Условия и примеры существования цис-транс изомеров

Развитие производства практически всех товаров в настоящее время напрямую связано с достижениями науки в области химии. Одним из важных вопросов, требующих глубокого понимания происходящих процессов и реакций на атомном уровне, является знание структуры вещества. Изучение цис-транс изомеров и особенностей их поведения занимает важное место в современной химии.

Оглавление:

• Понятие об изомерии
• Этан и этин
• Обязательные условия
• Показательные примеры
• Физические и химические свойства

Понятие об изомерии

Прежде чем рассказать о транс-цис химических веществах, следует разобраться с самим термином. Под изомерией принято понимать соединения, которые имеют одинаковый состав, но разное строение. Это общее понятие совершенно не связано с подобием химических и физических свойств, а является исключительно искусственным. Некоторые изомеры по составу могут относиться к разным классам веществ и проявлять различные свойства.

Химики разработали сложную и максимально общую классификацию типов изомерии. Она включает в себя 2 больших класса:

1. Структурная.
2. Стерео.

Структурный класс

Структурная изомерия является достаточно распространенной, особенно среди сложных веществ. Чем больше атомов содержит соединение, тем большим количеством структурных изомеров оно обладает. Поскольку органическая химия характеризуется сложными веществами с длинными углеродными цепями, термин часто используется именно для них.

Структурные изомеры делятся на следующие подклассы:

1. Цепи. Углеродная цепь может быть построена по-разному из одного и того же количества атомов водорода и углерода. Например, 2-метилпентан и соединение гексана — оба вещества имеют состав С6Н14.
2. Положения. Оба соединения могут обладать одинаковыми функциональными группами или двойными химическими связями, но расположены они в разных местах цепи. Примером могут служить 2 вещества — бутен-1 и бутен-2. В первом случае связь С=С находится между первым и вторым атомом углерода, во втором случае она расположена между вторым и третьим атомами. Составы соединений одинаковы (С4Н8).
3. Функциональной группы. Это самые отличающиеся по свойствам структурные изомеры, поскольку они содержат разные функциональные группы. Например, этанол — спирт состава С2Н6О и такого же состава диметиловый эфир, в котором 2 метиловые группы СН3 друг с другом связаны через двухвалентный атом кислорода.

Стереосоединения и их типы

К стереоизомерам относятся не только те, что обладают одинаковым составом, но и имеющие подобные функциональные группы. По этой причине изомеры этого класса проявляют высокую схожесть в своих физических и химических свойствах. Основное различие между ними заключается в пространственном строении. Эти изомеры также принято называть геометрическими. Они бывают двух типов:

1. Конфигурационные.
2. Конформационные. Делятся на энантио- и диастереомер.

В основе классификации лежит возможность вращения атомов углерода вокруг оси, образованной электронными связями между ними. Если такая возможность существует, говорят о 1-м типе стереоизомеров, если вращение возможно только благодаря разрыву связей и образованию новых, имеет место конформационная стереоизомерия. Именно к ней относятся соединения с цис или транспространственной конфигурацией.

Этан и этин

Чтобы понять, у какого вещества имеются транс-цис изомеры, нужно рассмотреть возможность пространственного расположения атомов в углеродных цепочках с одинарными и тройными связями.

Этан — химическое вещество, являющееся вторым в ряду алканов после метана. Оно имеет формулу С2Н6. Атомы углерода соединены одинарной связью. Кроме того, каждый из них связан ковалентными полярными электронными соединениями с тремя атомами водорода. В пространстве атом углерода и 3 атома водорода образуют треугольную пирамиду — тетраэдр. Обе фигуры могут свободно вращаться друг относительно друга вокруг одинарной связи С-С, образуя при этом череду конфигурационных изомеров.

Этин — соединение с тройной связью и формулой С2Н2. Атомы водорода около каждого углерода могут менять свой угол, поскольку ничего им не мешает это сделать. В итоге получается ряд метастабильных соединений.

В случаях этана и этина (бутана и бутина и т. д. ) изомерия не может существовать, поскольку переходы между соединениями являются свободными без каких-либо энергетических затрат (переходный энергетический барьер низкий).

Обязательные условия

Цис-транс изомерия характерна для химических соединений, у которых в обязательном порядке должна быть либо двойная связь между атомами углерода или другого элемента, либо замкнутое в пространстве кольцо из одинарных взаимодействий. Бензол не подходит под это условие, потому что образован атомами углерода, которые 3 из 4 свободных электронов используют для взаимодействия друг с другом.

Наличие двойной химической связи или одинарного замкнутого кольца у веществ является не единственным обязательным условием существования у них изомерии. Для этого необходимо, чтобы атомы С по обе стороны от связи С=С были соединены с разными группами, например, гидроксильной ОН-, метиловой СН3-, галогенной.

Цис-транс изомерами называют такие вещества, у которых одинаковые функциональные группы располагаются либо по одну сторону от плоскости двойной связи или кольца, либо по разные. В первом случае говорят о цисизомерах, во втором о возможных трансизомерах.

Показательные примеры

Определения достаточно, чтобы понять разницу между подклассом веществ. Тем не менее приведение примеров позволяет лучше закрепить разобранный материал и понять некоторые нюансы.

Двойные связи

В первом примере проще всего рассмотреть такие соединения ряда алкенов, как этен, бутен, пентен и гексен. Не все их изомеры могут быть цис и транс. Соединение 2-метилбутен-2 не имеет изомерии, поскольку один из атомов С, находящийся около двойной связи, соединяется с двумя метиловыми группами, то есть не выполняется второе условие существования транс-цис веществ.

В свою очередь, пентен-2 указанным видом изомерии обладает. В нем один атом С с двойной связью соединен с водородом и метиловой группой СН3, а второй атом образует ковалентные соединения с водородом и этиловой группой С2Н5. В этой ситуации может существовать 2 вещества: цис-пентен-2 (метиловая и этиловая группы расположены по одну сторону в пространстве относительно двойной связи С=С), транс-пентен-2 (функциональные группы СН3- и С2Н5- находятся по разные стороны от С=С).

Более сложный пример — бутендиовая кислота. Ее структурная формула HOOC-CH=CH-COOH. Отсюда видно существование возможности расположения водородов и карбоксильных групп -COOH по одну или по разные стороны от плоскости связи С=С. Цис- и транс-бутедиовые кислоты имеют собственные названия. Первая — это малеиновая, вторая — фумаровая.

Бутеналь-2 или метилбутный альдегид. Структурная формула вещества записывается так: H3C-CH=CH-COH, понятно, что альдегидная СОН- и метиловая СН3 группы могут иметь 2 варианта пространственного расположения относительно связи С=С.

Алкадиеновые соединения — это вещества, которые в своей структуре имеют 2 двойные связи. Они также обладают цисоидной и трансоидной формами, отличающимися в геометрическом расположении двойных связей относительно одинарной. Пример: H3C-СН=CH-CH=CН-СН3. Такие соединения являются цисо-трансоподобными, поскольку переходят друг в друга за счет вращения вокруг одинарной связи. Транс-форма этих веществ обычно более стабильна, чем цис.

Углеродные кольца

Кольцо, образованное атомами углерода с одинарными связями, является плоским. При этом каждый атом C имеет возможность присоединить к себе еще 2 функциональные группы. Эта ситуация создает благоприятные возможности для существования явления цис-транс изомерии.

Яркий пример — 1,2-диметилциклобутан. Замкнутое кольцо из четырех атомов углерода присоединяет к первому и второму атомам метиловые группы СН3. Они располагаются либо по одну сторону от плоскости кольца (цис-форма), либо с двух сторон от нее (транс-изомер).

Соединений с подобным типом транс-цис изомерии великое множество. Даже на основании гомологического ряда циклоалканов можно привести бесконечное число примеров (циклооктные, циклопентные соединения и так далее).

Физические и химические свойства

Поскольку цис-транс вещества имеют одинаковые функциональные группы, свойства их достаточно близки. Из-за разного пространственного строения отличия наблюдаются по следующим показателям и характеристикам:

• скорость химических реакций;
• температура кипения и плавления;
• плотность, растворимость и показатель преломления света.

Используя различия между физическими и химическими свойствами, можно экспериментально отличать цис-изомеры от транс. Цис-бутен-2 имеет более широкий температурный диапазон существования в жидком агрегатном состоянии от -139 С до +4 С, в то время как транс-бутен-2 в виде жидкости при нормальном давлении существует только при температурах от -106 С до 1 С.