Typer av Isomerene: Konstitusjonelle Isomerene, Stereoisomers, Enantiomers, Og Diastereomers
Hvordan kan vi fortelle om molekyler som er «i slekt»? Og når vi vet at de er, hvordan kan vi finne ut hva slags isomeren de er?, Er de konstitusjonelle isomerene (samme formel, forskjellige-tilkobling), stereoisomers (samme tilkobling, ulike arrangement), enantiomers (stereoisomers som er ikke-superimposable speil bilder) eller diastereomers (stereoisomers som IKKE non-superimposable speil bilder.
Eller er de det samme? : – ) Svaret på alle disse spørsmålene… og mer!
Innholdsfortegnelse
- «Hvor Er Vi i Slekt, Igjen?»– Hvordan Isomerene Er Som familiemedlemmer
- Typer Relasjoner Mellom Molekyler
- Hvordan for Å Skille Et Par Av Ikke-Isomerene vs., Et Par Av Isomerene
- Typer Av Isomerene: Konstitusjonelle Isomerene Har Ulike Connectivites
- Typer Av Isomerene: Stereoisomers Har Samme Tilkobling, Men En Annen Ordning Av Sine Atomer I Verdensrommet
- Stereogenic «Elementer» I Stereoisomers
- Typer Stereoisomers: Enantiomers vs. Ikke-Enantiomers (en.k.a. Diastereomers)
- Hva Betyr «Ikke-Superimposable speilbilde» Selv Mener??,
- Eiendom Brødre Sesong 13, Episode 13: «Lord Voldemort Og Holderen For Chirality»
- Enantiomers Har samme Fysiske Egenskaper, Bortsett fra for Optisk Rotasjon
- «Den Tredje Egenskapen Bror»: meso-Tartaric Acid
- Bare Chiral Molekyler Kan Ha Enantiomers
- Diastereomers Er Stereoisomers Som Ikke Enantiomers
- Diastereomers Har Forskjellige Fysiske Egenskaper
- En Rask Måte Å Fortelle Om To Stereoisomers Er Diastereomers
- Se Ut For å Lure Spørsmål!,
- Oppsummering: Typer Av Isomerene
- Notater
«Hvor Er Vi i Slekt Igjen?»– Hvordan Isomerene Er Som familiemedlemmer
for noen uker siden, på en familiegjenforening i Ontario, jeg introduserte min slektninger til stor glede av flytende nitrogen iskrem. Mine søskenbarn var der, så var mange av deres barn. Slik var noen av mine fedre’ søskenbarn. Å være en familiegjenforening, de inviterte sine (voksne) barn, som i sin tur førte sine barn. Som jeg serverte dem iskrem, i dis av damp fra den flytende nitrogen jeg lurte på: «er dette min tredje søskenbarn? Eller mitt andre søskenbarn når det er fjernet…?,»
Crap, jeg glemmer. Hvordan fungerer dette fetter ting til å fungere igjen?
I organisk kjemi, kan vi likeledes finner oss gåtefullt over spørsmål som «hvordan er disse to (eller flere) molekyler i slekt»? Og mye som familie terminologi, husker skiller mellom konstitusjonelle isomerene, stereoisomers, enantiomers, og som kan være en kamp først.
I dette innlegget, vi forsøker å vise hvordan til å svare på spørsmål som:
- Er disse to molekyler isomerene? (og hva er isomerene, likevel?,)
- Er disse to isomerene konstitusjonelle isomerene eller stereoisomers (og hva er forskjellen?)
- Er disse to stereoisomers enantiomers eller diastereomers (og hva betyr det?)
Heldigvis er svaret på alle disse spørsmålene er svært entydige, og jeg håper at du vil finne at med praksis (og noen levende eksempler) er lettere å huske enn hele tredje-fetter versus andre-fetter-gang-fjernet ting.,
Typer Relasjoner Mellom Molekyler
Et molekyl kan være flere typer av isomeren på samme tid, avhengig av hvilket molekyl du sammenligner det til.
for Å bruke vår familie analogi: vilkårene som «bror», «søster», «mor», «datter» er ord som beskriver relasjoner mellom (minst) to personer. Du kan være en datter (til mamma), en søster (til din bror), en fetter (til tante & onkler » barn), og «ikke i slekt» (for meg) alle på samme tid.,
for Å spørre om du er en datter ELLER søster gir ingen mening uten sammenheng med blant annet den personen «HVEM» du dele det forholdet.
Så det er med molekyler. Et molekyl kan være et konstitusjonelt isomeren, diastereomer, nedbrytingen, og mer (eller ingen!), alt på samme tid til ulike molekyler, avhengig av hvilke andre molekyl(e) du sammenligner det til.
Det er tre viktige skilnader å lære, og vi vil gå gjennom dem i hver sving.,
- Et gitt par av molekyler som kan være isomerene ELLER ikke-isomerene
- Et gitt par av isomerene kan være konstitusjonelle isomerene ELLER stereoisomers
- Et gitt par av stereoisomers kan være enantiomers ELLER diastereomers
(på eksamener som er spesielt, er det alltid en mulighet for at et gitt par av molekyler» er faktisk det samme molekylet, trekkes annerledes. Vi vil dekke det mulighet for).,
flytskjema kart ut som dette:
En viktig forskjell mellom familier og molekyler:
Gjennom omstendigheter vil jeg overlate til leseren å finne ut, er det mulig for noen å samtidig være både en far og en bror til samme person.
Heldigvis, vi har ingen slike problemer i organisk kjemi.
To molekyler kan være stereoisomers av hverandre, men de kan ikke være stereoisomers og konstitusjonelle isomerene av hverandre. Forskjellene er tydelige.
Hvordan for Å Skille Et Par Av Ikke-Isomerene vs., Et Par Av Isomerene
Isomerene er to (eller flere) molekyler som deler den samme molekylær formel.
For noen molekylær formel, ingen isomerene eksisterer. For eksempel er det bare én mulig isomeren for CH4 (metan), C2H6 (etan og propan (C3H8), og bare to er mulig for C4H10 (2-methylpropane og n-butan).
Som antall karbonatomer øker, men det gjør også antall mulige isomere former. For dodecane (C12H26), 355 isomerene er mulig. Og det går bare opp fra det!,
til Tross for deling av de samme molekylære formler, isomerene kan ha svært forskjellige fysiske egenskaper, for eksempel kokepunkt, smeltepunkt, og kjemisk reaktivitet.
Ta cyclohexane (b.s. 63 °C) og 1-hexene (80 °C), som begge har molekylær formel C6H12. Uansett hvor forskjellige deres fysiske egenskaper, eller reactivities, deres felles molekylær formel gjør dem isomerene av hverandre.,
på samme måte, propionsyre syre og 1-hydroxy-2-propanon dele samme molekylær formel, C3H6O2, noe som gjør dem isomerene av hverandre (men ikke isomerene av cyclohexane eller 1-hexene, selvfølgelig!).
Dette leder oss til neste spørsmål. La oss si at to gitt molekyler er isomerene. Hva slags isomeren er de?
Isomerene dele pent inn i to kategorier: konstitusjonelle isomerene (forskjellige tilkobling) og stereoisomers (samme tilkobling, ulike arrangement i verdensrommet). Så hva betyr egentlig det?
4., Typer Av Isomerene: Konstitusjonelle Isomerene Har Ulike Connectivites
Konstitusjonelle isomerene har samme molekylær formel, men ulike connectivities.
De samme delene, men ordnet på forskjellige måter. For å ta dette oldie, men koselig eksempel, slå med halen og et bein, og du gjør isocats:
Det er gøy, men er det en strengere måte å tenke på-tilkobling?
jeg tilfeldigvis til å finne følgende tommelfingerregel nyttige:
Konstitusjonelle isomerene har samme empiriske formler, men kjernen i IUPAC navn er forskjellige.,
Ved hjelp av et eksempel, disse 5 molekyler er alle konstitusjonelle isomerene av hverandre. De har de samme empiriske formel (C6H12) men forskjellige tilkobling. Legg merke til hvordan IUPAC-navn er alt helt annerledes.
Typer Av Isomerene: Stereoisomers Har Samme Tilkobling, Men En Annen Ordning Av Sine Atomer I Verdensrommet
Det er bare én måte å koble C6H12 sammen for å danne cyclohexane, og bare én måte å koble de samme atomene sammen for å få 1-hexene.,
Men det er to måter å koble C6H12to gi molekyler med navn 2-hexene, og 3-metyl-1-pentene! Og fire måter å koble C6H12 å gi 1-ethyl-2-methylcyclopropane!
(Rask måte å identifisere en godt trent organisk kjemiker: be dem om å trekke 2-hexene, og måle hvor fort det tar dem å si, «som en»?).
For eksempel: det er to måter å ordne hydrogens på den doble bindingen av 2-hexene; når de er på samme side, omtaler vi det som cis (eller Z); på den andre siden, trans (E). .,
Siden gratis rotasjon om dobbeltbindingen er ikke mulig, dette er helt forskjellige molekyler. De kan skilles fra hverandre, sette i forskjellige flasker, til venstre på sokkelen i mange år, og aldri interconvert. Du kan kjøpe cis-2-hexene (95%) fra Aldrich, la den i bod for to tiår, og aldri frykt for at det har slått til overs form.
Hva slags isomerene er disse? Vi kan ikke kalle dem konstitusjonelle isomeren, siden de har samme tilkobling (begge er 2-hexene! ). Vi trenger et annet navn., Siden de forskjellige i arrangement av sine grupper på plass om dobbeltbindingen vi kaller dem stereoisomers.
Stereoisomers kan også oppstå fra tetrahedral karbon atomer som er knyttet til fire forskjellige substituenter (dvs. en «chiral» eller «asymmetrisk» karbon) som i 3-metyl-1-pentene. Det er 2 (og bare 2! ulike måter å arrangere fire forskjellige grupper rundt en tetrahedral center, som gir opphav til to molekyler som deler den samme tilkobling, men forskjellige i arrangement av sine atomer i verdensrommet., Disse molekylene kan se det samme, men de er faktisk ikke-superimposable speilbilder (mer om det en noen avsnitt nedenfor).
Stereogenic «Elementer» I Stereoisomers
En dobbel binding i stand til cis/trans isomerism så vel som en «asymmetrisk» karbonatom er noen ganger kalt «stereogenic elementer» siden de hver gir opphav til et par av stereoisomers (E eller Z), eller (R eller S)
- Et molekyl som har 2 stereogenic elementer som kan gi opphav til så mange som (2 × 2) = 4 forskjellige stereoisomers. Det er tilfelle med 1-ethyl-2-metyl cyclopropane: (R,R), (S,S), (R,S) og (R,R).,
- Et molekyl med 3 stereogenic elementer som kan gi opphav til så mange som (2 × 2 × 2) = 8 forskjellige stereoisomers.
- Generelt, et molekyl med n stereogenic elementer kan ha opp til 2n stereoisomers. (Trolig den villeste kjent eksempel i kjemi er palytoxin, som har 64 chiral sentre, 8 dobbeltbindinger, og om 1021 mulig stereoisomers. )
En rask måte å fortelle om to molekyler er stereoisomers er hvis de har samme kjerne IUPAC navn, men er forskjellige i deres cis/trans, E/Z eller (R)/(S) betegnelser.
7., Typer Stereoisomers: Enantiomers vs. Ikke-Enantiomers (en.k.a. Diastereomers)
Vi er ikke helt ferdig. Det er en siste viktig skille å bli gjort mellom to ulike typer stereoisomers.
Hvorfor?, Vel, for å presse familien vår analogi bare en liten bit ytterligere… la oss snakke om brødre:
(ja, det er en tredje Eiendom Bror)
Disse tre mennene er alle brødre, men klart det er noe spesielt om forholdet mellom to av de tre som fortjener sin egen kategori for:
Dette er ikke i motsetning til skillet mellom diastereomers (stereoisomers som IKKE non-superimposable speilbilder) og enantiomers (stereoisomers som ER ikke-superimposable speil bilder).,
Hva Betyr «Ikke-Superimposable speilbilde» Selv Mener??
jeg skal innrømme: begrepet «ikke-superimposable speilbilder» synes å gi folk så mye trøbbel som «tremenning versus gang-fjernet» ting. Så la oss ta dette akkurat nå.
I vår familie analogi (ovenfor) vi laget «brødre som er identiske tvillinger» analogt til enantiomers, og «brødre som ikke er identiske tvillinger» analogt til diastereomers.
Vi trenger å justere denne analogien litt.
I organisk kjemi, to molekyler som kan bli lagt oppå hverandre, gjennom rotasjon av obligasjoner (dvs., conformational endringer) eller gjennom rotasjon av molekyl seg selv, er ansett å være den samme molekyl.
med andre ord, I organisk kjemi, molekyler som er «identiske tvillinger» er ikke isomerene, de er ansett for å være identiske kopier av de samme molekyl.
En muldvarp, tross alt, er 6.02 × 1023 identiske, superimposable molekyler., Og akkurat som eneggede tvillinger er fortsatt identiske hvis man sitter ved et skrivebord søke etter tilgjengelige fast eiendom som er i din prisklasse, mens den andre står i et crappy kjøkken gestikulerer med hendene prøver å vise deg hvordan det kan være helt omformet for å passe ditt budsjett, molekyler er fortsatt betraktes som «identiske» hvis det skjer for å være i ulike conformations, så lenge de hver passere gjennom minst ett konformasjon som de er superimposable.,
Nå, la oss gjøre en liten endring av våre eneggede tvillinger, slik at de går fra å være superimposable speilbilder (= samme) til ikke-superimposable speil bilder.
Eiendom Brødre Sesong 13, Episode 13: «Lord Voldemort Og Holderen For Chirality»
FORTELLER: Vår klient, «Lord Voldemort» sa han var på jakt etter en ny onde lair med «gode bein», så vi tok ham med rundt i byen for å se på noen egenskaper som passer inn i hans liste over «must haves» og budsjett. Senere på kvelden, etter et par drinker, ting ble vanskelig.,
LORD VOLDEMORT: Hei gutter, jeg har faktisk en ny egenskap som DU kan være interessert i
DREW OG JON: Jesus! Hva i helvete er det som tynn-
– >
LV: holderen for CHIRALITY! Racemundum suorum!
ZAP! (blits av lys)
DREW OG JON: Aaarrrggh!!
Man har et arr over hans venstre øye og den andre har et arr over hans rett. Ingen mengden av vrir og vender på gulvet i smerte kan muligens gjøre dem superimposable nå.
De har blitt «enantiomers»: ikke-superimposable speil bilder.,
Siden de ikke lenger superimposable i kjemi vilkår de er ikke lenger den samme. Ligner, ja! Men ikke de samme molekyl.
Hva endret seg?
Voldemort er Reagens
Før vi lagt Voldemort er reagens, hver twin hadde et fly av symmetri langs midten av kroppen hans slik at venstre og høyre halvdel var identiske. Lenger. Nå er den venstre halvdelen av hver twin er forskjellig fra den høyre halvdel. Vi kaller denne eiendommen «asymmetri», eller «chirality».
innføringen av arr «brøt symmetri» av hver tomannsrom og innført chirality.,
Med molekyler, den mest vanlige måten å formidle chirality er med en karbon lager 4 ulike grupper, som i 4-metyl-1-pentene, ovenfor. Dette er årsaken til at en karbon knyttet til 4 forskjellige grupper kalles en chiral sentrum, eller «asymmetrisk center».
Det er to (og bare to!) måter å ordne 4 forskjellige substituenter rundt en tetrahedral karbon. Så et molekyl med en enkelt asymmetrisk center vil eksistere som et par av stereoisomers., For å være mer spesifikk, det vil eksistere som et par av ikke-superimposable speil bilder: enantiomers.
Enantiomers Har samme Fysiske Egenskaper, Bortsett fra for Optisk Rotasjon
Tidligere har vi beskrevet Louis Pasteur ‘ s adventures med tartaric acid hvor han oppdaget at et sammensatt kjent som «racemisk acid» (fra Latin racemus = «en haug av druer») var faktisk en lik blanding av to speil-bilde former for tartaric acid.
å Skille disse to isomerene var hell on wheels, siden de har identiske solubilities, smelte poeng, og andre fysiske egenskaper., Pasteur var bare i stand til å oppnå det gjennom å observere minutters forskjeller i utseende av deres salter, og plukket dem fra hverandre ved hjelp av pinsett og et forstørrelsesglass.
Den eneste fysiske egenskapen som skiller disse to isomerene er at de roterer flyet av polarisert lys i like store og motsatte retninger.
i ettertid, har vi nå kjenner strukturen av disse to isomerene av tartaric acid, og ved hjelp av Cahn-Ingold-Prelog regler, har kalt dem (R,R) og (S,S) tartaric acid.
Disse to isomerene er speilbilder av hverandre: Ikke-superimposable speil bilder.,
Akkurat som med plassering av Voldemort er arr, ikke mengden av bond rotasjon kan slå et (R) – konfigurasjon til en (S) konfigurasjonen, eller vice versa.
Dette er en viktig kilde til å identifisere enantiomers (og vi vil diskutere videre i en fremtidig innlegg):
Enantiomers vil alltid ha samme IUPAC navn, og helt på motsatt side (R/S) beskrivelser.,
«Den Tredje Egenskapen Bror»: meso-Tartaric Acid
Tartaric acid har to asymmetriske karbon sentre, og vi sa tidligere at et molekyl med to asymmetriske sentre kan ha opp til 22 = 4 stereoisomers. Hvis (2S,3S) og (2R,3R) er to stereoisomers av tartaric acid, så hva om (2R, 3S) og (2S, 3R) tartaric acid? Disse bør også være stereoisomers, ikke sant?
Når vi trekker ut strukturer (2R,3S) og (2S,3R) tartaric acid, imidlertid, noe som raskt blir synlig.,
Mens de er faktisk speilbilder av hverandre, de er speilbilder av hverandre, på samme måte som våre (pre-Voldemort) eneggede tvillinger er speilbilder av hverandre:
De er superimposable speilbilder, og derfor vurdert til å være identiske molekyler.
Derfor (2R, 3S)-tartaric acid og (2S, 3R)-tartaric acid er ikke enantiomers. De er faktisk to forskjellige måter å beskrive den samme molekylet, og tartaric acid bare har tre stereoisomers samlet.
Vent., Hvordan kan det være at et molekyl kan ha chiral sentre, men ikke har en nedbrytingen?
12. Bare Chiral Molekyler Kan Ha Enantiomers
Akkurat på samme måte som våre (pre-Voldemort) Eiendom Bror hadde (chiral) venstre og høyre øre, men var achiral samlede grunn av det innvendige speilet flyet. Bare chiral molekyler kan ha enantiomers.
Et molekyl med en innvendig speil plan – en plan for symmetri – er achiral og vil ikke ha en nedbrytingen.
på samme måte, (2R, 3S)-tartaric acid har chiral sentre, men har en innvendig speil flyet., Den chiral center med S konfigurasjon er speilbilde av chiral center med R-konfigurasjon, og den andre substituenter er plassert symmetrisk.
Dette stereoisomer av tartaric acid var kjent for å Pasteur, siden det kunne lett skilles fra «racemisk» tartaric acid på grunn av de forskjellige fysiske egenskaper (i vann). Siden den spesifikke rotasjonen (0°) var i «midten» (meso = «midten» på gresk) mellom levo (–) og dextro (+) tartaric acid, det ble gitt navnet meso-tartaric acid.,
å Vite hva vi gjør nå, er det fornuftig at meso-tartaric acid har en spesifikk rotasjon av 0°, siden bare chiral molekyler rotere flyet av polarisert lys, og meso-tartaric acid er achiral.
navnet «meso» har blitt tatt i bruk mer generelt. En «meso sammensatte» er et molekyl som har chiral sentre, men er achiral totalt sett på grunn av tilstedeværelsen av en innvendig speil flyet.
Dette er grunnen til at kvalifisering «opp til 22 stereoisomers» ble brukt., Et molekyl med 2 stereocenters kan ha «opp til» 4 stereoisomers, men kan ha mindre enn 4 hvis en meso form er til stede.
meso-tartaric acid er type som den tredje Egenskapen Bror: «den som ikke er en tvilling».
Diastereomers Er Stereoisomers Som Ikke Enantiomers
Så hvis (2R, 3R)-tartaric acid og (2S, 3S)-tartaric acid er enantiomers, hvordan kan vi beskrive forholdet mellom hver av disse molekylene og meso-tartaric acid?
I organisk kjemi, vi kaller «stereoisomers som ikke enantiomers», diastereomers.,
meso-tartaric acid er en diastereomer av begge (2R,3R)-tartaric acid og (2S, 3S)-tartaric acid:
Andre eksempler på «diastereomers» inkluderer:
- dobbeltbindingen isomerene (E/Z)
- cis–trans isomerene
- stereoisomers av molekyler med flere chiral sentre som har samme konfigurasjon på (minst) ett karbon
14., Diastereomers Har Forskjellige Fysiske Egenskaper
Akkurat som Pasteur fant meso-tartaric acid relativt lett å skille fra «racemisk»-tartaric acid, diastereomers har forskjellige fysiske egenskaper (f.eks. kokepunkt, smeltepunkt, solubilities, etc.).
15. En Rask Måte Å Fortelle Om To Stereoisomers Er Diastereomers
En rask måte å fortelle om to stereoisomers er diastereomers:
- hvis to stereoisomers forskjellige i cis/trans eller E/Z beskrivelsene (f.eks., cis-2-hexene og trans-2-hexene)
- dersom de har minst ett identisk R/S descriptor (som i (2S,3S)-Tartaric acid og (2R, 3S)-Tartaric acid (hvis alle R/S beskrivelsene er de samme, de har til å variere noe i cis/trans eller E/Z-retning for å være diastereomers, ellers er de samme molekyl!)
16. Se Opp For Lure Spørsmål!
Siste eksempel, jeg lover.
Ta to molekyler nedenfor. Er de isomerene? Hvis så, hva slags isomeren er de?,
Den raskeste måten jeg kjenner til å besvare dette spørsmålet er for å prøve å nevne dem begge.
Når vi gjør dette, finner vi at:
- molekylet på venstre er E-(2R, 5R)-5-klor-hex-3-en-2-ol
- molekylet på høyre side, er E-(2R, 5R)-5-klor-hex-3-en-2-ol
Så hvordan er de i slekt?
- De er ikke konstitusjonelle isomerene (samme tilkobling!)
- Men de er ikke stereoisomers enten (samme E/Z og R/S beskrivelsene !)
Derfor… de er de samme!, (Faktisk, de er forskjellige conformations av det samme molekylet, og vi gjør en antakelse om at alle conformations av samme molekylet er interconvertible, med mindre sagt noe annet. ) se fotnote.
17. Sammendrag: Typer Av Isomerene
Dette har vært en lang, men forhåpentligvis omfattende og opplysende innlegg på typer av isomerene.
I neste avdrag vil vi lære en teknikk som – med praksis – vil tillate deg å raskt finne ut om molekyler er enantiomers, diastereomers, eller den samme.
Takk igjen til Matt for co-produksjon., Spør Matt om planlegging en online veiledning økten her.
Notater
Fotnote – atropisomers
Vanligvis gjør vi en antakelse om at conformational isomerene interconvert raskt på tidsskalaen nødvendig å måle optisk rotasjon.
For eksempel, de to stol former for cis-1,2-dimethylcyclohexane er faktisk enantiomers, men siden de interconvert så raskt ved romtemperatur, de blir behandlet som om de er de samme.,
Dette er vanligvis utenfor rammen av innledende organisk kjemi, men det er visse tilfeller der denne forutsetningen ikke er gyldig.
Et fremtredende eksempel er 1,1-bi-2-naphthol (aka BINOL).
Conformer En (helt til venstre), kan ikke konvertere til conformer B (lengst til høyre) uten å passere gjennom en konformasjon der de to ringene er på samme plan (midten) , og de to hydrogens på hver karbon (carbon 8) bump inn i hverandre., Dette utgjør et stort nok hinder til rotasjon med at hver av disse to conformations er «fanget» i sin egen stat i romtemperatur og trenger ikke interconvert.
Disse to conformations er ikke-superimposable speilbilder av hverandre, på samme måte som venstre hånd og høyre hånd skruen er ikke-superimposable speilbilder av hverandre. De er sagt å ha en «akse chirality».
barriere mellom de to conformers er stor nok til at conformer En og conformer B kan løses (separert) og sette i forskjellige flasker.,
Denne spesielle tilfelle isolable conformers er kalt «atropisomerism».