"Химия (углублённый уровень)", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е., Теренин В.И. и др./Под ред. Лунина В.В.
Пространственная изомерия возникает, когда вещества имеют одинаковый состав и порядок соединения атомов, но различаются расположением атомов в пространстве. Из-за этого изомеры могут по-разному взаимодействовать со светом и другими веществами. Геометрическая изомерия связана с ограничением вращения, например около двойной связи, а оптическая — с особенностями строения молекулы и её зеркальным отражением. Чтобы распознавать такие изомеры, нужно учитывать не только связи, но и форму молекулы.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Пространственная изомерия — существование веществ с одинаковым составом и одинаковым порядком связей между атомами, но разным расположением атомов в пространстве. Такие вещества называют пространственными изомерами. Это понятие помогает понять, почему одной структурной формулы иногда недостаточно: молекулы с одинаковыми связями могут различаться формой и свойствами.
Геометрическая изомерия — разновидность пространственной изомерии, при которой группы атомов по-разному расположены относительно ограничивающей вращение связи. Её часто обозначают приставками цис- и транс-: цис- означает «по одну сторону», транс- — «по разные стороны». Эти обозначения нужны, чтобы различать формы молекул, например у алкенов.
Оптическая изомерия — пространственная изомерия, при которой молекулы являются несовмещаемыми зеркальными отражениями друг друга. Такие молекулы называют энантиомерами. Термин нужен, чтобы описывать пары веществ, которые отличаются направлением вращения плоскости поляризованного света.
Хиральность — свойство объекта не совмещаться со своим зеркальным отражением. Часто её причиной становится атом углерода, связанный с четырьмя разными группами. Поиск такого атома помогает определить, может ли молекула иметь оптические изомеры.
Пространственные изомеры не отличаются тем, какие атомы соединены друг с другом: различается их взаимное расположение в пространстве. Поэтому сначала определяют состав молекулы и порядок связей, а уже потом сравнивают её пространственную форму. Если меняется порядок соединения атомов, речь идёт о структурной, а не пространственной изомерии. Такое различение не даёт смешать разные причины существования изомеров.
Геометрическая изомерия появляется, когда вокруг связи нельзя свободно повернуть одну часть молекулы относительно другой. В алкенах вращение вокруг двойной связи ограничено: для поворота пришлось бы нарушить одну из связей между атомами углерода. Поэтому заместители по разные стороны двойной связи сохраняют своё положение. Для возникновения цис- и транс-форм каждый атом углерода при двойной связи должен иметь два разных заместителя; иначе нельзя однозначно различить расположения.
При сравнении геометрических изомеров важно выбрать группы, положение которых описывают. В простом случае, когда у каждого атома углерода при двойной связи есть атом водорода, сравнивают водороды или одинаковые группы: они находятся по одну сторону связи у цис-изомера и по разные стороны у транс-изомера. Более сложные соединения могут иметь несколько разных заместителей, поэтому одной лишь записи названия недостаточно — нужно внимательно смотреть на строение. Различное расположение групп меняет форму молекулы, а вместе с ней могут меняться физические и химические свойства вещества.
Оптическая изомерия возникает, если молекула хиральна. Частый случай — атом углерода с четырьмя разными заместителями: его окружение может иметь две зеркальные формы. Они не совмещаются, как левая и правая ладони, хотя связи между атомами в них одинаковы. Такой атом называют асимметрическим, или хиральным центром; наличие одного центра часто позволяет ожидать пару энантиомеров.
Энантиомеры обычно одинаково ведут себя в среде, которая сама не различает их пространственную форму, поэтому многие обычные свойства у пары совпадают. Но они по-разному взаимодействуют с плоскостью поляризованного света: один вращает её в одну сторону, другой — в противоположную. В живых организмах различия могут быть особенно значимы, потому что биологические молекулы сами обладают определённой пространственной формой. Поэтому пространственное строение учитывают не только при назывании веществ, но и при изучении их действия.
| Вид | Причина | Как распознать | Пример |
|---|---|---|---|
| Геометрическая | Ограничение вращения вокруг связи | Различное расположение заместителей относительно двойной связи или цикла | Цис- и транс-бут-2-ен |
| Оптическая | Хиральность молекулы | Молекула не совмещается со своим зеркальным отражением; часто есть атом углерода с четырьмя разными группами | Зеркальная пара молекул молочной кислоты |
Пользуйся таблицей, чтобы сначала определить, чем вызвано различие: ограничением вращения или хиральностью. Затем проверь признаки в формуле и назови вид изомерии. Один и тот же молекулярный состав сам по себе ещё не доказывает, что перед нами пространственные изомеры.
Задача. Определите, возможна ли геометрическая изомерия у бут-1-ена CH₂=CH–CH₂–CH₃ и бут-2-ена CH₃–CH=CH–CH₃. Если возможна, укажите, какие формы могут существовать у вещества. При решении важно не ограничиваться подсчётом атомов углерода: нужно выяснить, какие группы связаны с каждым атомом углерода двойной связи. Только так можно понять, различимы ли два пространственных расположения.
Ответ: бут-1-ен не имеет геометрических изомеров, потому что у одного углерода двойной связи два одинаковых заместителя. У бут-2-ена возможны цис- и транс-формы, так как у каждого углерода двойной связи по два разных заместителя. Проверка условия на каждом атоме двойной связи позволяет не спутать наличие двойной связи с наличием геометрической изомерии.
Ошибка: считать, что любая двойная связь автоматически означает геометрическую изомерию. Её допускают, потому что помнят об ограниченном вращении, но забывают проверить заместители. Проверь формулу отдельно у каждого атома углерода двойной связи: у каждого должны быть две разные группы.
Ошибка: называть цис- и транс-формами любые две молекулы с разным расположением групп. Эти обозначения относятся к конкретному сравнению заместителей относительно двойной связи или цикла. Перед ответом укажи, какие группы сравниваешь, и установи, находятся ли они по одну сторону или по разные стороны.
Ошибка: считать зеркальные формы одной и той же молекулой. Похожесть формул вводит в заблуждение, ведь порядок связей совпадает. Мысленно отрази молекулу и проверь, можно ли совместить её с отражением поворотом; если нельзя, формы являются энантиомерами.
Ошибка: путать хиральный центр с любым атомом углерода. Наличие атома углерода ещё не означает оптическую изомерию. Проверь, связаны ли с ним четыре разные группы: если среди них есть одинаковые, такой атом не является хиральным центром.
Пространственная изомерия опирается на знания о химической связи и строении молекул: именно тип связи объясняет, возможно ли свободное вращение. Её изучают вместе с номенклатурой органических соединений, потому что приставки цис- и транс- уточняют название вещества. Оптические изомеры связывают тему со свойствами света и биохимией: направление вращения поляризованного света и взаимодействие молекул с организмом зависят от пространственной формы.
§ 67. Пространственная изомерия
