Izomērija

Izomērija ir parādība, ka pastāv vielas, kurām ir vienāda molekulmasa un ķīmiskais sastāvs, bet dažāda struktūra (dažāda atomu un saišu starp tiem kārtība molekulā vai arī dažāds atomu vai to grupu telpiskais izvietojums). Izomērija ir galvenokārt organisku vielu īpašība, taču arī neorganiskās vielas var veidot izomērus.

Struktūrizomērija

Struktūrizomērija ir visplašāk pazīstamais izomērijas veids. Tas ir iespējams molekulās, kur atomi var sakārtoties vairāk nekā vienā veidā. Piemēri: n-pentāns (CH₃CH₂CH₂CH₂CH₃), 2-metilbutāns (CH₃CH(CH₃)CH₂CH₃), 2,2-dimetilpropāns (C(CH₃)₄) vai arī o-ksilols, m-ksilols un p-ksilols.

cis - trans izomērija

2-amino-propānkarbonskābe

Šis izomērijas veids iespējams molekulās, kur ir vismaz viena dubultsaite un abos tās galos ir kādi aizvietotāji. Ja aizvietotāji ir vienā pusē, tad to sauc par cis jeb Z (no vācu valodas Zusammen jeb kopā) izomēru, ja aizvietotāji ir pretējās pusēs, tad to sauc par trans jeb E (no vācu valodas Entgegen jeb atsevišķi) izomēru. Vienam un tam pašam struktūrizomēram var būt vairāki cis - trans izomēri. Ja molekulā ir vairākas dubultsaites, vienam un tam pašam struktūrizomēram var būt vairāk nekā 2 cis - trans izomēri.

Piemēri: E-butēns-2 un Z-butēns-2. Attēlā aizvietotāji ir aminogrupa un karboksilgrupa.

Stereoizomērija

Stereoizomērija ir iespējama molekulās ar vienādu to veidojošo atomu saistību jeb konektivitāti, taču atšķirīgu aizvietotāju izkārtojumu telpā. Piemēram, savienojumi, kuri satur oglekli ar četriem dažādiem aizvietotājiem, var veidot enantiomērus (viens šāds ogleklis) vai diastereomērus (vairāki šādi oglekļi). Šo atomu sauc par stereogēno centru jeb, vienkārši, stereocentru (dažkārt optiski aktīvo oglekli, asimetrisko oglekļa atomu, hirālo centru. Taču šo terminu lietojums nav rekomendējams, jo ne visi stereocentri veido hirālas molekulas, piem. meso-savienojumi). Enantiomēru jeb spoguļizmēru gadījumā, tīri šo vielu izomēru šķīdumi vai monokristāli griež plaknē polarizētas caurejošās gaismas polarizācijas plakni, tāpēc tos mēdz saukt arī par optiskajiem izomēriem. Abu izomēru maisījumu attiecībās 1:1 sauc par racemātu. Tas nav optiski aktīvs. Te ir iespējams (+) (gaismas polarizācijas plakni griež pulksteņrādītāja virzienā no skatītāja punkta jeb pa labi) un (-) (gaismas polarizācijas plakni griež pretēji pulksteņrādītāja virzienam jeb pa kreisi) izomērs. Lielākajai daļai dzīvajos organismos sintezēto vielu ir viens noteikts optiskais izomērs. Ar vienkāršākajām ķīmiskās sintēzes metodēm parasti tiek iegūts racemāts. Vienam un tam pašam struktūrizomēram var būt vairāki stereoizomēri. Molekula, kura satur vairākus stereogēnos oglekļa atomus, var veidot vairāk nekā 2 optiskos izomērus.

Piemēri:

Glicerīnaldehīds HOCH₂CHOH−CHO.
Lielākā daļa dabisko ogļhidrātu (saharoze, glikoze, fruktoze). Ogļhidrātiem parasti ir daudz stereocentru, tāpēc tiem ir iespējams liels skaits optisko izomēr\u.
Visas olbaltumvielu aminoskābes (izņemot glicīnu).

Stereoizomēru apzīmējumi

Lai spoguļizomērus varētu atšķirt, tos apzīmē ar speciāliem simboliem pirms vielas nosaukuma:

(+)- vai (−)-; raksta arī kā d- vai l-

Apzīmējumi pamatojas uz vielas vai tās šķīduma spēju griezt polarizētu gaismu vienā vai otrā virzienā ((+)- pa labi, (−)- pa kreisi).

D- vai L- (Dekstrorotācija no latīņu valodas Dexter jeb pa labi; Levorotācija no latīņu valodas Laevus jeb pa kreisi)

Apzīmējumi pamatojas uz vielas molekulas ģeometriju, par pamatu ņemot dabā sastopamā (+)-glicerīnaldehīda molekulu, kurai patvaļīgi tika piedēvēta D-konfigurācija (glicerīnaldehīda spoguļizomēram - attiecīgi L-konfigurācija). Šo sistēmu lieto galvenokārt ogļhidrātu un aminoskābju optisko izomēru atšķiršanai, lietojot Fišera formulas. Jāatceras, ka nav tiešas sakarības starp polarizētās gaismas griešanu un molekulas ģeometrisko konfigurāciju (tas atkarīgs no konkrētiem aizvietotājiem molekulā). Gan D/L, gan (+)/(-) apzīmējumi norāda uz molekulas, nevis atsevišķu stereocentru konfigurāciju.

(R)- vai (S)-

Šie apzīmējumi pamatojas uz konkrētu hirālu atomu ģeometriju, bet par pamatu ņemts tā saucamais Kāna-Ingolda-Preloga (Cahn-Ingold-Prelog) likums jeb aizvietotāju secības likums. R un S apzīmējumi ir krietni izplatītāki mūsdienu organiskajā ķīmijā.

Kāna-Ingolda-Preloga likums stereocentra konfigurācijas noteikšanai:

Uzzīmē stereocentru (tetraedriska oglekļa gadījumā) telpiski tā, lai divi aizvietotāji būtu plaknē, viens aizvietotājs virzās prom no plaknes un skatītāja, viens aizvietotājs no plaknes virzienā uz skatītāju.
Pagriez struktūru tā, lai aizvietotājs ar mazāko prioritāti būtu novietots "aiz plaknes". Starp dažādiem aizvietotājiem lielāka prioritāte ir atomam ar lielāku kārtas numuru. Gadījumos, kad viens un tas pats atoms veido vairākas saites ar stereocentru, apskata nākamos atomus un to atommasas (tā, piemēram, etilgrupai C₂H₅- ir augstāka prioritāte kā metilgrupai CH₃-).
Nosaka visu pārējo aizvietotāju prioritātes no lielākās (1.) līdz mazākajai (3.).
Apskata, vai prioritātes aizvietotājiem samazinās pulksteņrādītāja virzienā vai pretēji. Ja pulksteņrādītāja virzienā, tad stereocentra konfigurācija ir R (no latīņu Rectus), ja pretēji pulksteņrādītāja virzienam, tad S (no latīņu Sinister).

Stereoizomēru iedalījums

Enantiomēri - stereoizomēri, kuru attiecīgie spoguļattēli nav savstarpēji savietojami. Piemēram, pilnīgi visi stereocentri (jeb stereogēnie centri) ir ar pretēju konfigurāciju. Enantiomēru fizikālās īpašības ir identiskas ahirālā vidē, izņemot hirooptiskās īpašības, tādas kā plaknē polarizētas gaismas griešana vai cirkulārais dihroisms. Racemāts ir enantiomēru maisījums tieši 1:1 attiecībā.

Diastereomēri - visi stereoizomēri, kuri savstarpēji nav enantiomēri jeb spoguļattēli. Piemēram, savienojumā ar diviem stereocentriem viens centrs ir ar vienādu konfigurāciju, bet otrs ar pretēju. Diastereomēru fizikālās īpašības (piemēram, šķīdība, kušanas punkts) ir atšķirīgas un to sadalīšana (viena attīrīšana no otra), atšķirībā no enantiomēriem, ir iespējama ahirālā vidē.

Mezo savienojumi - molekulas ar vairākiem stereogēniem centriem, kuras satur simetrijas plakni jeb spoguļplakni vai inversijas centru. Šādā gadījumā, piemēram R,S-vīnskābe un S,R-vīnskābe patiesībā nav enantiomēri, bet gan viens un tas pats savienojums.

Rotamēri - stereoizomēri, kuri savā starpā atšķiras tikai ar rotāciju ap vienkāršo saiti. Rotācija ap vienkāršo saiti var būt apgrūtināta stērisko (telpisko) traucējumu paaugstinātas enerģijas barjeras dēļ (skat. atropoizomēri).

Atropoizomēri - rotamēri, kuriem enerģijas barjera rotācijai ap kādu vienkāršo saiti ir tik liela, ka tā nav iespējama normālos apstākļos un molekula eksistē divās atsevišķās formās. Visbiežāk šo terminu attiecina uz biaril- saitēm jeb vienkāršajām saitēm starp diviem aromātiskiem gredzeniem (piemēram, BINAP vai BINOL).

Epimēri - divi stereoizomēri, kuri atšķiras tikai ar viena stereogēnā centra konfigurāciju (stereogēno centru skaits lielāks par 1).

Anomēri - specifisks epimēru gadījums ogļhidrātiem, kuros stereogēnais ogleklis, kuram ir atšķirīga konfigurācija, ir anomērais ogleklis jeb C1.