Przyjrzyj się dwóm poniższym wzorom półstrukturalnym:

RMUjfM6UPslfa

Ilustracja przedstawiająca dwa wzory półstrukturalne izomerów o wzorze sumarycznym ${\text{C}}_4{\text{H}}_9$. Pierwsza cząsteczka to n‑butan, który to zbudowany jest z czterech kolejno połączonych ze sobą atomów węgla, z których pierwszy i ostatni połączone są każdy z trzema atomami wodoru, zaś atomy C 2 i C 3 są podstawione dwoma atomami wodoru każdy. Innymi słowy grupa ${\text{CH}}_3$ połączona jest z grupą ${\text{CH}}_2$, która to łączy się z kolejną grupą ${\text{CH}}_2$ połączoną z grupą ${\text{CH}}_3$. Druga struktura to $2$-metylopropan, który zbudowany jest z grupy ${\text{CH}}_3$ połączonej z grupą $\text{CH}$, która to związana jest z dwiema grupami metylowymi ${\text{CH}}_3$.

Pierwszy z nich to n-butan, drugi natomiast to $2$-metylopropan. Różnią się wzorami półstrukturalnymi oraz nazwami. Jeśli jednak zapiszemy ich wzory sumaryczne, to okaże się, że posiadają taki sam wzór: ${\text{C}}_4{\text{H}}_{10}$. Związki chemiczne, które posiadają ten sam wzór sumaryczny (ten sam skład ilościowy i jakościowy), lecz inną budowę cząsteczki, nazywane są izomerami. Zasadniczo izomerięizomeriaizomerię dzieli się na dwa rodzaje: konstytucyjnąizomeria konstytucyjnakonstytucyjną oraz stereoizomerię (izomerię przestrzennąizomeria przestrzenna, stereoizomeriaizomerię przestrzenną).

Izomeria konstytucyjna dotyczy związków chemicznych, posiadających różną kolejność i sposób połączenia atomów w cząsteczce.

Izomeria konstytucyjna szkieletowa dotyczy związków chemicznych, posiadających różną budowę szkieletu węglowego.

• łańcuchowa polega na różnej budowie łańcucha węglowego:

  RaUX9ILHqAZnO

  Ilustracja przedstawiająca wzory półstrukturalne dwóch związków. Pierwszy stanowi n‑pentan zbudowany z grupy ${\text{CH}}_3$ połączonej z grupą ${\text{CH}}_2$ związaną z grupą ${\text{CH}}_2$, która to łączy się z następną grupą ${\text{CH}}_2$. Ostatnia wspomniana, to jest trzecia z kolei grupa ${\text{CH}}_2$ łączy się z grupą ${\text{CH}}_3$. Poniżej znajduje się wzór cząsteczki $2$-metylobutanu zbudowanego z grupy ${\text{CH}}_3$ połączonej z grupą $\text{CH}$ związaną z grupą metylową ${\text{CH}}_3$ oraz z grupą ${\text{CH}}_2$ podstawioną grupą ${\text{CH}}_3$.

  

• pierścieniowa polega na różnej budowie pierścienia węglowego:

  RbsTyaDf8AJnW

  Ilustracja przedstawiająca dwie cząsteczki. Pierwszą stanowi cykloheksan zbudowany z sześciu grup ${\text{CH}}_2$ tworzących sześcioczłonowy pierścień. Druga cząsteczka to metylocyklopentan, który to zbudowany jest z pięcioczłonowego pierścienia, który to zbudowany jest z pięciu atomów węgla, z których cztery łączą się każdy z dwoma atomami wodoru, a jeden podstawiony jest grupą metylową ${\text{CH}}_3$.

  

• łańcuchowo‑pierścieniowa polega na występowaniu izomerów, z których jeden ma niecykliczny łańcuch węglowy, a drugi pierścień węglowy:

  R1OaRKwkUutvy

  Ilustracja przedstawiająca dwie struktury. Pierwszą stanowi but-$1$-en, który to zbudowany jest z grupy ${\text{CH}}_2$, w której atom węgla łączy się za pomocą wiązania podwójnego z atomem węgla należącym do sąsiadującej grupy $\text{CH}$. Grupa ta łączy się z grupą ${\text{CH}}_2$ podstawioną grupą metylową ${\text{CH}}_3$. Druga struktura cyklobutanu została przedstawiona jako kwadrat, którego kąty stanowią atomy węgla. Innymi słowy jest to cząsteczka zbudowana z czterech połączonych ze sobą w czteroczłonowy pierścień grup ${\text{CH}}_2$.

  

Izomeria konstytucyjna położeniowa (podstawienia) dotyczy związków chemicznych, posiadających różne położenie podstawnika (innego niż grupa alkilowa) lub wiązania wielokrotnego.

• podstawnika polega na różnym położeniu podstawnika:

  R1GNfzBLvWMb5

  Ilustracja przedstawiająca dwie cząsteczki: $1$-bromopropan oraz $2$-bromopropan. Pierwsza z nich zbudowana jest z grupy ${\text{CH}}_2$ połączonej z atomem bromu $\text{Br}$ oraz z kolejną grupą ${\text{CH}}_2$, która to łączy się z grupą metylową ${\text{CH}}_3$. Druga cząsteczka $2$-bromopropanu zbudowana jest z grupy ${\text{CH}}_3$ połączonej z grupą $\text{CH}$ związaną z atomem bromu $\text{Br}$ oraz z grupą ${\text{CH}}_3$.

  

• wiązania wielokrotnego polega na różnym położeniu wiązania wielokrotnego:

  R17yUnRd3kUlA

  Ilustracja przedstawiająca dwie struktury. Pierwszą stanowi but-$1$-en, który to zbudowany jest z grupy ${\text{CH}}_2$, w której atom węgla łączy się za pomocą wiązania podwójnego z atomem węgla należącym do sąsiadującej grupy $\text{CH}$. Grupa ta łączy się z grupą ${\text{CH}}_2$ podstawioną grupą metylową ${\text{CH}}_3$. Druga cząsteczka to but-$2$-en składający się z grupy ${\text{CH}}_3$ połączonej z grupą $\text{CH}$, która to łączy się za pomocą wiązania podwójnego z drugą grupą $\text{CH}$ podstawioną grupą metylową ${\text{CH}}_3$.

  

Izomeria konstytucyjna funkcyjna (metameria) dotyczy związków chemicznych, posiadających różne grupy funkcyjne.

Rh27m6Atmy9zt

Ilustracja przedstawiająca dwie cząsteczki. Pierwszą stanowi propanal zbudowany z grupy $\text{CHO}$ połączonej z grupą ${\text{CH}}_2$ związaną z grupą ${\text{CH}}_3$. Druga cząsteczka to propanon, zwyczajowo nazywany acetonem, który to zbudowany jest z atomu węgla połączonego za pomocą wiązania podwójnego z atomem tlenu oraz za pomocą wiązań pojedynczych z dwiema grupami metylowymi ${\text{CH}}_3$.

Stereoizomeria (izomeria przestrzenna) dotyczy związków chemicznych, posiadających taką samą kolejność i sposób połączenia atomów w cząsteczce, ale różne ich rozmieszczenie w przestrzeni.

Dla zainteresowanych

Stereoizomeria optyczna (enancjomeria)

Enancjomeria dotyczy związków chemicznych, będących nienakładającymi się lustrzanymi odbiciami. Warunkiem (koniecznym, choć niewystarczającym) jej wystąpienia jest obecność centrum chiralności – atomu węgla z $4$ różnymi podstawnikami.

R31ub8ZAJaR1I

Ilustracja przedstawiająca dwa enancjomery kwasu mlekowego. Pierwsza cząsteczka to kwas (R)-mlekowy, który to zbudowany jest z atomu węgla połączonego z grupą karboksylową $\text{COOH}$ odchodzącą do góry tak, że wiązanie łączące ją z wspomnianym atomem węgla znajduje się w płaszczyźnie monitora. Drugi podstawnik stanowi grupa metylowa ${\text{CH}}_3$ odchodząca w lewo i również łącząca się ze wspomnianym atomem węgla wiązaniem znajdującym się w płaszczyźnie monitora. Od atomu węgla odchodzą również dwa podstawniki skierowane po skosie w dół w prawą stronę tak, że pierwszy atom wodoru znajduje się przed płaszczyzną (wiązanie oznaczone jako pełny klin rozszerzający się w kierunku atomu wodoru). Ostatni podstawnik to grupa hydroksylowa znajdująca się za płaszczyzną monitora (wiązanie oznaczono jako klin rozszerzający się w kierunku grupy hydroksylowej wypełniony przerywaną linią, co oznacza, że wiązanie wychodzi za płaszczyznę). Po prawej stronie znajduje się cząsteczka kwasu (S)-mlekowego, która to jest odbiciem lustrzanym opisanego już (R)-enancjomeru. Kwas (S)-mlekowy zbudowany jest z atomu węgla połączonego z czterema różnymi podstawnikami. Pierwszy stanowi grupa karboksylowa $\text{COOH}$ odchodząca do góry i znajdująca się podobnie jak wspomniany węgiel w płaszczyźnie monitora. W prawo w dół po skosie odchodzi grupa metylowa ${\text{CH}}_3$ również znajdująca się w płaszczyźnie monitora. W lewą stronę odchodzą dwa wiązania, pierwsze za płaszczyznę, które to łączy chiralny atom węgla z grupą hydroksylową (wiązanie zaznaczono jako klin rozszerzający się w kierunku grupy hydroksylowej wypełniony przerywaną linią). Drugie wiązanie wychodzące przed płaszczyznę (pełny klin) łączy atom węgla z atomem wodoru.

Rlzz0MUIQD2OZ

Określanie konfiguracji absolutnej we wzorach Fischera Aby ustalić konfigurację absolutną wokół danego atomu asymetrycznego, należy zastosować następujące zasady:

1. Ustalamy pierwszeństwo podstawników wokół asymterycznego atomu. Pierwszeństwo podstawników określa się stosując reguły Cahna-Ingolda-Preloga.
2. Cząsteczkę ustawiamy w taki sposób, by podstawnik o najniższym pierwszeństwie znalazł się jak najdalej od obserwatora.
3. Obserwujemy atom asymetryczny od strony przeciwnej do podstawnika zaszeregowanego jako ostatni (najmniej ważny).
4. Określamy sposób przejścia po podstawnikach wokół asymetrycznego atomu, przemieszczając się od podstawnika o najwyższym pierwszeństwie do podstawnika o najniższym pierwszeństwie. Gdy:

• przejście odbywa się zgodnie z ruchem wskazówek zegara, to konfiguracja absolutna jest oznaczana literą R (od łac. rectus - prawy),
• przejście odbywa się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara, to konfiguracja absolutna oznaczana jest literą S (od łac. sinister - lewy).

Określanie konfiguracji absolutnej we wzorach Fischera Aby ustalić konfigurację absolutną wokół danego atomu asymetrycznego, należy zastosować następujące zasady:

1. Ustalamy pierwszeństwo podstawników wokół asymterycznego atomu. Pierwszeństwo podstawników określa się stosując reguły Cahna-Ingolda-Preloga.
2. Cząsteczkę ustawiamy w taki sposób, by podstawnik o najniższym pierwszeństwie znalazł się jak najdalej od obserwatora.
3. Obserwujemy atom asymetryczny od strony przeciwnej do podstawnika zaszeregowanego jako ostatni (najmniej ważny).
4. Określamy sposób przejścia po podstawnikach wokół asymetrycznego atomu, przemieszczając się od podstawnika o najwyższym pierwszeństwie do podstawnika o najniższym pierwszeństwie. Gdy:

• przejście odbywa się zgodnie z ruchem wskazówek zegara, to konfiguracja absolutna jest oznaczana literą R (od łac. rectus - prawy),
• przejście odbywa się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara, to konfiguracja absolutna oznaczana jest literą S (od łac. sinister - lewy).

Dotyczy związków chemicznych, niebędących odbiciami lustrzanymi.

• Diastereoizomeria konstytucyjna polega na występowaniu stereoizomerów, które nie są odbiciami lustrzanymi.

  RLJW7JxYCiHS9

  Ilustracja przedstawiająca dwa diastereoizomery kwasu $2$-amino-$3$-hydroksybutanowego. Pierwszy z nich to kwas $2R$,$3R$-$2$-amino-$3$-hydroksybutanowy, który to można zaprezentować w następujący sposób. Od lewej strony łańcucha węglowego znajdującego się w płaszczyźnie monitora znajduje się grupa karboksylowa, idąc dalej w prawą stronę, łączy się ona z atomem węgla, od którego przed płaszczyznę odchodzi grupa aminowa ${\text{NH}}_2$, a za płaszczyznę atom wodoru. Wspomniany atom węgla łączy się z węglem C 3, od którego za płaszczyznę monitora odchodzi grupa hydroksylowa $\text{OH}$, przed płaszczyzną znajduje się atom wodoru. Wspomniany atom węgla C 3 łączy się z węglem C 4 grupy metylowej ${\text{CH}}_3$. Kwas $2R$,$3S$-$2$-amino-$3$-hydroksybutanowy z kolei ma budowę analogiczną z tą różnicą, że jedno z centrów chiralności ma inną konfigurację, przy węglu C 3 grupa hydroksylowa dla omawianego diastereoizomeru wychodzi przed płaszczyznę, a atom wodoru za.

  

• Izomeria cis/trans. Izomery typu cis/trans różnią się położeniem atomów lub grup atomów w stosunku do płaszczyzny odniesienia. W izomerach cis identyczne podstawniki lub podstawniki decydujące (o większej masie) są po tej samej stronie płaszczyzny wiązania, natomiast w izomerach trans – po przeciwnych stronach.

  R1LcZ7OOuJKl7

  Ilustracja przedstawiająca dwa izomery but-$2$-enu (E) oraz (Z). Pierwszy z nich to trans‑but-$2$-en, który to zbudowany jest z dwóch atomów węgla połączonych za pomocą wiązania podwójnego znajdującego się w płaszczyźnie monitora. Od każdego z wspomnianych atomów węgla odchodzi atom wodoru oraz grupa metylowa. Dla izomeru trans grupy metylowe znajdują się po przeciwnych stronach płaszczyzny, to jest jedna z grup wychodzi za płaszczyznę monitora, a druga przed, podobnie jak atomy wodoru, pierwszy znajduje się przed płaszczyzną, a drugi za. Drugi izomer, to jest cis‑but-$2$-en zbudowany jest z dwóch atomów węgla połączonych za pomocą wiązania podwójnego znajdującego się w płaszczyźnie monitora. Każdy z dwóch atomów węgla łączy się z jedną grupą metylową i jednym atomem wodoru. Przy czym grupy metylowe znajdują się po tej samej stronie płaszczyzny, podobnie jak atomy wodoru. To znaczy grupa metylowa ${\text{CH}}_3$ znajdująca się przy pierwszym atomie węgla znajduje się się za tak samo jak grupa metylowa odchodząca od drugie atomu węgla również znajduje się za płaszczyzną monitora. Atomy wodoru wychodzą przed płaszczyznę przy obu atomach węgla.

  

Słownik

Bibliografia

Dudek‑Różycki K., Płotek M., Wichur T., Węglowodory. Repetytorium i zadania, Kraków 2020.

Litwin M., Styka‑Wlazło Sz., Szymońska J., To jest chemia 2, Warszawa 2016.

McMurry J., Chemia organiczna, t. 1, tłum. Henryk Koroniak i in., Warszawa 2018.

Słownik PWN