Struktuuriline isomeeria: definitsioon, liigid ja näited

Struktuuriline isomeeria (IUPAC nimetab seda konstitutsioonilisomeeriaks) on üks isomeeria liik. Selle isomeeria puhul on kahel kemikaalil sama molekulaarvalem, kuid molekulid on omavahel seotud eri järjekorras. Struktuurilise isomeeria vastandiks on stereoisomeeria. On palju sõnu, mis tähistavad struktuurilisi isomeere.

Konstitutsioonilisi isomeere on kolme liiki. Need on skeletilised isomeerid, positsioonilised isomeerid ja funktsionaalsed isomeerid. Positsioonilisi isomeere nimetatakse ka regioisomeerideks. Tautomeerid on samuti üks funktsionaalsete isomeeride liike.

Mida tähendab see praktiliselt?

Struktuurilise isomeeria oluline tunnus on see, et isomeeridel võivad olla väga erinevad füüsikalised ja keemilised omadused (nt sulamis- ja keemistemperatuur, lahustuvus, reaktiivsus), kuigi nende brutomolekulaarvalem on sama. See tuleneb sidemete ja rühmade järjestusest molekulis — teisiti ühendatud aatomid annavad erineva ruumilise ja elektronilise keskkonna.

Põhilised liigid ja näited

Skeletilised (ahela) isomeerid — erineb süsinikuahela ülesehitus. Näide: n-butaan (C4H10) ja isobutaan ehk 2-methylpropaan (C4H10). Mõlemal on sama molekulaarvalem, kuid üks on lineaarne ketas ja teine harunenud ahelaga.
Positsioonilised (regio-) isomeerid — sama funktsionaalne rühm paikneb erineval kohal ahelas või rõngas. Näide: 1-propanool (propan-1-ool) ja 2-propanool (isopropanool) (molekulaarvalem C3H8O). Aromaatsete ühendite puhul tuntud näiteid on orto-, meta- ja para- asendused (näiteks o-, m- ja p-xüleen, C8H10).
Funktsionaalsed isomeerid — ühised aatomid, kuid erinevad funktsionaalsed rühmad. Näide: etanool (CH3CH2OH) ja dimetüüleetter (CH3OCH3) mõlemad C2H6O, kuid alkoholi ja eetrisid eristavad omadused. Teine hea näide on äädikhape (CH3COOH) ja metüülatsetaat (HCOOCH3) — mõlemad C2H4O2, kuid üks on karboksüülhape ja teine ester.
Tautomeerid — eriliik funktsionaalsetest isomeeridest, kus isomeerid (tautomergid) on kiiresti omavahel tasakaalus ja ümberkujunduvad prootonitransiidiga. Klassikaline näide on keto–enool tautomeerimus, näiteks atsetoonil võib esineda vähene enoolvorm ning suurem osa keto-vormist.

Kuidas neid eristada?

Struktuuriliste isomeeride tuvastamiseks ja eristamiseks kasutatakse mitmeid analüütilisi meetodeid:

NMR-spektroskoopia — erinevad keemilised nihked ja signaalide mustrid annavad info aatomite keskkonna ja sidemete kohta.
IR-spektroskoopia — funktsionaalsete rühmade (OH, C=O, C–O jt) karakteristlikud vibratsioonid aitavad määrata rühmade olemasolu.
Massispektromeetria — fragmentatsiooni mustrid erinevad sõltuvalt sidemete paiknemisest ja aitavad eristada isomeere.
Kõrgeeralduslik kromatograafia (GC, HPLC) — isomeerid võivad lahustuda ja liikuda eraldi faasides erinevalt, võimaldades neid lahutada ja isoleerida.

Miks see on oluline?

Struktuuriline isomeeria mõjutab tugevasti molekulide keemilist käitumist ja seeläbi nende rakendusi: ravimite aktiivsus ja toksilisus, polümeeride omadused, lahustid, lõhna- ja maitseained jpm. Näiteks kaks sama brutovalemiga ühendit võivad bioloogiliselt käituda täiesti erinevalt, kuna neil on erinev funktsionaalne rühm või sidemete paigutus.

Lõppsõna

Struktuuriline (konstitutsiooniline) isomeeria on orgaanilise keemia põhimõiste, mis kirjeldab, kuidas sama arvu aatomitega ühendid võivad asuda ja siduda erinevalt, andes väga erinevaid omadusi ja reaktsioonikäitumist. See on oluline nii teoreetiliselt kui ka praktiliselt keemia, farmaatsia ja materjaliteaduse valdkondades.

Skeleti isomeeria

Skeleti isomeeria ehk ahelaisomeeria puhul järjestatakse skeleti komponendid (tavaliselt süsinik) ümber, et moodustada erinevaid struktuure. Pentaanil on kolm isomeeri. Need on n-pentaan (sageli nimetatakse seda lihtsalt "pentaaniks"), isopentaan (metüülbutaan) ja neopentaan (dimetüülpropaan).

Pentaani skeletiline isomeeria

n-Pentaan	Isopentaan	Neopentane

Positsiooniline isomeeria

Positsioonisomeeria puhul muudab funktsionaalne rühm või muu substituent oma positsiooni algstruktuuris. Alljärgnevas tabelis võib hüdroksüülrühm jääda n-pentaani ahelas kolme eri asendisse, et moodustada kolm erinevat ühendit.

Näide positsioonisomeeriast

1-Pentanool	2-Pentanool	3-Pentanool

On olemas palju aromaatseid isomeere, sest asendajad võivad asetseda benseeniringi eri osades. Fenoolil või hüdroksübenseenil on ainult üks isomeer, kuid kresoolil või metüülfenoolil on kolm isomeeri, kus metüülrühm võib paikneda kolmes erinevas asendis ringil. Ksülenoolil on üks hüdroksüülrühm ja kaks metüülrühma ning kokku on olemas 6 isomeeri.

Ksülenooli positsioonilised isomeerid

2,3-ksülenool	2,4-Xülenool	2,5-Xülenool

2,6-Xülenool	3,4-Xülenool	3,5-ksülenool

Funktsionaalse rühma isomeeria

Funktsionaalsed isomeerid on üks struktuurilisi isomeere. Funktsionaalse isomeeria puhul on kahel ühendil sama molekulaarvalem (iga aatomi arv on sama, näiteks tsükloheksaan: C
₆H
₁₂ ja 1-hekseen:C
₆H
₁₂). Kuid aatomid on seotud teistmoodi, nii et rühmitused on erinevad. Me nimetame neid aatomite rühmi funktsionaalseteks rühmadeks, funktsionaalsusteks või osakondadeks. Teine võimalus on öelda, et kaks ühendit, millel on sama molekulaarvalem, kuid erinevad funktsionaalrühmad, on funktsionaalsed isomeerid.

Näiteks tsükloheksaani ja 1-hekseeni keemiline valem on C₆ H₁₂ . Me nimetame neid funktsionaalsete rühmade isomeerideks, sest tsükloheksaan on tsükloalkaan ja 1-hekseen on alkeen.

Näide funktsionaalsete rühmade isomeeriast

Tsükloheksaan	1-hekseen

Selleks, et kaks molekuli oleksid funktsionaalsed isomeerid, peavad nad sisaldama põhilisi aatomirühmi, mis on paigutatud teatud viisil. Mõned parimad näited pärinevad orgaanilisest keemiast. C₂ H₆ O on molekulivalem. Sõltuvalt sellest, kuidas aatomid on paigutatud, võib see kujutada kahte erinevat ühendit dimetüüleeter CH₃ -O-CH₃ või etanool CH₃ CH₂ -O-H. Dimetüüleeter ja etanool on funktsionaalsed isomeerid. Esimene on eeter. Süsinikahela-hapnik-süsinikahela funktsionaalsust nimetatakse eetriks. Teine on alkohol. Süsinikahela-hapniku-vesiniku funktsionaalsust nimetatakse alkoholiks.

Kui funktsionaalsed omadused jäävad samaks, kuid nende asukoht muutub, siis ei ole struktuurilised isomeerid funktsionaalsed isomeerid. 1- ja 2-propanool on struktuurilised isomeerid, kuid nad ei ole funktsionaalsed isomeerid. Mõlemad on alkoholid. Funktsionaalne rühm (süsinikuahel-O-H) on mõlemas ühendis olemas, kuid nad ei ole samad.

Kuigi mõned keemikud kasutavad mõisteid struktuuriline isomeer ja funktsionaalne isomeer vaheldumisi, ei ole kõik struktuurilised isomeerid funktsionaalsed isomeerid.

Funktsionaalsed isomeerid tuvastatakse keemias kõige sagedamini infrapunaspektroskoopia abil. Infrapunakiirgus vastab energiatele, mis on seotud peamiselt molekulaarvibratsiooniga. Alkoholi funktsionaalsusel on väga selge vibratsioon, mida nimetatakse OH-venituseks ja mis on tingitud vesiniksidemetest. Kõik vedelad ja tahked alkoholid neelavad infrapunakiirgust teatud lainepikkustel.

Samade funktsionaalsete rühmadega ühendid neelavad kõik infrapunavalguse teatud lainepikkused, sest nende rühmadega seotud vibratsioonid on seotud. Tegelikult jaguneb infrapunaspekter kaheks piirkonnaks. Esimest osa nimetatakse funktsionaalsete rühmade piirkonnaks. Dimetüüleetril ja etanooli infrapunaspektrid oleksid funktsionaalsete rühmade piirkonnas erinevad.

Infrapunaspektri teist osa nimetatakse sõrmejälje piirkonnaks; see on seotud molekuli sümmeetria poolt lubatud liikumistüüpidega, mida mõjutavad sidemete energiad. Sõrmejälje piirkond on konkreetse ühendi jaoks spetsiifilisem. Kuigi 1-propanool ja 2-propanool on funktsionaalsete rühmade piirkonnas sarnase infrapunaspektriga, erinevad nad sõrmejälje piirkonnas.

Lihtsustatult öeldes on funktsionaalsed isomeerid struktuurilised isomeerid, millel on erinevad funktsionaalsed rühmad, nagu alkohol ja eeter.

Isomeeride lugemine

Näiteks isomeeride loendamise kohta on olemas 7 struktuurilist isomeeri molekulaarvalemiga C₃ H₆ O, millest igaühel on erinev sidemete ühenduvus ja mis on ümbritseval temperatuuril õhu käes stabiilne. Veel kaks struktuurilist isomeeri on karbonüülisomeeride enooltautomeerid, kuid need ei ole stabiilsed.

Keemiline ühend	Molekulaarstruktuur	Sulamistemperatuur (°C)	Keemistemperatuur (°C)	Kommentaar
Allylalkohol		-129	97
Tsüklopropaanool			101-102
Propanal		- 81	48	Tautomeeriline koos (E)-1-propenooli ja (Z)-1-propenooliga
Atsetoon		- 94.9	56.53	Tautomeeriline koos 2-propenooliga
Oksetaan		- 97	48
Propüleenoksiid		- 112	34	Saab lahutada kaheks enantiomeeriks
Metüülvinüüleeter		- 122	6