§ 7. Изомерия и её виды

Определения и обозначения

Изомеры — вещества с одинаковым качественным и количественным составом, но различным строением и свойствами. Иными словами, в их молекулах одинаковые виды и числа атомов, однако связи между атомами или их расположение различаются. Это понятие позволяет отличать совпадение состава от совпадения самого вещества.

Структурная изомерия — различие изомеров в порядке соединения атомов в молекулах. При ней меняется схема связей: например, может ветвиться углеродная цепь или перемещаться кратная связь. Определение помогает искать разные структурные формулы, соответствующие одной молекулярной формуле.

Пространственная изомерия — различие изомеров в расположении атомов или групп атомов в пространстве при одинаковом порядке связей. Значит, одних плоских схем связей иногда недостаточно: надо учитывать, с какой стороны находятся группы. Это понятие нужно, чтобы различать молекулы, у которых связи одинаковы, но пространственное строение не совпадает.

Геометрическая изомерия — пространственная изомерия, возникающая из-за различного расположения заместителей относительно двойной связи или плоскости цикла. Заместители — это атомы или группы атомов, присоединённые к основной части молекулы. Термин помогает описать устойчивые варианты их расположения, которые нельзя превратить один в другой простым вращением.

Как это устроено

Чтобы возникла изомерия, молекулярная формула должна быть одной и той же: именно она задаёт число атомов каждого элемента и ограничивает возможные связи. Например, атомы углерода способны соединяться в цепи разной формы, но каждая предложенная структура должна соблюдать валентности и общее число атомов. Поэтому одинаковый состав не даёт единственного строения, а лишь очерчивает набор допустимых вариантов. Если же формулы различаются, перед нами не изомеры, а разные по составу вещества.

Когда меняется способ соединения атомов углерода, возникает изомерия углеродного скелета. Для C₄H₁₀ можно построить цепь из четырёх атомов углерода или цепь из трёх атомов с ответвлением; обе структуры удовлетворяют одной формуле. Другой вариант — сохранить скелет, но перенести по нему кратную связь или функциональную группу. Тогда меняется её положение, а не форма углеродной цепи: так различаются бут-1-ен и бут-2-ен.

Одна молекулярная формула может допускать не только разные цепи, но и разные способы объединить атомы в функциональные группы. Функциональная группа — часть молекулы, которая во многом определяет принадлежность вещества к классу и его характерные реакции. Если связи складываются, например, в гидроксильную группу –OH или в эфирную связь –O–, получаются вещества разных классов. Это межклассовая изомерия: состав одинаков, но строение функциональных групп и свойства различаются.

Одинарная связь обычно допускает вращение частей молекулы, поэтому разное мгновенное положение групп по обе стороны от неё часто не означает появления самостоятельных изомеров. У двойной связи вращение затруднено: для него пришлось бы нарушить дополнительную связь между атомами углерода. Поэтому заместители могут устойчиво находиться по одну или по разные стороны двойной связи. Геометрическая изомерия возможна, когда каждый из двух атомов углерода при двойной связи связан с разными заместителями; похожее ограничение создаёт замкнутая цепь цикла.

Структурные изомеры различаются тем, какие атомы связаны друг с другом, а пространственные — тем, как при одинаковом порядке связей атомы ориентированы в пространстве. Изменение строения влияет на форму и взаимодействие молекул, а значит, может менять температуры кипения и плавления, растворимость и химическую активность. При этом не следует считать, что любой изомер обязательно отличается от другого по каждому свойству: сравнивают конкретные вещества и конкретные характеристики. Такое различение строения помогает объяснять, почему одной молекулярной формулы недостаточно для полного описания вещества.

Основные виды изомерии

Пользуйтесь таблицей как проверочным маршрутом: сначала сравните молекулярные формулы, затем выясните, какие именно особенности строения различаются. Если цепь одна и та же, проверьте положение кратной связи или группы; если различаются функциональные группы, это межклассовый случай. Для геометрической изомерии дополнительно установите, ограничено ли вращение и могут ли заместители занимать устойчивые разные положения.

Разбор задач

1. Состав C₄H₁₀

Условие. Для состава C₄H₁₀ изобразите структурные формулы возможных веществ и определите вид изомерии. Решение:

1. Распределите четыре атома углерода в непрерывную цепь: CH₃–CH₂–CH₂–CH₃. Такая структура называется бутаном.
2. Постройте вариант с ответвлением, не меняя числа атомов: CH₃–CH(CH₃)–CH₃. Его название — 2-метилпропан.
3. Проверьте состав: в обеих формулах четыре атома углерода и десять атомов водорода. Связи между атомами углерода устроены по-разному, потому что во втором веществе цепь разветвлена.

Ответ: бутан и 2-метилпропан — структурные изомеры состава C₄H₁₀; это изомерия углеродного скелета. Перебирать цепи нужно без изменения общей формулы и с соблюдением валентности каждого атома.

2. Бут-1-ен и бут-2-ен

Условие. Сравните бут-1-ен и бут-2-ен: установите, чем различаются их строение и названия. Решение:

1. Запишите формулы: бут-1-ен — CH₂=CH–CH₂–CH₃, бут-2-ен — CH₃–CH=CH–CH₃.
2. Сопоставьте скелеты: в обоих случаях непрерывная цепь содержит четыре атома углерода, поэтому углеродный скелет не изменён.
3. Найдите место двойной связи. В бут-1-ене она начинается у первого атома углерода, в бут-2-ене — у второго; цифра в названии указывает её положение.

Ответ: вещества различаются положением двойной связи и являются изомерами положения. Если у бут-2-ена рассматриваются варианты расположения заместителей у двойной связи, возможно также уточнять его геометрическую изомерию.

3. Состав C₂H₆O

Условие. Для состава C₂H₆O предложите структурные формулы веществ разных классов, назовите их и укажите вид изомерии. Решение:

1. Расположите атомы так, чтобы кислород входил в гидроксильную группу: CH₃–CH₂–OH. Это этанол, относящийся к спиртам.
2. Постройте другой вариант, поместив атом кислорода между двумя углеводородными группами: CH₃–O–CH₃. Это диметиловый эфир.
3. Сверьте число атомов: у каждой структуры два атома углерода, шесть водорода и один кислорода. При этом функциональные группы и классы веществ различаются.

Ответ: этанол и диметиловый эфир — межклассовые изомеры состава C₂H₆O. Ключ к решению — сохранить состав, но изменить порядок соединения атомов так, чтобы получились разные функциональные группы.

Типичные ошибки

Ошибка: называть изомерами вещества с разными молекулярными формулами. Иногда сходство названий или свойств принимают за достаточное основание, но обязательное условие изомерии — одинаковый состав. Проверьте число атомов каждого элемента: если оно не совпадает, это не изомеры.

Ошибка: считать одинаковую формулу обозначением одного вещества. Формула состава не показывает, как атомы соединены, поэтому ей могут соответствовать разные молекулы. Сверьте структурные формулы: различный порядок связей или пространственное расположение способен указывать на изомерию.

Ошибка: путать изомерию положения с изомерией углеродного скелета. Их смешивают, потому что в обоих случаях меняется изображение молекулы. Проверьте связи C–C: если цепь сохранилась, а сдвинулась кратная связь или группа, это изомерия положения; если изменилась форма цепи, это скелетная изомерия.

Ошибка: считать геометрическими изомерами молекулы, свободно вращающиеся вокруг одинарной связи. Разные рисунки таких молекул могут быть лишь результатом поворота, а не устойчивыми вариантами. Проверьте, есть ли ограничение вращения, например двойная связь или цикл, и различаются ли заместители у её концов.

Связь с другими темами

Для изучения изомерии понадобятся умения определять молекулярную формулу, строить структурные формулы и различать одинарные и кратные связи. Эти навыки позволяют проверять, соблюдён ли состав и где именно строение меняется. Изомерия пригодится при изучении номенклатуры, свойств и способов получения органических веществ: название и свойства зависят не только от состава, но и от строения. Представления о пространственном строении станут основой дальнейшего изучения стереохимии и биологически активных веществ.

Что запомнить

• Изомеры имеют одинаковый состав, но различаются строением.
• Структурные изомеры отличаются порядком соединения атомов.
• Разветвление цепи создаёт изомерию углеродного скелета.
• Перемещение кратной связи или функциональной группы создаёт изомерию положения.
• Вещества разных классов могут иметь одну молекулярную формулу.
• Геометрическая изомерия связана с ограничением вращения и различным расположением заместителей.