Γεωμετρικός Ισομερισμός

Βασικές έννοιες

Σε αυτό το σεμινάριο, θα μάθετε τα πάντα για τη γεωμετρική ισομέρεια . Αυτό ξεκινά με μια εισαγωγή στην έννοια του ισομερισμού, στην οποία ορίζουμε και συζητάμε τους διαφορετικούς τύπους ισομερών. Στη συνέχεια διερευνούμε τη γεωμετρική ισομέρεια τόσο στα αλκένια όσο και στα κυκλοαλκάνια. Στην πορεία, θα μάθετε για τη διαφορά μεταξύ συμβολισμού cis-trans και συμβολισμού E-Z για γεωμετρικά ισομερή.

Θέματα που καλύπτονται σε άλλα άρθρα

• Στερεοϊσομερή και Χειρικά Κέντρα
• Στειρικό εμπόδιο
• Λειτουργικές ομάδες στην Οργανική Χημεία
• Αλκένια
• Διαμορφώσεις καρέκλας
• Προβολές Newman

Τι είναι τα ισομερή;

Τα ισομερή είναι μόρια που μοιράζονται τον ίδιο χημικό τύπο αλλά έχουν διαφορετική διάταξη ατόμων. Υπάρχουν δύο γενικοί τύποι ισομερών:τα συνταγματικά ισομερή και τα στερεοϊσομερή. Τα συνταγματικά ισομερή (γνωστά και ως δομικά ισομερή) διαφέρουν ως προς τον τρόπο με τον οποίο τα άτομα τους συνδέονται ή συνδέονται μεταξύ τους, ενώ τα στερεοϊσομερή διαφέρουν ως προς τη χωρική τους διάταξη των ατόμων.

Τα στερεοϊσομερή μπορούν περαιτέρω να χωριστούν σε δύο κατηγορίες:εναντιομερή και διαστερεομερή. Εναντιομερή (αναφέρονται επίσης ως οπτικά ισομερή) είναι εικόνες καθρέφτη που δεν υπερτίθενται ο ένας του άλλου. Διαστερεομερή , από την άλλη πλευρά, είναι στερεοϊσομερή που δεν είναι κατοπτρικές εικόνες ο ένας του άλλου. Επιπλέον, ενώ τα εναντιομερή έχουν ταυτόσημες χημικές και φυσικές ιδιότητες (εκτός από τις οπτικές περιστροφές τους), τα διαστερεομερή μπορούν να έχουν αρκετά διαφορετικές χημικές και φυσικές ιδιότητες (π.χ. σημείο βρασμού, διαλυτότητα και αντιδραστικότητα). Τα ισομερή Cis-trans και τα διαμορφωτικά ισομερή (δηλαδή, διαμορφωτές) είναι συγκεκριμένοι τύποι διαστερεομερών.

Εισαγωγή στον γεωμετρικό ισομερισμό

Η γεωμετρική ισομέρεια, επίσης γνωστή ως cis-trans ισομέρεια, είναι μια μορφή στερεοϊσομέρειας. Όπως όλα τα στερεοϊσομερή, τα γεωμετρικά ισομερή είναι ενώσεις που αποτελούνται από τα ίδια συστατικά άτομα και συνδέονται με την ίδια σειρά, αλλά διαφέρουν ως προς τον προσανατολισμό αυτών των ατόμων στο διάστημα.

Όλα τα γεωμετρικά ισομερή απαιτούν περιορισμένη περιστροφή εντός του μορίου που εμποδίζει τις λειτουργικές ομάδες να μπορούν να περιστρέφονται ελεύθερα γύρω από έναν χημικό δεσμό. Αυτή η περιορισμένη περιστροφή προκαλείται γενικά από έναν διπλό δεσμό άνθρακα-άνθρακα ή δομή δακτυλίου.

Γεωμετρικός ισομερισμός στα Αλκένια

Υπάρχει μια βασική απαίτηση για γεωμετρικό ισομερισμό σε ενώσεις που περιέχουν διπλό δεσμό άνθρακα-άνθρακα. Κάθε άτομο άνθρακα με διπλούς δεσμούς πρέπει να συνδέεται με δύο διαφορετικά άτομα ή λειτουργικές ομάδες.

Στα παραδείγματα που φαίνονται παρακάτω, το πρώτο ζεύγος ενώσεων ικανοποιεί αυτή την απαίτηση αφού κάθε άτομο άνθρακα με διπλούς δεσμούς συνδέεται με μια μεθυλομάδα και ένα άτομο υδρογόνου (δηλαδή, δύο διαφορετικές ομάδες). Το δεύτερο ζεύγος ενώσεων, από την άλλη πλευρά, δεν ικανοποιεί την απαίτηση επειδή ένα από τα άτομα άνθρακα με διπλούς δεσμούς είναι συνδεδεμένο με δύο άτομα υδρογόνου (δηλαδή, δύο πανομοιότυπες ομάδες).

Σημασιογραφία Cis-Trans για γεωμετρικά ισομερή

Τα λατινικά προθέματα cis και trans μεταφράζονται σε «από αυτή την πλευρά του» και «στην άλλη πλευρά του», αντίστοιχα. Σε αυτές τις γραμμές, είναι λογικό ότι το cis ισομερές έχει λειτουργικές ομάδες στην ίδια πλευρά του διπλού δεσμού, ενώ το trans ισομερές έχει λειτουργικές ομάδες στις αντίθετες πλευρές του διπλού δεσμού.

Σημασιογραφία E-Z για γεωμετρικά ισομερή

Οι διπλοί δεσμοί άνθρακα-άνθρακα κατηγοριοποιούνται συνήθως με βάση τον αριθμό των υποκαταστατών τους (άτομα ή ομάδες εκτός του υδρογόνου). Παραδείγματα μοτίβων υποκατάστασης αλκενίου φαίνονται παρακάτω.

Αν και οι όροι cis και trans είναι χρήσιμα κατά την αναγνώριση γεωμετρικών ισομερών για διυποκατεστημένα αλκένια, δεν ισχύουν για αλκένια με τρεις ή τέσσερις υποκαταστάτες. Το σύστημα E/Z, από την άλλη πλευρά, ισχύει για διυποκατεστημένα, τρι-υποκατεστημένα και τετραυποκατεστημένα αλκένια.

Υπάρχουν δύο βασικά βήματα που πρέπει να ακολουθήσετε όταν χρησιμοποιείτε το σύστημα ονομασίας E/Z.

• Βήμα 1:Προσδιορίστε την ομάδα υψηλότερης προτεραιότητας σε κάθε πλευρά του διπλού δεσμού χρησιμοποιώντας τους κανόνες Cahn-Ingold-Prelog. Αυτοί οι κανόνες εξηγούνται λεπτομερέστερα εδώ.
• Βήμα 2:Προσδιορίστε εάν οι δύο ομάδες υψηλότερης προτεραιότητας βρίσκονται στην ίδια ή αντίθετη πλευρά του διπλού δεσμού άνθρακα-άνθρακα και αντιστοιχίστε E ή Z αναλόγως.

Το ισομερές με διαμόρφωση Z (από τη γερμανική λέξη zusammen , που σημαίνει «μαζί») έχει υποκαταστάτες με μεγαλύτερη προτεραιότητα στην ίδια πλευρά του διπλού δεσμού, ενώ το ισομερές με διαμόρφωση Ε (από τη γερμανική λέξη entgegen , που σημαίνει «απέναντι») έχει υποκαταστάτες με μεγαλύτερη προτεραιότητα στις αντίθετες πλευρές του διπλού δεσμού.

Δύο παραδείγματα γεωμετρικής ισομέρειας που χρησιμοποιεί το σύστημα ονομασίας E/Z φαίνονται παρακάτω. Ακολουθώντας τα βήματα που περιγράφονται παραπάνω, σε κάθε ισομερές δίνεται ένα E ή Z ονομασία.

Γεωμετρικός ισομερισμός στα Κυκλοαλκάνια

Όταν ασχολούμαστε με κυκλικές ενώσεις, χρησιμοποιούνται σφήνες και παύλες για να υποδείξουν τον σχετικό προσανατολισμό των υποκαταστατών ενός δακτυλίου. Μια σφήνα αντιπροσωπεύει έναν χημικό δεσμό πάνω από το επίπεδο του δακτυλίου (δηλαδή, που έρχεται προς το μέρος σας), ενώ μια διακεκομμένη γραμμή αντιπροσωπεύει έναν χημικό δεσμό κάτω από το επίπεδο του δακτυλίου (δηλαδή, που απομακρύνεται από εσάς).

Γεωμετρική ισομέρεια παρατηρείται συνήθως σε διυποκατεστημένα κυκλοαλκάνια. Τα ισομερή Cis έχουν δύο υποκαταστάτες με τον ίδιο προσανατολισμό (που υποδεικνύονται είτε με δύο σφήνες είτε με δύο διακεκομμένες γραμμές). Εν τω μεταξύ, τα trans ισομερή έχουν δύο υποκαταστάτες με αντίθετους προσανατολισμούς (που υποδεικνύονται από μία σφήνα και μία διακεκομμένη γραμμή).

Τα κυκλοαλκάνια δεν χρησιμοποιούν συμβολισμό E-Z, κάτι που απαιτεί την παρουσία διπλού δεσμού άνθρακα-άνθρακα.

Είναι επίσης σημαντικό να σημειωθεί ότι ο γεωμετρικός ισομερισμός δεν ισχύει για τα διυποκατεστημένα κυκλοαλκάνια όταν και οι δύο λειτουργικές ομάδες είναι συνδεδεμένες στον ίδιο άνθρακα. Για παράδειγμα, το 1-φθορο-1-μεθυλοκυκλοεξάνιο (που φαίνεται παρακάτω) δεν έχει γεωμετρικό ισομερές και δεν θα ονομαζόταν cis ή trans.

Περαιτέρω ανάγνωση

• Δομές συντονισμού
• Σταθερότητα ανθρακικού
• Αντιδράσεις Sn1 έναντι Sn2
• Κατανόηση των αντιδράσεων Ε1 έναντι Ε2