§ Х-19 Стереохімія: геометрична (цис-транс, Z/E) та оптична хіральна ізомерія (R/S) (10–11 клас · Стереохімія)
Порівняння дипольної полярності геометричних цис/транс-ізомерів алкенів і обертання площини поляризації світла хіральними R/S-енантіомерами. Хіральні молекули-енантіомери співвідносяться між собою як ліва і права рука: маючи однакову будову зв’язків, вони обертають площину поляризації світла у протилежні боки.
Теоретичний конспект і фізико-хімічний механізм
Стереоізомерія (просторова ізомерія) вивчає молекули, які мають однаковий якісний і кількісний склад та однакову послідовність хімічних зв’язків, але відрізняються просторовим розташуванням атомів. Виділяють два фундаментальні класи стереоізомерів: геометричні (цис-транс або Z/E) діастереомери та оптичні ізомери (енантіомери).
Геометрична ізомерія виникає в алкенах (наприклад, 1,2-дихлороетені CHCl=CHCl) через наявність жорсткого π-зв’язку, який має високий енергетичний бар’єр обертання (≈ 268 кДж/моль). У цис-ізомері (Z) обидва атоми Хлору розташовані по один бік подвійного зв’язку, тому дипольні моменти зв’язків μ_C–Cl додаються (μ_сум = 1.90 Д, полярна молекула з вищою температурою кипіння). У транс-ізомері (E) атоми Хлору спрямовані в протилежні боки і їхні диполі повністю компенсуються (μ_сум = 0 Д, неполярна молекула).
Оптична ізомерія (хіральність) виникає тоді, коли молекула містить асиметричний sp³-гібридизований атом Карбону **C^* (хіральний центр)**, зв’язаний із чотирма різними замісниками (наприклад, молочна кислота CH₃–C^*H(OH)–COOH). Два просторові ізомери, (R)- та (S)-енантіомери, відносяться один до одного як предмет і його несумісне дзеркальне відображення (як ліва і права рука). Вони мають однакові скалярні фізичні властивості, але обертають площину поляризованого світла в поляриметрі на рівні за модулем і протилежні за знаком кути за законом Біо: α = [α]_D²⁰· l· c.
Приклад із життя
Ваші ліва і права долоні складаються з однакових пальців, але ви не можете одягнути ліву рукавичку на праву руку! Так само оптичні (R)- і (S)-енантіомери навколо хірального атома C^* є дзеркальними близнюками і повертають площину поляризованого світла в протилежні боки.
Контрольне запитання та розв’язання
Чому молекула транс-1,2-дихлороетену (E-ізомер) має нульовий сумарний дипольний момент (μ = 0 Д), а оптичні (R)- та (S)-енантіомери повертають площину поляризованого світла в протилежні боки?
- А: У транс-ізомері два полярні зв’язки C–Cl спрямовані антипаралельно і взаємно компенсуються; (R)- та (S)-енантіомери містять асиметричний sp³-атом Карбону C^* із 4 різними замісниками й утворюють несумісні дзеркальні відображення
- Б: У транс-ізомері відсутні ковалентні зв’язки, а (R)- та (S)-енантіомери мають різну молярну масу
- В: Цис- і транс-ізомери вільно переходять один в одний за кімнатної температури без розриву π-зв’язку
Підказка: У транс-ізомері (E) диполі зв’язків спрямовані протилежно і компенсуються (μ = 0), а хіральні (R)- і (S)-енантіомери з 4 різними замісниками біля C^* є несумісними дзеркальними відображеннями.
Доведення: Жорсткий подвійний зв’язок C=C (σ + π, бар’єр обертання 268 кДж/моль) фіксує замісники: у цис-ізомері (Z) диполі зв’язків C–Cl додаються (μ = 1.90 Д), а в транс-ізомері (E), спрямовані протилежно і взаємно компенсуються (μ = 0 Д). Оптична ізомерія (хіральність) виникає за наявності тетраедричного атома C^* із чотирма різними групами: дзеркальні (R)- та (S)-енантіомери обертають площину поляризації на кути +α та -α.
Основні формули та параметри 3D-симуляції
α = [α]_D²⁰· l· c, μ_цис = 1.90 Д, μ_транс = 0 Д
- Стереоізомер (1=цис-Z, 2=транс-E, 3=R-енантіомер, 4=S-енантіомер): 1 … 4 (стандарт: 1)
- Концентрація розчину в поляриметрі c: 0.1 … 1 г/мл (стандарт: 0.5 г/мл)
- Довжина кювети поляриметра l: 0.5 … 3 дм (стандарт: 2 дм)
- Швидкість оглядового обертання 3D-моделей ω: 0 … 2 рад/с (стандарт: 0.8 рад/с)