Межклассовая изомерия алкенов: общая формула

Стереоизомерия и стереоизомеры

Само явление существования соединений, имеющих одинаковый химический состав (количественный и качественный), но различное строение и, следовательно, разные свойства, называется изомерией (термин впервые введен в 1830 г. И. Берцелиусом). Выделяют два основных типа: пространственный (стереоизомерия) и структурный. Пространство включает в себя:

• геометрическая, заключающаяся в пространственном расположении функциональных групп по отношению к нескольким связям. Есть цис-изомеры на одной стороне заместителя при кратной связи и транс-изомеры на противоположных сторонах;
• оптический, состоящий из разного направления отклонения плоскости поляризации (характерно только для соединений, содержащих асимметричные атомы углерода) и разделения изомеров на левую и правую.

Организм чувствителен к геометрическим и оптическим изомерам, в том числе к большинству нуклеиновых кислот, витаминов, сахаров и гормонов.

Одно и то же вещество, в зависимости от своей пространственной структуры, может оказаться как незаменимым реагентом для жизни человека, так и опасным ядом. Невозможно решить проблемы медицины и биохимии без учета феномена изомерии.

Номенклатура сложных эфиров

Согласно систематической номенклатуре названия сложных эфиров образуются путем добавления к названию кислоты префикса от названия спиртового радикала, в котором вместо окончания «–oic acid» используется суффикс «–oat».

Согласно другой распространенной методике названия сложных эфиров образуются путем соединения названия кислотного аниона с приставкой с названием углеводородного радикала спирта.

Согласно банальной номенклатуре, сложные эфиры названы в честь кислот и спиртов, остатки которых представляют собой сложные эфиры, с добавлением слова «сложный эфир».

Сложные эфиры также называют, добавляя названия кислот и спиртов, а также добавляя окончание «th» и слово «эфир».

Поэтому наиболее распространенными типами названий сложных эфиров являются:

• четыре слова;
• пара слов;
• по одному слову за раз;
• из номенклатуры ИЮПАК.

Структурное многообразие

Структурная изомерия основана на различиях в структуре химического соединения. Поскольку, согласно теории Бутлерова, атомы и их группировки в молекуле не существуют изолированно, а оказывают определенное влияние друг на друга, даже простейшая перегруппировка вызывает необратимое изменение свойств вещества. Принято разделение конструктивных отличий на четыре типа:

• изменение углеродного скелета (возможно для углеводородов, содержащих более трех атомов углерода в цепи);
• изменить положение множественного звена или функциональной группы;
• изомерия «нецелых структур» или метамерия (для молекул, в которых радикалы разделены гетероатомом — простые и сложные эфиры, тиоспирты и т д);
• межклассовая изомерия.

Изомеры последнего типа более критично отличаются друг от друга, поскольку, несмотря на их формальное сходство (содержание одинакового числа атомов, функциональных групп и заместителей), они относятся к разным классам органических соединений.

Физические свойства

Сложные эфиры на основе низших карбоновых кислот и спиртов являются летучими жидкостями. В большинстве случаев вещества характеризуются приятным цветочным или фруктовым ароматом. Такие сложные эфиры плохо растворяются в воде, кипят при более низких температурах, чем их изомерные карбоновые кислоты. Это свойство объясняется отсутствием водородных связей между молекулами сложных эфиров.

Цветы, фрукты, ягоды обладают приятным ароматом, одна из причин которого — наличие в составе сложных эфиров. Сложные эфиры входят в состав эфирных масел.

С увеличением длины углеводородных радикалов R (увеличением в них числа атомов водорода) температура кипения сложных эфиров увеличивается. Вещества в обычных условиях приобретают твердое агрегатное состояние. Сложные эфиры высших жирных кислот и спиртов представляют собой воскообразные вещества без запаха и нерастворимые в воде. Этот тип сложного эфира хорошо растворяется при контакте с органическими растворителями. Виды воска:

• овощи, в том числе пальмовые, японские;
• животные, в том числе шерсть, пчела, миристилпальмитат;
• ископаемые, например, торф, горный, бурый уголь;
• синтетические воски на нефтяной основе, смолистые парафины и их производные.

Сложные эфиры органических карбоновых кислот

Сложные эфиры карбоновых кислот делятся на следующие группы:

• сложные эфиры на основе низших карбоновых кислот и спиртов;
• соединения, образованные высшими карбоновыми кислотами и высшими одноосновными спиртами (восками);
• толстый.

Когда количество атомов C в исходной карбоновой кислоте и спирте не превышает 6-8, соответствующие сложные эфиры представляют собой маслянистые жидкости, не имеющие цвета. В большинстве случаев вещества имеют фруктовый аромат и относятся к группе фруктовых сложных эфиров. Сложные эфиры ароматических спиртов могут иметь цветочный запах.

Эти соединения плохо растворяются в воде и смешиваются с большинством органических растворителей. Интерес науки и промышленности к таким эфирам объясняется широким спектром приятных ароматов. Некоторые вещества были сначала выделены из растительных организмов, а затем искусственно синтезированы в лабораторных условиях.

С увеличением количества атомов углерода в углеродной цепи до 15-20 температура плавления соединений увеличивается; в обычных условиях — твердые, пластичные, легко размягчающиеся вещества. Эта группа называется «воски» и отличается отсутствием запаха. Воск не растворяется в воде и отталкивает влагу; хорошо растворяется в бензине, хлороформе и бензоле.

В отличие от вышеупомянутых групп на основе одновалентных спиртов ROH, жиры относятся к классу сложных эфиров, состоящему из трехвалентного спирта глицерина HOCH2 — CH (OH) –CH2OH. Наиболее распространенная структура жира — это структура, в которой карбоновые кислоты содержат углеводородную цепь из 9-19 атомов углерода. Типы жиров:

1. Животного происхождения, например, коровье масло, баранина, сало в виде низкоплавких твердых пластических веществ содержат остатки высших насыщенных карбоновых кислот (стеариновая, пальмитиновая).
2. Растительного происхождения, включая оливковое, хлопковое, подсолнечное масло, которые являются вязкими жидкостями, содержат остатки высших ненасыщенных карбоновых кислот (олеиновой, линолевой, линоленовой).

Примеры межклассовых изомеров

Наиболее доступный способ изучения изомеров между классами органических соединений — составить таблицу, которая включает химическую формулу, общую для гомологов обоих классов, и примеры изомерных веществ между ними.

Общая формула	Классы	Примеры
NH2n	Циклоалканы и алкены	Циклогептан и 2-этил 3-метилбутен-2, циклогексан и гексен-1
CnH2n-2	Алкины и алкадиены (алкадиеновые углеводороды или диены)	Пропин и пропандиен, 2-метилпропин-3 и бутадиен — 1,2
CnH2nO	Альдегиды и кетоны	2-метилпропаналь и бутанон-2
CnH2nO2	Сложные эфиры и карбоновые кислоты	Формиат пропила и бутановой кислоты
CnH2n + 2O	Эфиры и одновалентные спирты	Диметиловый эфир и этанол
CnH2n + 1NO2	Аминокислоты и нитросоединения	Альфа-аминобутановая кислота и нитробутан

Для каждого типа изомерии существуют способы различать вещества как по физическим, так и химическим свойствам. Например, кислоты и сложные эфиры отличаются тем, что первые легко взаимодействуют со щелочами, активными металлами и оксидами, а вторые характеризуются относительной реакционной инертностью.

Кроме того, многие органические соединения имеют специфический запах (уксусная кислота едкая, амилуксусный эфир — эфирный аромат, напоминающий грушу).

Межклассовые изомеры

Когда функциональная группа перемещается в углеродистом скелете, образуется новое вещество, которое принадлежит к другому классу органических соединений. Кроме того, изомеры имеют абсолютно одинаковые общие формулы.

Таблица наглядно показывает, между какими классами веществ формируется изомерия, а также примеры межклассовой изомерии.

Классы, порождающие изомерию	Общая формула	Примеры
Алкены и циклоалканы	CnH2n	Бутен-1 (CH2 = CH-CH2-CH3) и циклобутан (C4H8)
Алкадиены и алкины	CnH2n-2	Бутадиен-1,3 (CH2 = CH-CH = CH2) и бутино-1 (CH≡C-CH2-CH3)
Одновалентные спирты и простые эфиры	CnH2n + 2O	Бутанол-1 (CH3-CH2-CH2-CH2OH) и метилпропиловый эфир (CH3-O-CH2-CH2-CH3)
Альдегиды и кетоны	CnH2nO	Бутаналь (CH3-CH2-CH2-COH) и бутанон-2 (CH2-CO-CH2-CH2-CH3)
Карбоновые кислоты и сложные эфиры	CnH2nO2	Бутановая кислота (CH3-CH2-CH2-COOH) и пропилформиат (COOH-CH2-CH2-CH3)
Нитросоединения и аминокислоты	CnH2n + 1NO2	Нитробутан (CH3-CH2-CH2-CH2NO2) и альфа-аминобутановая кислота (CH3-CH2-CH- (NH2) COOH)

Рис. 3. Примеры межклассовой изомерии.

Среди всех классов органических веществ алканы не образуют межклассовой изомерии.

Сложные эфиры, образованные неорганическими кислотами

Сложные эфиры способны образовывать не только органические кислоты по общему уравнению:

а также неорганические кислоты, включая азотную и серную кислоты:

Сложные эфиры неорганических кислот встречаются редко.

Аналогичная реакция с участием двух и трех гидроксильных групп целлюлозы при ее нитровании приводит к образованию сложных эфиров: ди- и тринитроцеллюлозы, которые являются сырьем для производства бездымного пороха.

Химические свойства

Химические реакции сложных эфиров в большинстве случаев связаны с нуклеофильной атакой карбонильного атома углерода.

Гидролиз сложных эфиров в кислой среде с образованием кислоты и спирта протекает обратимо с небольшой скоростью.

Схема реакции:

Реакция

CH3 — COO — C2H5 + H2O ↔ CH3 — COOH + C2H5OH

Омыление сложных эфиров (щелочной гидролиз).

Сложные эфиры химически реагируют с сильными основаниями, растворенными в воде, такими как гидроксид натрия или калия. Продуктами реакции являются соли карбоновых кислот и спирты. Соли жирных карбоновых кислот (или высших карбоновых кислот с большим количеством атомов углерода) называются мылом.

В присутствии щелочи процесс гидролиза является необратимой реакцией. Это связано с образованием отрицательно заряженного RCOO-карбоксилат-аниона, который не подвергается реакции обратного нуклеофильного замещения со спиртом.

Реакция

CH3 — COO — C2H5 + NaOH → CH3 — COONa + C2H5 — OH

Обменные реакции:

Реакция

CH3 — COO — C2H5 + C3H7 — OH → CH3 — COO — C3H7 + C2H5 — OH

Реакция

CH3 — COO — C2H5 + C3H7 — COOH → C3H7 — COO — C2H5 + CH3 — COOH

Реакция

CH3 — COO — C2H5 + C3H7 — COO — CH3 → CH3 — COO — CH3 + C3H7 — COO — C2H5

Условия протекания обменной реакции:

• воздействие алкоголя;
• контакт с кислотами;
• двойной обмен при взаимодействии двух сложных эфиров.

Сложные эфиры обладают способностью вступать в реакции присоединения. В результате восстановления или гидрирования сложных эфиров в присутствии катализатора из хромита меди (Cu (CrO2) 2) образуются два спирта.

Реакции с аммиаком с образованием амида и спирта:

Сложные эфиры способны гореть. Этот процесс приводит к образованию углекислого газа и воды.