Bilim.techО проекте

Изомерия: цис и транс, зеркальные молекулы

Почему подсолнечное масло жидкое, а маргарин твердый при почти одной формуле? Крути молекулы, сравнивай цис и транс и попробуй совместить молекулу с ее зеркальным отражением.

01 Что это такое

Изомеры состоят из одних и тех же атомов, но уложены в пространстве по-разному. Иногда эта разница решает, жидкое вещество или твердое, лекарство или яд.

Вокруг одинарной связи C−C части молекулы свободно вертятся, как колеса на оси. Разные положения при таком вращении называют конформациями. Они превращаются друг в друга миллиарды раз в секунду, поэтому разделить их нельзя. Двойная связь C=C устроена иначе: ее вторая часть, π-связь, держит атомы в одной плоскости и не дает им повернуться. Если две группы стоят по одну сторону двойной связи, это цис-изомер, если по разные, транс-изомер. Это уже разные вещества со своими температурами плавления.

Третий случай самый хитрый. Атом углерода с четырьмя разными соседями дает две молекулы, которые относятся друг к другу как левая и правая перчатка. Они зеркальные, но никаким поворотом их не совместить. Такие молекулы называют хиральными. По температурам кипения их не отличить, а вот поляризованный свет одна поворачивает вправо, а другая влево. Клетки живого организма тоже их различают.

поворот C−Cзаторможеннаязаслоненнаяразница 12 кДж/мольдвойная связь C=Cцистрансгруппы с одной или с разных сторонзеркальные молекулылевая и праваяне совмещаются поворотомпревращаются сами,это одно веществоразные вещества,разные температуры плавлениясвойства одинаковые,кроме света и живых клеток
Слева молекула видна вдоль связи C−C: передний атом в центре, задний скрыт за кругом. Справа клин означает связь к тебе, пунктир связь от тебя.
φ
Угол поворота вокруг связи. Угол между группами на переднем и заднем атоме, если смотреть вдоль связи. При φ = 0 группы стоят друг за другом, при 60° между ними.
π
Вторая часть двойной связи. Облако электронов над и под плоскостью молекулы. Чтобы повернуть двойную связь, это облако нужно разорвать.
C*
Хиральный центр. Атом углерода, у которого все четыре соседа разные. У такой молекулы есть зеркальный двойник, который с ней не совпадает.
02 Опыт
Крути связи и молекулы мышью или пальцем. ФОРМА В ПРОСТРАНСТВЕ
ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Изомеры в объеме

Рис. 9.4
ГОТОВЫЕ СЛУЧАИ
Энергия поворота
Форма
Смен формы в секунду

ⓘ Модель из шаров и палочек: длины связей и углы близки к настоящим, размеры атомов уменьшены, чтобы были видны связи. В жирной кислоте водород не показан.

03 Формулы по буквам

Сколько стоит поворот и как измерить зеркальность

Три величины отличают изомеры друг от друга: энергия поворота вокруг одинарной связи, энергия скручивания двойной и угол, на который раствор поворачивает свет. Числа под формулами берутся из опыта, а карточка, которая сейчас работает, подсвечена.

Поворот вокруг одинарной связи

E = V⁄2 · (1 + cos 3φ)

Энергия этана меняется волной: три горба за полный оборот, по одному на каждую встречу атомов водорода переднего и заднего углерода.

E
энергия молекулы относительно самой удобной формы, кДж/моль
V
высота горба, барьер вращения: у этана 12 кДж/моль
φ
угол поворота заднего атома относительно переднего

Скручивание двойной связи

E = Eπ · sin²θ

π-связь держится, пока облака электронов двух атомов смотрят в одну сторону. Чем сильнее скручиваешь, тем меньше они перекрываются, при 90° связь рвется.

Eπ
прочность π-связи, около 265 кДж/моль
θ
угол скручивания вокруг оси C=C
cos θ
доля перекрытия облаков, от 1 до 0

Поворот света раствором

α = [α] · l · c · (2x − 1)

Угол растет с длиной трубки и концентрацией. Левая и правая формы поворачивают свет в разные стороны, поэтому в смеси 50 на 50 поворота нет.

[α]
удельное вращение: угол для 1 г/мл в трубке 1 дм
l, c
длина трубки в дм и концентрация в г/мл
x
доля левой формы, от 0 до 1

Почему конформации нельзя разделить, а цис и транс можно

Молекулы в веществе все время толкаются, и средняя энергия такого толчка около RT: при 25 °C это 2,5 кДж/моль. Чтобы перейти через горб, молекула должна получить энергию больше барьера. Доля таких удачных толчков равна e−E/RT, а попыток молекула делает около 6 · 10¹² в секунду. Для этана с барьером 12 кДж/моль это дает десятки миллиардов поворотов в секунду. Никакой прибор не успеет поймать одну форму.

У двойной связи барьер в двадцать раз выше, около 265 кДж/моль. Множитель e−E/RT становится таким малым, что одна молекула цис-бутена при комнатной температуре сама повернется в транс в среднем за время, во много раз большее возраста Вселенной. Поэтому цис и транс хранятся в отдельных бутылках. Подробнее про такой расчет в теме энергия активации.

E, кДж/моль12C−C в этане265C=C в бутенеRT = 2,5
Высота столбика в масштабе. Пунктир внизу это средняя энергия теплового толчка при 25 °C.
04 Где и зачем это применяют

От маргарина до лекарств и полимеров

Допущения модели+

Энергия поворота этана взята по формуле E = V/2 · (1 + cos 3φ) с барьером 12 кДж/моль. Для бутана энергия разложена на три гармоники так, чтобы гош-форма была на 3,8 кДж/моль выше анти, заслоненная при 120° на 16, а син-форма на 19 кДж/моль. Тепловое движение в опыте моделируется случайными шагами по углу с вероятностью Больцмана, частота попыток kT/h. Энергия скручивания двойной связи упрощена до Eπ · sin²θ. Укладка молекул в коробках нарисована схематично, состояние вещества определяется по справочным температурам плавления и кипения при нормальном давлении. Удельное вращение молочной кислоты около +2,6°, аланина +14,5° (в растворе соляной кислоты), трубка поляриметра 2 дм. Для бромхлорфторметана угол очень мал и известен неточно, он показан условно.

Еще в направлении «Химия»

Все темы направления «Химия» →