Što je geometrijski izomer?

Geometrijski izomeri su cis-trans izomerija ili EZ izomerija. Njihovo djelovanje temelji se na ograničenoj rotaciji dvostrukih ili pojedinačnih ugljikovih veza u cikličkim spojevima.U cikličkoj vezi, rotacija između ugljične jednostruke veze je ograničena i dvije različite skupine su vezane na svaki ugljikov izomerizam na sličan način. Takvi geometrijski izomeri često se razlikuju po svojim fizičkim svojstvima. To je zbog oblika izomera i ukupnog dipolnog momenta. Ako dva atoma s najvišim prioritetom ostaju na istoj strani izomera, označavaju ih kao Z, a ako se nalaze na suprotnoj strani, E.

Kratka povijest izomerizma

Koncept ustavnog izomerizma značajan je iskorak u povijesti moderne kemije, a osobito u razvoju organske kemije. Do kraja 1700-ih, nekoliko čistih supstanci je izolirano proučavanjem "životinjske" i "biljne" kemije. Mnogi su ih primili Karl Wilhelm Scheele (1742.-1978.). Zbog velike raznolikosti organskih spojeva, svaka nova supstanca predstavljala je drugačiji elementarni sastav, što je odgovaralo generaliziranom promatranju "mineralne" kemije. Broj izoliranih organskih spojeva povećao se početkom 19. stoljeća, kroz identifikaciju različitih tvari.

Thomas Thomson je u svojoj knjizi povijesti kemije napisao 1830.

Berzelius je primijenio teoriju atoma i na biljno kraljevstvo, nakon što je analizirao nekoliko biljnih kiselina i pokazao svoju atomsku konstituciju, ali ovdje se javlja poteškoća, koju ne možemo savladati u sadašnjem stanju našeg znanja. Postoje dvije kiseline koje se sastoje od točno istih atoma. Kako bismo trebali objasniti tu upečatljivu razliku u svojstvima? Nesumnjivo, na različite načine u kojima se atomi nalaze u svakoj od njih.

Thomson je tada koristio različite sheme atomskih simbola korištenih u to vrijeme kako bi objasnio zašto dvije kiseline s istim elementarnim sastavom, koje se odnose na geometrijske izomere, imaju različita fizička i kemijska svojstva.

Sve do početka XIX. Stoljeća smatralo se da te kemikalije koje se nalaze u živim organizmima imaju posebnu životnu snagu povezanu s živim bićima i da su potrebne u živim sustavima za reprodukciju. Godine 1828. Wohler je sintetizirao uzorak uree, (NH2) 2CO (također CH4N2O), koji se nije mogao razlikovati od ureje izolirane iz biološkog urina.

Ovu "životinjsku" tvar pripremio je iz jasno anorganskog (mineraloškog) polaznog materijala amonijevog cijanata, (NH4) NCO (također CH4N2O), što je rezultat kombiniranja amonijevog klorida i srebrovog cijanata. Stoga je barijera između "živog" i "neživog" izomerizma propala.

Određivanje izomera

U cis-izomeru dvije takve skupine ostaju na istoj strani dvostruke veze, dok u trans-izomeru ostaju u suprotnom smjeru. Na primjer, 2-buten ima dva cis i trans izomera.

U cis-izomeru dvije metilne skupine i dvije skupine vodika ostaju u istoj strani dvostruke veze, dok u trans-izomeru ostaju u suprotnom smjeru.

Kada jedna ili više skupina povezanih s dvostrukom vezom nisu iste, izomeri se nazivaju E ili Z. Da bi se obavijestio o tom tipu, korisnik će morati odrediti formule ugljikovodika koji imaju geometrijske izomere i odrediti atom s najvišim prioritetom (najveći atomski broj) vezan za svaku dvostruku vezu C. Ako dva atoma s najvišim prioritetom ostanu na istoj strani izomera, koji je označen kao Z, i, ako su na suprotnoj strani, označeni su kao E.

Na primjer, 1-brom-l-fluoropropan ima dva izomera. U Z-l-brom-l-fluoropropanu može se vidjeti da brom ima veći prioritet ili viši atomski broj (35) od fluora (9), koji su vezani za C-1. Ugljik ima veći atomski broj (6) od vodika (1), koji je vezan za C-2 ovog spoja. Budući da su atomi ugljika s najvišim prioritetom (iz skupine -CH3) i broma vezani za ta dva atoma ugljika na istoj strani, taj spoj je definiran kao Z. S druge strane, u E-1-brom-1-fluoropropanu s najvišim prioritet C i brom su u suprotnom smjeru, tako da se naziva E-izomer.

Ugljik-ugljik dvostruka veza

Izomeri su dvije molekule koje imaju isti atomski sastav, ali nisu identične. Atomi u dva izomera mogu biti povezani različitim redoslijedom (strukturna izomerija), ili mogu biti povezani na isti način, ali imaju različitu orijentaciju - prostorni stereoizomerizam.

Strukturni i geometrijski izomer u posebnim slučajevima, stereoizomer, mora ispunjavati dva zahtjeva:

1. Postoji ograničena rotacija u molekuli.
2. Oba atoma uključena u restriktivnu vezu imaju za njih dvije različite funkcionalne skupine.

Uobičajeni primjer ograničene rotacije je dvostruka veza ugljik-ugljik. Ove veze uključuju vezu pi, u većini uvjeta nije profitabilno razbiti ih.

Geometrijski izomeri imaju strukturu koja utječe na fizička svojstva spoja.

Cis / Trans sustav

Imenovanje Cis / Trans je najlakši sustav za povezivanje. Najprije se identificira najdulji ugljikov lanac u molekuli, a zatim se identificiraju funkcionalne skupine od interesa. U cis izomeru dvije su dotične skupine na istoj strani dvostruke veze (cis znači "na istoj strani" na latinskom). U trans-izomeru, dvije razmatrane skupine su na suprotnim stranama dvostruke veze (trans znači preko latinskog jezika). Na primjer, dva različita geometrijska izomera butena-2.

Oba atoma s dvostrukom vezom imaju iste dvije skupine kao ove dvije skupine, ali se međusobno razlikuju na jednom od dvostrukih ugljika. Zadatak je kompliciran kako bočni lanci i funkcionalne skupine postaju složenije.

Službena IUPAC-ova konvencija o imenovanju je E / Z. Ne postoji specifičan odnos između cis / trans i E / Z, a ta dva sustava nisu zamjenjiva. Oznaka E / Z koristi Cahn-Ingold-Prelog pravila prioriteta i smatra se pouzdanijom. Naziv IUPAC fumarne kiseline je trans-izomer sa formulom HO2CCH = CHCO2H, a maleinska kiselina je cis-butandična kiselina.

IUPAC je Međunarodna unija čiste i primijenjene kemije, koja određuje međunarodna pravila i standarde za označavanje kemikalija na svim jezicima.

Ciklički spojevi

U cikličkoj vezi, rotacija između jednostruke veze ugljika je ograničena. Prema tome, izomerizam je također moguć za ovaj tip spoja ako su dvije različite skupine vezane na svaki ugljik. Postoje dva izomera 1,2-dimetilciklopropana.

Jedan od njih je cis izomer, gdje su dvije metilne skupine na jednoj strani, a druga je trans izomer, gdje su dvije metilne skupine s druge strane.

Geometrijski izomeri razlikuju se po svojim fizičkim svojstvima. To je zbog oblika izomera i ukupnog dipolnog momenta. Na primjer, oni se razlikuju po točki vrenja. Vrelište cis- i trans-izomera 1,2-dikloroetilena je 60,3 ° C i 47,5 ° C.

U cis-izomeru, prisutnost dipolnih veza (C-Cl) daje ukupni molekulski dipol. To dovodi do intermolekularnih dipol-dipolnih sila. Za ovu silu, cis-izomer ima višu točku vrenja od trans-izomera, gdje se dvije dipolne veze (C-Cl) poništavaju zbog njihovog položaja u suprotnom smjeru.

Razlog zašto nije moguće rotirati dvostruku vezu ugljik-ugljik je da postoje dvije veze koje zajedno spajaju ugljikove atome i morate prekinuti pi vezu. Pi veze nastaju tijekom lateralnog preklapanja p-orbitala. Ako pokuša pretvoriti dvostruku vezu ugljik-ugljik, p-orbitale više neće poravnavati, te će stoga biti prekinuta i veza. Energija se troši na to, a to se događa samo ako je spoj jako vruć.

Konstrukcija strukturnih formula

Vrlo je lako izostaviti važne elemente geometrijskih izomera tijekom konstrukcije strukturnih formula za vrijeme kontrakcije. Na primjer, vrlo je primamljivo crtati but-2-en.Ako korisnik to pogrešno napiše, spoj više neće biti izomer. Ako postoji i najmanja naznaka da se može koristiti izomer, uvijek je potrebno upotrijebiti spojeve koji sadrže dvostruke veze ugljik-ugljik, koje pokazuju pravilne kutove (120 °) oko atoma ugljika na krajevima veze. Drugim riječima, morate koristiti format prikazan na slici.

Spojevi koji sadrže dvostruku vezu ugljik-ugljik imaju ograničenu rotaciju. Za dobivanje izomera moraju se ispuniti sljedeći uvjeti:

• ograničena rotacija, obično uključuje dvostruku vezu ugljik-ugljik;
• dvije različite skupine na lijevom kraju veze i dvije različite skupine na desnom kraju.

Nije važno hoće li se lijeve skupine podudarati s desnicom ili ne.

Alkenes: Molekularne i strukturne formule

Geometrijski izomeri alkena uključuju niz spojeva koji se sastoje od C i H atoma u ugljikovom lancu. Ova skupina uključuje homologne serije s formulom CnH2n. Najjednostavniji alken je eten, ima dva C-atoma i formulu C2H4.

Strukturna formula za eten prikazana je na gornjoj slici. U dužim lancima alkena, dodatni ugljikovi atomi su vezani jedan s drugim pomoću nekih kovalentnih veza. Svaki ugljikov atom je također vezan na dovoljno atoma vodika da proizvede ukupno četiri jednostruke kovalentne veze.

U lancima s četiri ili više C-atoma, dvostruka veza može biti smještena u različitim položajima, što dovodi do stvaranja strukturnih izomera. Osim strukturnih izomera, alkeni također tvore stereoizomere. Budući da je rotacija oko višestruke veze ograničena, skupine vezane za atome s dvostrukom vezom uvijek ostaju u istim relativnim položajima.

Ove "blokirane" pozicije omogućuju kemičarima da identificiraju različite izomere iz supstituenata kako bi odredili koja tvar ima geometrijske izomere. Na primjer, jedan strukturni izomer C5H10 ima sljedeće stereoizomere.

Izomer na lijevoj strani, u kojem su dva supstituenta (metilna i etilna skupina) na istoj strani dvostruke veze, naziva se cis izomer, dok je izomer na desnoj strani s dva supstituenta koji nisu vodik na suprotnim stranama je trans izomer.

Na primjer, klor ima prednost jer je teži. S desne strane, brom je bolji od ugljika. Treće, određeni su položaji dvaju atoma višeg ranga. Ako su dva atoma u cis položaju, mjesto je Z (od njemačkog zusammena, što znači "zajedno"). Ako su atomi ili skupine u trans-položaju, mjesto je E (od njemačkog entgegena, što znači "suprotno").

Spojevi tvrde dvostruke veze

Geometrijski izomeri buten je alken s tvrdom dvostrukom vezom. To znači da postoje zapravo četiri izomera, a ne tri, u položaju dvostruke veze. Postoje peti i šesti ugljikovodici istog sastava, ali oni nisu alkeni, unatoč istoj formuli.

Oblikovanje ciklobutana ili metilciklopropana zauzima prostor od dva atoma vodika kao dvostruku vezu, što dovodi do činjenice da imaju formule identične različitim butenima.

Primjeri geometrijskih izomera:

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

I bonusi: ciklobutan i metilciklopropan, oboje imaju istu empirijsku formulu kao izomere butena, ali nisu alkeni. Prvo ime je "zajedničko" ili "trivijalno" ime, a ime u zagradama je naziv IUPAC.

Izomeri butena

Butene ima mnogo koristi, od goriva u automobilu do vrećica s namirnicama koje stotine milijuna ljudi diljem svijeta nosi svaki dan. Kemijska formula za buten: C4H8, što znači da se sastoji od četiri C-atoma i osam H-atoma, spoj se odnosi na alken.

Postoji nekoliko različitih izomera ili molekularnih struktura koje mogu tvoriti ovaj spoj (IUPAC nazivi su prikazani u zagradama):

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

Iako svi imaju istu formulu, njihove strukture su različite. Omjeri između svakog od ovih geometrijskih izomera su u osnovi ustavni, što znači da imaju istu molekularnu formulu, ali različite veze. Iznimka je cis-beta-butilen i trans-beta-butilen.

Mnogi ljudi znaju da su trans masti štetne za ljude, a nezasićene masti su dobre za njih. Jedina razlika između ove dvije masti je u tome što jedna ima trans vezu, a druga ima cis vezu, međutim, ova mala diferencijacija može značajno utjecati na funkciju molekule.

Kod cis-beta-butilena i trans-beta-butilena, atomi su u istom redoslijedu, ali su polariteti različiti. Cis izomer je polarni, s obje CH3 skupine na istoj strani. To ga čini zaista glomaznim i složenim, trans-izomer je nepolaran, izmjenjuju se volumetrijske skupine CH3, što daje više prostora u molekuli. Taj se omjer naziva cis-trans-izomerizam. Cis izomeri su polarni, dok trans izomeri nisu.

Unatoč činjenici da se svaki od ovih izomera butena sastoji od istih materijala, svaki od njih ima različita fizikalna svojstva. Na primjer, točka vrenja:

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.

Materijal za proizvodnju plastike

Buteni su alkeni s četiri ugljikova atoma, C4H8. Postoji nekoliko različitih strukturnih ili konfiguracijskih izomera butena, uključujući geometrijske i optičke izomere. Sva četiri butena imaju slična fizikalna svojstva, bezbojni plinovi, teški u vodi, lako topljivi u eteru i alkanima. Razlike u fizikalnim svojstvima objašnjavaju se strukturom molekula. Na primjer, cis-But-2-en ima višu točku vrenja od trans-But-2-en, jer je jači dipol.

Dvije alkilne skupine cis-izomera djeluju sa svojim + 1 efektom u jednom smjeru i time se povećavaju, dok dvije alkilne skupine trans-izomera djeluju u suprotnim smjerovima i tako se međusobno oslabljuju. Formule za ugljikovodike s geometrijskim izomerima naznačene su IUPAC standardima. But-1-en ima tako nisku točku taljenja, budući da je CC jedna veza između drugog i trećeg ugljikovog atoma, slobodna rotacija i etilna skupina mogu rotirati oko osi rotacije u svim smjerovima.

To otežava klasificiranje molekule u čvrstu kristalnu strukturu. Preostala tri butena s dvostrukom vezom između 2. i 3. C-atoma vrlo su kruta i mogu se lako klasificirati u kristalnu strukturu. Stoga imaju relativno visoke točke taljenja. Ovi argumenti nisu uvijek valjani, jer primjer pokazuje 2-metil-but-2-en (ili izobuten). Dvije metilne skupine sa svojim + I-efektima djeluju u istom smjeru kao cis-But-2-en, i zapravo ih je potrebno poboljšati. Međutim, izobuten ima vrlo nisku točku vrenja od samo -7 ° C.

But-1-en i But-2-en se koriste za dobivanje butadiena i butan-2-ola. Osim toga, alkeni se koriste kao alkilirajući agensi. Prema tome, važno gorivo 2,2,4-trimetil-pentan, poznatiji kao izooktan, dobiva se iz izobutena i izobutana. Konačno, buteni su polazni materijali za proizvodnju nekih plastika, jer se lako polimeriziraju. Poznata plastika na bazi But-1-en, je polibuten-1, iz koje su napravljene cijevi.

Pentan, n-pentan, izopentan

Pentan ili n-pentan je jedan od zasićenih alkanskih ugljikovodika. N-pentan gotovo bez mirisa je tekućina u uvjetima okoliša i izomer heraketita od 3 izomera. Razgranati tekući izoalkani C5 - C16 sve više se koriste kao gorivo (Otto, Diesel). Osim toga, ovi alkani su prisutni u loživim uljima i uljima za podmazivanje. Pružaju potpuno spaljivanje. Prije nego što saznate karakteristike takvih spojeva, morate navesti formule ugljikovodika s geometrijskim izomerima:

1. Fizikalno stanje - tekućina.
2. Boja - bezbojna.
3. Miris - gotovo ne.
4. Lako zapaljivo.
5. Pare mogu stvoriti eksplozivne smjese kada su izložene zraku.
6. Topljivost u vodi je vrlo niska (praktički netopiva).
7. Vrlo nestabilna veza.

Najvažniji izvori pentana su naftna ulja, koja se značajno razlikuju po sastavu ovisno o njihovom podrijetlu. Odvajanje se vrši frakcijskom destilacijom. Ovdje su dobivene sljedeće frakcije:

1. Parafinsko ulje (vrelište> 320 ° C).
2. Ulje (točka vrelišta 180 do 250 ° C).
3. Grijanje / dizelsko gorivo (vrelište 250 do 320 ° C).
4. Sirovi benzin (točka vrenja do oko 180 ° C).
5. U nafti postoje razgranati ugljikovodici (alkani) od C5 do C10.
6. Izgaranje pentana s kisikom (stehiometrijski).
7. Krajnji proizvodi su ugljični dioksid i voda. Formule geometrijskih izomera: C5H12 + 8O2 CO 5CO2 + 6H2O.

Geometrijski izomer penten-2 je univerzalno otapalo. Koristi se za pjenjenje fenolne smole i polistirena. Također je potrebna kao referentna tvar u plinskoj kromatografiji i kao potisni plin u cilindrima za raspršivanje.