Геометричними ізомерами є цис-транс-изомеризм, або изомеризм EZ. Їх дії ґрунтуються на обмеженому обертанні подвійних або одинарних вуглецевих зв’язків у циклічних сполуках.У циклічному з’єднанні, обертання між вуглецевої одинарним зв’язком обмежено і дві різні групи приєднані до кожної вуглецевої ізомерії аналогічним чином. Такі геометричні ізомери часто відрізняються за своїм фізичним властивостям. Це пов’язано з формою ізомерів і загальним дипольним моментом. Якщо два атоми з найвищим пріоритетом залишаються на тій же стороні ізомеру, то вони позначаються як Z, і якщо вони знаходяться в протилежній стороні – E.

Коротка історія ізомерії

Концепція конституційної ізомерії – це значний крок вперед в історії сучасної хімії і, особливо в розвитку органічної хімії. Вже до кінця 1700-х років було виділено кілька чистих речовин шляхом вивчення «тваринної» і «рослинної» хімії. Багато були отримані Карлом Вільгельмом Шеєле (1742-1786 рр.). З-за великої різноманітності органічних сполук кожне нове речовина являло інший елементний склад, який відповідав узагальненого спостереження з «мінеральної» хімії. Кількість ізольованих органічних сполук збільшилася на початку 1800-х років, з допомогою ідентифікації різних речовин.

У своїй книзі з історії хімії Томас Томсон у 1830 році писав, що:

Берцеліус застосував теорію атома також до рослинного царства, проаналізувавши декілька рослинних кислот, і показуючи свою атомну конституцію, але тут виникає трудність, яку в нинішньому стані наших знань, ми не можемо подолати. Є дві кислоти, які складаються з таких самих атомів. Тепер, як ми повинні враховувати цю разючу різницю у властивостях? Безсумнівно, різними способами, в яких атоми розташованих в кожному з них.

Потім Томсон використовував різні схеми атомних символів, використовуваних в той час, щоб пояснити, чому дві кислоти з одним і тим самим елементарним складом, що належать до геометричним ізомеру мають різні фізичні і хімічні властивості.

До початку XIX століття вважалося, що ці хімічні речовини, виявлені в живих організмах, володіють особливою життєвою силою, пов’язаної з живими істотами, і що вони потрібні в живих системах для відтворення. У 1828 році Велер синтезував зразок сечовини, (NH2) 2CO (також CH4N2O), яка була неотличимой від сечовини, виділеної з біологічної сечі.

Він підготував це «тварина» речовину з явно неорганічного (мінералогічного) вихідної речовини цианата амонію (NH4)NCO (також CH4N2O), що є результатом об’єднання хлориду амонію і цианата срібла. Таким чином бар’єр між «живий» і «неживий» ізомерією звалився.

Позначення ізомерів

В цис-ізомері дві подібні групи залишаються на одному боці подвійного зв’язку, а в транс-ізомері вони залишаються в протилежній стороні. Наприклад, 2-бутен має два ізомеру цис-і транс.

В цис-ізомері дві метильної групи і дві водневі групи залишаються в одній і тій же стороні подвійний зв’язку, тоді як в транс-ізомері вони залишаються в протилежній стороні.

Коли одна або більше груп, пов’язаних з подвійним зв’язком, не є однаковими, ізомери називаються E або Z. Для повідомлення про це типі користувачеві потрібно вказати формули вуглеводнів, які мають геометричні ізомери, і визначають атом з найвищим пріоритетом (найвищий атомний номер), прикріплений до кожної подвійний зв’язку C. Якщо два атоми з найвищим пріоритетом залишаються на тій же стороні ізомеру, який позначений як Z, і, якщо вони знаходяться в протилежній стороні, позначаються як E.

Наприклад, 1 – бром – 1 – фторпропан має два ізомеру. У Z-1 – бром – 1 – фторпропане видно, що бром має більш високий пріоритет або більш високий атомний номер (35), ніж фтор (9), які приєднані до С-1. Вуглець має більш високу атомне число (6), ніж водень (1), який приєднаний до С-2 цього з’єднання. Оскільки атоми вуглецю з найвищим пріоритетом (з групи -CH3) і брому, приєднані до цих двох атомів вуглецю, що знаходяться на одній стороні, це з’єднання визначається як Z. З іншого боку, E-1 – бром – 1 – фторпропан атоми з найвищим пріоритетом C і брому знаходяться в протилежній стороні, тому він називається E-ізомером.

Вуглець-вуглецева подвійна зв’язок

Ізомери являють собою дві молекули, які мають один і той же атомний склад, але не ідентичні. Атоми в двох изомерах можуть бути пов’язані в іншому порядку (структурна ізомерія), або можуть бути пов’язані таким же чином, але мають іншу орієнтацію – просторову стереоизомерию.

Структурний і геометричний ізомер в особливих випадках – стереоизомер, має відповідати двом вимогам:

Існує обмежене обертання в молекулі.

Обидва атома, які беруть участь у обмежувальної зв’язку, мають до них дві різні функціональні групи.

Загальним прикладом обмеженого обертання є вуглець-вуглецева подвійний зв’язок. Ці зв’язки включають зв’язок pi, в більшості умов їх розривати не вигідно.

Геометричні ізомери мають структуру, яка впливає на фізичні властивості з’єднання.

Система Cis/Trans

Іменування Cis/Trans є найпростішою системою сполук. Спочатку ідентифікується найдовша вуглецева ланцюг в молекулі, а потім ідентифікуються функціональні групи, що представляють інтерес. В цис – ізомері дві розглянуті групи знаходяться на одній стороні подвійного зв’язку (cis означає “на тій стороні” на латині). В транс – ізомері дві розглянуті групи знаходяться на протилежних сторонах подвійного зв’язку (транс означає поперек латинської мови). Наприклад, два різних геометричних ізомерів бутена-2.

Обидва атома з подвійним зв’язком мають ті ж дві групи, що і ці дві групи, але вони на одному з подвійних вуглеців відрізняються один від одного. Завдання ускладнюється у міру того, як бічні ланцюги і функціональні групи стають більш складними.

В офіційній системі іменування IUPAC використовується позначення E/Z. Специфічної зв’язку між цис/транс і E/Z немає, і ці дві системи не є взаємозамінними. Позначення E/Z використовує правила пріоритету Cahn-Ingold-Prelog, і вважаються більш надійними. Назва IUPAC для фумарової кислоти являє собою транс-ізомер з формулою HO2CCH=CHCO2H, а малеїнова кислота являє собою цис-бутендиовую кислоту.

IUPAC – це Міжнародний союз чистої та прикладної хімії, який встановлює міжнародні правила і стандарти для позначення хімічних речовин на всіх мовах.

Циклічні сполуки

У циклічному з’єднанні обертання між вуглецевої одинарним зв’язком обмежена. Таким чином, для цього типу сполук також можлива ізомерія, якщо до кожного вуглецю приєднуються дві різні групи. Існує два ізомеру 1,2-диметилциклопропана.

Один з них являє собою цис-ізомер, де дві метильної групи знаходяться на одній стороні, а інша являє собою транс-ізомер, де дві метильної групи знаходяться на іншій стороні.

Геометричні ізомери відрізняються за своїм фізичним властивостям. Це пов’язано з формою ізомерів і загальним дипольним моментом. Наприклад, вони відрізняються точкою кипіння. Точка кипіння цис – і транс-ізомерів 1,2-дихлорэтилена становить 60,3 °C і 47,5 °C, відповідно.

В цис-ізомері присутність двох дипольних зв’язків (C-Cl) дає загальний молекулярний диполь. Це призводить до міжмолекулярним диполь-дипольним силам. Для цієї сили цис-ізомер має більшу температуру кипіння, ніж транс-ізомер, де дві дипольні зв’язки (C-Cl) скасовано із-за їх положення в протилежному напрямку.

Причина, по якій неможливо обертати вуглець-вуглецевий подвійний зв’язок, полягає в тому, що є два зв’язки, що з’єднують атоми вуглецю разом і доведеться розірвати зв’язок pi. Зв’язку pi утворюються при бічному перекритті між p-орбіталей. Якщо спробує повернути вуглець-вуглецевий подвійний зв’язок, p-орбіталі більше не будуть вибудовуватися в лінію, і тому зв’язок pi буде порушена. На це витрачається енергії, і це відбувається тільки в тому випадку, якщо з’єднання сильно нагрівається.

Побудова структурних формул

Дуже легко пропустити важливі елементи геометричних ізомерів під час побудови структурних формул при скороченні. Наприклад, дуже заманливо малювати but-2-ene.Якщо користувач напише це неправильно, то з’єднання вже не буде ізомером. Якщо є хоч найменший натяк на те, що може бути використаний ізомер, завжди необхідно використовувати сполуки, що містять вуглець-вуглецеві подвійні зв’язки, що показують правильні кути (120°) навколо атомів вуглецю на кінцях зв’язку. Іншими словами, необхідно використовувати формат, показаний на малюнку.

Сполуки, що містять вуглець-вуглецевий подвійний зв’язок, мають обмежене обертання. Щоб отримати ізомери, повинні бути виконані такі умови:

• обмежене обертання, зазвичай, включає вуглець-вуглецевий подвійний зв’язок;
• дві різні групи на лівому кінці зв’язку і дві різні групи на правому кінці.

Не має значення, чи збігаються ліві групи з правими чи ні.

Алкени: молекулярні та структурні формули

Геометричні ізомери алкенів включають ряд сполук, які складаються з атомів С і Н в ланцюзі вуглецю. Ця група включає гомологичную серію з формулою c n h 2n. Найпростіший алкен – этен, має два атома З і формулу C2H4.

Структурна формула для этена представлена на малюнку вище. У більш довгих алкеновых ланцюгах додаткові атоми вуглецю приєднані один до одного за допомогою ковалентних зв’язків. Кожен атом вуглецю також приєднаний до достатньою атомів водню для отримання в цілому чотирьох одиночних ковалентних зв’язків.

У ланцюгах з чотирма і більше З атомами, подвійна зв’язок може бути розташована в різних положеннях, що призводить до утворення структурних ізомерів. На додаток до структурних ізомеру алкени також утворюють стереоізомери. Оскільки обертання навколо множинної зв’язку обмежено, групи, приєднані до атомів з подвійним зв’язком, завжди залишаються в однакових відносних положеннях.

Ці «заблоковані» позиції дозволяють хімікам ідентифікувати різні ізомери із заступників для того, щоб визначити, яка речовина має геометричні ізомери. Наприклад, один структурний ізомер C5H10 має наступні стереоізомери.

Ізомер зліва, в якому два заступника (метильная і этильная групи) знаходяться на одній стороні подвійний зв’язку, називають цис-ізомер, тоді як ізомер справа з двома неводородными заступниками на протилежних сторонах є транс-ізомером.

Наприклад, хлор має пріоритет, бо він важчий. З правого боку бром перевершує вуглець. По-третє, визначаються положення двох атомів більш високого рангу. Якщо два атоми знаходяться в цис-положенні, розташування Z (з німецького zusammen, що означає «разом»). Якщо атоми або групи, знаходяться в транс-положенні, розташування E (від німецького entgegen, що означає «протилежність»).

З’єднання з жорсткою подвійним зв’язком

Геометричні ізомери бутен являє собою алкен з жорсткою подвійним зв’язком. Це означає, що насправді існує чотири ізомеру, а не три, в позиції подвійний зв’язку. Існує п’ятий і шостий вуглеводень того ж складу, але вони не є алкенами, незважаючи на ту ж формулу.

Кільцеве освіта циклобутана або метилциклопропана займає простір двох атомів водню, як подвійний зв’язок, що призводить до того, що вони мають формули, ідентичні різних бутенам.

Геометричні ізомери приклади:

• 1-butylene (1-butene);
• iso-butylene (2-methyl-propene);
• cis-2-butylene (cis-2-butene);
• trans-2-butylene (trans-2-butene).

І бонуси: циклобутан і метилциклопропан, – обидва з яких мають ту ж емпіричну формулу, що і ізомери бутена, але не є алкенами. Перше ім’я – це «загальне» або «тривіальне» ім’я, а в дужках – це ім’я IUPAC.

Ізомери бутена

Бутен має безліч застосувань, від палива в автомобілі до продуктових сумок, які носять щодня сотні мільйонів жителів планети. Хімічна формула для бутена: C4H8, що означає, що вона складається з чотирьох атомів С і восьми атомів Н, з’єднання відноситься до алкену.

Існує кілька різних ізомерів або молекулярних структур, які можуть утворювати це з’єднання (в дужках вказані назви IUPAC):

• alpha-butylene (but-1-ene);
• cis-beta-butylene – ((2Z)-but-2-ene);
• trans-beta-butylene – ((2E)-but-2-ene);
• isobutylene (2-methylprop-1-ene).

Хоча всі вони мають одну і ту ж формулу, їх структури розрізняються. Співвідношення між кожним з цих геометричних ізомерів в основному конституциональны, що означає, що вони мають одну і ту саму молекулярну формулу, але різні зв’язку. Винятком є цис-бета-бутилен і транс-бета-бутилен.

Багато хто знає, що транс-жири шкідливі для людини, а ненасичені жири корисні для нього. Єдина різниця між цими двома жирами полягає в тому, що в одного є транс-зв’язок, а в іншого є цис-зв’язок, тим не менше ця невелика диференціація може істотно вплинути на функцію молекули.

З цис-бета-бутиленом і транс-бета-бутиленом атоми перебувають в одному порядку, але різні полярності. Цис-ізомер є полярним, причому обидві групи СН3 знаходяться на одній стороні. Це робить його дійсно громіздким і складним.Транс-ізомер є неполярним, об’ємні групи CH3 чергуються, що дає більше місця в молекулі. Це співвідношення називається цис-транс-ізомерією . Цис-ізомери є полярними, тоді як транс-ізомери такими не є.

Незважаючи на те, що кожен з цих ізомерів бутена складається з одних і тих же матеріалів, кожен з них має різні фізичні властивості. Наприклад, точка кипіння:

Цис-бета-бутилен: 3,7 °C.

Транс-бета-бутилен: 0,8 °C.

Ізобутилен: -6,9 °C.

Альфа-бутилен: -6,3 °C.

Матеріал для виробництва пластмас

Бутены являють собою алкени з чотирма атомами вуглецю, C4H8. Існує кілька різних структурних або конфігураційних ізомерів бутена, в тому числі геометричні та оптичні ізомери. Всі чотири бутена мають схожі фізичні властивості, будучи безбарвними газами, важкими у воді, добре розчиняються в ефірі і алканах. Відмінності у фізичних властивостях пояснюються структурою молекул. Наприклад, cis-But-2-en має більш високу температуру кипіння, ніж trans-But-2-en, тому що він є більш сильним диполем.

Дві алкільні групи цис-ізомеру працюють зі своїм + I ефектом в одному напрямку і тим самим посилюють, в той час як дві алкільні групи транс-ізомерів діють у протилежних напрямках і, таким чином, послаблюють одне одного. Формули вуглеводнів мають геометричні ізомери, вказують за стандартами IUPAC. But-1-en має таку низьку точку плавлення, так як CC одинарна зв’язок між другим і третім атомом вуглецю вільне обертання і этильная група може обертатися навколо осі повороту в усіх напрямках.

Це ускладнює класифікацію молекули в тверду кристалічну структуру. Інші три бутена з подвійним зв’язком між 2-м і 3-м атомом C, дуже жорсткі і можуть бути легко класифіковані у кристалічній структурі. Тому вони мають відносно високі температури плавлення. Ці аргументи не завжди дійсні, так як на прикладі показано 2-Methyl-but-2-en (або ізобутен). Дві метильної групи з їх + I-ефектами діють в тому ж напрямку, що і cis-But-2-en, і насправді повинні бути поліпшені. Тим не менш ізобутен має дуже низьку температуру кипіння тільки -7 °C.

But-1-en та But-2-ene, використовуються для отримання бутадієну і бутан – 2-ol. Крім того, алкени використовуються в якості алкілуючих агентів. Таким чином, з изобутена і ізобутану отримують важливий паливний 2,2,4-Trimethyl-pentan, більш відомий як изооктан. Нарешті, бутены є вихідними матеріалами для виробництва деяких пластмас, оскільки їх легко полимеризовать. Відомий пластик на But-1-en основі, є полибутеном-1, з якого виготовляються труби.

Пентан, n-пентан, ізопентан

Пентан, або n-пентан, є одним із насичених вуглеводнів алканів. Майже без запаху n-пентан є рідким в умовах навколишнього середовища і являє собою ізомер геракетхита з 3-х ізомерів. Розгалужені рідкі изоалканы C5 – C16 все частіше використовуються в якості палива (Otto, Diesel). Крім того, ці алкани присутні в опалювальних оліях і мастилах. Вони забезпечують повне горіння. Перш ніж знати характеристику таких сполук потрібно вказати формули вуглеводнів мають геометричні ізомери:

Фізичний стан – рідина.

Колір – безбарвний.

Запах – майже немає.

Легко воспламеним.

Пари можуть утворювати вибухонебезпечні суміші під впливом повітря.

Водорозчинність дуже низька (практично нерозчинна).

Дуже нестійке з’єднання.

Ім’я	N-пентан
Хімічний знак	C5H12
Молярна маса	72,1488 кг / кмоль
Точка спалаху	224 До
Займання	533 бар
Точка кипіння – 1,013 бар	309,2 K
Критична температура	469,8 K
Критичний тиск	33,6 бар
Теплота випаровування при температурі кипіння	357,46 кДж/кг (25,79 кДж/моль)
НГЗ	1,4 об.% (41 г/м3)
ГОО	7,8 об.% (235 г/м3)
Вибух	9,5 бар

Найбільш важливими джерелами пентану є нафтові олії, які значно відрізняються за своїм складом в залежності від їх походження. Поділ відбувається шляхом фракційної перегонки. Тут отримують наступні фракції:

Парафінове масло (точка кипіння> 320 °C).

Нафта (точка кипіння від 180 до 250 °C).

Опалення / дизельне паливо (точка кипіння від 250 до 320 °C).

Сирої бензин (температура кипіння приблизно до 180 °C).

У лигроине присутні розгалужені вуглеводні (алкани) від C5 до C10.

Згоряння пентану з киснем (стехіометричне).

Кінцевими продуктами є вуглекислий газ і вода. Формули геометричних ізомерів: C5H12 + 8O2 ⟹ 5CO2 + 6H2O.

Ім’я	Символи	Теплотворна здатність HU [МДЖ / кг]	Теплотворна здатність HU [квтг / кг]
Метан	CH4	50,013	13,89
Етан	C2H6	47,486	13,19
Пропан	C 3 h 8	46,354	12,88
Н-бутан	C4H10	45,715	12,70
Н-пентан	C5H12	45,0	12,50
Н-гексан	C6H14	44,64	12,40
Н-гептан	C7H16	44,64	12,40
Н-октан	C8H18	44,64	12,40
Н-нонан	C 9 H 20	44,64	12,40
Н-декан	C10H22	44,64	12,40

Геометричний ізомер пентен-2 є універсальним розчинником. Він використовується для спінювання фенольної смоли та полістиролу. Він також необхідний в якості еталонного речовини в газовій хроматографії, і в якості пропеллента в балонах для розпилення.