Typer af Isomerer: Forfatningsmæssige Isomerer, Stereoisomerer, Enantiomerer, Og Diastereomers
Hvordan kan vi vide, hvis molekyler er “relateret”? Og når vi ved, at de er, hvordan finder vi ud af, hvilken slags isomer de er?, Er de forfatningsmæssige isomerer (samme formel, forskellige tilslutningsmuligheder), stereoisomerer (samme forbindelse, forskellige arrangementer), enantiomerer (stereoisomerer, der er ikke-overlejrede spejlbilleder) eller diastereomerer (stereoisomerer, der ikke er ikke-overlejrede spejlbilleder.
eller er de de samme? :- ) Svar på alle disse spørgsmål … og mere!
Indholdsfortegnelse
- “Hvordan er vi relateret igen?”- Hvordan isomerer er som familiemedlemmer
- typerne af forhold mellem molekyler
- hvordan man skelner mellem et par ikke-isomerer vs., Et par isomerer
- typer af isomerer: konstitutionelle isomerer har forskellige forbindelser
- typer af isomerer: stereoisomerer har den samme forbindelse, men et andet Arrangement af deres atomer i rummet
- Stereogene “elementer” i stereoisomerer
- typer stereoisomerer: enantiomerer vs. Ikke-enantiomerer (alias diastereomerer)
- hvad betyder “ikke-overlejret spejlbillede” endda??,
- Ejendomsbrødre sæson 13, Episode 13: “Lord Voldemort og Chiralitetens egenskab”
- enantiomerer har identiske fysiske egenskaber bortset fra optisk Rotation
- “den tredje Ejendomsbror”: meso-vinsyre
- kun chirale molekyler kan Have enantiomerer
- diastereomerer er stereoisomerer, der ikke er enantiomerer
- diastereomerer har forskellige fysiske egenskaber
- en hurtig måde at fortælle, om to stereoisomerer er Diastereomers
- pas på trick spørgsmål!,
- resum”: typer af isomerer
- noter
” Hvordan er vi relateret igen?”- Hvordan isomerer er som familiemedlemmer
for et par uger siden, ved en familiesammenføring i Ontario, introducerede jeg mine slægtninge til glæden ved flydende nitrogenis. Mine fætre var der, ligesom mange af deres børn. Så var et par af mine fars fætre. At være en familiesammenføring inviterede de deres (voksne) børn, som igen bragte deres børn. Da jeg serverede dem is, spekulerede jeg i dampens tåge fra det flydende nitrogen: “er det mine tredje fætre? Eller mine anden fætre engang fjernet…?,”
Crap, jeg glemmer. Hvordan virker denne fætter ting igen?
i organisk kemi kan vi ligeledes finde os forundrende over spørgsmål som “Hvordan er disse to (eller flere) molekyler relaterede”? Og meget som familieterminologi, at huske sondringerne mellem forfatningsmæssige isomerer, stereoisomerer, enantiomerer, og lignende kan være en kamp i starten.
i dette indlæg forsøger vi at vise, hvordan man besvarer spørgsmål som:
- er disse to molekyler isomerer? (og hvad er isomerer, alligevel?,)
- er disse to isomerer forfatningsmæssige isomerer eller stereoisomerer (og hvad er forskellen?)
- er disse to stereoisomerer enantiomerer eller diastereomerer (og hvad betyder det? heldigvis er svaret på hvert af disse spørgsmål meget klart, og jeg håber, at du vil opdage, at med praksis (og et par levende eksempler) er lettere at huske end hele tredje fætter versus anden fætter-en gang fjernet ting.,
typerne af forhold mellem molekyler
et molekyle kan være flere typer isomer på samme tid, afhængigt af hvilket molekyle du sammenligner det med.
for at bruge vores familieanalogi: udtrykkene “bror”, “søster”, “mor”, “Datter” er ord, der beskriver forhold mellem (mindst) to personer. Du kan være en datter (din mor), en søster (din bror), en fætter (at din tante & onkler’ børn), og “ikke-relateret” (til mig), alle på samme tid.,
at spørge, om du er en datter eller en søster, giver ingen mening uden sammenhængen med at inkludere den person, “til hvem” du deler dette forhold.
så det er med molekyler. Et molekyle kan være en konstitutionel isomer, diastereomer, enantiomer og mere (eller ingen!), alle på samme tid til forskellige molekyler, afhængigt af hvilket andet molekyle(er) du sammenligner det med.
Der er tre vigtige sondringer at lære, og vi vil gennemgå dem hver efter tur.,
- Et givet par af molekyler, der kan være isomerer ELLER ikke-isomerer
- Et givet par af isomerer kan være forfatningsmæssige isomerer ELLER stereoisomerer
- Et givet par af stereoisomerer kan være enantiomerer ELLER diastereomers
(til eksamen, især, er der altid mulighed for, at en “givet par af molekyler” er faktisk det samme molekyle, tegnet anderledes. Vi dækker også denne mulighed).,
flowchart kort ud som dette:
En vigtig forskel mellem familier og molekyler:
Gennem omstændigheder, at jeg vil overlade til læseren at finde ud af, om det er muligt for en person til samtidig at være både en far og en bror til samme person.
heldigvis har vi ingen sådanne problemer i organisk kemi.
to molekyler kan være stereoisomerer af hinanden, men de kan ikke være stereoisomerer og forfatningsmæssige isomerer af hinanden. Sondringerne er klare.
sådan skelnes et par ikke-isomerer vs., Et par isomerer
isomerer er to (eller flere) molekyler, der deler den samme molekylformel.
For nogle molekylære formler findes der ingen isomerer. For eksempel er der kun én mulig isomer for CH4 (metan), C2H6 (ethan) og propan (C3H8), og kun to er muligt for C4H10 (2-methylpropane og n-butan).
efterhånden som antallet af carbonatomer stiger, gør antallet af mulige isomerer det også. For dodecan (C12H26) er 355 isomerer mulige. Og det går kun op derfra!,
På trods af at de har de samme molekylære formler, kan isomerer have meget forskellige fysiske egenskaber, såsom kogepunkt, smeltepunkt og kemisk reaktivitet.
Tag cyclohe .an (B.P. 63.C) og 1-he .en (80. C), som begge har molekylformlen C6H12. Uanset hvor forskellige deres fysiske egenskaber, eller reaktivitet, deres fælles molekylformel gør dem isomerer af hinanden.,
Ligeledes, propionsyre og 1-hydroxy-2-propanon deler den samme molekylære formel, C3H6O2, hvilket gør dem isomerer af hinanden (men ikke isomerer af cyclohexan eller 1-hexene, selvfølgelig!).
dette fører os til det næste spørgsmål. Lad os sige, at to givne molekyler er isomerer. Hvilken slags isomer er de?
isomerer opdeles pænt i to kategorier: konstitutionelle isomerer (forskellige tilslutningsmuligheder) og stereoisomerer (samme forbindelse, forskellige arrangementer i rummet). Så hvad betyder det egentlig?
4., Typer af isomerer: konstitutionelle isomerer har forskellige Connectivites
konstitutionelle isomerer har samme molekylformel, men forskellige connectivities.
de samme dele, men arrangeret på forskellige måder. For at tage dette oldie-but-goodie-eksempel skal du skifte en hale og et ben, og du laver isocats:
det er sjovt, men er der en mere streng måde at tænke på forbindelse?
Jeg finder tilfældigvis følgende tommelfingerregel nyttig:
konstitutionelle isomerer har de samme empiriske formler, men deres centrale IUPAC-navne er forskellige.,
som et eksempel er disse 5 molekyler alle forfatningsmæssige isomerer af hinanden. De har den samme empiriske formel (C6H12), men forskellige tilslutningsmuligheder. Bemærk, hvordan IUPAC-navnene også er helt forskellige.
Typer Af Isomerer: Stereoisomerer Har Samme Forbindelse, Men Et Andet Arrangement Af Deres Atomer I Rummet
Der er kun én måde at forbinde C6H12 sammen for at danne cyclohexan, og kun én måde at forbinde de samme atomer sammen til at få 1-hexene.,
men der er to måder at forbinde C6H12 påat give molekyler med navnene 2-he !en og 3-methyl-1-penten! Og fire måder at forbinde C6H12 til at give 1-ethyl-2-methylcyclopropan!
(Hurtig måde at finde frem til en veluddannet organiske kemiker: bed dem om at tegne 2-hexene, og måle hvor hurtigt det tager dem at sige, “hvilken”?). for eksempel: der er to måder at arrangere hydrogenerne på dobbeltbindingen af 2-he .en; når de er på samme side, henviser vi til det som cis (eller)); på den modsatte side, trans (e). .,
da fri rotation om dobbeltbindingen ikke er mulig, er disse helt forskellige molekyler. De kan adskilles, anbringes i forskellige kolber, efterlades på hylden i årevis og aldrig interkonverteres. Du kan købe cis-2-he .en (95%) fra Aldrich, lade den stå i opbevaringsrummet i to årtier og aldrig frygte, at den er blevet til transformen.
hvilke slags isomerer er disse? Vi kan ikke kalde dem konstitutionel isomer, da de har samme forbindelse (begge er 2-he !en! ). Vi har brug for et andet navn., Da de adskiller sig i arrangementet af deres grupper i rummet om dobbeltbindingen, kalder vi dem stereoisomerer.
stereoisomerer kan også opstå fra tetrahedrale carbonatomer, der er bundet til fire forskellige substituenter (dvs.et “chiral” eller “asymmetrisk” kulstof) som i 3-methyl-1-penten. Der er 2 (og kun 2!) forskellige måder at arrangere fire forskellige grupper omkring et tetrahedralt center, hvilket giver anledning til to molekyler, der deler den samme forbindelse, men adskiller sig i arrangementet af deres atomer i rummet., Disse molekyler kan se ens ud, men de er faktisk ikke-overlejrede spejlbilleder (mere om det et par afsnit nedenfor).
Stereogene “elementer” i stereoisomerer
en dobbeltbinding, der er i stand til cis/trans-isomerisme såvel som et “asymmetrisk” carbonatom kaldes undertiden “stereogene elementer”, da de hver giver anledning til et par stereoisomerer (E eller.), eller (R eller S)
- et molekyle, der har 2 stereogene elementer, kan give anledning til så mange som (2. 2) = 4 forskellige stereoisomerer. Det er tilfældet med 1-ethyl-2-methylcyclopropan: (R,R), (S,S), (R,S) og (S, R).,
- et molekyle med 3 stereogene elementer kan give anledning til så mange som (2 2 2.2) = 8 forskellige stereoisomerer.
- generelt kan et molekyle med n stereogene elementer have op til 2n stereoisomerer. (Sandsynligvis er det skøreste kendte eksempel inden for kemi palyto .in, som har 64 chirale centre, 8 dobbeltbindinger og omkring 1021 mulige stereoisomerer. )
en hurtig måde at fortælle, om to molekyler er stereoisomerer, er, om de har det samme IUPAC-kernenavn, men adskiller sig i deres cis/trans, E/. eller (R) / (S) betegnelser.
7., Typer af stereoisomerer: enantiomerer vs. Ikke-enantiomerer (aka Diastereomers)
Vi er ikke helt færdige. Der er en sidste vigtig sondring mellem to forskellige typer stereoisomerer.
hvorfor?, Godt, til at skubbe vores familie analogi bare en lille smule længere… lad os tale om brødre:
(ja, der er en tredje Ejendom Bror)
Disse tre mænd er alle brødre, men det er klart, at der er noget særligt om forholdet mellem to af de tre, der fortjener sin egen kategori:
Dette er ikke i modsætning til sondringen mellem diastereomers (stereoisomerer der ER IKKE ikke-superimposable spejl-billeder) og enantiomerer (stereoisomerer, der ER ikke-superimposable spejl-billeder).,
Hvad betyder “ikke-overlejret spejlbillede” endda??
Jeg vil indrømme: udtrykket “ikke-overlejrede spejlbilleder” ser ud til at give folk så mange problemer som “anden fætter versus en gang fjernet” ting. Så lad os tage fat på dette lige nu.
i vores familieanalogi (ovenfor) lavede vi “Brødre, der er identiske tvillinger” analoge med enantiomerer, og “brødre, der ikke er identiske tvillinger” analoge med diastereomere.
Vi er nødt til at finjustere denne analogi lidt.
i organisk kemi er to molekyler, der kan overlejres på hinanden gennem rotation af bindinger (dvs ., konformationsændringer) eller gennem rotation af selve molekylet anses for at være det samme molekyle.
med andre ord, i organisk kemi er molekyler, der er “identiske tvillinger”, ikke isomerer; de betragtes som identiske kopier af det samme molekyle.
en mol er trods alt 6, 02 10 1023 identiske, overlejrede molekyler., Og ligesom enæggede tvillinger er stadig identiske, hvis man sidder ved et skrivebord søger efter tilgængelige fast ejendom, der er i din prisklasse, mens de andre står i en lorte køkken gestikulerer med hænderne forsøger at vise dig, hvordan det kan være helt ombygget til at passe til dit budget, molekyler er stadig betragtes som “identiske”, hvis de tilfældigvis er i forskellige former, så længe de hver passage gennem mindst en kropsbygning, som de er superimposable.,
lad os nu lave en lille ændring af vores identiske tvillinger, så de går fra at være overlejrede spejlbilleder (= det samme) til ikke-overlejrede spejlbilleder.
Ejendomsbrødre sæson 13, Episode 13: “Lord Voldemort And the property of Chirality”
fortæller: vores klient, “Lord Voldemort” sagde, at han ledte efter en ny ond hule med “gode knogler”, så vi tog ham rundt i byen for at se på nogle ejendomme, der passer til hans liste over “must haves” og budget. Senere samme aften, efter et par drinks, ting fik akavet.,
LORD VOLDEMORT: Hey fellas, jeg har faktisk en ny ejendom, du måske er interesseret i
Dre DREW og JON: Jesus! Hvad fanden er det tynde-
LV: CHIRALITETENS ejendom! Racemundum suorum!
ZAP! (flash af lys)
Dre AND og JON: Aaarrrggh!!
den ene har et ar over hans venstre øje og den anden har et ar over hans højre. Ingen mængde vridning og drejning på gulvet i smerte kan muligvis gøre dem overlejrede nu.
de er blevet “enantiomerer”: ikke-overlejrede spejlbilleder.,
da de ikke længere er overlejrede, er de i kemi ikke længere de samme. Lignende, Ja! Men ikke det samme molekyle.
hvad ændret?
Voldemorts reagens
før vi tilføjede Voldemorts reagens, havde hver tvilling et symmetriplan langs midten af hans krop, således at venstre og højre halvdele var identiske. Ikke mere. Nu er den venstre halvdel af hver tvilling forskellig fra den højre halvdel. Vi kalder denne ejendom “asymmetri”eller ” chiralitet”.
indførelsen af arret “brød symmetrien” af hver tvilling og introducerede chiralitet.,
Med molekyler, er den mest almindelige måde at formidle chiralitet er med en carbon forsynet med 4 forskellige grupper, som i 4-methyl-1-penten, ovenfor. Af denne grund kaldes et kulstof, der er knyttet til 4 forskellige grupper, et chiralt center eller”asymmetrisk center”.
Der er to (og kun to!) måder at arrangere 4 forskellige substituenter omkring et tetrahedralt kulstof. Så et molekyle med et enkelt asymmetrisk center vil eksistere som et par stereoisomerer., For at være mere specifik vil det eksistere som et par ikke-overlejrede spejlbilleder: enantiomerer.
Enantiomerer Har de samme Fysiske Egenskaber Bortset fra Optiske Rotation
Tidligere beskrev vi, Louis Pasteur ‘ s eventyr med vinsyre, hvor han opdagede, at et stof, derefter kendt som “racemisk syre” (fra Latin racemus = “en klase vindruer”) var i virkeligheden en lige blanding af to spejl-billede former af vinsyre.at adskille disse to isomerer var helvede på hjul, da de har identiske opløseligheder, smeltepunkter og andre fysiske egenskaber., Pasteur var kun i stand til at opnå det ved at observere små forskelle i udseendet af deres salte og plukket dem fra hinanden ved hjælp af pincet og et forstørrelsesglas.
den eneste fysiske egenskab, der adskiller disse to isomerer, er, at de roterer planet for polariseret lys i lige og modsatte retninger.
efterhånden kender vi nu strukturerne af disse to isomerer af vinsyre, og ved hjælp af Cahn-Ingold-Prelog-reglerne har vi navngivet dem (R, R) og (S, s) vinsyre.
disse to isomerer er spejlbilleder af hinanden: ikke-overlejrede spejlbilleder.,
ligesom med placeringen af Voldemorts ar, kan ingen mængde bindingsrotation omdanne en (r) konfiguration til en (s) konfiguration eller omvendt.
Dette er et vigtigt fingerpeg i at identificere enantiomerer (og som vi vil diskutere nærmere i et kommende indlæg):
Enantiomerer vil altid have den samme IUPAC-navne, og helt modsat, (R/S) deskriptorer.,
“den tredje Ejendomsbror”: meso-vinsyre
vinsyre har to asymmetriske carboncentre, og vi sagde tidligere, at et molekyle med to asymmetriske Centre kan have op til 22 = 4 stereoisomerer. Hvis (2S,3S) og (2R,3R) er to stereoisomerer af vinsyre, så hvad om (2R, 3S) og (2S, 3R) – vinsyre? Disse bør også være stereoisomerer, ikke?
Når vi tegner strukturerne af (2R,3S) og (2S,3R) vinsyre, bliver der dog noget hurtigt tydeligt.,
selvom de faktisk er spejlbilleder af hinanden, er de spejlbilleder af hinanden på samme måde som vores (før Voldemort) identiske tvillinger er spejlbilleder af hinanden:
de er overlejrede spejlbilleder og betragtes derfor som identiske molekyler.
derfor er (2R, 3S)-vinsyre og (2S, 3R)-vinsyre ikke enantiomerer. De er faktisk to forskellige måder at beskrive det samme molekyle på, og vinsyre har kun tre stereoisomerer samlet.
vent., Hvordan kan det være, at et molekyle kan have chirale centre, men ikke have en enantiomer?
12. Kun chirale molekyler kan Have enantiomerer
På samme måde som vores (pre-Voldemort) Ejendomsbror havde (chiral) venstre og højre ører, men var achiral generelt på grund af det indre spejlplan. Kun chirale molekyler kan have enantiomerer.
et molekyle med et indre spejlplan – et symmetriplan – er achiral og vil ikke have en enantiomer.
ligeledes (2R, 3S)-vinsyre har chirale centre, men besidder et indre spejlplan., Det chirale center med S-konfigurationen er spejlbilledet af det chirale center med R-konfigurationen, og de andre substituenter er arrangeret symmetrisk.denne stereoisomer af vinsyre var kendt af Pasteur, da den let kunne adskilles fra “racemisk” vinsyre på grund af dens forskellige fysiske egenskaber (opløselighed). Da dens specifikke rotation (0.) var i “midten” (meso = “midten” på græsk) mellem levo ( – ) og de .tro ( + ) vinsyre, fik den navnet meso-vinsyre.,
Vide, hvad vi gør nu, det giver mening, at meso-vinsyre har en specifik rotation 0°, da kun chirale molekyler rotere plan polariseret lys, og meso-vinsyre er achiral.
navnet “meso” er blevet vedtaget mere generelt. En “meso-forbindelse” er et molekyle, der har chirale centre, men er achiral generelt på grund af tilstedeværelsen af et indre spejlplan.
Dette er grunden til, at kvalifikationen “op til 22 stereoisomerer” blev brugt., Et molekyle med 2 stereocentre kan have “op til” 4 stereoisomerer, men kan have mindre end 4, hvis en meso-form er til stede.
meso-vinsyre er lidt ligesom den tredje ejendom bror: “den, der ikke er en tvilling”.
Diastereomers Er Stereoisomerer Der Er Ikke Enantiomerer
Så hvis (2R, 3R)-vinsyre og (2S, 3S)-vinsyre er enantiomerer, hvordan kan vi beskrive forholdet mellem hver af disse molekyler og meso-vinsyre?
i organisk kemi kalder vi “stereoisomerer, der ikke er enantiomerer”, diastereomerer.,
meso-vinsyre er en diastereomer af både (2R,3R)-vinsyre og (2S, 3S)-vinsyre:
andre eksempler på “diastereomers” inkluderer:
- dobbeltbindingsisomerer (e/))
- cis–trans-isomerer
- stereoisomerer af molekyler med flere chirale centre, der har den samme konfiguration ved (mindst) et kulstof
14., Diastereomerer har forskellige fysiske egenskaber
ligesom Pasteur fandt meso-vinsyre relativt let at adskille fra “racemisk”-vinsyre, har diastereomere forskellige fysiske egenskaber (f.eks. kogepunkt, smeltepunkt, opløselighed osv.).).
15. En hurtig måde at fortælle, om to stereoisomerer er diastereomerer
en hurtig måde at fortælle, om to stereoisomerer er diastereomere:
- hvis to stereoisomerer adskiller sig i cis / trans eller E/Z deskriptorer (f. eks, cis-2-he anden og trans-2-he Ifen)
- hvis de har mindst en identisk r/s-deskriptor (som i (2S,3S)-vinsyre og (2R, 3S) – vinsyre (hvis alle R/S-deskriptorer er de samme, skal de på en eller anden måde afvige i cis/trans eller E/orientation-orientering for at være diastereomerer; ellers er de det samme molekyle!)
16. Pas På Trick Spørgsmål!
sidste eksempel, Jeg lover.
tag de to molekyler nedenfor. Er de isomerer? Hvis ja, hvilken slags isomer er de?,
den hurtigste måde, jeg ved at besvare dette spørgsmål på, er at prøve at navngive dem begge.
Når vi gør dette, finder vi, at:
- molekylet til venstre er E-(2R, 5R)-5-chlor-he?-3-en-2-ol
- molekylet til højre er E-(2R, 5R)-5-chlor-he?-3-en-2-ol
så hvordan er de relaterede?
- de er ikke forfatningsmæssige isomerer (samme forbindelse!men de er heller ikke stereoisomerer (samme E/and og R / S deskriptorer !)
derfor … de er de samme!, (Faktisk er de forskellige konformationer af det samme molekyle, og vi antager, at alle konformationer af det samme molekyle er interkonverterbare, medmindre andet er sagt. ) Se fodnote.
17. Resum.: typer af isomerer
dette har været en lang, men forhåbentlig omfattende og oplysende post på typerne af isomerer.
i den næste rate lærer vi en teknik, der – med praksis – giver dig mulighed for hurtigt at bestemme, om molekyler er enantiomerer, diastereomerer eller det samme.
tak igen til Matt for co-authoring., Spørg Matt om planlægning af en online vejledningssession her.
noter
fodnote – Atropisomerer
generelt antager vi, at konformationsisomerer interkonverteres hurtigt i den tidsskala, der er nødvendig for at måle optisk rotation.for eksempel er de to stoleformer af cis-1,2-dimethylcyclohe .an faktisk enantiomerer, men da de interkonverterer så hurtigt ved stuetemperatur, behandles de som om de er de samme.,
Dette er normalt uden for rammerne af indledende organisk kemi, men der er visse tilfælde, hvor denne antagelse ikke er gyldig.
et fremtrædende eksempel er 1,1-bi-2-naphthol (aka BINOL).
Conformer En (yderst til venstre) kan ikke konvertere til conformer B (længst til højre), uden at passere gennem en udstilling, hvor de to ringe er koplanare (i midten) , og de to hydrogenmolekyler på hver carbon (kulstof, 8) støde ind i hinanden., Dette udgør en stor nok barriere for rotation, at hver af disse to konformationer er “fanget” i sin egen tilstand ved stuetemperatur og ikke interkonverterer.
Disse to former er ikke-superimposable spejlbilleder af hinanden på samme måde, som venstrehåndede og højrehåndede skrue er ikke-superimposable spejlbilleder af hinanden. De siges at have en “chiralitetsakse”.
barrieren mellem de to konformere er stor nok til, at conformer A og conformer B kan løses (adskilles) og anbringes i forskellige flasker.,
dette specielle tilfælde af isolerbare konformere kaldes “atropisomerisme”.