Изомеры — понятие и классификация¶

Изомеры — это химические соединения, имеющие одинаковую молекулярную формулу, но различающиеся по строению и, как следствие, по свойствам. Термин введён в 1830 году немецким химиком Юстусом Либихом при сравнении свойств циановой и изоциановой кислот, а также мочевины и аммония цианата, открытых Фридрихом Вёлером. Явление изомерии объясняет, почему множество веществ с одинаковым элементарным составом обладают принципиально разными физическими и химическими характеристиками.

¶Основные понятия

Молекулярная формула отражает только количественный состав вещества — число атомов каждого элемента. Однако атомы в молекуле могут быть соединены между собой по-разному, образуя различные последовательности связей. Два вещества с одной молекулярной формулой, но разным внутренним строением, называются изомерами. Множество всех изомеров, соответствующих одной формуле, образует изомерный ряд.

Изомерия — это совокупность явлений, при которых различные по строению вещества имеют одинаковый молекулярный состав. Обратное понятие — полимерия, при которой одинаковое строение элементарной звена сочетается с разными молекулярными формулами.

¶Классификация

Изомерия подразделяется на два крупных класса:

¶Структурная изомерия

Структурные (конституционные) изомеры различаются последовательностью соединения атомов в молекуле. Выделяют следующие виды:

• Изомерия углеродного скелета — различия в строении углеродной цепи. Например, н-бутан (CH₃–CH₂–CH₂–CH₃) и изобутан (CH₃–CH(CH₃)–CH₃) имеют формулу C₄H₁₀, но разное строение цепи.
• Позиционная изомерия — различное положение функциональной группы или кратной связи. Например, 1-пропанол (CH₃–CH₂–CH₂OH) и 2-пропанол (CH₃–CHOH–CH₃).
• Изомерия функциональных групп (межклассовая) — вещества с разными функциональными группами. Например, этанол (C₂H₅OH) и диметиловый эфир (CH₃–O–CH₃) имеют общую формулу C₂H₆O, но относятся к разным классам органических соединений.
• Изомерия аминокислот — различное положение аминогруппы относительно карбоксильной.

¶Пространственная изомерия

Пространственные изомеры (стереоизомеры) имеют одинаковую последовательность связей, но различаются расположением атомов в пространстве.

Геометрическая изомерия (цис-транс-изомерия) проявляется у соединений с ограниченным вращением вокруг двойной связи или в циклических системах. Например, цис-бутен-2 и транс-бутен-2 отличаются расположением метильных групп по разные стороны двойной связи. Цис-изомеры, как правило, имеют более высокую полярность и температуру кипения.

Оптическая изомерия связана с наличием асимметрических атомов углерода — атомов, связанных с четырьмя различными заместителями. Такие молекулы не совпадают со своим зеркальным отражением и называются хиральными. Изомеры-зеркальные отражения называются энантиомерами; они обладают одинаковыми физическими свойствами, но различаются по направлению вращения плоскости поляризованного света и по биологической активности. Смесь равных количеств энантиомеров называется рацематом и не вращает плоскость поляризации.

Конформационная изомерия (конформации) возникает при поворотах вокруг одинарных связей. Различные конформации одного вещества могут переходить друг в друга без разрыва связей.

¶Свойства изомеров

Изомеры обладают разными физическими свойствами: температурами плавления и кипения, плотностью, растворимостью, показателем преломления. Химические свойства также различаются, хотя вещества одного класса (например, два спирта) могут проявлять сходную реакционную способность. Энантиомеры в ахиральной среде химически идентичны, однако в биологических системах, где действуют хиральные молекулы-мишени, их поведение существенно различается.

¶Значение изомерии

Явление изомерии имеет фундаментальное значение для химии и биологии. Множество природных веществ — аминокислоты, сахара, алкалоиды, стероиды — существуют в виде конкретных изомеров, и биологическая активность часто определяется именно стереохимическим строением. В фармацевтике изомерный состав лекарственных средств критически важен: например, один энантиомер талидомида обладает седативным действием, а другой — тератогенным. В промышленности проблема изомерного разложения (разделения смесей изомеров) решается методами ректификации, кристаллизации, экстракции и хроматографии.

¶Историческая справка

Первооткрывателем изомерии считается Фридрих Вёлер, синтезировавший в 1828 году мочевину из неорганических реагентов (цианата аммония), что опровергло теорию жизненной силы. Термин «изомерия» предложил Юстус Либих в 1830 году. Развитие стереохимии связано с работами Якобуса Вант-Гоффа и Жозефа Ле Беля (1874), установивших тетраэдрическое строение атома углерода и объяснивших оптическую изомерию.

Источники:

• Органическая химия: учебник для вузов / под ред. А. А. Потапова. — М.: Химия.
• Некрасов Б. А. Основы общей химии. — М.: Высшая школа.
• Классы органических соединений: справочное пособие / под ред. И. Л. Кнунянца.
• Грандберг И. И. Химия органических соединений. — СПб.: Химиздат.