typer av isomerer: konstitutionella isomerer, stereoisomerer, enantiomerer och diastereomerer
hur berättar vi om molekyler är ”relaterade”? Och när vi vet att de är, hur vi räkna ut vilken typ av isomer de är?, Är de konstitutionella isomerer (samma formel, olika anslutningar), stereoisomerer (samma anslutning, olika arrangemang), enantiomerer (stereoisomerer som är icke-överlagrbara spegelbilder) eller diastereomerer (stereoisomerer som inte är överlagrbara spegelbilder.
eller är de samma? :- ) Svara på alla dessa frågor … och mer!
Innehållsförteckning
- ”hur är vi relaterade igen?”- Hur isomerer är som familjemedlemmar
- typerna av relationer mellan molekyler
- hur man skiljer ett par Icke-isomerer vs., Ett par isomerer
- typer av isomerer: konstitutionella isomerer har olika Connectivites
- typer av isomerer: stereoisomerer har samma anslutning men ett annat arrangemang av sina atomer i rymden
- Stereogena ”element” i stereoisomerer
- typer av stereoisomerer: enantiomerer vs icke-enantiomerer (Alias Diastereomers)
- Vad betyder” icke-Superimposable Mirror Image ” ens??,
- Property Brothers säsong 13, episod 13: ”Lord Voldemort och egenskapen av Chiralitet”
- enantiomerer har identiska fysikaliska egenskaper förutom optisk Rotation
- ”The Third Property Brother”: meso-vinsyra
- endast Chirala molekyler kan ha enantiomerer
- diastereomerer är stereoisomerer som inte är enantiomerer
- diastereomerer har olika fysikaliska egenskaper
- a snabbt sätt att berätta om två stereoisomerer är diastereomers
- se upp för trick frågor!,
- sammanfattning: typer av isomerer
- anmärkningar
” hur är vi relaterade igen?”- Hur isomerer är som familjemedlemmar
För några veckor sedan, på en familjeåterförening i Ontario, introducerade jag mina släktingar till glädjen av flytande kväveglass. Mina kusiner var där, liksom många av deras barn. Det var några av mina pappas kusiner också. Som en familjeåterförening bjöd de in sina (odlade) barn, som i sin tur tog med sina barn. När jag tjänade dem Glass, undrade jag i ångans dimma från det flytande kväve: ”är det mina tredje kusiner? Eller min kusiner en gång bort…?,”
skit, jag glömmer. Hur fungerar den här kusinen igen?
i organisk kemi kan vi också hitta oss förbryllande över frågor som ”hur är dessa två (eller flera) molekyler relaterade”? Och ungefär som familjeterminologi, minns skillnaderna mellan konstitutionella isomerer, stereoisomers, enantiomerer och liknande kan vara en kamp i början.
i det här inlägget försöker vi visa hur man svarar på frågor som:
- är dessa två molekylisomerer? (och vad är isomerer, hur som helst?,)
- är dessa två isomerer konstitutionella isomerer eller stereoisomerer (och vad är skillnaden?)
- är dessa två stereoisomerer enantiomerer eller diastereomerer (och vad betyder det?)
Tack och lov är svaret på var och en av dessa frågor väldigt tydligt, och jag hoppas att du kommer att finna det med övning (och några levande exempel) är lättare att komma ihåg än hela tredje kusin kontra andra kusin-en gång borttagen sak.,
typerna av relationer mellan molekyler
en molekyl kan vara flera typer av isomer samtidigt, beroende på vilken molekyl du jämför den med.
för att använda vår familj analogi: termerna ”bror”, ”syster”, ”mor”, ”dotter” är ord som beskriver relationer mellan (minst) två personer. Du kan vara en dotter (till din mamma), en syster (till din bror), en kusin (till din moster & farbrödernas barn) och ”inte relaterad” (till mig) samtidigt.,
att fråga om du är en dotter eller en syster är meningslöst utan att inkludera personen ”till vem” du delar det förhållandet.
så det är med molekyler. En molekyl kan vara en konstitutionell isomer, diastereomer, enantiomer och mer (eller ingen!), alla samtidigt till olika molekyler, beroende på vilka andra molekyler du jämför det med.
det finns tre viktiga skillnader att lära sig, och vi kommer att gå igenom dem var och en i sin tur.,
- ett givet par molekyler kan vara isomerer eller icke-isomerer
- ett givet par isomerer kan vara konstitutionella isomerer eller stereoisomerer
- ett givet par stereoisomerer kan vara enantiomerer eller diastereomerer
(på tentor finns det alltid möjlighet att ett ”givet par molekyler” faktiskt är samma molekyl, ritat annorlunda. Vi täcker den möjligheten också).,
flödesschemat kartlägger så här:
en nyckelskillnad mellan familjer och molekyler:
under omständigheter lämnar jag läsaren att räkna ut, det är möjligt för någon att samtidigt vara både en far och en bror till samma individ.
Tack och lov har vi inga sådana problem i organisk kemi.
två molekyler kan vara stereoisomerer av varandra, men de kan inte vara stereoisomerer och konstitutionella isomerer av varandra. Skillnaderna är tydliga.
hur man skiljer ett par Icke-isomerer vs., Ett par isomerer
isomerer är två (eller flera) molekyler som har samma molekylformel.
För vissa molekylära formler finns inga isomerer. Till exempel finns det bara en möjlig isomer för CH4 (metan), C2H6 (etan) och propan (c3h8), och endast två är möjliga för C4H10 (2-metylpropan och n-butan).
eftersom antalet kolatomer ökar gör dock antalet möjliga isomerer det. För dodekan (C12H26) är 355 isomerer möjliga. Och det går bara upp därifrån!,
trots att de delar samma molekylära formler kan isomerer ha mycket olika fysikaliska egenskaper, såsom kokpunkt, smältpunkt och kemisk reaktivitet.
ta cyklohexan (B.P. 63 °C) och 1-Hexen (80 °C) som båda har molekylformeln C6H12. Oavsett hur olika deras fysikaliska egenskaper, eller reaktiviteter, gör deras gemensamma molekylformel dem isomerer av varandra.,
på samma sätt har propionsyra och 1-hydroxi-2-propanon samma molekylformel, c3h6o2, vilket gör dem till isomerer av varandra (men inte isomerer av cyklohexan eller 1-Hexen, förstås!).
detta leder oss till nästa fråga. Låt oss säga att två givna molekyler är isomerer. Vilken typ av isomer är de?
isomerer delar sig snyggt i två kategorier: konstitutionella isomerer (olika anslutningar) och stereoisomerer (samma anslutning, olika arrangemang i rymden). Vad betyder det egentligen?
4., Typer av isomerer: konstitutionella isomerer har olika Connectivites
konstitutionella isomerer har samma molekylformel, men olika anslutningar.
samma delar, men ordnade på olika sätt. För att ta detta oldie-but-goodie-exempel, byt en svans och ett ben och du gör isocats:
det är roligt, men finns det ett mer rigoröst sätt att tänka på anslutning?
Jag råkar hitta följande tumregel användbar:
konstitutionella isomerer har samma empiriska formler men deras core IUPAC namn är olika.,
genom ett exempel är dessa 5 molekyler alla konstitutionella isomerer av varandra. De har samma empiriska formel (c6h12) men olika anslutningar. Observera hur IUPAC namnen är alla helt olika också.
typer av isomerer: stereoisomerer har samma anslutning men ett annat arrangemang av deras atomer i rymden
det finns bara ett sätt att ansluta c6h12 tillsammans för att bilda cyklohexan, och bara ett sätt att ansluta samma atomer tillsammans för att få 1-Hexen.,
men det finns två sätt att ansluta c6h12för att ge molekyler med namnen 2-Hexen och 3-metyl-1-penten! Och fyra sätt att ansluta c6h12 för att ge 1-etyl-2-metylcyklopropan!
(snabbt sätt att identifiera en välutbildad organisk kemist: be dem att rita 2-Hexen och mäta hur snabbt det tar dem att säga ”vilken”?).
till exempel: det finns två sätt att ordna hydrogenerna på dubbelbindningen av 2-Hexen; när de är på samma sida hänvisar vi till det som cis (eller Z); på motsatt sida, trans (e). .,
eftersom fri rotation om dubbelbindningen inte är möjlig är dessa helt distinkta molekyler. De kan separeras, läggas i olika kolvar, lämnas på hyllan i flera år och aldrig interconvert. Du kan köpa cis-2-Hexen (95%) från Aldrich, lämna den i förrådet i två decennier och frukta aldrig att den har förvandlats till transformen.
vilken typ av isomerer är dessa? Vi kan inte kalla dem konstitutionell isomer, eftersom de har samma anslutning (båda är 2-Hexen! ). Vi behöver ett annat namn., Eftersom de skiljer sig åt i arrangemanget av sina grupper i rymden om dubbelbindningen kallar vi dem stereoisomers.
stereoisomerer kan också uppstå från tetraedriska kolatomer som är fästa vid fyra olika substituenter (dvs. ett ”kiralt” eller ”asymmetriskt” kol) som i 3-metyl-1-penten. Det finns 2(och endast 2!) olika sätt att ordna fyra olika grupper runt ett tetraedriskt centrum, vilket ger upphov till två molekyler som delar samma anslutning men skiljer sig åt i arrangemanget av deras atomer i rymden., Dessa molekyler kan se likadana ut, men de är faktiskt icke-överlagrbara spegelbilder (mer om det några stycken nedan).
Stereogenic ”Element” I Stereoisomerer
En dubbelbindning kan cis/trans isomerism liksom en ”asymmetrisk” kolatom kallas ibland för ”stereogenic element” eftersom de ger upphov till ett par stereoisomerer (E eller Z), eller (R eller S)
- En molekyl som har 2 stereogenic element kan ge upphov till så många som (2 × 2) = 4 olika stereoisomerer. Så är fallet med 1-etyl-2-metylcyklopropan: (R, R), (S, S), (R, S) och (S,R).,
- en molekyl med 3 stereogena element kan ge upphov till så många som (2 × 2 × 2) = 8 olika stereoisomerer.
- generellt kan en molekyl med n stereogena element ha upp till 2N stereoisomerer. (Förmodligen är det galnaste kända exemplet i kemi palytoxin, som har 64 chirala centra, 8 dubbelbindningar och cirka 1021 möjliga stereoisomerer. )
ett snabbt sätt att berätta om två molekyler är stereoisomerer är om de har samma core IUPAC namn men skiljer sig i deras cis/trans, E/Z, eller (R)/(S) beteckningar.
7., Typer av stereoisomerer: enantiomerer mot icke-enantiomerer (Alias Diastereomers)
Vi är inte riktigt färdiga. Det finns en sista viktig skillnad mellan två olika typer av stereoisomerer.
varför?, Tja, för att driva vår familj analogi bara lite längre… låt oss prata om bröder:
(ja, det finns en tredje Fastighetsbror)
dessa tre män är alla bröder, men det finns tydligt något speciellt om förhållandet mellan två av de tre som förtjänar sin egen kategori:
detta är inte olikt skillnaden mellan diastereomerer (stereoisomerer som inte är icke-överlagrbara spegelbilder) och enantiomerer (stereoisomerer som inte är överlagrbara spegelbilder).,
Vad betyder” non-Superimposable Mirror Image ” ens??
Jag kommer att erkänna: termen ”icke-superimposable mirror images” verkar ge människor så mycket problem som ”andra kusin mot en gång borttagen” sak. Så låt oss ta itu med detta just nu.
i vår familj analogi (ovan) gjorde vi ”bröder som är identiska tvillingar” analoga med enantiomerer och ”bröder som inte är identiska tvillingar” analoga med diastereomerer.
Vi måste justera denna analogi lite.
i organisk kemi, två molekyler som kan överlagras på varandra, genom rotation av bindningar (dvs, konformationsförändringar) eller genom rotation av själva molekylen anses vara samma molekyl.
med andra ord, i organisk kemi, är molekyler som är ”identiska tvillingar” inte isomerer; de anses vara identiska kopior av samma molekyl.
en mol är trots allt 6.02 × 1023 identiska, överlagrbara molekyler., Och precis som enäggstvillingar är fortfarande identiska om man sitter vid ett skrivbord och letar efter tillgängliga fastigheter som ligger i ditt prisklass medan den andra står i ett skitkök som gestikulerar med händerna och försöker visa dig hur det kan omformas helt för att passa din budget, anses molekyler fortfarande vara ”identiska” om de råkar vara i olika konformationer, så länge de passerar genom minst en konformation där de är superimposable.,
låt oss nu göra en liten modifiering till våra identiska tvillingar så att de går från att vara överlagrbara spegelbilder (= samma) till icke-överlagrbara spegelbilder.
Property Brothers säsong 13, episod 13: ”Lord Voldemort and the Property of Chirality”
berättare: vår klient, ” Lord Voldemort ”sa att han letade efter en ny ond lya med” good bones”, så vi tog honom runt staden för att titta på några egenskaper som passar hans lista över” must haves ” och budget. Senare den kvällen, efter några drinkar, blev det besvärligt.,
LORD VOLDEMORT: Hey fellas, jag har faktiskt en ny egenskap som du kanske är intresserad av
DREW och Jon: Jesus! Vad i helvete är det tunna –
LV: CHIRALITETENS egendom! Racemundum suorum!
ZAP! (blixt av ljus)
DREW OCH JON: Aaarrrggh!!
en har ett ärr över hans vänstra öga och den andra har ett ärr över hans högra. Ingen mängd vridning och vridning på golvet i smärta kan möjligen göra dem överlagrbara nu.
de har blivit ”enantiomerer”: icke-överlagrbara spegelbilder.,
eftersom de inte längre är överlagrbara är de i kemi inte längre desamma. Liknande, ja! Men inte samma molekyl.
vad förändrades?
Voldemorts reagens
innan vi lade till Voldemorts reagens hade varje tvilling ett symmetriplan längs mitten av hans kropp så att de vänstra och högra halvorna var identiska. Inte mer. Nu är den vänstra halvan av varje tvilling annorlunda än den högra halvan. Vi kallar den här egenskapen ”asymmetri”eller ” chiralitet”.
införandet av ärret ”bröt symmetrin” för varje tvilling och introducerade chiralitet.,
med molekyler är det vanligaste sättet att ge chiralitet med ett kollager 4 olika grupper, som i 4-metyl-1-penten ovan. Av denna anledning kallas ett kol som är fäst vid 4 olika grupper ett kiralt centrum eller”asymmetriskt centrum”.
det finns två (och bara två!) sätt att ordna 4 olika substituenter runt ett tetrahedral kol. Så en molekyl med ett enda asymmetriskt centrum kommer att existera som ett par stereoisomerer., För att vara mer specifik kommer den att existera som ett par icke-överlagrbara spegelbilder: enantiomerer.
enantiomerer har identiska fysikaliska egenskaper förutom optisk Rotation
tidigare beskrev vi Louis Pasteurs äventyr med vinsyra där han upptäckte att en förening som kallas ” racemisk syra ”(från Latin racemus = ”ett gäng druvor”) faktiskt var en lika blandning av två spegelbildsformer av vinsyra.
separering av dessa två isomerer var helvete på hjul, eftersom de har identiska lösligheter, smältpunkter och andra fysikaliska egenskaper., Pasteur kunde bara uppnå det genom att observera små skillnader i utseendet på deras salter och plockade dem ifrån varandra med pincett och ett förstoringsglas.
den enda fysiska egenskapen som skiljer dessa två isomerer är att de roterar planet för polariserat ljus i lika och motsatta riktningar.
med efterhand känner vi nu till strukturerna för dessa två isomerer av vinsyra och använder Cahn-Ingold-Prelog-reglerna, har namngett dem (R,R) och (S,S) vinsyra.
dessa två isomerer är spegelbilder av varandra: icke-överlagrbara spegelbilder.,
precis som med placeringen av Voldemorts ärr, kan ingen mängd Bond rotation vända en (R) konfiguration till en (s) konfiguration, eller vice versa.
detta är en viktig ledtråd för att identifiera enantiomerer (och en vi kommer att diskutera vidare i ett framtida inlägg):
enantiomerer kommer alltid att ha samma IUPAC-namn och helt motsatta (r / s) deskriptorer.,
”The Third Property Brother”: meso-vinsyra
vinsyra har två asymmetriska kolcentra, och vi sa tidigare att en molekyl med två asymmetriska centra kan ha upp till 22 = 4 stereoisomerer. Om (2S,3S) och (2R,3R) är två stereoisomerer av vinsyra, vad sägs om (2R, 3S) och (2S, 3R) vinsyra? Dessa bör också vara stereoisomerer, eller hur?
När vi drar ut strukturerna för (2R,3S) och (2S,3R) vinsyra blir dock något snabbt uppenbart.,
medan de verkligen är spegelbilder av varandra, är de spegelbilder av varandra på samma sätt som våra (pre-Voldemort) identiska tvillingar är spegelbilder av varandra:
de är överlagrbara spegelbilder och anses därför vara identiska molekyler.
därför (2r, 3S)-vinsyra och (2S, 3R)-vinsyra är inte enantiomerer. De är faktiskt två olika sätt att beskriva samma molekyl,och vinsyra har bara tre stereoisomerer totalt sett.
vänta., Hur kan det vara så att en molekyl kan ha kirala centra men inte ha en enantiomer?
12. Endast Chirala molekyler kan ha enantiomerer
precis på samma sätt som vår (pre-Voldemort) Fastighetsbror hade (chiral) vänster och höger öron, men var achiral övergripande på grund av det inre spegelplanet. Endast Chirala molekyler kan ha enantiomerer.
en molekyl med ett inre spegelplan – ett symmetriplan – är achiralt och kommer inte att ha en enantiomer.
likaså (2r, 3S)-vinsyra har kirala centra, men har ett inre spegelplan., Chiral center med s-konfigurationen är spegelbilden av chiral center med R-konfigurationen, och de andra substituenterna är anordnade symmetriskt.
denna stereoisomer av vinsyra var känd för Pasteur, eftersom den lätt kunde separeras från ”racemisk” vinsyra på grund av dess olika fysikaliska egenskaper (löslighet). Eftersom dess specifika rotation (0°) var i ”mitten” (meso = ”mitten” på grekiska) mellan levo ( – ) och Dextro ( + ) vinsyra, fick den namnet meso-vinsyra.,
att veta vad vi gör nu är det vettigt att meso-vinsyra har en specifik rotation av 0°, eftersom endast kirala molekyler roterar planet för polariserat ljus och meso-vinsyra är achiral.
namnet ”meso” har antagits mer allmänt. En ”mesoförening” är en molekyl som har chirala centra, men är achiral övergripande på grund av närvaron av ett inre spegelplan.
det är därför kvalificeraren ”upp till 22 stereoisomers” användes., En molekyl med 2 stereocenters kan ha ”upp till” 4 stereoisomerer, men kan ha mindre än 4 om en meso form är närvarande.
meso-vinsyra är ungefär som den tredje egenskapen bror: ”den som inte är en tvilling”.
diastereomerer är stereoisomerer som inte är enantiomerer
så om (2R, 3R)-vinsyra och (2S, 3S)-vinsyra är enantiomerer, hur beskriver vi förhållandet mellan var och en av dessa molekyler och meso-vinsyra?
i organisk kemi kallar vi ”stereoisomerer som inte är enantiomerer”, diastereomerer.,
meso-vinsyra är en diastereomer av båda (2R,3R)-vinsyra och (2S, 3S)-vinsyra:
andra exempel på ”diastereomerer” inkluderar:
- dubbla bindningsisomerer (E/p>
andra exempel på ”diastereomerer” inkluderar:
- dubbelbindningsisomerer (E/p >
)
- cis–trans-isomerer
- stereoisomerer av molekyler med flera kirala centra som har samma konfiguration vid (minst) ett kol
14., Diastereomers Har Olika Fysikaliska Egenskaper
Precis som Pasteur finns meso-vinsyra relativt lätt att skilja från ”racemisk”-vinsyra, diastereomers har olika fysikaliska egenskaper (t ex kokpunkt, smältpunkt, löslighet etc.).
15. Ett snabbt sätt att berätta om två stereoisomerer är diastereomerer
ett snabbt sätt att berätta om två stereoisomerer är diastereomerer:
- om två stereoisomerer skiljer sig åt i cis/trans eller E / Z-deskriptorer (t. ex., cis-2-Hexen och trans-2-Hexen)
- om de har minst en identisk r / s deskriptor (som i (2S,3S)-vinsyra och (2R, 3S)-vinsyra (om alla r/s deskriptorer är desamma, måste de skilja sig på något sätt i cis/trans eller E/Z orientering för att vara diastereomerer; annars är de samma molekyl!)
16. Se Upp För Trick Frågor!
sista exemplet, Jag lovar.
ta de två molekylerna nedan. Är de isomerer? Om så är fallet, vilken typ av isomer är de?,
det snabbaste sättet jag vet att svara på denna fråga är att försöka namnge dem båda.
När vi gör detta finner vi att:
- molekylen till vänster är E – (2R, 5R)-5-kloro-hex-3-en-2-ol
- molekylen till höger är e-(2R, 5R)-5-kloro-hex-3-en-2-ol
Så hur är de relaterade?
- de är inte konstitutionella isomerer(samma anslutning!)
- men de är inte stereoisomerer heller (samma e/Z och R/s deskriptorer !)
därför… de är desamma!, (Faktiskt, de är olika konformationer av samma molekyl, och vi gör antagandet att alla konformationer av samma molekyl är interconvertible, om inte sagt något annat. ) Se fotnot.
17. Sammanfattning: typer av isomerer
detta har varit en lång, men förhoppningsvis omfattande och belysande inlägg på typerna av isomerer.
i nästa delbetalning kommer vi att lära oss en teknik som – med praktiken – gör att du snabbt kan avgöra om molekyler är enantiomerer, diastereomerer eller samma.
Tack igen till Matt för medförfattare., Fråga Matt om schemaläggning en online handledning session här.
anmärkningar
fotnot – atropisomerer
generellt gör vi antagandet att konformationsisomerer interconvert snabbt på den tidsskala som krävs för att mäta optisk rotation.
till exempel är de två stolsformerna av cis-1,2-dimetylcyklohexan faktiskt enantiomerer, men eftersom de interagerar så snabbt vid rumstemperatur behandlas de som om de är desamma.,
detta ligger vanligtvis utanför ramen för inledande organisk kemi, men det finns vissa fall där detta antagande inte är giltigt.
ett framträdande exempel är 1,1-bi-2-naftol (aka BINOL).
Conformer a (längst till vänster) kan inte omvandlas till conformer B (längst till höger) utan att passera genom en konformation där de två ringarna är coplanar (mitten), och de två hydrogenerna på varje kol (kol 8) stöter på varandra., Detta utgör en tillräckligt stor barriär för rotation som var och en av dessa två conformationer är ”fångade” i sitt eget tillstånd vid rumstemperatur och inte interconvert.
dessa två konformationer är icke-superimposable spegelbilder av varandra på samma sätt som en vänsterhänt och högerhänt skruv är icke-superimposable spegelbilder av varandra. De sägs ha en ”chiralitets axel”.
barriären mellan de två conformersna är tillräckligt stor för att conformer A och conformer B kan lösas (separeras) och placeras i olika flaskor.,
detta speciella fall av isolabla konformatorer kallas ”atropisomerism”.
- dubbelbindningsisomerer (E/p >