Izomerie

7. Izomerie
Během několika posledních let došlo i ke změnám v terminologii izomerie.
Prostorovou orientaci organických sloučenin popisujeme několika termíny.
První skupinou je izomerie konstituční (konstituce = stavba) - patří sem izomerie
polohová, řetězová, skupinová a tautomerie. Jednotlivé konstituční izomery se odlišují
pořadím spojení atomů a násobných vazeb.
Druhou skupinou je pak izomerie konfigurační (konfigurace = seskupení, uspořádání) patří sem izomerie na dvojné vazbě, izomerie na cyklech a izomerie na asymetrických
atomech. (Již se nepoužívá termínů geometrická, optická atd.) Jednotlivé konfigurační
izomery mají stejnou konstituci, odlišují se však prostorovým uspořádáním.
Pro všechny izomery platí, že mají stejný sumární vzorec, liší se pouze vzorcem
strukturním.
7.1. Konstituční izomerie
7.1.1. Polohová izomerie – jednotlivé izomery se liší polohou substituentů nebo
násobných vazeb. Polohovými izomery jsou např. 1-chlorpentan, 2-chlorpentan a 3chlorpentan. Dále pent-1-en a pent-2-en.
7.1.2. Řetězová izomerie – jednotlivé izomery se liší tvarem řetězce. Řetězovými
izomery jsou např. pentan, 2-methylbutan a 2,2-dimethylpropan.
7.1.3. Skupinová izomerie – jednotlivé izomery se liší charakteristickými skupinami
v molekule. Skupinovými izomery jsou např. propan-1-ol a methoxyethan
(ethylmethylether).
7.1.4. Tautomerie – jednotlivé tautomery se odlišují vazbou vodíku ke kyslíku nebo
dusíku. Tautomery jsou např. propen-2-ol a propanon. Přesmyku mezi těmito
sloučeninami pak říkáme tautomerní.
7.2. Konfigurační izomerie
7.2.1. Izomerie na dvojné vazbě
Obsahuje-li sloučenina dvojnou vazbu, je znemožněno otáčení uhlíkových atomů kolem
vazby. Proto substituenty, připojené k atomům dvojné vazby, trvale zachovávají
vzájemnou polohu. Jsou-li dva shodné substituenty umístěny na téže straně roviny dvojné
vazby, označujeme takovou konfiguraci předponou cis. Opačná konfigurace je pak
označována předponou trans. Např.:
Br
Br
C
C
F
F
cis – 1,2-dibrom-1,2-difluorethen
Br
F
C
C
F
Br
trans-1,2-dibrom-1,2-difluorethen
Použití stereodeskriptorů E a Z
Obecnější platnost má označení konfigurace jakýchkoliv substituentů na atomech uhlíku
spojených dvojnou vazbou pomocí stereodeskriptorů E a Z. Substituenty pak
porovnáváme pomocí hodnoty CIP (Cahn, Ingold, Prelog), což je v podstatě atomové číslo
daného atomu (jsou-li prvky stejné, rozhodují dále atomová čísla atomů na tyto prvky
vázaných). Pak substituenty vázané na stejný uhlíkový atom seřadíme sestupně čísly 1,2.
Porovnáváme potom polohu „jedniček“ a „dvojek“ . Stereodeskriptor E odpovídá
označení trans a stereodeskriptor Z odpovídá označení cis (mnemotechnická pomůcka
entgegen – proti, zusammen – spolu).
Br
Cl
C
C
I
Např. E-1-brom-2-chlor-1-fluor-2-jodethen vypadá takto: F
Br
I
C
Z-1-brom-2-chlor-1-fluor-2-jodethen vypadá takto: F
C
Cl
7.2.2 Izomerie na cyklech
Spojení atomů do cyklu rovněž nedovoluje volnou otáčivost okolo těchto vazeb. Z toho
důvodu se vyskytuje v cyklických sloučeninách konfigurační izomerie, označovaná
rovněž předponami cis a trans. Např. : 1,2-dimethylcyklohexan se vyskytuje ve formě cis
a trans.
7.2.3. Izomerie na asymetrických atomech
Na čtyřvazném atomu uhlíku může nastat konfigurační izomerie, jestliže ke každé vazbě
z něj vycházející je připojen jiný atom nebo skupina. Takto substituovaný atom se nazývá
asymetrický (chirální). Příklady sloučenin s asymetrickým atomem uhlíku (je označen
hvězdičkou) :
H
F
*
C
Cl
Br
H
H
H
H
C
C
H
Cl
H
H
C
*
C
*
H
H
C
C
H
H
H
O
C
OH
H
OH
Sloučeniny, které obsahují asymetrický atom uhlíku, postrádají jakýkoliv prvek symetrie,
tj. rovinu nebo osu symetrie. Přítomnost asymetrického atomu uhlíku dává možnost
existence dvou stereoizomerů. Ty se k sobě mají jako předmět a jeho obraz v zrcadle.
Enantiomery (optické izomery) se mj. vyznačují tím, že otáčejí rovinu polarizovaného
světla, přitom každý z nich o stejný úhel, ale na opačnou stranu. Jestliže enantiomer otáčí
rovinu polarizovaného světla doprava, označuje se tato vlastnost znaménkem (+),
levotočivý izomer se označuje znaménkem (-). Ve směsi enantiomerů v poměrném
množství 1 : 1 se otáčivý účinek enantiomerů navzájem ruší, tzn. taková směs
enantiomerů není opticky aktivní a nazývá se racemická směs nebo-li racemát. Ke
znázornění konfigurace enantiomerů se používá Fischerova projekce.
Použití symbolů R a S
Tyto symboly slouží k popisu konfigurace na asymetrických atomech. Situace na každém
asymetrickém uhlíku se dá popsat zhruba takto:
1) Určí se počet asymetrických center
2) Stanoví se posloupnost substituentů kolem asymetrického centra sestupně podle
atomového čísla prvků vázaných na asymetrické centrum. Jsou-li prvky stejné,
rozhodují dále atomová čísla atomů na tyto prvky vázaných.
3) Zvolí se pohled na molekulu (na její model) tak, že se pozoruje ve směru vazby
asymetrického centra se substituentem nejnižšího pořadí a ze strany opačné této vazbě.
Lze si představit vazbu na tento substituent jako hřídel volantu, na jehož obvodu leží
zbývající tři substituenty. Sledujeme-li jejich posloupnost a je-li tato posloupnost
souhlasná se smyslem otáčení hodinových ručiček (tj. zleva doprava) jde o konfiguraci
R. Posloupnost opačného směru je konfigurací S.
4) Tímto způsobem se označí konfigurace na každém asymetrickém centru v molekule.
Např. (3R,4S)-3,4-dimethylheptan