В химии структурный изомер ( или конституционный изомер в номенклатуре ИЮПАК [1] ) соединения — это другое соединение, молекула которого имеет то же самое число атомов каждого элемента, но с логически различными связями между ними. [2] [3] Термин метамер ранее использовался для того же понятия. [4]
Например, бутанол H 3 C−(CH 2 ) 3 −OH , метилпропиловый эфир H 3 C−(CH 2 ) 2 −O−CH 3 и диэтиловый эфир (H 3 CCH 2 −) 2 O имеют одинаковую молекулярную формулу C 4 H 10 O, но являются тремя различными структурными изомерами.
Эта концепция применима также к многоатомным ионам с одинаковым общим зарядом. Классическим примером является ион цианата O=C=N − и ион фульмината C − ≡N + −O − . Она также распространяется на ионные соединения, так что (например) цианат аммония [NH 4 ] + [O=C=N] − и мочевина (H 2 N−) 2 C=O считаются структурными изомерами [4] , а также формиат метиламмония [H 3 C−NH 3 ] + [HCO 2 ] − и ацетат аммония [NH 4 ] + [H 3 C−CO 2 ] − .
Структурная изомерия является наиболее радикальным типом изомерии . Она противоположна стереоизомерии , в которой атомы и схема связей одинаковы, но отличается только относительное пространственное расположение атомов. [5] [6] Примерами последней являются энантиомеры , молекулы которых являются зеркальными отражениями друг друга, а также цис- и транс- версии 2-бутена .
Среди структурных изомеров можно выделить несколько классов, включая скелетные изомеры , позиционные изомеры (или региоизомеры ), функциональные изомеры , таутомеры [7] и структурные изотопомеры [8] .
Скелетный изомер соединения — это структурный изомер, который отличается от него атомами и связями, которые считаются составляющими «скелет» молекулы. Для органических соединений , таких как алканы , это обычно означает атомы углерода и связи между ними.
Например, существует три скелетных изомера пентана : н -пентан (часто называемый просто «пентан»), изопентан (2-метилбутан) и неопентан (диметилпропан). [9]
Если скелет ациклический , как в приведенном выше примере, можно использовать термин «изомерия цепи» .
Позиционные изомеры (также позиционные изомеры или региоизомеры ) — это структурные изомеры, которые можно рассматривать как отличающиеся только положением функциональной группы , заместителя или какой-либо другой характеристики в одной и той же «родительской» структуре. [10]
Например, замена одного из 12 атомов водорода –H на гидроксильную группу –OH в исходной молекуле н -пентана может дать любой из трех различных изомеров положения:
Другим примером региоизомеров являются α-линоленовая и γ-линоленовая кислоты , обе октадекатриеновые кислоты , каждая из которых имеет три двойные связи, но в разных положениях вдоль цепи.
Функциональные изомеры – это структурные изомеры, которые имеют различные функциональные группы , что приводит к существенно различным химическим и физическим свойствам. [11]
Примером может служить пара пропаналь H 3 C–CH 2 –C(=O)-H и ацетон H 3 C–C(=O)–CH 3 : первый имеет функциональную группу –C(=O)H, что делает его альдегидом , тогда как второй имеет группу C–C(=O)–C, что делает его кетоном .
Другим примером является пара этанол H 3 C–CH 2 –OH ( спирт ) и диметиловый эфир H 3 C–O–CH 2 H ( эфир ). Напротив, 1-пропанол и 2-пропанол являются структурными изомерами, но не функциональными изомерами, поскольку они имеют одну и ту же значимую функциональную группу ( гидроксил –OH) и оба являются спиртами.
Помимо различной химии, функциональные изомеры обычно имеют очень разные инфракрасные спектры . Инфракрасный спектр в значительной степени определяется колебательными модами молекулы, а функциональные группы, такие как гидроксил и эфиры, имеют очень разные колебательные моды. Таким образом, 1-пропанол и 2-пропанол имеют относительно похожие инфракрасные спектры из-за гидроксильной группы, которые довольно сильно отличаются от спектров метилэтилового эфира. [ необходима цитата ]
В химии обычно игнорируют различия между изотопами одного и того же элемента. Однако в некоторых ситуациях (например, в Рамановской , ЯМР или микроволновой спектроскопии ) можно рассматривать различные изотопы одного и того же элемента как разные элементы. Во втором случае две молекулы с одинаковым числом атомов каждого изотопа, но разными схемами связей называются структурными изотопомерами .
Так, например, этен не будет иметь структурных изомеров в первой интерпретации; но замена двух атомов водорода ( 1 H) атомами дейтерия ( 2 H) может дать любой из двух структурных изотопомеров (1,1-дидейтероэтен и 1,2-дидейтероэтен), если оба атома углерода являются одним и тем же изотопом. Если, кроме того, два углерода являются разными изотопами (скажем, 12 C и 13 C), будет три различных структурных изотопомера, поскольку 1- 13 C-1,1-дидейтероэтен будет отличаться от 1- 13 C-2,2-дидейтероэтена. И в обоих случаях 1,2-дидейтеро структурный изотопомер будет встречаться в виде двух стереоизотопомеров, цис и транс .
Две молекулы (включая многоатомные ионы) A и B имеют одинаковую структуру , если каждый атом A может быть соединен с атомом B того же элемента один к одному, так что для каждой связи в A существует связь в B того же типа между соответствующими атомами; и наоборот. [3] Это требование применимо также к сложным связям, включающим три или более атомов, таким как делокализованная связь в молекуле бензола и других ароматических соединениях.
В зависимости от контекста может потребоваться, чтобы каждый атом был соединен с атомом того же изотопа, а не просто того же элемента.
Тогда можно сказать, что две молекулы являются структурными изомерами (или, если имеют значение изотопы, структурными изотопомерами), если они имеют одинаковую молекулярную формулу, но не имеют одинаковую структуру.
Структурная симметрия молекулы может быть определена математически как перестановка атомов, которая обменивает по крайней мере два атома, но не меняет структуру молекулы. Два атома тогда можно назвать структурно эквивалентными , если существует структурная симметрия, которая переводит один в другой. [12]
Так, например, все четыре атома водорода метана структурно эквивалентны, поскольку любая их перестановка сохранит все связи молекулы.
Аналогично, все шесть атомов водорода этана ( C
2ЧАС
6) структурно эквивалентны друг другу, как и два углерода; потому что любой водород может быть заменен любым другим, либо перестановкой, которая меняет местами только эти два атома, либо перестановкой, которая меняет местами два углерода и каждый водород в одной метильной группе с другим водородом в другой метильной группе. Любая операция сохраняет структуру молекулы. Это также касается атомов водорода циклопентана , аллена , 2-бутина , гексаметилентетрамина , призмана , кубана , додекаэдрана и т. д.
С другой стороны, атомы водорода пропана не все структурно эквивалентны. Шесть водородов, присоединенных к первому и третьему атомам углерода, эквивалентны, как в этане, а два, присоединенных к среднему атому углерода, эквивалентны друг другу; но между этими двумя классами эквивалентности нет эквивалентности .
Структурные эквивалентности между атомами исходной молекулы уменьшают число позиционных изомеров, которые могут быть получены путем замены этих атомов на другой элемент или группу. Так, например, структурная эквивалентность между шестью водородами этана C
2ЧАС
6означает, что существует только один структурный изомер этанола C
2ЧАС
5ОН , а не 6. Восемь атомов водорода пропана С
3ЧАС
8разделены на два класса структурной эквивалентности (шесть по метильным группам и два по центральному углероду); поэтому существует только два позиционных изомера пропанола ( 1-пропанол и 2-пропанол ). Аналогично существует только два позиционных изомера бутанола и три пентанола или гексанола .
После того, как замена сделана на родительской молекуле, ее структурная симметрия обычно снижается, что означает, что атомы, которые ранее были эквивалентны, могут больше не быть таковыми. Таким образом, замена двух или более эквивалентных атомов одним и тем же элементом может генерировать более одного позиционного изомера.
Классический пример — производные бензола . Все его шесть атомов водорода структурно эквивалентны, как и шесть атомов углерода; поскольку структура не изменяется, если атомы переставляются способами, которые соответствуют переворачиванию молекулы или повороту ее на кратные 60 градусов. Следовательно, замена любого водорода на хлор дает только один хлорбензол . Однако с этой заменой перестановки атомов, которые перемещали этот водород, больше не действительны. Остается только одна перестановка, которая соответствует переворачиванию молекулы с сохранением хлора фиксированным. Затем пять оставшихся водородов попадают в три различных класса эквивалентности: один, противоположный хлору, сам по себе является классом (называемым пара -позицией), два ближайших к хлору образуют другой класс ( орто ), а оставшиеся два — третий класс ( мета ) . Таким образом, вторая замена водорода на хлор может дать три позиционных изомера: 1,2- или орто- , 1,3- или мета- и 1,4- или пара -дихлорбензол .
По той же причине существует только один фенол (гидроксибензол), но три бензолдиола ; и один толуол (метилбензол), но три толуола и три ксилола .
С другой стороны, вторая замена (тем же заместителем) может сохранить или даже увеличить симметрию молекулы, и, таким образом, может сохранить или уменьшить количество классов эквивалентности для следующей замены. Таким образом, четыре оставшихся водорода в мета -дихлорбензоле по-прежнему попадают в три класса, в то время как атомы водорода орто- попадают в два, а атомы водорода пара- снова эквивалентны. Тем не менее, некоторые из этих 3 + 2 + 1 = 6 замен в конечном итоге дают одну и ту же структуру, поэтому существует только три структурно различных трихлорбензола : 1,2,3- , 1,2,4- и 1,3,5- .
Если заместители на каждом этапе различны, то обычно будет больше структурных изомеров. Ксиленол , который представляет собой бензол с одним гидроксильным заместителем и двумя метильными заместителями, имеет в общей сложности 6 изомеров:
Перечисление или подсчет структурных изомеров в целом является сложной задачей, поскольку необходимо учитывать несколько типов связей (включая делокализованные), циклические структуры и структуры, которые не могут быть реализованы из-за валентных или геометрических ограничений, а также неразделимые таутомеры.
Например, существует девять структурных изомеров с молекулярной формулой C3H6O, имеющих различную связность. Семь из них стабильны на воздухе при комнатной температуре, и они приведены в таблице ниже .
Два структурных изомера представляют собой енольные таутомеры карбонильных изомеров (пропионовый альдегид и ацетон), но они нестабильны. [13]