Izoméria

Slovo izoméria zaviedol v roku 1830 švédsky chemik Jöns Jacob Berzelius z gréckych slov isos, rovnaký, a meros, časť. Chemici vtedy zistili, že výbušný fulminát strieborný, ktorý skúmal Justus von Liebig, a kyanatan strieborný, ktorý pripravil Friedrich Wöhler, majú rovnaké zloženie, hoci sa správajú úplne inak.

Teplotu varu alkánov určujú slabé disperzné (Londonove) sily medzi molekulami. Sú tým silnejšie, čím väčšou plochou sa molekuly dotýkajú. Nerozvetvený reťazec sa k susedným molekulám priloží po celej dĺžke, rozvetvená molekula je guľovitejšia a dotýka sa ich menej. Spomedzi izomérov alkánu preto vrie najnižšie ten najrozvetvenejší.

Tvar reťazca rozhoduje aj v motore. Nerozvetvený heptán sa vo valci zapaľuje predčasne a motor klepe, preto má oktánové číslo 0. Silno rozvetvený izooktán, 2,2,4-trimetylpentán, horí rovnomerne a má oktánové číslo 100. Rozvetvené alkány sú lepšie palivo ako nerozvetvené, a preto sa v rafinériách nerozvetvené alkány cielene menia na rozvetvené izoméry.

Voľná otáčavosť okolo jednoduchej väzby σ znamená, že molekula butánu pri izbovej teplote prechádza mnohými tvarmi, ktorým hovoríme konformácie. Menia sa jedna na druhú obrovskou rýchlosťou a nedajú sa od seba oddeliť, preto to nie sú izoméry. Ako vieš z predošlej lekcie, vystretý reťazec v skutočnosti tvorí cikcak s uhlami asi 109,5°. Kresba na papieri je len zjednodušená mapa spojení.

Pri dlhších reťazcoch pomáha roztriediť atómy uhlíka podľa počtu susedných uhlíkov:

Bután má dva primárne a dva sekundárne uhlíky, izobután tri primárne a jeden terciárny. Ak sa dve kresby v týchto počtoch líšia, sú to určite rôzne izoméry. Rovnaké počty však ešte nestačia. 2-metylhexán CH₃−CH(CH₃)−CH₂−CH₂−CH₂−CH₃ a 3-metylhexán CH₃−CH₂−CH(CH₃)−CH₂−CH₂−CH₃ majú oba tri primárne, tri sekundárne a jeden terciárny uhlík, a predsa sa líšia polohou vetvy. Vtedy rozhodne poloha vetiev na najdlhšom reťazci, počítaná od bližšieho konca. Zápis CH₃−CH₂−CH₂−CH₂−CH(CH₃)−CH₃ preto nie je nový izomér, je to 2-metylhexán zapísaný odzadu.

Najspoľahlivejšiu skúšku dá systematický názov. Každý izomér má jediný správny názov a dve kresby s rovnakým názvom sú tá istá molekula. Pravidlá názvoslovia prídu v jednej z ďalších lekcií tejto kapitoly.

Okrem C₄H₁₀ a C₅H₁₂ hľadáš aj päť izomérov C₆H₁₄ a štyri alkény so vzorcom C₄H₈. Atómy uhlíka ukladáš ťuknutím na mriežku, reťazec predĺžiš ťuknutím na uhlík a potom na susedný bod a ťuknutím na väzbu z nej urobíš dvojitú. Molekulu pridáš tlačidlom Pridať izomér. Stavebnica overí vzorec, odhalí izomér, ktorý už máš inak nakreslený, a v zozname ukáže nájdené izoméry s názvami a obrázkami aj počet tých, ktoré ešte chýbajú. Pri C₆H₁₄ postupuj systematicky: najprv najdlhší reťazec so šiestimi uhlíkmi, potom s piatimi a jednou vetvou, nakoniec so štyrmi a dvoma vetvami. Medzi alkénmi sú aj cis-but-2-én a trans-but-2-én. Krajné uhlíky nakresli nad alebo pod dvojitú väzbu, aby bolo vidieť, či sú na rovnakej strane (cis), alebo na opačných stranách (trans). Prečo sú to dve rôzne látky, vysvetľuje posledná časť lekcie.

Čísla v tabuľke rátajú len izoméry s rôzne pospájanými atómami. Keby sa rátali aj priestorové izoméry, o ktorých je posledná časť lekcie, boli by ešte väčšie. Jednoduchý vzorec, ktorým by sa počet izomérov dal vypočítať z počtu uhlíkov, neexistuje. Izoméry alkánov ako prvý systematicky počítal v roku 1875 anglický matematik Arthur Cayley. Molekulu znázornil ako strom, v ktorom sú atómy uhlíka uzly a väzby vetvy, a počítal, koľko rôznych stromov sa dá zostaviť. Všeobecnú metódu na takéto počítanie vypracoval v roku 1937 maďarský matematik George Pólya.

Konštitučná izoméria. Konštitúcia molekuly je poradie, v akom sú atómy navzájom spojené. Konštitučné izoméry sa líšia práve ním a rozlišujeme tri druhy:

• Reťazová izoméria: izoméry majú rôznu uhlíkovú kostru. Patria sem bután a 2-metylpropán aj tri izoméry C₅H₁₂: pentán CH₃−CH₂−CH₂−CH₂−CH₃, 2-metylbután CH₃−CH(CH₃)−CH₂−CH₃ a 2,2-dimetylpropán C(CH₃)₄. Ich teploty varu sú 36 °C, 28 °C a asi 10 °C, s pribúdajúcimi vetvami klesajú.
• Polohová izoméria: kostra je rovnaká, líši sa poloha dvojitej väzby alebo skupiny. But-1-én CH₂=CH−CH₂−CH₃ má dvojitú väzbu na začiatku reťazca, but-2-én CH₃−CH=CH−CH₃ uprostred. Podobne 1-chlórpropán CH₃−CH₂−CH₂Cl a 2-chlórpropán CH₃−CHCl−CH₃ sa líšia miestom, kde je naviazaný atóm chlóru.
• Skupinová izoméria: atómy sú pospájané tak odlišne, že izoméry patria do rôznych skupín zlúčenín. Vzorec C₂H₆O má alkohol etanol CH₃−CH₂−OH, kvapalina, ktorá vrie pri 78 °C, aj éter dimetyléter CH₃−O−CH₃, plyn, ktorý vrie pri −24 °C. Alkoholy a étery prídu na rad neskôr, keď k uhlíku a vodíku pribudnú ďalšie prvky.

Stereoizoméria. Stereoizoméry majú atómy pospájané v rovnakom poradí, líšia sa len ich usporiadaním v priestore.

Geometrická izoméria, cis a trans, sa týka hlavne molekúl s dvojitou väzbou. Dvojitú väzbu tvorí väzba σ a väzba π. Väzba π vzniká prekryvom orbitálov p nad a pod rovinou molekuly a pri otočení by sa roztrhla. Okolo dvojitej väzby sa preto časti molekuly nemôžu voľne otáčať, ako je to pri jednoduchej väzbe. Viac o väzbách σ a π nájdeš v lekcii Hybridizácia orbitálov.

But-2-én CH₃−CH=CH−CH₃ preto existuje v dvoch formách. V cis-but-2-éne sú obe skupiny CH₃ na rovnakej strane dvojitej väzby, v trans-but-2-éne na opačných stranách. Sú to dve rôzne látky: cis-but-2-én vrie pri asi 4 °C, trans-but-2-én pri asi 1 °C. Molekula cis je mierne polárna, kým v molekule trans sa polarity väzieb navzájom vyrušia, a molekuly cis sa preto priťahujú o niečo silnejšie.

Formy cis a trans existujú len vtedy, keď každý z dvoch uhlíkov dvojitej väzby nesie dve rôzne skupiny. But-1-én CH₂=CH−CH₂−CH₃ ich nemá, lebo jeho prvý uhlík nesie dva atómy vodíka a výmena strán nič nezmení. Nemá ich ani 2-metylpropén CH₂=C(CH₃)−CH₃. Medzi alkénmi so vzorcom C₄H₈ sú preto presne štyri izoméry: but-1-én, cis-but-2-én, trans-but-2-én a 2-metylpropén.

S označením trans sa stretneš aj pri potravinách. Prírodné nenasýtené mastné kyseliny v rastlinných olejoch majú dvojité väzby väčšinou v polohe cis. Trans-mastné kyseliny vznikajú hlavne pri čiastočnom stužovaní olejov a zvyšujú riziko ochorení srdca a ciev.

Optická izoméria je druhý druh stereoizomérie. Niektoré molekuly majú zrkadlový obraz, ktorý sa s nimi nedá prekryť, podobne ako ľavá a pravá ruka. Pravidlo, že zrkadlovo otočená kresba je tá istá molekula, teda platí pre rovinné kresby uhlíkových kostier, aké kreslíš v tejto lekcii, no nie vždy pre skutočné priestorové molekuly. Optickej izomérii sa venujú neskoršie lekcie.