§ 3. Изомерия

Определения и обозначения

Изомерия — существование веществ с одинаковым составом, но разным строением или пространственным расположением атомов. Иными словами, одинаковый набор атомов может быть собран по-разному. Это понятие помогает объяснить разнообразие органических веществ, не меняя их молекулярной формулы.

Изомеры — вещества, имеющие одинаковую молекулярную формулу, но различающиеся строением или расположением атомов в пространстве. Например, формула C₄H₁₀ подходит и для прямой, и для разветвлённой цепи. Сравнивая изомеры, можно понять, как строение связано со свойствами вещества.

Структурная изомерия — изомерия, при которой различается порядок соединения атомов в молекулах. Атомы связаны по-разному, поэтому отличаются углеродный скелет, положение группы или тип функциональной группы. Это определение нужно, чтобы отличать структурные изомеры от пространственных.

Пространственная изомерия — изомерия, при которой порядок соединения атомов одинаков, но различается их расположение в пространстве. Такие молекулы имеют один и тот же скелет связей, однако их геометрия различна. Это понятие показывает, почему одной структурной формулы иногда недостаточно для полного описания вещества.

Как это устроено

Молекулярная формула сообщает, сколько атомов каждого элемента входит в молекулу, но не указывает, какие атомы связаны друг с другом. Например, формула C₄H₁₀ не говорит, образуют ли четыре атома углерода прямую цепь или разветвлённый скелет. Различное строение меняет форму молекулы и то, как она взаимодействует с другими частицами. Поэтому вещества с одним составом могут иметь разные температуры кипения и плавления, а также по-разному вступать в химические реакции.

Изомерия углеродного скелета возникает потому, что атомы углерода способны соединяться друг с другом в цепи разной формы. Один и тот же набор атомов можно расположить в неразветвлённой цепи или создать ответвление, сохранив число атомов водорода и углерода. Каждый вариант следует проверить по валентности: углерод образует четыре связи, водород — одну. Если формула и валентности совпали, но связи углеродного скелета различны, получены структурные изомеры.

При изомерии положения углеродная цепь остаётся той же, а меняется место функциональной группы или кратной связи. Функциональная группа — атом или группа атомов, определяющая характерные химические свойства класса веществ; кратная связь соединяет два атома несколькими связями. Например, бут-1-ен и бут-2-ен имеют одну углеродную цепь, но двойная связь расположена у разных атомов углерода. В изомерии скелета, напротив, меняется разветвлённость самой цепи, а не только место группы или связи.

Межклассовая изомерия появляется, когда одинаковый состав можно организовать с разными функциональными группами. Так, формуле C₃H₆O соответствуют пропаналь CH₃CH₂CHO, относящийся к альдегидам, и пропанон CH₃COCH₃, относящийся к кетонам. У веществ одинаковое число атомов каждого элемента, но в одном случае есть альдегидная группа, а в другом — карбонильная группа внутри цепи. Разные группы задают разные типичные реакции, поэтому такие изомеры могут заметно различаться химическими свойствами.

Пространственные изомеры возникают, если связи между атомами одинаковы, но группы располагаются по-разному в пространстве. Для геометрической изомерии обычно необходимы условия, ограничивающие вращение, например двойная связь между атомами углерода. У бут-2-ена группы по разные стороны двойной связи могут располагаться одинаково или по разные стороны. Поскольку вращением вокруг двойной связи это различие не устранить, такие варианты считают отдельными изомерами.

Основные виды изомерии

Пользуйтесь таблицей, сравнивая сначала молекулярные формулы, а затем то, что именно меняется в молекулах. Если меняется цепь, это изомерия скелета; если только положение группы или связи — изомерия положения. Когда порядок связей одинаков, но отличается пространственное расположение, речь идёт о геометрической изомерии.

Разбор задач

Задача 1. Для молекулярной формулы C₄H₁₀ запишите все возможные структурные формулы и укажите число изомеров. Будем менять соединение атомов углерода, сохраняя четыре атома углерода и десять атомов водорода. Сначала проверим цепь без ответвлений, затем — возможное разветвление.

1. Соединяем четыре атома углерода в прямую цепь: CH₃–CH₂–CH₂–CH₃. У крайних атомов по три водорода, у внутренних — по два, всего 3 + 2 + 2 + 3 = 10.
2. Строим разветвлённый скелет: центральный атом углерода соединяем с тремя атомами углерода. Формула получается (CH₃)₃CH: у трёх крайних групп по три водорода и ещё один водород у центрального атома, всего 10.
3. Проверяем, не получаются ли другие варианты только перестановкой одинаковых ветвей. При четырёх атомах углерода иных связных скелетов нет, а валентность углерода в обоих вариантах соблюдена.

Ответ: два изомера — бутан CH₃–CH₂–CH₂–CH₃ и 2-метилпропан (CH₃)₃CH. Они имеют одинаковую формулу C₄H₁₀, но разный углеродный скелет.

Задача 2. Для формулы C₃H₆O составьте пары изомеров, относящихся к разным классам органических соединений. Нужно сохранить число атомов и подобрать такие функциональные группы, чтобы валентности не нарушались. Один надёжный способ — вспомнить разные классы соединений, для которых возможна эта формула.

1. Составляем альдегид CH₃CH₂CHO. Его три атома углерода, шесть водородов и один кислород дают формулу C₃H₆O.
2. Составляем кетон CH₃COCH₃. Здесь также три атома углерода, шесть водородов и один кислород, но карбонильная группа находится внутри цепи.
3. Проверяем строение: в альдегиде атом углерода группы CHO расположен на конце цепи, а в кетоне атом кислорода двойной связью соединён с внутренним атомом углерода. Все валентности соблюдены, а вещества относятся к разным классам.

Ответ: пропаналь CH₃CH₂CHO и пропанон CH₃COCH₃ — межклассовые изомеры. При составлении других вариантов сначала сверяйте число атомов, а затем проверяйте тип связей и валентности.

Задача 3. Определите вид изомерии в парах: бутан и 2-метилпропан; бут-1-ен и бут-2-ен; цис-бут-2-ен и транс-бут-2-ен. Сравните молекулярные формулы, связи между атомами и расположение групп. Такой порядок проверки позволяет не спутать разные основания изомерии.

1. Бутан и 2-метилпропан имеют формулу C₄H₁₀, но разный порядок соединения атомов углерода. Это изомерия углеродного скелета; строение различно, состав одинаков.
2. Бут-1-ен и бут-2-ен имеют формулу C₄H₈ и одну и ту же углеродную цепь, но двойная связь стоит в разных местах. Это изомерия положения; различается строение, а свойства могут отличаться.
3. Цис- и транс-бут-2-ен имеют одинаковые связи и состав, но группы расположены по-разному относительно двойной связи. Это геометрическая изомерия: порядок соединения тот же, пространственное расположение различно.

Ответ: в первой паре — изомерия скелета, во второй — положения, в третьей — геометрическая изомерия. В каждой паре формулы совпадают, но причины различия строения разные.

Типичные ошибки

Ошибка — считать изомерами вещества с разными молекулярными формулами. Её допускают, когда сравнивают только названия или отдельные фрагменты формул, забывая проверить полный состав. Сначала пересчитайте атомы каждого элемента в обеих молекулах: несовпадение хотя бы одного числа исключает изомерию.

Разные изображения одной молекулы иногда принимают за разные изомеры. Причина в том, что развёрнутые формулы могут быть нарисованы под разными углами, а вокруг одинарной связи возможно вращение. Проверьте, можно ли совместить изображения поворотом молекулы или вращением вокруг одинарной связи; если можно, это не разные изомеры.

При изменении положения группы или связи можно случайно нарушить валентность либо число атомов. Это происходит, если переставить фрагмент, не пересчитав водороды и связи соседних атомов. После каждого изменения проверьте, что углерод образует четыре связи, кислород обычно две, водород одну, а молекулярная формула осталась прежней.

Изомерию углеродного скелета путают с изомерией положения группы или кратной связи. В обоих случаях формулы одинаковы, поэтому одного сравнения состава недостаточно. Сначала сравните соединение атомов углерода: изменение разветвлённости указывает на изомерию скелета, а перемещение группы или кратной связи при прежней цепи — на изомерию положения.

Связь с другими темами

Чтобы разбираться в изомерии, нужно знать валентности атомов, уметь читать молекулярные и структурные формулы и понимать состав органических веществ. Также пригодится навык построения углеродных цепей и распознавания функциональных групп: без него трудно предложить допустимые варианты строения. Дальше это знание помогает изучать номенклатуру, свойства и способы получения органических веществ. Например, прежде чем назвать вещество или предсказать его реакции, нужно определить, какая именно структура соответствует формуле.

Что запомнить

• Изомеры имеют одинаковую молекулярную формулу.
• Изомеры отличаются строением или пространственным расположением атомов.
• Разное строение молекул может приводить к разным физическим и химическим свойствам.
• Структурная изомерия связана с различным порядком соединения атомов.
• Основные виды структурной изомерии — изомерия скелета, положения и межклассовая изомерия.
• Пространственная изомерия возникает при различном расположении атомов в пространстве.