Izomer (hemijski)

Izomerija (gr. jednak udeo) je pojava postojanja dva hemijska jedinjenja, ili više njih, koja imaju isti hemijski sastav, istu molekulsku masu, istu molekulsku formulu, a različitu hemijsku strukturu, fizička svojstva, i strukturnu formulu.^[1] Takva jedinjenja nose naziv izomeri. Izomerija je veoma česta pojava u organskoj hemiji za razliku od neorganske. Izomeri kod kojih nema bočnih nizova (račvanja) nazivaju se normalni ili n-izomeri. Postoji više vrsta izomerije od kojih je najpoznatija izomerija niza.^[2]^[3]

Izomeri ne moraju nužno da dele slične hemijske ili fizičke osobine. Dva glavna oblika izomerizma su strukturna ili konstituciona izomerija, u kojoj se veze između atoma razlikuju; i stereoizomerija ili prostorna izomerija, u kojoj su veze iste, ali se relativni položaji atoma razlikuju.

Izomerni odnosi formiraju hijerarhiju. Dve hemikalije mogu biti isti konstitutivni izomer, ali nakon dublje analize biti stereoizomeri jedan drugog. Dva molekula koji su isti stereoizomer jedan drugog mogu biti u različitim konformacionim oblicima ili imati različite izotopologije. Dubina analize zavisi od oblasti proučavanja ili hemijskih i fizičkih osobina od interesa.

Engleska reč „izomer“ je povratna formacija od „izomeran“,^[4] koja je pozajmljena preko nemačkog isomerisch^[5] iz švedskog isomerisk; koji je pak skovan od grčkog ἰσόμερoς isómeros, sa korenima isos = „jednak”, méros = „deo”.^[6]^[7]^[8]

Strukturni izomeri[uredi | uredi izvor]

Structural isomers have the same number of atoms of each element (hence the same molecular formula), but the atoms are connected in distinct ways.^[9]

Izomerija alkana[uredi | uredi izvor]

Kod alkana javlja se izomerija niza. Funkcionalne grupe su drugačije raspoređene kod izomera. Na primer, izomeri pentana su (vidi sliku):

pentan
2-metilbutan
2,2-dimetilpropan

Broj izomera se povećava kako ugljovodonik ima više atoma ugljenika.

Butan - 2 izomera
Pentan - 3 izomera
Heksan - 5 izomera
Heptan - 9 izomera
Oktan - 18 izomera
Nonan - 35 izomera
Dekan - 75 izomera

Izomerija alkena i alkina[uredi | uredi izvor]

Kod alkena i alkina, to jest nezasićenih ugljovodonika, javlja se izomerija niza (kao kod alkana) i izomerija položaja. Kod izomera položaja, nezasićena veza (dvostruka ili trostruka) nalazi se na različitim mestima/atomima ugljenika. Na primer, buten (C₄H₈) ima 3 izomera:

1-buten (dvostruka veza na prvom C atomu)
2-buten (dvostruka veza na drugom C atomu)
2-metil-1-propen

1-buten
2-buten
2-metil-1-propen

Stereoizomerizam[uredi | uredi izvor]

Stereoizomeri imaju iste atome ili izotope povezane vezama istog tipa, ali se razlikuju po svojim oblicima — relativnim položajima tih atoma u prostoru, osim rotacija i translacija

U teoriji, može se zamisliti da se bilo koji prostorni raspored atoma molekula ili jona postepeno menja u bilo koji drugi raspored na beskonačno mnogo načina, pomeranjem svakog atoma duž odgovarajuće putanje. Međutim, promene položaja atoma će generalno promeniti unutrašnju energiju molekula, koja je određena uglovima između veza u svakom atomu i rastojanjima između atoma (bez obzira da li su povezani ili ne).

Konformacioni izomer je raspored atoma molekula ili jona za koji je unutrašnja energija lokalni minimum; to jest, raspored takav da će svaka mala promena položaja atoma povećati unutrašnju energiju, a samim tim rezultirati silama koje teže da potisnu atome nazad u prvobitne položaje. Promena oblika molekula sa takvog energetskog minimuma ${\ce {A}}$ u drugi energetski minimum ${\ce {B}}$ će stoga zahtevati prolazak kroz konfiguracije koje imaju veću energiju od ${\ce {A}}$ i ${\ce {B}}$ . To jest, konformacioni izomer je odvojen od bilo kog drugog izomera energetskom barijerom: količinom koja se privremeno mora dodati unutrašnjoj energiji molekula da bi prošao kroz sve međukonformacije duž „najlakšeg“ puta (onog koji minimizira taj iznos).

Klasičan primer konformacionog izomerizma je cikloheksan. Alkani generalno imaju minimalnu energiju kada su ${\ce {C-C-C}}$ uglovi blizu 110 stepeni. Konformacije molekula cikloheksana sa svih šest atoma ugljenika u istoj ravni imaju veću energiju, jer neki ili svi ${\ce {C-C-C}}$ uglovi moraju biti daleko od te vrednosti (120 stepeni za pravilan šestougao). Tako konformacije koje su lokalni energetski minimumi imaju prostorno zaokrenut prsten, prema jednom od dva obrasca poznata kao stolica (sa ugljenicima naizmenično iznad i ispod njihove srednje ravni) i čamac (sa dva suprotna ugljenika iznad ravni, a drugi četiri ispod njega).

Ako je energetska barijera između dva konformaciona izomera dovoljno niska, može se prevazići nasumičnim unosima toplotne energije koju molekul dobija od interakcije sa okolinom ili od sopstvenih vibracija. U tom slučaju, dva izomera se takođe mogu smatrati jednim izomerom, u zavisnosti od temperature i konteksta. Na primer, dve konformacije cikloheksana se veoma brzo pretvaraju jedna u drugu na sobnoj temperaturi (u tečnom stanju), tako da se u hemiji obično tretiraju kao jedan izomer.^[10]

U nekim slučajevima, barijera se može preći kvantnim tunelisanjem samih atoma. Ovaj poslednji fenomen sprečava razdvajanje stereoizomera fluorohloroamina ${\ce {NHFCl}}$ ili vodonik peroksida ${\ce {H2O2}}$ , jer se dve konformacije sa minimalnom energijom međusobno konvertuju za nekoliko pikosekundi čak i na veoma niskim temperaturama.^[11]

Nasuprot tome, energetska barijera može biti toliko visoka da bi najlakši način za njeno prevazilaženje zahtevao privremeno prekidanje, a zatim reformisanje ili više veza molekula. U tom slučaju, dva izomera su obično dovoljno stabilna da se izoluju i tretiraju kao različite supstance. Za ove izomere se onda kaže da su različiti konfiguracioni izomeri ili „konfiguracije“ molekula, a ne samo dve različite konformacije.^[12] (Međutim, treba imati na umu da su termini „konformacija“ i „konfiguracija“ u velikoj meri sinonimi van hemije, a njihovo razlikovanje može biti kontroverzno čak i među hemičarima.^[10])

Enantiomeri[uredi | uredi izvor]

Za dva jedinjenja se kaže da su enantiomeri ako su njihovi molekuli ogledalo jedan drugog, tako da se ne mogu poklapati samo rotacijama ili translacijama - kao leva i desna ruka. Za dva oblika se kaže da su hiralna.

Klasičan primer je bromohlorofluorometan ( ${\ce {CHFClBr}}$ ). Dva enantiomera se mogu razlikovati, na primer, po tome da li se put ${\ce {F->Cl->Br}}$ okreće u smeru kazaljke na satu ili u suprotnom smeru gledano sa atoma vodonika. Da bi se jedna konformacija promenila u drugu, u nekom trenutku ta četiri atoma bi morala da leže u istoj ravni - što bi zahtevalo znatno naprezanje ili prekid njihovih veza sa atomom ugljenika. Odgovarajuća energetska barijera između dve konformacije je toliko visoka da praktično nema konverzije između njih na sobnoj temperaturi i mogu se smatrati različitim konfiguracijama.

Za razliku od toga, jedinjenje hlorofluorometan ${\ce {CH2ClF}}$ nije hiralno: odraz njegovog molekula u ogledalu se takođe dobija sa pola okreta o odgovarajućoj osi.

Drugi primer hiralnog jedinjenja je 2,3-pentadien ${\ce {H3C-CH=C=CH-CH3}}$ , ugljovodonik koji sadrži dve dvostruke veze koje se preklapaju. Dvostruke veze su takve da su tri srednja ugljenika u pravoj liniji, dok prva tri i poslednja tri leže na okomitim ravnima. Molekul i njegova slika u ogledalu se ne mogu preklapati, iako molekul ima osu simetrije. Dva enantiomera se mogu razlikovati, na primer, po pravilu desne ruke. Ova vrsta izomerizma se naziva aksijalna izomerija.

Enantiomeri se ponašaju identično u hemijskim reakcijama, osim kada reaguju sa hiralnim jedinjenjima ili u prisustvu hiralnih katalizatora, kao što je većina enzima. Iz ovog drugog razloga, dva enantiomera većine hiralnih jedinjenja obično imaju značajno različite efekte i uloge u živim organizmima. U biohemiji i nauci o hrani, dva enantiomera hiralnog molekula - kao što je glukoza - se obično identifikuju i tretiraju kao veoma različite supstance.

Svaki enantiomer hiralnog jedinjenja tipično rotira ravan polarizovane svetlosti koja prolazi kroz njega. Rotacija ima istu veličinu, ali suprotni smer za dva izomera, i može biti koristan način razlikovanja i merenja njihove koncentracije u rastvoru. Iz tog razloga, enantiomeri su se ranije nazivali „optički izomeri“.^[13]^[14] Međutim, ovaj termin je dvosmislen i IUPAC ne preporučuje njegovu primenu.^[15]^[16]^{‍:p. 1203}

Stereoizomeri koji nisu enantiomeri se nazivaju dijastereomeri. Neki dijastereomeri mogu da sadrže hiralni centar, neki ne.^[16]^{‍:pp. 52–53}

Neki parovi enantiomera (kao što su oni kod trans-ciklooktena) mogu se međusobno konvertovati unutrašnjim pokretima koji samo neznatno menjaju dužinu veze i uglove. Drugi parovi (kao što je CHFClBr) se ne mogu međusobno konvertovati bez prekidanja veza i stoga su različite konfiguracije.

Izomerizacija[uredi | uredi izvor]

Izomerizacija je proces kojim se jedan molekul transformiše u drugi molekul koji ima potpuno iste atome, ali su atomi preuređeni.^[17] U nekim molekulima i pod nekim uslovima, izomerizacija se javlja spontano. Mnogi izomeri su jednaki ili približno jednaki u energiji veze, te postoje u približno jednakim količinama, pod uslovom da mogu relativno slobodno da se međusobno konvertuju, odnosno energetska barijera između dva izomera nije previsoka. Kada se izomerizacija odvija intramolekularno, smatra se reakcijom preuređivanja.

Primer organometalne izomerizacije je proizvodnja dekafenilferocena, [(η⁵-C₅Ph₅)₂Fe] iz njegovog vezanog izomera.^[18]^[19]

Sinteza fumarne kiseline

Industrijska sinteza fumarne kiseline odvija se cis-trans izomerizacijom maleinske kiseline:

Topoizomeraze su enzimi koji mogu da preseku i reformišu kružnu DNK i tako promene njenu topologiju.

Vidi još[uredi | uredi izvor]

Reference[uredi | uredi izvor]

^ Petrucci, Ralph H.; Harwood, William S.; Herring, F. Geoffrey (2002). General chemistry: principles and modern applications (8th izd.). Upper Saddle River, N.J: Prentice Hall. str. 91]. ISBN 978-0-13-014329-7. LCCN 2001032331. OCLC 46872308.
^ Clayden, Jonathan; Greeves, Nick; Warren, Stuart; Wothers, Peter (2001). Organic Chemistry (I izd.). Oxford University Press. ISBN 978-0-19-850346-0.
^ Eliel, Wilen & Doyle 2001
^ Merriam-Webster: "isomer" online dictionary entry. Accessed on 2020-08-26
^ Merriam-Webster: "isomeric" online dictionary entry. Accessed on 2020-08-26
^ Jac. Berzelius (1830): "Om sammansättningen af vinsyra och drufsyra (John's säure aus den Voghesen), om blyoxidens atomvigt, samt allmänna anmärkningar om sådana kroppar som hafva lika sammansättning, men skiljaktiga egenskaper" ("On the composition of tartaric acid and racemic acid (John's acid of the Vosges), on the molecular weight of lead oxide, together with general observations on those bodies that have the same composition but distinct properties"). Kongliga Svenska Vetenskaps Academiens Handling (Transactions of the Royal Swedish Science Academy), volume 49, pages 49–80
^ J. J. Berzelius (1831): "Über die Zusammensetzung der Weinsäure und Traubensäure (John's säure aus den Voghesen), über das Atomengewicht des Bleioxyds, nebst allgemeinen Bemerkungen über solche Körper, die gleiche Zusammensetzung, aber ungleiche Eigenschaften besitzen". Annalen der Physik und Chemie, volume 19, pages 305–335
^ J. J. Berzelius (1831): "Composition de l'acide tartarique et de l'acide racémique (traubensäure); poids atomique de l'oxide de plomb, et remarques générals sur les corps qui ont la même composition, et possèdent des proprietés différentes". Annales de Chimie et de Physique, volume 46, pages 113–147.
^ Smith, Janice Gorzynski (2010). General, Organic and Biological Chemistry (1st izd.). McGraw-Hill. str. 450. ISBN 978-0-07-302657-2.
^ ^a ^b Anatoly M Belostotskii (2015): "Conformer and conformation", chapter 2 of Conformational Concept For Synthetic Chemist's Use: Principles And In Lab Exploitation. 580 pages. ISBN 9789814730235.
^ Rowena Ball and John Brindley (2016): "The life story of hydrogen peroxide III: Chirality and physical effects at the dawn of life". Origins of Life and Evolution of Biospheres, volume 46, pages 81–93
^ Vallurupalli S. R. Rao (1998): "Methods of conformational analysis". Chapter 2 in Conformation of Carbohydrates. 409 pages. ISBN 9789057023156
^ Petrucci, Harwood & Herring 2002, str. 996–997.
^ Whitten K.W., Gailey K.D. and Davis R.E. "General Chemistry" (4th ed., Saunders College Publishing 1992), p. 976-7 ISBN 978-0-03-072373-5
^ IUPAC. „optical isomers”. Kompendijum hemijske terminologije (Internet izdanje).
^ ^a ^b Ernest L. Eliel and Samuel H. Wilen (1994). Stereochemistry of Organic Compounds. Wiley Interscience.
^ IUPAC. „isomerization”. Kompendijum hemijske terminologije (Internet izdanje).
^ Brown, K. N.; Field, L. D.; Lay, P. A.; Lindall, C. M.; Masters, A. F. (1990). „(η⁵-Pentaphenylcyclopentadienyl){1-(η⁶-phenyl)-2,3,4,5-tetraphenylcyclopentadienyl}iron(II), [Fe(η⁵-C₅Ph₅){(η⁶-C₆H₅)C₅Ph₄}], a linkage isomer of decaphenylferrocene”. J. Chem. Soc., Chem. Commun. (5): 408—410. doi:10.1039/C39900000408.
^ Field, L. D.; Hambley, T. W.; Humphrey, P. A.; Lindall, C. M.; Gainsford, G. J.; Masters, A. F.; Stpierre, T. G.; Webb, J. (1995). „Decaphenylferrocene”. Aust. J. Chem. 48 (4): 851—860. doi:10.1071/CH9950851.

Literatura[uredi | uredi izvor]

Eliel, Ernest L.; Wilen, Samuel H.; Doyle, Michael P. (2001). Basic Organic Stereochemistry (1. izd.). Wiley-Interscience. ISBN 978-0-471-37499-2.
Esteban, Soledad (2008). „Liebig–Wöhler Controversy and the Concept of Isomerism”. J. Chem. Educ. 85 (9): 1201. Bibcode:2008JChEd..85.1201E. doi:10.1021/ed085p1201.

Spoljašnje veze[uredi | uredi izvor]

IUPAC definition of cis and trans

[1] Petrucci, Ralph H.; Harwood, William S.; Herring, F. Geoffrey (2002). General chemistry: principles and modern applications (8th izd.). Upper Saddle River, N.J: Prentice Hall. str. 91]. ISBN 978-0-13-014329-7. LCCN 2001032331. OCLC 46872308.

[2] Clayden, Jonathan; Greeves, Nick; Warren, Stuart; Wothers, Peter (2001). Organic Chemistry (I izd.). Oxford University Press. ISBN 978-0-19-850346-0.

[3] Eliel, Wilen & Doyle 2001

[MW.isomer-4] Merriam-Webster: "isomer" online dictionary entry. Accessed on 2020-08-26

[MW.isomeric-5] Merriam-Webster: "isomeric" online dictionary entry. Accessed on 2020-08-26

[berz1830-6] Jac. Berzelius (1830): "Om sammansättningen af vinsyra och drufsyra (John's säure aus den Voghesen), om blyoxidens atomvigt, samt allmänna anmärkningar om sådana kroppar som hafva lika sammansättning, men skiljaktiga egenskaper" ("On the composition of tartaric acid and racemic acid (John's acid of the Vosges), on the molecular weight of lead oxide, together with general observations on those bodies that have the same composition but distinct properties"). Kongliga Svenska Vetenskaps Academiens Handling (Transactions of the Royal Swedish Science Academy), volume 49, pages 49–80

[berz1831a-7] J. J. Berzelius (1831): "Über die Zusammensetzung der Weinsäure und Traubensäure (John's säure aus den Voghesen), über das Atomengewicht des Bleioxyds, nebst allgemeinen Bemerkungen über solche Körper, die gleiche Zusammensetzung, aber ungleiche Eigenschaften besitzen". Annalen der Physik und Chemie, volume 19, pages 305–335

[berz1831b-8] J. J. Berzelius (1831): "Composition de l'acide tartarique et de l'acide racémique (traubensäure); poids atomique de l'oxide de plomb, et remarques générals sur les corps qui ont la même composition, et possèdent des proprietés différentes". Annales de Chimie et de Physique, volume 46, pages 113–147.

[9] Smith, Janice Gorzynski (2010). General, Organic and Biological Chemistry (1st izd.). McGraw-Hill. str. 450. ISBN 978-0-07-302657-2.

[belo2015-10] Anatoly M Belostotskii (2015): "Conformer and conformation", chapter 2 of Conformational Concept For Synthetic Chemist's Use: Principles And In Lab Exploitation. 580 pages. ISBN 9789814730235.

[ball2016-11] Rowena Ball and John Brindley (2016): "The life story of hydrogen peroxide III: Chirality and physical effects at the dawn of life". Origins of Life and Evolution of Biospheres, volume 46, pages 81–93

[vrao-12] Vallurupalli S. R. Rao (1998): "Methods of conformational analysis". Chapter 2 in Conformation of Carbohydrates. 409 pages. ISBN 9789057023156

[FOOTNOTEPetrucciHarwoodHerring2002996–997-13] Petrucci, Harwood & Herring 2002, str. 996–997.

[14] Whitten K.W., Gailey K.D. and Davis R.E. "General Chemistry" (4th ed., Saunders College Publishing 1992), p. 976-7 ISBN 978-0-03-072373-5

[15] IUPAC. „optical isomers”. Kompendijum hemijske terminologije (Internet izdanje).

[Eliel-16] Ernest L. Eliel and Samuel H. Wilen (1994). Stereochemistry of Organic Compounds. Wiley Interscience.

[17] IUPAC. „isomerization”. Kompendijum hemijske terminologije (Internet izdanje).

[18] Brown, K. N.; Field, L. D.; Lay, P. A.; Lindall, C. M.; Masters, A. F. (1990). „(η⁵-Pentaphenylcyclopentadienyl){1-(η⁶-phenyl)-2,3,4,5-tetraphenylcyclopentadienyl}iron(II), [Fe(η⁵-C₅Ph₅){(η⁶-C₆H₅)C₅Ph₄}], a linkage isomer of decaphenylferrocene”. J. Chem. Soc., Chem. Commun. (5): 408—410. doi:10.1039/C39900000408.

[19] Field, L. D.; Hambley, T. W.; Humphrey, P. A.; Lindall, C. M.; Gainsford, G. J.; Masters, A. F.; Stpierre, T. G.; Webb, J. (1995). „Decaphenylferrocene”. Aust. J. Chem. 48 (4): 851—860. doi:10.1071/CH9950851.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]