Izoméria

Egy molekulán belül az atomok kapcsolódási sorrendjét konstitúciónak nevezzük. Az összegképlet csupán a molekulában lévő atomok számát jelöli (pl. C₄H₈). Így előfordulhat az, hogy adott összegképlethez többféle konstitúció tartozik. Ez a jelenség az izoméria. Emiatt a gyakorlatban gyökcsoportos képleteket, illetve vonalábrákat alkalmaznak. A konstitúció a szerves kémia területén jelentős.

Az izoméria típusai

Az izomériának többféle típusa létezik. Alapvetően két nagy csoportot különböztethetünk meg, melyek további típusokra bonthatóak:

• 1. konstitúciós izoméria
• 2. térizoméria (sztereoizoméria)
  • geometriai izoméria
  • optikai izoméria

Konstitúciós izoméria

Az atomok kapcsolódási sorrendjén alapuló izoméria. Például: a 2-metilpentán a 3-metilpentán konstitúciós izomere. Konstitúciós izoméria jöhet létre akkor, ha eltérő funkciós csoport található egy molekulában. Például a C₂H₆O összegképlethez egy alkohol és egy éter is tartozik: (az etil-alkohol és a dimetil-éter).

Adott összegképlet konstitúciójának megállapítása történhet fizikai-kémiai tulajdonságok megállapításával (pl. funkciós csoport reakció által történő azonosítása), vagy műszeres vizsgálatokkal.

Térizoméria

Még adott konstitúció mellett is előfordul az, hogy különböző molekuláról van szó, ennek oka az eltérő térszerkezet. A különböző térszerkezetű, de azonos konstitúciójú molekulákat sztereoizomereknek, magát a jelenséget pedig idegen szóval sztereoizomériának nevezzük.

Geometriai izoméria

A sztereoizoméria azon válfaja, melyben a π-kötés sajátos szerkezete miatt a kettős kötés körül nincs szabad rotáció (vagyis a kötésben részt vevő atom nem fordulhat el). A geometriai izoméria kialakulásának feltétele, hogy a kettős kötést hordozó atomhoz különböző ligandumok kapcsolódjanak. A geometriai izomerek fizikai-kémia tulajdonságai kisebb-nagyobb mértékben eltérnek egymástól.

pl: C₄H₈

CH₃–CH=CH-CH₃ konstitúcióhoz kétféle térszerkezet tartozik, attól függően, hogy a két, méreteiben kisebb ligandum egymáshoz viszonyítva hová kerül (azonos, avagy ellentétes oldalra)

• Cisz-transz izoméria: akkor alakul ki, ha a kettős kötésű szénatompárhoz kapcsolódó ligandumok viszonylagos térszerkezete eltérő. Egyik feltétele, hogy a szénatomok mindegyikéhez két különböző ligandum kapcsolódjon és a szénatomok közötti rotáció gátolt legyen (kettős kötés). Gátolt rotáció gyűrűalkotó szénatomok esetén is jelentkezik, így itt is felléphet a cisz-transz izoméria.

A cisz-transz izomereket könnyedén jelölhetjük vonalképlettel. Korábbi példánknak két stabilis helyzete létezik, az ún. „kád” és „kisszék” változatok.

Optikai izoméria

Ez a sztereoizoméria másik változata. Királis (aszimmetrikus) molekulák esetében lehetséges, például, ha szénatomhoz négyféle különböző ligandum tartozik. A királis molekulák konstitúciója azonos, konformációi pedig eltérhetnek. Fontos tudnunk, hogy

• egy molekulában több kiralitás-centruma is lehet: n db kiralitáscentrum esetén 2ⁿ izomer lehetséges.
• feltétele: a molekula ne legyen azonos tükörképi párjával
• ha már létezik bárminemű belső szimmetria, akkor csökken a térizomerek száma

Az ilyen típusú vegyületpárokat enantiomer-pároknak nevezzük. Ezek fizikai tulajdonságai (optikai forgatóképességük irányát kivéve) azonosak.

Konfigurációs izoméria : konfigurációs izoméria azoknál a vegyületeknél alakul ki , amelyek nem hozhatóak fedésbe tükörképükkel , azaz királisak. A királis molekulát és a tükörképi párját (amelyek nem azonosak) enantiomereknek nevezzük.

Az izoméria jelentősége

Az izomerek fizikai tulajdonságai eltérhetnek. Például az izoprén polimerizációjakor keletkező transz helyzetű poliizoprén kemény és rugalmatlan, míg a természetben előforduló cisz izomer (a kaucsuk) rugalmas és nyújtható. A természetben csak a D-monoszacharidok és az L-aminosavak fordulnak elő.

A kémiában egy vegyületnek egy másik az izomerje, ha összetételük azonos, de szerkezetük, vagy térbeli elrendezésük eltér. Ezek közül az első eset szerkezeti izoméria, a második sztereoizoméria.

Az első esetben vagy láncelágazás, vagy egy funkciós csoportnak a molekulában való elhelyezése, vagy pedig funkciós csoport(ok) jelenléte okozhatja az eltérést.

A szerkezeti izomériát jól szemlélteti a következő ábra:

Itt

• I. (normál-) n-propil alkohol, vagy Genfi nomenklatúrával propán-1-ol
• II. (izo-) i-propil alkohol, vagy Genfi nomenklatúrával propán-2-ol
• III. metil-etil-éter

A második eset abból származik, hogy a szerves vegyületek atomjai nem egyetlen síkban helyezkednek el és atomjaiknak térbeli helyzetében különbözhetnek. Tehát például az egyik vegyület síkbeli tükörképe (enantiomerje) lehet a másiknak vagy pedig térbelileg eltérhetnek anélkül hogy egyik a másiknak tükörképe lenne (diasztereomerek) Ezeknek két esete van: vagy kémiai kötésük által egymásba forgathatók (konformációs izomerek) vagy nem. Az utóbbi esetben ezek cisz-transz izomerek.

Érdekes izoméria a Pasteur által észrevett jelenség, hogy vegyületek különbözhetnek egymástól abban, hogy oldataik jobbra vagy balra forgatják-e el a polarizált fény polarizálási síkját ha ez a fény azokon áthalad. Erre az izomériára egyszerű cukrok oldatai szolgáltatnak jó példát. Így a polarizált fényt jobbra forgató cukor d- előjelet, a balra forgató l- előjelet és a keverék m- előjelet kap.

Forrás

Villányi Attila: Kémia a kétszintű érettségire