U sadržaju ove nastavne teme naučit ćete više o kemijskom pojmu “izomerija” i kakva ona može biti.

ISHODI UČENJA

Usvajanjem sadržaja ove Teme moći ćete odgovoriti na sljedeća pitanja:

• Objasni pojam “izomerija”!
• Kakve vrste izomerija možemo razlikovati?
• Što je strukturna ili konstitucijska izomerija? Objasni na primjerima?
• Što je stereoizomerija?
• Koje vrste stereoizomera možemo razlikovati?
• Što su enantiomeri? Objasni na primjeru?
• Što je optička aktivnost i nabroji optički aktivne tvari?
• Usporedi kiralne i akiralne molekule?
• Objasni princip određivanja relativne konfiguracije organskih molekula?
• Objasni princip određivanja apsolutne konfiguracije organskih molekula?
• Što je tautomerija?
• Što je keto-enolna tautomerija? Objasni i shematski prikaži!

UVOD

Pojam izomerija ima grčko porijeklo (grč. isos=isti, meros = dio), a označava pojavu da spojevi iste molekulske formule imaju različite strukture, tj. strukturne formule. Ovakvi spojevi nazivaju se izomeri.

Izomeri imaju isti broj istovrsnih atoma, ali različit način međusobnog povezivanja tih atoma ili različit raspored tih atoma u prostoru. Izomeri imaju različita fizikalna i kemijska svojstva, tj. to su različiti spojevi.

Možemo razlikovati nekoliko vrsta (tipova) izomerije:

1. Strukturna ili konstitucijska izomerija
2. Prostorna izomerija (stereoizomerija)
3. Tautomerija

U nastavku će biti ponešto riječi o svakom od ovih vrsta izomerije.

Strukturna (konstitucijska) izomerija

Strukturni ili konstitucijski izomeri sadrže jednak broj istovrsnih atoma, ali razlikuju se po rasporedu tih atoma u molekuli. Primjerice molekulu butana, kemijske formule C₄H₁₀ , možemo strukturno prikazati ili u obliku ravnog, neprekinutog lanca (n-butan) ili u obliku razgranatog lanca (izo-butan).

Ono što možemo uvidjeti na ovim primjerima jeste da što je broj C-atoma u molekuli veći to je veći i broj izomera. Slično je i kod ostalih vrsta organskih spojeva. Upravo zbog svojstva izomerije, postoji ogroman broj organskih spojeva sa različitim svojstvima.

Prostorna izomerija (steroizomerija)

U slučaju prostorne izomerije molekule se međusobno razlikuju prema razmještaju njihovih atoma u prostoru. Ovim pitanjem bavi se posebna grana kemije koja se naziva STEREOKEMIJA.

Postoje li kod alkana prostorni izomeri?

Da, i to zbog mogućnosti rotacije oko jednostruke veze. Oblici nastali kao posljedica moguće rotacije oko jednostruke veze vrlo lako mogu prelaziti jedni u druge te ih nazivamo konformacijskim izomerima.

Primjerice, u molekuli etana, metilne skupine mogu slobodno rotirati oko jednostruke veze te time molekula zauzima različite konformacije. Među njima možemo istaknuti zvjezdastu i zasjenjenu konformaciju. Zvjezdasta konformacija je energetski stabilnija jer su vodikovi atomi međusobno na najvećoj udaljenosti.

Konformaciju imamo i u slučaju cikloalkana gdje je konformacija cikloheksana u obliku sedla ili stolca stabilnija od konformacije kolijevke ili čamca.

Rotacija oko dvostruke veze je ograničena stoga se kod spojeva sa dvostrukom vezom (alkeni) javlja poseban oblik steroizomerije koji nazivamo geometrijska izomerija.

Kod alkena koji na ugljikovim atomima posjeduju različite atome ili skupine mogu postojati dva oblika koja nazivamo cis i trans- izomerima. Kod cis-izomera (lat. cis= s ove strane), isti atomi ili atomske skupine nalaze se sa iste strane ravnine koja je okomita na ravninu u kojoj se nalazi dvostruka veza, dok kod trans-izomera (lat. trans = s druge strane) isti atomi ili atomske skupine zauzimaju mjesta na suprotnim stranama ravnine koja je okomita na ravninu dvostruke veze.

Cis i trans izomere nazivamo i DIJASTEREOIZOMERIMA. Oni imaju različita fizikalna svojstva na osnovu kojih se mogu odjeljivati, dok su im kemijska svojstva slična. Mogu prelaziti jedni u druge za što je potrebno uložiti određenu količinu energije. Trans-izomeri su uglavnom stabilniji oblici.

Primjer geometrijskih izomera su i tzv. ENANTIOMERI. Riječ je o izomerima koji se jedan prema drugome odnose kao zrcalne slike, npr: kao lijeva i desna ruka (grč. enantios=suprotan, meros = dio ) što znači da se njihove strukture ne mogu preklopiti. Preduvjet da bi određena molekula mogla imati enantiomere je da posjeduje kiralni ili stereogeni centar, tj. atom ugljika koji je povezan sa četiri različita atoma ili skupine, a koji označavamo simbolom ugljika i zvjezdicom – C*. Takve molekule nazivamo kiralnim molekulama. Sami pojam, kiralnost, je grčkog porijekla i znači ruka, što nas vraća na osnovni primjer s kojim povezujemo enantiomere.

Suprotno kiralnim, simetrične molekule nazivamo akiralnim molekulama.

Prelaz jednog enantiomera u drugi zahtijeva cijepanje kemijske veze te je rijetkost.

Kiralne molekule su i optički aktivne molekule. Optička aktivnost je pojava zakretanja ravnine polarizirane svjetlosti prilikom njezinog prolaska kroz optički aktivne tvari. Optička aktivnost je karakteristično svojstvo enantiomera. Jedan enantiomer zakreće ravninu polariziranog svjetla u jednom smjeru, a drugi u suprotnom smjeru. Onaj enantiomer koji zakreće ravninu polariziranog svjetla u smjeru kazaljke na satu označavamo oznakom (+), a enantiomer koji zakreće ravninu polariziranog svjetla u smjeru suprotnom od kazaljke na satu označavamo oznakom (–). Kut zakretanja ravnine polariziranog svjetla, pri istim uvjetima mjerenja, za oba enantiomera je jednak.

Smjesa jednakih količina enantiomera, tj. u njihovom omjeru 1:1 naziva se racemat , ona je optički neaktivna i ima oznaku (±).

Veliki broj prirodnih spojeva optički su aktivne tvari. Primjerice, ugljikohidrati, proteini, mnoge kiseline, hormoni, vitamini i alkaloidi. Kod spojeva čije molekule sadrže više od jednog kiralnog centra moguć je veći broj stereoizomera. Maksimalan broj mogućih stereoizomera jednak je 2ⁿ  (n = broj kiralnih centara).

Postavlja se pitanje kako odrediti kojem enantiomeru nekog spoja pripada oznaka (+), a kojem oznaka (-). Stvarni raspored supstituenata u prostoru je teže utvrditi nego li odrediti smjer optičkog zakretanja što ne predstavlja naročit problem. Relativne konfiguracije optički aktivnih tvari određuju se na temelju odabranog standarda odnosno referentne molekule za koju je 1906. g. odabran gliceraldehid. (+) gliceraldehid označava se još oznakom D što upućuje na to da se OH-skupina nalazi sa desne strane asimetričnog ugljika, a (-) gliceraldehid se označava oznakom L što znači da se OH-skupina nalazi sa lijeve strane asimetričnog ugljika.

Simboli D i L upotrebljavaju se i danas za označavanje konfiguracije optički aktivnih spojeva, osobito ugljikohidrata i aminokiselina, jer pokazuju kakav konfiguracijski odnos postoji između dva spoja. Prema dogovoru, spoj ima oznaku D ako je po konfiguraciji srodan D-gliceraldehidu, a L oznaku ako je srodan L-gliceraldehidu. Kod spojeva sa više kiralnih centara konfiguracija se određuje prema najnižem kiralnom centru, C-1 se piše prema gore.

Osim relativne konfiguracije enantiomera postoji i apsolutna konfiguracija enantiomera koja prikazuje stvarni raspored skupina u prostoru oko asimetričnog ugljika (kiralnog centra). Ove konfiguracije označavamo slova R i S, a optičko zakretanje i u jednom i u drugom slučaju može biti i + i –.

Ovakav način određivanja apsolutne konfiguracije predložili su 1964. R.S. Cahn, C.K. Ingold i V. Prelog, pa se prema njima takav način određivanja naziva i CIP-sustav.

Tautomerija

Tautomerija je pojava da spojevi sa različitim rasporedom atoma u molekuli prelaze jedni u druge, a da je pri tome uspostavljeno ravnotežno stanje. Takvi spojevi nazivaju se tautomeri.

Najpoznatiji primjer tautomerije je keto-enolna tautomerija. Riječ je o premještanju vodikovog atoma na karbonilni kisik sa susjednog ugljikovog atoma.

U ravnoteži se nalaze dva oblika, keton i enol, iako prevladava keto oblik. Enol je spoj sa dvostrukom vezom i hidroksilnom skupinom (alkohol), stoga i taj naziv (-en = dvostruka veza, -ol = alkohol).

Pojava tautomerije karakteristična je za brojne biokemijski važne spojeve, primjerice: pirogrožđanu kiselinu, purinske i pirimidinske baze, mokraćnu kiselinu, itd.

Što čujem zaboravim, što vidim pamtim, što uradim znam!

IZOMERIJA ORGANSKIH SPOJEVA

e-učenje kemije