В химии структурный изомер (или конституционный изомер в номенклатуре ИЮПАК [1] ) соединения — это другое соединение , молекула которого имеет одинаковое количество атомов каждого элемента, но с логически различными связями между ними. [2] [3] Термин «метамер» ранее использовался для обозначения той же концепции. [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 структуру. формула C 4 H 10 O , но представляют собой три различных структурных изомера.
Эта концепция применима также к многоатомным ионам с тем же полным зарядом. Классическим примером является цианат -ион O=C=N − и гремучий ион C − ≡N + −O − . Это 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] и то же самое относится и к формиату метиламмония [H 3 C-NH 3 ] + [HCO 2 ] - и ацетату аммония [NH 4 ] + [H 3 C-CO 2 ] - .
Структурная изомерия — наиболее радикальный тип изомерии . Она противоположна стереоизомерии , при которой атомы и схема связи одинаковы, но отличается только относительное пространственное расположение атомов. [5] [6] Примерами последних 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 и структурные топоизомеры . [7]
Скелетный изомер соединения — это структурный изомер, отличающийся 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). [8]
Если скелет ациклический , как в приведенном выше примере, можно использовать термин цепная изомерия .
Позиционные изомеры (также позиционные изомеры или региоизомеры ) представляют собой структурные изомеры, которые можно рассматривать как различающиеся только положением функциональной группы , заместителя или какого-либо другого признака в одной и той же «родительской» структуре. [9]
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 цепи.
Функциональные изомеры — это структурные изомеры, которые имеют разные функциональные группы , что приводит к существенно различным химическим и физическим свойствам. [10]
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, которая делает его альдегидом , тогда как второй имеет группу C–C(=O)–C, что делает его кетоном .
Другой пример – 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, но не функциональными изомерами, поскольку они имеют одну и ту же значительную функциональную группу ( гидроксил –ОН) и оба являются спиртами.
Помимо разного химического состава, функциональные изомеры обычно имеют очень разные инфракрасные спектры . Инфракрасный спектр во многом определяется режимами колебаний молекулы, а функциональные группы, такие как гидроксилы и сложные эфиры, имеют совершенно разные режимы колебаний. Таким образом, 1-пропанол и 2-пропанол имеют относительно схожие инфракрасные спектры из-за гидроксильной группы, которая сильно отличается от спектра метилэтилового эфира. [ нужна 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 разные изотопы одного и того же элемента как разные элементы. Во втором случае две молекулы с одинаковым числом атомов каждого изотопа, но разными схемами связи называются структурными изотопомерами .
Так, например, в первой интерпретации у этена не было бы структурных изомеров; 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 представляют собой разные изотопы (скажем, 12 C и 13 C), то будут существовать три различных структурных изотопомера, поскольку 1-13 C -1,1-дидейтероэтен будет отличаться от 1-13 C -2. ,2-дидейтероэтен.) И в обоих случаях 1,2-дидейтероструктурный 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 в пару с атомом B того же элемента взаимно однозначным образом, так что для каждой связи в A существует связь в B того же типа между соответствующими атомами; и наоборот. [3] Это требование распространяется также на сложные связи, включающие три и более атомов, такие 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 только одного и того же элемента.
Тогда можно сказать, что две молекулы являются структурными изомерами (или, если изотопы имеют значение, структурными изотопомерами), если они имеют одинаковую молекулярную формулу, но не имеют одинаковую структуру.
Структурную симметрию молекулы можно определить математически как перестановку атомов, которая заменяет по крайней мере два атома, но не меняет структуру молекулы. Тогда можно сказать, что два атома структурно эквивалентны , если существует структурная симметрия, которая приводит один к другому. [11]
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 атома углерода; потому что любой водород можно заменить на любой другой, либо с помощью перестановки, которая заменяет только эти два атома, либо с помощью перестановки, которая заменяет два атома углерода и каждый водород в одной метильной группе на другой водород в другой метильной группе. Любая операция сохраняет структуру молекулы. То же самое относится и к атомам водорода: циклопентана , аллена , 2-бутина , гексаметилентетрамина , призмана , кубана , додекаэдрана и т. д.
С другой стороны, не все атомы водорода пропана структурно эквивалентны. Шесть атомов водорода, присоединенных к первому и третьему атомам углерода, эквивалентны, как в этане, а два атома водорода, присоединенные к среднему атому углерода, эквивалентны друг другу; но между этими двумя классами эквивалентности нет эквивалентности .
Структурная эквивалентность атомов родительской молекулы уменьшает количество позиционных изомеров, которые можно получить, заменяя эти атомы другим элементом или группой. Так, например, структурная эквивалентность шести атомов водорода этана C
2ЧАС
6означает, что существует только один структурный изомер этанола C
2ЧАС
5OH , а не 6. Восемь атомов водорода пропана C
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 ). Точно так же существует только два позиционных изомера бутанола и три пентанола или гексанола .
После замены в родительской молекуле ее структурная симметрия обычно снижается, а это означает, что атомы, которые раньше были эквивалентными, могут перестать быть таковыми. Таким образом, замена двух или более эквивалентных атомов одним и тем же элементом может привести к образованию более одного позиционного изомера.
Классический пример — производные бензола . Его шесть атомов водорода структурно эквивалентны, как и шесть атомов углерода; потому что структура не меняется, если атомы переставляются таким образом, что это соответствует перевороту молекулы или ее повороту на угол, кратный 60 градусам. Следовательно, замена любого водорода хлором дает только один хлорбензол . Однако после этой замены перестановки атомов, которые переместили этот водород, больше не действительны. Остается только одна перестановка, которая соответствует перевороту молекулы при сохранении хлора фиксированным. Пять оставшихся атомов водорода тогда попадают в три различных класса эквивалентности: тот, который противоположен хлору, представляет собой отдельный класс (называемый пара- положением), два самых близких к хлору образуют другой класс ( орто ), а оставшиеся два являются третьим. класс ( мета ). Таким образом , второе замещение водорода хлором может дать три позиционных изомера: 1,2- или орто- , 1,3- или мета- и 1,4- или пара - дихлорбензол .
По этой же причине существует только один фенол (гидроксибензол), но три бензодиола ; и один толуол (метилбензол), но три толуола и три ксилола .
С другой стороны, вторая замена (тем же заместителем) может сохранить или даже повысить симметрию молекулы и, таким образом, может сохранить или уменьшить число классов эквивалентности для следующей замены. Таким образом, четыре оставшихся водорода в мета -дихлорбензоле по-прежнему относятся к трем классам, орто- — к двум, а пара -водороды снова эквивалентны. Тем не менее, некоторые из этих замен 3 + 2 + 1 = 6 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 каждой стадии разные, структурных изомеров обычно будет больше. Ксиленол , который представляет собой бензол с одним гидроксильным заместителем и двумя метильными заместителями, имеет в общей сложности 6 изомеров:
Перечисление или подсчет структурных изомеров вообще представляет собой трудную задачу, поскольку необходимо учитывать несколько типов связей (в том числе делокализованных), циклические структуры и структуры, которые невозможно реализовать из-за валентных или геометрических ограничений, а также неразделяемые таутомеры.
Например, существует девять структурных изомеров с молекулярной формулой C 3 H 6 O , имеющих различную связность связей. Семь из них устойчивы на воздухе при комнатной температуре, они приведены в таблице ниже.
Два структурных изомера представляют собой енольные таутомеры карбонильных изомеров (пропиональдегида и ацетона), но они нестабильны. [12]