Магистрант → Organic chemistry → Stereoscopic ↓
Геометрическая изомерия
В изучении органической химии стереохимия является важной отраслью, исследующей пространственное расположение атомов в молекулах. Увлекательным явлением в стереохимии является "геометрическая изомерия". Эта концепция, также известная как "цис-транс изомерия" или "E-Z изомерия", касается ориентации частей молекулы относительно друг друга. Этот тип симметрии возникает, когда молекулы имеют ограниченную вращательную способность вокруг определенных связей, таких как двойные связи или кольца.
Основная концепция геометрической изомерии
Геометрическая изомерия возникает, когда различные атомы или группы связаны с атомами углерода, которые соединены жесткой структурой, такой как двойная связь (C=C) или кольцо. В алкенах из-за двойной связи существует ограниченное вращение, что приводит к различным пространственным расположениям заместительных групп. Эти различные расположения нельзя легко поменять местами без разрушения π-связей двойной связи.
Для лучшего понимания геометрической изомерии рассмотрим два основных расположения:
- Цис-изомер: когда две одинаковые или идентичные группы находятся на одной стороне двойной связи или кольца.
- Транс-изомер: когда две одинаковые или идентичные группы находятся на противоположных сторонах двойной связи или кольца.
Пример
Производное этилена
Рассмотрим простой пример с производными этилена:
HH / C = C / XX
Здесь X
обозначает заместительные группы, прикрепленные к атомам углерода.
В цис-изомере:
HH / C = C / XX
В транс-изомере:
XH / C = C / HX
Пример из реального мира: 2-бутен
цис-2-бутен
H CH 3 / C = C / CH 3 H
транс-2-бутен
CH 3 H / C = C / H CH 3
Условия для геометрической изомерии
Для того чтобы соединение демонстрировало геометрическую изомерию, оно должно удовлетворять следующим условиям:
- Молекула должна содержать двойную связь или кольцо, ограничивающее вращение частей вокруг связи.
- Каждый атом углерода в двойной связи или части кольца должен иметь два различных заместителя.
Визуальное представление и плоскостная симметрия
Геометрические изомеры часто изображаются на плоскости, используя симметрию для различия изомеров. Во многих случаях мы используем плоскость, чтобы разделить молекулу на две части:
------ Плоскость ----- CH 3 H / C -- C / H CH 3
EZ нотация
Когда задействованы более сложные заместители, терминология цис-транс становится менее полезной. Поэтому используется более общая система под названием EZ нотация. Правила для определения E и Z изомеров основаны на правилах приоритетов Кана-Ингольда-Преолога.
Как определить обозначение EZ?
Чтобы присвоить нотацию EZ данному изомеру:
- Определите и расставьте приоритеты заместителей на каждом углероде двойной связи. Более высокие атомные номера получают более высокий приоритет.
- Если приоритетные группы на каждом углероде находятся на одной стороне, это Z-изомер (от немецкого слова "zusammen", что означает вместе).
- Если приоритетные группы на каждом углероде направлены в противоположные стороны, это E-изомер (от немецкого слова "entgegen", что означает напротив).
Пример
Рассмотрим это соединение:
Cl H / C = C / CH 3 Br
Для данной структуры:
- Сравните атомные номера Cl и H. У Cl более высокий атомный номер, поэтому он получает более высокий приоритет.
- Сравните атомные номера CH3 и Br. У Br более высокий атомный номер, поэтому он получает более высокий приоритет.
- Приоритетные группы (Cl и Br) направлены в противоположные стороны; следовательно, это E-изомер.
Понимание структурных различий
Некоторые молекулы демонстрируют различия в температурах кипения и плавления и растворимости из-за различий в их геометрических изомерах:
Температура кипения
Рассмотрите цис и транс изомеры 2-бутена. цис
-2-бутен обычно демонстрирует чуть более высокую температуру кипения, чем транс
-2-бутен из-за полярной природы цис
конфигурации, которая обеспечивает более сильные силы Лондона.
Температура плавления
Напротив, транс
изомеры лучше упаковываются в твердом состоянии, что часто приводит к более высоким температурам плавления, чем у цис
изомеров.
Растворимость
Различия в геометрии также влияют на растворимость. Например, полярность, присутствующая в цис
изомерах, может привести к их большей растворимости в полярных растворителях чем у транс
изомеров.
Значение геометрической изомерии
Геометрическая изомерия важна, поскольку различные изомеры демонстрируют различные химические и физические свойства, которые влияют на то, как они взаимодействуют с другими веществами. Это имеет важные последствия в биологии, материаловедении и фармакологии:
- Фармакология: Активность лекарства может зависеть от изомерной формы, что способствует достижению целевого терапевтического результата.
- Физика: Физические свойства, такие как прочность, пластичность и цвет, могут быть затронуты геометрической конфигурацией.
- Биологические процессы: Ферментативные реакции могут избирать определенные изомеры для связывания, что определяет метаболические пути.
Проблемы и соображения
Понимание и работа с геометрической симметрией представляют собой вызовы из-за сложности много-субститутивных систем. Указание правильной EZ нотации требует знакомства с правилами приоритета и пространственной ориентации, что иногда может требовать более высокого размерностного понимания за пределами простых плоскостных представлений.
Сложные молекулы и дальнейшие исследования
Сложные молекулы, такие как природные продукты, полимеры и передовые синтетические соединения, могут проявлять множество характеристик изомерии. Новые методы продолжают изучаться для изолирования этих свойств и их использования для создания молекул с желаемыми характеристиками.
Для студентов магистратуры и исследователей глубокое понимание геометрической изомерии обеспечивает необходимую основу для дальнейшего изучения увлекательного мира стереохимии и ее широких применений в научном прогрессе.