Изомерия органических соединений

Распространенность явления и исключения

В неорганической химии явление изомерии затрагивается исследователями достаточно редко. Главным образом с ним можно столкнуться при изучении комплексных соединений. Однако в органической химии изомерия носит по-настоящему массовый характер, являясь одной из фундаментальных причин огромного многообразия органических веществ.

Несмотря на всеобъемлющий характер этого явления, существуют органические соединения, НЕ имеющие изомеров. К ним относятся простейшие представители различных классов:

• Кислородсодержащие вещества (состоящие из C, H, O): метанол ($CH_3OH$), формальдегид ($CH_2O$), муравьиная кислота ($HCOOH$).
• Углеводороды (пять простейших представителей): метан, этан, пропан, этилен и ацетилен.

Изомерия углеродного скелета

Данная разновидность изомерии напрямую зависит от порядка связывания атомов углерода между собой. Чем длиннее углеродная цепь, тем больше вариантов её строения можно получить.

Зависимость числа изомеров от длины цепи демонстрирует лавинообразный рост:

• Структуры, содержащие два или три атома углерода ($C_2$ и $C_3$), вообще не имеют скелетных изомеров.
• Для структуры $C_4$ возможны уже два варианта соединения атомов (если не учитывать циклические структуры): линейная цепь и разветвленная.
• При усложнении скелета до $C_5$ возникает 3 изомера, для $C_6$ — 5 изомеров.
• Структура, содержащая 13 атомов углерода ($C_{13}$), образует уже более 1000 различных изомеров.

Теоретический предел и масштабы Вселенной Чтобы продемонстрировать невероятную скорость роста числа изомеров в гомологических рядах, химики приводят впечатляющий расчет. Общее число нуклонов (протонов и нейтронов) в нашей Вселенной оценивается константой примерно в $10^{80}$. Если рассмотреть предельный углеводород (алкан) с формулой $C_{167}H_{336}$ (это низкомолекулярное соединение с молекулярной массой 2344, являющееся дальним гомологом метана), то окажется, что количество его теоретически возможных изомеров превышает число нуклонов во Вселенной. Таким образом, вещества всей Вселенной банально не хватило бы на образование хотя бы по одной молекуле каждого из существующих изомеров этого алкана.

Изомерия положения

Этот вид изомерии возникает, когда функциональные группы или кратные связи между атомами углерода занимают различное положение на одном и том же углеродном скелете.

Особенности и примеры:

1. Положение заместителя. В простейшей углеродной структуре из трех атомов ($C_3$) любой заместитель может занимать либо крайнее, либо среднее положение. В итоге образуются ровно два изомера.
2. Разветвленные цепи. В сложных структурах (например, в молекуле с шестью атомами углерода и одной гидроксогруппой —ОН) перемещение функциональной группы к разным атомам углерода приводит к образованию множества различных молекул. Строгая закономерность гласит: с усложнением состава молекулы неуклонно растет число изомеров, которые различаются лишь положением функциональных групп.
3. Положение кратных связей. Изменять свое положение двойная или тройная связь может только в молекулах, начиная со структуры $C_4$. В таком случае кратная связь может располагаться либо у крайнего атома углерода, либо в середине цепи.

Важным свойством веществ, образованных за счет изомерии положения функциональной группы или кратной связи, является то, что все они относятся к одному и тому же классу органических соединений. Химические и физические свойства таких изомеров, как правило, не имеют радикальных отличий.

Изомерия функциональных групп

В отличие от предыдущего вида, изомерия функциональных групп подразумевает, что вещества при одинаковом качественном и количественном составе содержат совершенно разные функциональные группы. Это означает, что такие изомеры относятся к разным классам химических веществ, и различие в их свойствах проявляется особенно сильно.

Ярким примером служит структура с молекулярной формулой $C_2H_4O_2$. В зависимости от расположения атомов, она образует вещества с различными химическими свойствами:

• Карбоновая кислота (уксусная кислота): оба атома кислорода связаны с одним атомом углерода, образуя единую карбоксильную группу ($-\text{COOH}$).
• Гидроксиальдегид: атомы кислорода распределены между разными атомами углерода. В результате в одной молекуле появляются сразу две разные функциональные группы — спиртовая ($-\text{OH}$) и альдегидная ($-\text{CHO}$).

Историческое значение: Явление изомерии сыграло важнейшую роль в развитии органической химии, особенно в эпоху до изобретения прямых физических методов анализа атомной структуры. Выдающийся химик А.М. Бутлеров при разработке своей теории строения органических соединений блестяще использовал доступные данные о количестве известных изомеров для того, чтобы делать точные выводы о невидимом строении веществ.

Вопросы с занятий и экзамена

Что ещё разобрать по теме

• Циклические структуры и их влияние на изомерию скелета
• Пространственное расположение атомов
• Теория строения органических соединений А.М. Бутлерова
• Изомерия комплексных соединений в неорганической химии

Другие темы раздела «Глава 14. Теоретические основы органической химии»

Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.