Геометрические изомеры: что это такое и как они образуются?

Геометрические изомеры - это соединения с одинаковым химическим составом, но с разным расположением атомов в пространстве. Давайте разберемся, что они из себя представляют.

Определение геометрической изомерии

Изомерия - это существование соединений с одинаковым химическим составом, но различным строением молекул. Различают два основных вида изомерии:

• Структурная изомерия - изомеры отличаются порядком соединения атомов в молекуле.
• Пространственная или стереоизомерия - изомеры отличаются расположением атомов в пространстве.

Стереоизомеры в свою очередь делятся на:

1. Энантиомеры - соединения являются зеркальным отражением друг друга.
2. Диастереомеры - изомеры, не являющиеся зеркальными отражениями.

Геометрические изомеры относятся к диастереомерам. Это соединения, молекулы которых имеют разное расположение заместителей относительно плоскости двойной связи или цикла.

Например, бутен-2 имеет два геометрических изомера - цис-бутен-2 и транс-бутен-2:

Условия образования геометрических изомеров

Геометрическими изомерами являются соединения, удовлетворяющие следующим условиям:

1. Наличие в молекуле двойной связи, вокруг которой нет свободного вращения, или циклической структуры.
2. Атомы углерода с двойной связью или в цикле должны иметь по два различных заместителя.
3. Заместители должны располагаться в пространстве так, чтобы образовывать устойчивые пространственные конфигурации.

Рассмотрим на примере. В молекуле бутадиена CH₂=CH-CH=CH₂ плоскость двойной связи между вторым и третьим атомами углерода разделяет CH₂ и атом водорода. Поскольку это одинаковые заместители, геометрическая изомерия в данном случае невозможна.

А в молекуле бутена-2 имеются два различных заместителя у атомов углерода с двойной связью - метильная группа и атом водорода. Поэтому здесь возможно образование двух пространственных изомеров – цис- и транс-бутена-2.

Цис- и транс-изомеры

Геометрические изомеры, удовлетворяющие перечисленным выше условиям, делятся на два класса:

• Цис-изомеры - изомеры, у которых заместители располагаются по одну сторону от условной плоскости, проходящей через двойную связь или цикл.
• Транс-изомеры - заместители находятся по разные стороны от плоскости двойной связи или цикла.

Такое расположение заместителей влияет на физико-химические свойства геометрических изомеров. Как правило, транс-изомеры более симметричны и менее полярны, чем цис-изомеры. Поэтому они обладают более низкими температурами плавления и кипения.

Например, температура кипения транс-бутена-2 составляет 0,88°С, а цис-бутена-2 - 3,73°С. Транс-изомер закипает при более низкой температуре из-за меньшей полярности молекулы и отсутствия пространственных затруднений.

Изомерия неорганических соединений

Геометрическая изомерия характерна не только для органических соединений. Геометрическими изомерами являются также комплексные соединения металлов и некоторые неорганические молекулы.

Например, цисплатин и трансплатин представляют собой изомеры плоского квадратного комплекса хлородиамминплатины(II). Эти соединения обладают совершенно разными свойствами и биологической активностью. При этом только цисплатин нашел применение в качестве противоопухолевого препарата.

Структурные и геометрические изомеры могут образовываться и в неорганических молекулах, таких как диазены RR'N=NR". Здесь цис-изомер также оказывается более реакционноспособным и проявляет восстановительные свойства, в то время как транс-изомер инертен.

Методы разделения и идентификации

Для исследования свойств геометрических изомеров необходимо разделить их смеси на индивидуальные соединения. Для этого применяют различные методы:

• Жидкостная хроматография позволяет эффективно разделять изомеры за счет различия их физико-химических характеристик.
• Перекристаллизация основана на разной растворимости изомеров.
• Разделение с помощью комплексообразования использует селективное взаимодействие одного из изомеров с ионами или молекулами веществ-комплексообразователей.

После разделения для установления строения и идентификации индивидуальных геометрических изомеров используют различные спектроскопические методы:

1. ЯМР-спектроскопия позволяет определить химические сдвиги и константы спин-спинового взаимодействия, характерные для каждого изомера.
2. ИК-спектроскопия выявляет отличия в колебаниях функциональных групп изомеров.
3. Масс-спектрометрия подтверждает одинаковый молекулярный состав цис- и транс-форм.

Для синтеза конкретных геометрических изомеров используют реакции стереоселективного присоединения или замещения с участием хиральных катализаторов.

Значение геометрической изомерии

Существование геометрических изомеров имеет большое практическое значение. Во-первых, изомеры одного и того же вещества могут широко отличаться по свойствам и применению.

Яркий пример - малеиновая и фумаровая кислоты, представляющие собой цис- и транс-изомеры бутендиовой кислоты. Малеиновая кислота в 2 раза сильнее фумаровой и используется в качестве сомономера для получения ненасыщенных полиэфирных смол.

Во-вторых, геометрические изомеры могут по-разному взаимодействовать с биологическими системами, оказывая полезное или токсическое действие. Этим объясняется уникальная противоопухолевая активность цис-изомера хлородиамминплатины(II) - препарата цисплатин.

Выводы

Геометрическая изомерия играет важную роль в химии, медицине и других областях. Установление строения, свойств и особенностей цис- и транс-изомеров позволяет синтезировать вещества с заданными характеристиками и биологическим действием.

Мы рассмотрели определение, условия образования, методы исследования и практическое значение этого удивительного класса соединений - геометрических изомеров. Надеюсь, эта информация была полезна и понятна.