Co je to geometrický izomer?

Geometrické izomery jsou cis-trans izomerismus nebo EZ isomerismus. Jejich působení je založeno na omezené rotaci dvojných nebo jediných vazeb uhlíku v cyklických sloučeninách. V cyklickém spojení je rotace mezi uhlíkovou jednoduchou vazbou omezena a dvěma různými skupinami jsou připojeny ke každému uhlíkovému isomerizmu podobným způsobem. Takové geometrické izomery se často liší ve svých fyzikálních vlastnostech. To je způsobeno tvarem izomerů a celkovým dipólovým momentem. Pokud dva atomy s nejvyšší prioritou zůstávají na stejné straně izomeru, jsou označeny jako Z, a pokud jsou na opačné straně, E.

Stručná historie isomerismu

Pojem ústavní isomerie je významným krokem vpřed v dějinách moderní chemie a zejména ve vývoji organické chemie. Koncem sedmdesátých let bylo několik izolovaných částic izolováno studiem "živočišné" a "rostlinné" chemie. Mnoho z nich dostal Karl Wilhelm Scheele (1742-1786). Vzhledem k velké rozmanitosti organických sloučenin představovala každá nová látka odlišnou elementární složení, která odpovídala obecnému pozorování "minerální" chemie. Počet izolovaných organických sloučenin vzrostl počátkem devadesátých let prostřednictvím identifikace různých látek.

Ve své knize historie chemie Thomas Thomson napsal v roce 1830, že:

Berzelius aplikoval teorii atomu také na rostlinné království po analýze několika rostlinných kyselin a ukázal jeho atomovou ústavu, ale zde vzniká potíže, kterou nemůžeme překonat v současném stavu našich znalostí. Existují dvě kyseliny, které se skládají z přesně stejných atomů. Jak bychom měli vzít na vědomí tento výrazný rozdíl v vlastnostech? Nepochybně, různými způsoby, ve kterých jsou atomy umístěny v každém z nich.

Thomson pak použil různé schémata atomových symbolů, které byly použity v té době, aby vysvětlily, proč mají dvě kyseliny se stejným elementárním složením, které se týkají geometrických izomerů, různé fyzikální a chemické vlastnosti.

Až do počátku 19. století se věřilo, že tyto chemikálie nalezené v živých organismech mají zvláštní životní sílu spojené se živými bytostmi a že jsou potřebné v živých systémech pro reprodukci. V roce 1828 Wohler syntetizoval vzorek močoviny (NH2) 2CO (také CH4N2O), který byl nerozlišitelný od močoviny izolované z biologického moči.

Tento "zvířecí" přípravek připravil z čistě anorganického (mineralogického) výchozího materiálu kyanátu amonného, ​​(NH4) NCO (také CH4N2O), který je výsledkem kombinace chloridu amonného a kyanátu stříbrného. Tak se zhroutila bariéra mezi "živou" a "neživou" isomerismem.

Označení izomerů

V cis-isomeru zůstávají dvě takové skupiny na stejné straně dvojné vazby, zatímco v trans izomeru zůstávají v opačném směru. Například 2-buten má dva cis a trans izomery.

V cis-isomeru zůstávají dvě methylové skupiny a dvě vodíkové skupiny na stejné straně dvojné vazby, zatímco v trans izomeru zůstávají v opačném směru.

Když jedna nebo více skupin spojených s dvojnou vazbou nejsou stejné, izomery se nazývají E nebo Z. Chcete-li oznamovat tento typ, uživatel bude muset specifikovat vzorce uhlovodíků, které mají geometrické izomery, a určit atom s nejvyšší prioritou (nejvyšší atomové číslo) připojené ke každé dvojné vazbě C. Pokud dva atomy s nejvyšší prioritou zůstávají na stejné straně izomeru, který je označen jako Z, a pokud jsou na opačné straně, jsou označeny jako E.

Například 1-brom-l-fluorpropan má dva izomery. V Z-1-brom-1-fluorpropanu je vidět, že brom má vyšší prioritu nebo vyšší atomové číslo (35) než fluor (9), které jsou připojeny k C-1. Uhlík má vyšší atomové číslo (6) než vodík (1), který je připojen k C-2 této sloučeniny. Vzhledem k tomu, že atomy uhlíku s nejvyšší prioritou (ze skupiny -CH3) a brom připojené k těmto dvěma atomům uhlíku jsou na stejné straně, je tato sloučenina definována jako Z. Na druhou stranu v E-1-brom-1-fluorpropanu s nejvyššími priorita C a brom jsou v opačném směru, takže se nazývá E-izomer.

Carbon-carbon dvojná vazba

Izomery jsou dvě molekuly, které mají stejné atomové složení, ale nejsou totožné. Atomy v dvou izomerech mohou být spojeny v jiném pořadí (strukturální izomerismus), nebo mohou být spojeny stejným způsobem, ale mají jinou orientaci - prostorovou stereoizomerizaci.

Strukturní a geometrický isomer ve zvláštních případech, stereoizomer, musí splňovat dvě požadavky:

1. V molekule je omezenou rotací.
2. Oba atomy zapojené do omezující vazby mají pro ně dvě různé funkční skupiny.

Obvyklým příkladem omezené rotace je dvojná vazba uhlík-uhlík. Tato připojení zahrnují připojení pi, ve většině případů není výhodné je rozdělit.

Geometrické izomery mají strukturu, která ovlivňuje fyzikální vlastnosti sloučeniny.

Cis / Trans systém

Pojmenování Cis / Trans je nejjednodušší používaný systém připojení. Nejprve je identifikován nejdelší uhlíkový řetězec v molekule a pak jsou identifikovány funkční skupiny. V cis izomeru jsou tyto dvě skupiny na stejné straně dvojité vazby (cis znamená "na téže straně" v latině). V transisomeru jsou dvě zvažované skupiny na opačných stranách dvojité vazby (trans znamená přes latinský jazyk). Například dva různé geometrické izomery butenu-2.

Oba atomy s dvojnou vazbou mají stejné skupiny jako tyto dvě skupiny, ale navzájem se liší na jednom z dvojitých uhlíků. Úloha je komplikovaná, protože postranní řetězy a funkční skupiny se stávají složitějšími.

Oficiální jmenovací konvence IUPAC je E / Z. Mezi cis / trans a E / Z neexistuje žádný specifický vztah a tyto dva systémy nejsou vzájemně zaměnitelné. Označení E / Z používá pravidla priority Cahn-Ingold-Prelog a považuje se za spolehlivější. Název IUPAC kyseliny fumarové je trans-isomer vzorce HO2CCH = CHCO2H a kyselina maleinová je kyselina cis-butandiová.

IUPAC je Mezinárodní unie čisté a aplikované chemie, která stanoví mezinárodní pravidla a normy pro označování chemikálií ve všech jazycích.

Cyklické sloučeniny

V cyklickém spojení je rotace mezi jednoduchou vazbou uhlíku omezená. Tudíž isomerismus je také možný pro tento typ sloučeniny, pokud jsou na každé uhlík připojeny dvě různé skupiny. Existují dva izomery 1,2-dimethylcyklopropanu.

Jedním z nich je cis izomer, kde jsou dvě methylové skupiny na jedné straně a druhá je trans izomer, kde jsou dvě methylové skupiny na druhé straně.

Geometrické izomery se liší jejich fyzikálními vlastnostmi. To je způsobeno tvarem izomerů a celkovým dipólem. Například se liší v bodě varu. Teplota varu cis- a trans-isomerů 1,2-dichlorethylenu je 60,3 ° C, respektive 47,5 ° C.

V cis-izomeru přítomnost dvou dipolových vazeb (C-Cl) dává celkový molekulární dipól. To vede k intermolekulárním dipól-dipolovým silám. Pro tuto sílu má cis-isomer vyšší bod varu než trans-izomer, kde jsou dvě dvojpórové vazby (C-Cl) zrušeny díky své poloze v opačném směru.

Důvodem, proč není možné rotat dvojitou vazbu uhlík-uhlík, je, že jsou dvě vazby spojující dohromady atomy uhlíku a musíte rušit vazbu pi. Přípojky Pi se tvoří při bočním překrývání mezi p-orbitály. Pokud se pokusí otočit dvojitou vazbu uhlík-uhlík, p-orbitály už nebudou vyrovnávat a proto bude vazba pi zlomena. Na to je vynaložena energie a to se děje pouze tehdy, když je směs velmi horká.

Výstavba strukturních vzorců

Je velmi snadné vynechat důležité prvky geometrických izomerů během konstrukce strukturních vzorců během kontrakce. Například je velmi lákavé kreslit but-2-ene. Pokud uživatel nesprávně píše, potom sloučenina již nebude izomerem. Pokud existuje i ten nejmenší náznak, že lze použít izomer, je vždy nutné použít sloučeniny obsahující dvojné vazby uhlík-uhlík, které vykazují správné úhly (120 °) kolem atomů uhlíku na koncích vazby. Jinými slovy, musíte použít formát uvedený na obrázku.

Sloučeniny obsahující dvojnou vazbu uhlík-uhlík mají omezenou rotaci. K získání izomerů musí být splněny následující podmínky:

• omezená rotace, obvykle zahrnující dvojnou vazbu uhlík-uhlík;
• dvě různé skupiny na levém konci propojení a dvě různé skupiny na pravém konci.

Nezáleží na tom, zda se levé skupiny shodují s právem nebo ne.

Alkenes: Molekulární a strukturní vzorce

Geometrické izomery alkenů zahrnují řadu sloučenin, které sestávají z atomů C a H v uhlíkovém řetězci. Tato skupina zahrnuje homologní série vzorce CnH2n. Nejjednodušší alken je ethen, má dva atomy C a vzorec C2H4.

Strukturní vzorec pro ethen je uveden na obrázku výše. V delších alkenových řetězcích jsou navzájem spojené další uhlíkové atomy za použití některých kovalentních vazeb. Každý atom uhlíku je také připojen k dostatečným vodíkovým atomům, aby se vytvořilo celkem čtyři jednoduché kovalentní vazby.

V řetězcích se čtyřmi nebo více atomy C může být dvojná vazba umístěna v různých polohách, což vede k tvorbě strukturních izomerů. Kromě strukturních izomerů tvoří alkény také stereoizomery. Vzhledem k tomu, že rotace kolem vícenásobné vazby je omezená, skupiny připojené k atomům s dvojitou vazbou zůstávají vždy ve stejných relativních polohách.

Tyto "zablokované" polohy umožňují chemikům identifikovat různé substituenty izomerů za účelem určení, která látka má geometrické izomery. Například jeden strukturní isomer C5H10 má následující stereoizomery.

Izomer vlevo, ve kterém jsou dva substituenty (methylové a ethylové skupiny) na stejné straně dvojné vazby, se nazývá cis izomer, zatímco izomer vpravo se dvěma nevodíkovými substituenty na opačných stranách je trans izomer.

Například chlór má přednost, protože je těžší. Na pravé straně je brom lepší než uhlík. Zatřetí jsou stanoveny polohy dvou atomů vyššího stupně. Pokud jsou dva atomy v poloze cis, umístění je Z (z německých zusammenů, což znamená "společně"). Pokud jsou atomy nebo skupiny v trans-pozici, je to místo E (z německého entgetgenu, což znamená "opak").

Tvrdé sloučeniny s dvojnou vazbou

Geometrické izomery buten jsou alkény s tvrdou dvojnou vazbou. To znamená, že ve skutečnosti existují čtyři izomery, nikoliv tři, v poloze dvojité vazby. Existují páté a šesté uhlovodíky stejného složení, ale nejsou to alkény, i přes stejný vzorec.

Tvorba kruhu cyklobutanu nebo methylcyklopropanu zaujímá prostor dvou atomů vodíku jako dvojnou vazbu, což vede k tomu, že mají vzorce identické s různými buteny.

Příklady geometrických izomerů:

• 1-butylen (1-buten);
• iso-butylén (2-methylpropen);
• cis-2-butylen (cis-2-buten);
• trans-2-butylen (trans-2-buten).

A bonusy: cyklobutan a methylcyklopropan, oba mají stejný empirický vzorec jako izomery buténu, ale nejsou alkény. První jméno je "běžné" nebo "triviální" jméno a jméno v závorkách je název IUPAC.

Izomery butenu

Butene má mnoho využití, od paliva v autě až po tašky na potraviny, které denně přepravují stovky milionů lidí po celém světě. Chemický vzorec pro buten: C4H8, což znamená, že se skládá ze čtyř atomů C a osmi atomů H, sloučenina se vztahuje k alkenu.

Existuje několik různých izomerů nebo molekulových struktur, které mohou tuto sloučeninu tvořit (názvy IUPAC jsou uvedeny v závorkách):

• alfa-butylen (but-1-en);
• cis-beta-butylen - ((2Z) -but-2-en);
• trans-beta-butylen - ((2E) -but-2-en);
• isobutylen (2-methylprop-1-en).

Ačkoli všichni mají stejný vzorec, jejich struktury jsou různé. Poměry mezi těmito geometrickými izomery jsou v zásadě ústavní, což znamená, že mají stejný molekulární vzorec, ale různé vazby. Výjimkou je cis-beta-butylén a trans-beta-butylen.

Mnoho lidí ví, že trans-tuky jsou pro člověka škodlivé a nenasycené tuky jsou pro ně dobré. Jediný rozdíl mezi těmito dvěma tuky je, že jeden má trans-vazbu a druhý má cis vazbu, nicméně tato malá diferenciace může významně ovlivnit funkci molekuly.

S cis-beta-butylenem a trans-beta-butylenem jsou atomy ve stejném pořadí, ale polarity jsou různé. Cis izomer je polární, obě skupiny CH3 jsou na stejné straně. To činí to opravdu těžkopádné a složité. Trans-isomer je nepolární, volumetrické skupiny CH3 střídají, což dává více prostoru v molekule. Tento poměr se nazývá cis-trans-isomerismus. Cis izomery jsou polární, zatímco trans izomery nejsou.

Navzdory skutečnosti, že každý z těchto izomerů butenu se skládá ze stejných materiálů, každá z nich má různé fyzikální vlastnosti. Například bod varu:

1. Cis-beta-butylen: 3,7 ° C
2. Trans Beta Butylen: 0,8 ° C
3. Izobutylén: -6,9 ° C
4. Alfa-butylen: -6,3 ° C

Materiál pro výrobu plastů

Buteny jsou alkény se čtyřmi atomy uhlíku, C4H8. Existuje několik různých strukturních nebo konfiguračních izomerů butenu, včetně geometrických a optických izomerů. Všechny čtyři buteny mají podobné fyzikální vlastnosti, jsou bezbarvé plyny, těžké ve vodě, snadno rozpustné v etheru a alkánech. Rozdíly ve fyzikálních vlastnostech jsou vysvětleny strukturou molekul. Například cis-but-2-en má vyšší bod varu než trans-But-2-en, protože je to silnější dipól.

Dvě alkylové skupiny cis-isomeru pracují s jejich působením + I v jednom směru a tím se zvyšují, zatímco obě alkylové skupiny trans-isomerů působí v opačných směrech a tím se vzájemně oslabují. Vzorky uhlovodíků s geometrickými izomery jsou uvedeny v normách IUPAC. But-1-en má tak nízkou teplotu tání, protože CC je jednoduchá vazba mezi druhým a třetím atomem uhlíku, volná rotace a ethylová skupina se může otáčet kolem osy otáčení ve všech směrech.

Tím je obtížné klasifikovat molekulu do pevné krystalické struktury. Zbývající tři buteny s dvojnou vazbou mezi 2. a 3. atomy C jsou velmi tuhé a mohou být snadno zařazeny do krystalové struktury. Proto mají relativně vysoké teploty tání. Tyto argumenty nejsou vždy platné, protože příklad ukazuje 2-methyl-but-2-en (nebo isobutén). Dvě methylové skupiny s jejich účinky + I působí ve stejném směru jako cis-But-2-en a ve skutečnosti je třeba je zlepšit. Izobuten má však velmi nízkou teplotu varu pouze -7 ° C.

But-1-en a But-2-en se používají k výrobě butadienu a butan-2-olu. Kromě toho se alkény používají jako alkylační činidla. Důležité palivo 2,2,4-Trimethyl-pentan, lépe známý jako izooktan, se získá z izobutenu a izobutanu. Nakonec jsou buteny výchozím materiálem pro výrobu některých plastů, protože jsou snadno polymerovatelné. Známý plast na bázi But-1-en je polybuten-1, ze kterého jsou vyrobeny trubky.

Pentan, n-pentan, isopentan

Pentan nebo n-pentan je jedním z nasycených alkanových uhlovodíků. N-pentan je téměř bez zápachu kapalinou za podmínek prostředí a je izomerem heraketitu ze 3 izomerů. Rozvětvené kapalné izoalkany C5 - C16 se stále častěji používají jako palivo (Otto, Diesel). Kromě toho jsou tyto alkány přítomné v topných olejích a mazacích olejích. Poskytují úplné spálení. Než znáte vlastnosti takových sloučenin, musíte specifikovat vzorce uhlovodíků s geometrickými izomery

1. Fyzikální stav - tekutina.
2. Barva - bezbarvá.
3. Vůně - skoro ne.
4. Snadno hořlavý.
5. Páry mohou při vystavení vzduchu vytvářet výbušné směsi.
6. Rozpustnost ve vodě je velmi nízká (prakticky nerozpustná).
7. Velmi nestabilní spojení.

Nejdůležitějšími zdroji pentanu jsou ropné oleje, které se v závislosti na jejich původu podstatně liší. Separace probíhá frakční destilací. Následující frakce jsou získány zde:

1. Parafinový olej (teplota varu> 320 ° C).
2. Olej (bod varu 180 až 250 ° C).
3. Topení / motorová nafta (bod varu 250 až 320 ° C).
4. Surový benzin (teplota varu až do 180 ° C).
5. V benzinu jsou rozvětvené uhlovodíky (alkány) od C5 do C10.
6. Spalování pentanu s kyslíkem (stechiometrická).
7. Konečnými produkty jsou oxid uhličitý a voda. Vzorce geometrických izomerů: C5H12 + 8O2 ⟹ 5CO2 + 6H2O.

Geometrický izomer pentene-2 ​​je univerzální rozpouštědlo. Používá se pro pěnění fenolové pryskyřice a polystyrenu. Je také požadována jako referenční látka v plynové chromatografii a jako hnací látka v rozprašovacích válcích.