Struktura

Struktura organických sloučenin a izomerie

Struktura organických sloučenin a izomerie

S pojmem struktura souvisejí další pojmy, a to: konstituce, konfigurace a konformace, jímž je pojem struktura nadřazen.

 

Izomerie organických sloučenin

Izomerie je jev, kdy jednomu molekulovému vzorci odpovídá několik různých sloučenin lišících se povahou vazeb, jejich pořadím nebo jen prostorovým uspořádáním atomů. Takové sloučeniny jsou pak svými izomery.

1. Konstituční izomery  jsou sloučeniny lišící se povahou a pořadím atomů a vazeb v molekulách, tzn. konstitucí

  • Řetězové izomery se liší strukturou řetězce

př. C4H10        a)  butan                      b)  isobutan

 

  Obr. 1: Butan a isobutan

  • Polohové izomery mají na uhlíkatém řetězci odlišným způsobem umístěný atom nebo skupiny atomů jiných prvků než uhlíku a vodíku

př. C3H7OH

propan-1-ol                                    propan-2-ol

Obr. 2: Polohové izomery propanolu

  •  Skupinové izomery obsahují ve svých molekulách různé funkční skupiny (mají proto i značně odlišné chemické vlastnosti)

př. C2H6O

ethanol                                  dimethylether 

  Obr. 3: Skupinové izomery

  • Tautomery jsou sloučeniny, které se vzájemně liší umístěním dvojné vazby a polohou jednoho atomu vodíku

př. C3H6O

(ketoforma)                    (enolforma)

Obr. 4: Tautomery 

2. Konfigurační (prostorové) izomery jsou izomery, které mají stejný molekulový vzorec a stejnou konstituci, ale liší se tzv. konfigurací, tj. prostorovým uspořádáním atomů v molekulách

  • Geometrické (cis-trans) - liší se konfigurací buď na dvojných vazbách, nebo na cyklech.

    • vazba π zamezuje otáčení

    • proto lze rozlišovat dva typy

Obr. 5: Roviny rotace

Obr. 6: Konfigurační izomery 1,2-dichlorethylenu

nebo molekula 1,2-dichlorcyklopentanu

Obr. 7: Konfigurační izomery 1,2-dichlorcyklopentanu

  • Optická izomerie

    • optické izomery mají schopnost stáčet rovinu polarizovaného světla
    • optická aktivita látky může být způsobena přítomností asymetrického atomu uhlíku (ten má čtyři různé substituenty)
    • Obr. 8: Optické izomery
    • jeden z izomerů stáčí rovinu polarizovaného světla doleva (-), druhý doprava (+)
    • jednotlivé izomery se označují jako optické antipody
    • pokud jsou ve směsi přítomny oba izomery ve stejném množství, jeví se jako opticky neaktivní –  jedná se o racemickou směs
  • Konformery

    • v necyklických molekulách, v nichž jsou atomy poutány jednoduchou vazbou σ, může docházet k otáčení atomů nebo skupin atomů kolem této jednoduché vazby
    • jednotlivé molekuly se tak mohou lišit vzájemnou orientací substituentů spojených jednoduchou vazbou
    • taková uspořádání se nazývají konformační izomery – konformery
    • př. molekula ethanu
    • A zákrytová konformace   B nezákrytová konformace   
    •  

Obr. 9: Konformace ethanu

  • zastoupení jednotlivých konformací v souboru je závislé na teplotě
  • se stoupající teplotou stoupá obsah energeticky bohatších konformerů a naopak

cyklické sloučeniny

  • u cyklických sloučenin s jednoduchými vazbami jsou také možná konformační uspořádání – např. cyklohexan 
  • za normálních teplot převažuje židličková konformace, mající nižší energii

Obr. 10: Konformace cyklohexanu

Zdroje

Obrázky​

Pokud není uvedeno jinak, autorem obrázků je Mgr. Lenka Hegerová.

Komentář

  • Konstitucí se rozumí vzájemné spojení atomů vazbami a typy vazeb.

  • Konfigurací se rozumí uspořádání atomů v prostoru, které není možné měnit volnou rotací kolem jednoduché vazby.

  • Konformací se rozumí uspořádání atomů v prostoru, které je možné měnit volnou rotací kolem jednoduché vazby.

Řetězové izomery

Uhlovodík se sumárním vzorcem C4H10 

vytváří dva polohové izomery - butan a isobutan (2-methylpropan)

 

Polohové izomery

Uhlovodík se sumárním vzorcem C3H7OH

vytváří dva polohové izomery - propan-1-ol  a  propan-2-ol

 

Skupinové izomery

Uhlovodík se sumárním vzorcem C2H6O

vytváří dva skupinové izomery - ethanol a dimethylether

Komentář

Energie konformací ethanu

Doplňující učivo

Násobné vazby v molekulách uhlovodíků

Vlastnosti uhlovodíků, které ve svých řetězcích obsahují větší množství násobných vazeb, jsou značně závislé na vzájemné poloze těchto vazeb, která může být trojí:

  • konjugovaná – pravidelné střídání jednoduchých a násobných (většinou dvojných) vazeb

             −C = C – C = C – C –

  • kumulovaná – násobné vazby vychází z téhož atomu

              −C = C = C – C – C –

  • izolovaná – násobné vazby jsou oddělené dvěma nebo více jednoduchými vazbami

               −C = C – C – C = C –

Porovnáním délek jednoduchých a dvojných vazeb u konjugovaných a izolovaných systémů bylo zjištěno, že v konjugovaných systémech jsou délky dvojných vazeb větší a naopak vazby jednoduché jsou kratší než v systémech izolovaných a jejich délka je téměř stejná.

Vysvětlení:

  • V konjugovaných systémech, např. - C = C – C = C –, dochází k částečnému přemisťování π elektronů  z oblasti násobných vazeb do oblasti jednoduchých vazeb.

  • Elektrony π  potom nejsou umístěny (lokalizovány) mezi dvojice atomů, ale jsou přítomny v orbitalech obsažených ve více atomech – jedná se o delokalizaci elektronů.

Obr. 11: Delokalizace elektronů

  • Rozložení vazeb v molekule nelze vyjadřovat běžnými vzorci, těmi lze vyjádřit pouze krajní případy rozložení elektronů – tzv. rezonanční struktury.

 

  • Zvláštním typem konjugovaných systémů je aromatický sytém.

  • Vyskytuje se u cyklických sloučenin a to u aromatických sloučenin, tzv. arenů.

  • Jejich nejjednodušším zástupcem je benzen.

  • Jeho strukturu vysvětlil August Kekulé roku 169 vzorcem:

Obr. 12: Benzen

  • Bylo ovšem zjištěno, že všechny vazby, kterými jsou atomy uhlíku vzájemně vázány, jsou naprosto rovnocenné, stejně dlouhé a molekula je mnohem stabilnější, než lze teoreticky předpovědět.

  • Skutečnou situaci lze vyjádřit pomocí dvou rezonančních struktur.

  • Vysvětlením je opět delokalizace elektronu π.

Obr. 13: Delokalizace elektronů v benzenu

  • Úplná delokalizace elektronu π se zapisuje tímto způsobem:

Obr. 14: Benzenové jádro

Obrázek

Content model benzenu

Obr.15: Model benzenu

Logolink