Izomeria w chemii organicznej – rodzaje izomerii z przykładami

Etanol i eter dimetylowy mają identyczny wzór sumaryczny – C₂H₆O. Pierwszy to alkohol, który miesza się z wodą w każdym stosunku i wrze w 78°C. Drugi jest gazem w temperaturze pokojowej. Jak to możliwe, skoro składają się z tych samych atomów w tej samej liczbie? Odpowiedź brzmi: izomeria. Ten dział chemii organicznej wydaje się na początku zbiorem nazw do wykucia, ale gdy zrozumie się jego logikę, staje się jednym z najbardziej przewidywalnych tematów na maturze.

Czym są izomery?

Izomery to związki o tym samym wzorze sumarycznym, które różnią się budową cząsteczki lub rozmieszczeniem atomów w przestrzeni, a przez to – właściwościami. Różnice mogą być ogromne (jak u etanolu i eteru) albo subtelne, ujawniające się dopiero w kontakcie ze światłem spolaryzowanym czy enzymem.

Najważniejszy podział jest dwustopniowy. Izomeria konstytucyjna (strukturalna) dotyczy tego, które atomy są ze sobą połączone. Stereoizomeria – tego, jak atomy połączone w identyczny sposób są ułożone w przestrzeni.

Izomeria konstytucyjna

Izomeria łańcuchowa (szkieletowa)

Izomery różnią się budową łańcucha węglowego – prostego albo rozgałęzionego. Klasyczny przykład to butan i metylopropan (izobutan), oba o wzorze C₄H₁₀. Rozgałęzienie zmniejsza powierzchnię kontaktu między cząsteczkami, więc izomer rozgałęziony ma zwykle niższą temperaturę wrzenia: butan wrze w ok. −0,5°C, a metylopropan w ok. −12°C.

Izomeria położenia

Szkielet jest ten sam, ale grupa funkcyjna, podstawnik lub wiązanie wielokrotne znajduje się w innym miejscu. Propan-1-ol i propan-2-ol to izomery położenia – pierwszy jest alkoholem pierwszorzędowym i utlenia się do aldehydu, drugi drugorzędowym i utlenia się do ketonu. Ta różnica często pojawia się w zadaniach maturalnych. Podobnie but-1-en i but-2-en.

Izomeria funkcyjna

Ten sam wzór sumaryczny, ale zupełnie inne grupy funkcyjne, a więc i inna klasa związków. Pary, które warto znać:

• alkohole i etery (etanol – eter dimetylowy),
• aldehydy i ketony (propanal – propanon),
• kwasy karboksylowe i estry (kwas propanowy – octan metylu),
• alkeny i cykloalkany (propen – cyklopropan).

Stereoizomeria

Izomeria geometryczna (cis-trans)

Pojawia się, gdy obrót wokół wiązania jest zablokowany – najczęściej przy wiązaniu podwójnym C=C, ale także w pierścieniach. Warunek jest jeden: każdy z dwóch atomów węgla przy wiązaniu podwójnym musi mieć dwa różne podstawniki. Dlatego but-2-en ma izomery cis i trans, a but-1-en – nie, bo jeden z jego atomów węgla przy wiązaniu podwójnym ma dwa atomy wodoru.

W izomerze cis podobne podstawniki leżą po tej samej stronie wiązania podwójnego, w izomerze trans – po przeciwnych. Gdy podstawników jest więcej niż dwa rodzaje, stosuje się bardziej uniwersalny zapis E/Z oparty na regułach pierwszeństwa Cahna-Ingolda-Preloga. Izomery cis i trans różnią się m.in. temperaturą topnienia i polarnością; w biologii różnica bywa kluczowa – na przykład tłuszcze nienasycone w naturze zawierają głównie wiązania cis, a „tłuszcze trans” w diecie pochodzą głównie z przemysłowego częściowego utwardzania olejów (w mniejszej ilości występują też naturalnie w mleku i mięsie przeżuwaczy).

Izomeria optyczna – enancjomery

Najtrudniejszy, ale też najciekawszy rodzaj. Dotyczy cząsteczek chiralnych, czyli takich, których nie da się nałożyć na ich lustrzane odbicie – tak jak lewej dłoni nie nałożymy na prawą. Najczęstszą przyczyną chiralności jest asymetryczny atom węgla: węgiel połączony z czterema różnymi podstawnikami.

Enancjomery mają identyczne temperatury wrzenia, gęstość i rozpuszczalność. Różnią się kierunkiem skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego oraz sposobem, w jaki reagują z innymi cząsteczkami chiralnymi. To ostatnie ma ogromne znaczenie w organizmach, bo enzymy i receptory są chiralne: kwas (S)-mlekowy powstaje w naszych mięśniach, a w organizmach żywych białka budowane są niemal wyłącznie z L-aminokwasów. Mieszaninę równomolową obu enancjomerów nazywamy racematem – jest optycznie nieczynna.

Jeśli związek ma więcej centrów stereogenicznych, mogą pojawić się diastereoizomery – stereoizomery, które nie są swoimi lustrzanymi odbiciami – oraz związki mezo, które mimo asymetrycznych atomów węgla są achiralne. Szerzej o świecie lustrzanych cząsteczek pisaliśmy w artykule Jak to jest z tą izomerią optyczną?, a o tym, jak wielkie znaczenie ma chiralność w nauce – przy okazji tegorocznej Nagrody Nobla z chemii.

Jak znaleźć wszystkie izomery na maturze?

1. Zacznij od najdłuższego łańcucha prostego, potem skracaj go o jeden atom węgla i przesuwaj odłączoną grupę metylową.
2. Dla każdego szkieletu sprawdź możliwe położenia grupy funkcyjnej lub wiązania wielokrotnego.
3. Rozważ izomery funkcyjne (alkohol ↔ eter, aldehyd ↔ keton, kwas ↔ ester).
4. Na końcu sprawdź każdy związek pod kątem stereoizomerii: czy przy wiązaniu C=C są dwa różne podstawniki? Czy jest atom węgla z czterema różnymi podstawnikami?
5. Nadaj nazwy systematyczne – dwa „różne” wzory o tej samej nazwie oznaczają, że narysowałeś ten sam związek dwa razy.

Najczęstsze pytania

Czy konformacje to izomery?

Konformery (np. naprzemianległa i naprzeciwległa konformacja etanu) różnią się obrotem wokół wiązania pojedynczego i w temperaturze pokojowej błyskawicznie przechodzą jedne w drugie. W szkolnym ujęciu nie traktuje się ich jako osobnych izomerów, których nie da się wyodrębnić.

Ile izomerów ma C₄H₁₀O?

Siedem izomerów konstytucyjnych: cztery alkohole (butan-1-ol, butan-2-ol, 2-metylopropan-1-ol, 2-metylopropan-2-ol) i trzy etery. Butan-2-ol ma dodatkowo dwa enancjomery, więc łącznie stereoizomerów jest osiem.

Sprawdź się w zestawie Izomeria optyczna – zadania otwarte i zajrzyj do przewodnika Chemia do matury.

Źródła

• IUPAC, Compendium of Chemical Terminology („Gold Book”) – definicje izomerii, chiralności, enancjomerów i diastereoizomerów.
• IUPAC, Nomenclature of Organic Chemistry („Blue Book”) – deskryptory E/Z i R/S.

Zdjęcie wyróżniające: Model cząsteczki kwasu mlekowego – związku, który występuje w postaci dwóch enancjomerów. Fot. Ben Mills, Public domain, Wikimedia Commons; kadrowanie Biomist.