Изомерия – это существование молекул с одинаковыми суммарными формулами (брутто-формулы), но с различным строением или различным расположением атомов в пространстве.
Химические и физические свойства изомерных веществ различаются.
Виды изомерии.
Структурная изомерия. Этот вид изомерии обусловлен различным взаимным расположением атомов в молекулах.
Виды структурной изомерии:
1. Изомерия углеродного скелета, обусловленная различным порядком связи атомов, образующих скелет молекулы органического соединения
2. Изомерия положения, обусловленная различным положением одинаковых заместителей или функциональных групп при одной и той же углеродной цепи
3. Таутомерия (ранее десмотропия), вызываемая изменением положения одного из атомов водорода, что приводит к превращениям двух структурных изомеров друг в друга по обратимой реакции
CH3-CO-CH2-COOC2H5 ⇄ CH3-C(OH)=CH-COOC2H5
или
4. Пространственная изомерия (стереоизомерия). Этот вид изомерии обусловлен различным пространственным расположением атомов при одинаковом порядке их связывания.
Наиболее распространены для органических соединений два типа стереоизомерии:
- геометрическая изомерия;
- оптическая изомерия.
4.1. Геометрическая изомерия (или цис-транс-изомерия) характерна для непредельных органических соединений. Двойная связь у таких соединений не допускает свободного вращения вокруг связи углерод – углерод (при одинарной связи C-C такое вращение существует). цис-Форма отличается тем, что два заместителя X в молекуле расположены по одну сторону плоскости двойной связи, а в транс-форме они находятся на разных сторонах, например:
4.2. Оптическая изомерия обусловлена наличием асимметрического атома углерода C* (хиральный центр), т. е. атома углерода, связанного с четырьмя различными заместителями. Все молекулы, которые содержат асимметрический атом углерода, оптически активны: их растворы вращают плоскость поляризованного света.
Вещества с асимметрическим атомом углерода существуют в виде двух оптических (зеркальных), изомеров, один из которых называется правовращающий, другой – левовращающий. Конфигурацию правовращающего изомера обозначают символом D, а левовращающего изомера – символом L. Оба зеркальных изомера называют также оптические антиподы.
Отнесение изомеров к D- или L-ряду проводится путем сравнения с конфигурацией эталона; в качестве такового выбран правовращающий (+) глицериновый альдегид для D-ряда и левовращающий (-) глицериновый альдегид для L-ряда (знаки (+) и (–) указывают на направление вращения плоскости поляризации света):
Соединения с конфигурацией эталона D-ряда относят к этому ряду (аналогично и для L-ряда) независимо от направления вращения плоскости поляризации света данным веществом.
Например, получаемая из D(+)-глицеринового альдегида винная кислота оказывается левовращающей, т. е. D(-)-винной кислотой.
Смеси равных количеств оптических антиподов, направления вращения которых взаимно противоположны, называются рацематы. Обычно при синтезах получают рацематы, например виноградную, или DL-винную кислоту, которые можно разделить на оптически активные изомеры различными способами.
Число оптических изомеров в случае нескольких асимметричных атомов равна 2n, n – количество асимметричных атомов углерода в молекуле.
По рекомендациям IUPAC оптические антиподы обозначают символ лами R (правовращающий) и S (левовращающий). Эти обозначения основаны не на сравнении строения с эталоном, а на правилах, учитывающих последовательное и пространственное расположение четырех заместителей C асимметрического атома углерода.
Подробнее Оптическая R-, S-номенклатура.
Оптическая активность может наблюдаться и тогда, когда в молекулах вещества нет асимметрических атомов, но они в целом асимметричны (не имеют плоскости или других элементов симметрии). Такой случай оптической активности называется молекулярная асимметрия.