH₃: двойная связь начинается у первого атома углерода.
2. Бут-2-ен записываем как CH₃–CH=CH–CH₃: двойная связь находится между вторым и третьим атомами.
3. У обеих формул четыре атома C и восемь атомов H, а углеродный скелет неразветвлённый. Значит, различается только положение двойной связи.

Ответ: бут-1-ен и бут-2-ен — структурные изомеры положения кратной связи. При проверке валентности учитываем, что двойная связь считается двумя связями. Каждый атом углерода в обеих формулах в сумме образует четыре связи.

Задача 3. Для формулы C₂H₆O запишите формулы этанола и диметилового эфира, назовите их классы и объясните, почему это изомеры. Формула задаёт два атома углерода, шесть водородов и один кислород, но не сообщает, как кислород включён в молекулу. Составим две структуры, проверим число атомов и сравним связи. По строению определим функциональные группы и класс каждого вещества.

1. Этанол записываем как CH₃–CH₂–OH. Группа –OH связана с углеродной цепью, поэтому этанол относится к спиртам.
2. Диметиловый эфир записываем как CH₃–O–CH₃. Атом кислорода соединяет две группы CH₃, поэтому вещество относится к простым эфирам.
3. В обеих формулах два атома C, шесть H и один O, но порядок связей и функциональные группы различаются. Следовательно, это межклассовые структурные изомеры.

Ответ: CH₃–CH₂–OH — этанол, спирт; CH₃–O–CH₃ — диметиловый эфир, простой эфир. Формула C₂H₆O у них общая, а строение различается. У кислорода в каждой формуле две связи, поэтому его валентность соблюдена.

Типичные ошибки

Ошибка — считать изомерами любые вещества с одинаковой молекулярной формулой. Совпадение состава само по себе недостаточно: у структурных изомеров должен различаться порядок соединения атомов. Иногда ученик принимает одинаковые формулы за доказательство одинаковой структуры, не выписывая связи. Проверьте себя: сопоставьте структурные формулы атом за атомом и найдите, чем различаются их соединения.

Ещё одна ошибка — сравнивать только названия или классы веществ и не проверять молекулярные формулы. Разные названия могут относиться к веществам с разным составом, а тогда это не изомеры. И наоборот, разные классы могут иметь общую формулу. Сосчитайте атомы каждого элемента в обеих формулах и сравните полученный состав до определения вида изомерии.

При составлении структурных формул иногда нарушают валентность, например приписывают углероду пять связей или соединяют кислород только с одним атомом. Такая запись не описывает корректную структуру, даже если число атомов совпадает с заданной формулой. Ошибка возникает, когда сосредотачиваются на подсчёте атомов и забывают проверить связи. Пересчитайте связи у каждого атома: обычно углерод образует четыре, кислород — две, водород — одну.

Изомерию положения можно ошибочно принять за изомерию скелета. При этом забывают, что в первом случае углеродная цепь сохраняется, а перемещается только связь или группа. Путаница возникает, если сравнивать лишь цифры в названиях, не выписывая формулы. Нарисуйте обе структуры и проследите цепь углеродных атомов: одинаковая цепь при разном положении связи означает изомерию положения.

Связь с другими темами

Для составления и сравнения структурных формул нужны знания о молекулярной формуле, валентности атомов и правилах построения углеродных цепей. Без них нельзя надёжно проверить, совпадает ли состав и корректно ли расположены связи. Дальше понимание изомерии помогает изучать номенклатуру и классы органических соединений. Оно также позволяет связывать строение молекул со свойствами веществ, а не рассматривать формулы как простой набор символов.

Что запомнить

• Структурные изомеры имеют одинаковую молекулярную формулу.
• У структурных изомеров различается порядок соединения атомов.
• Изомерия углеродного скелета связана с разным строением цепи.
• Изомерия положения связана с разным положением кратной связи или функциональной группы.
• Межклассовые изомеры относятся к разным классам веществ.
• При составлении структурной формулы необходимо соблюдать валентности атомов.