О чём этот урок

Органических веществ — десятки миллионов, и запомнить каждое по отдельности невозможно. К счастью, химикам не нужно это делать: большинство веществ укладывается в две простые логические схемы сравнения. Одни вещества похожи друг на друга, потому что отличаются всего на один и тот же «кирпичик» — это гомологи. Другие вещества вообще совпадают по составу, но устроены по-разному — это изомеры. Освоив эти два понятия, вы получите инструмент, который будет работать на протяжении всего курса: от алканов до белков.

Прежде чем начать

Для этого урока понадобится то, что вы уже разобрали раньше:

• структурная формула и молекулярная формула — разные способы записи одного и того же вещества (урок 2);
• гибридизация sp³/sp²/sp и разница между σ- и π-связями (урок 3);
• понятие функциональной группы и общий принцип «скелет + функциональная группа» (урок 4);
• номенклатурные корни мет-, эт-, проп-, бут- и так далее (урок 5).

Разбираемся с нуля

Гомологи и гомологический ряд

Возьмём три вещества: $CH_4$, $C_2H_6$, $C_3H_8$. Все три принадлежат к одному и тому же классу (предельные углеводороды), у всех одинаковый тип связей, и каждое следующее отличается от предыдущего ровно на одну группу $-CH_2-$.

Гомологи — вещества одного класса, сходные по строению, которые отличаются друг от друга на одну или несколько групп $-CH_2-$. Саму группу $-CH_2-$ называют гомологической разностью.

Гомологический ряд — это вся последовательность гомологов, выстроенная по возрастанию числа атомов углерода. Для каждого ряда можно вывести общую формулу, которая описывает состав любого его члена. Например, для ряда предельных углеводородов общая формула — $C_nH_{2n+2}$, где $n$ — число атомов углерода (её происхождение и все свойства этого класса подробно разберём уже в следующем уроке).

Вот как выглядят общие формулы для нескольких рядов, с которыми вы познакомитесь дальше в курсе — просто чтобы увидеть сам принцип:

Класс	Общая формула	Первые члены ряда
Предельные углеводороды	$C_nH_{2n+2}$	$CH_4$, $C_2H_6$, $C_3H_8$
Углеводороды с одной двойной связью	$C_nH_{2n}$	$C_2H_4$, $C_3H_6$, $C_4H_8$
Предельные одноатомные спирты	$C_nH_{2n+1}OH$	$CH_3OH$, $C_2H_5OH$, $C_3H_7OH$
Предельные одноосновные кислоты	$C_nH_{2n+1}COOH$	$HCOOH$, $CH_3COOH$, $C_2H_5COOH$

Важно: гомологи обязательно принадлежат к одному классу. У них похожая функциональная группа, поэтому и химические свойства похожи, а вот физические свойства меняются постепенно — с ростом цепи растёт температура кипения, плавления, плотность. Эту закономерность мы подробно разберём на конкретном примере уже в уроке 7.

Что такое изомерия

Теперь возьмём другую пару: два вещества с одной и той же молекулярной формулой $C_4H_{10}$, но с разным порядком соединения атомов. Это уже не гомологи (состав-то одинаковый!) — это изомеры.

Изомеры — вещества с одинаковым качественным и количественным составом (одинаковой молекулярной формулой), но разным строением молекулы. Из-за разного строения у изомеров могут отличаться и физические, и химические свойства.

Легко перепутать гомологи с изомерами, поэтому зафиксируем разницу:

	Молекулярная формула	Строение
Гомологи	Разная (отличаются на $CH_2$)	Похожее
Изомеры	Одинаковая	Разное

Изомерию делят на два больших типа: структурную (атомы соединены в разном порядке) и пространственную (порядок связей один и тот же, но атомы по-разному расположены в пространстве).

Структурная изомерия

Изомерия углеродного скелета

Простейший случай: атомы углерода можно соединить в неразветвлённую цепь или собрать с разветвлением. Для состава $C_5H_{12}$ существует три таких варианта скелета — неразветвлённая цепь из пяти атомов, цепь с одним боковым метильным ответвлением и цепь с двумя ответвлениями у одного атома. Все три — изомеры: формула одна, скелет разный.

Изомерия положения

Здесь скелет остаётся одним и тем же, а меняется место кратной связи или функциональной группы на этом скелете. Например, для состава $C_4H_8$ двойная связь может находиться между первым и вторым атомом цепи, а может — между вторым и третьим: получаются два разных вещества с одной формулой. Точно так же для спирта состава $C_3H_8O$ группа $-OH$ может стоять у крайнего атома цепи или у среднего.

Межклассовая изомерия

Самый неожиданный случай: одинаковая молекулярная формула бывает у веществ разных классов. Вы уже встречали пример в уроке 2 — состав $C_2H_6O$ описывает сразу два вещества: этанол (спирт, содержит группу $-OH$) и диметиловый эфир (простой эфир, атом кислорода находится между двумя углеродными фрагментами). У них общая формула совпадает, а свойства — совершенно разные, вплоть до того, что при комнатной температуре одно вещество жидкое, а другое газообразное.

Важно: межклассовая изомерия — не редкое исключение, а частое явление. В дальнейших уроках вы не раз встретите пары классов с одинаковой общей формулой — например, уже в уроке 8 окажется, что формула $C_nH_{2n}$ описывает сразу два класса веществ.

Пространственная изомерия (первое знакомство)

Структурная изомерия — это разный порядок связей. Но бывает и так, что порядок связей совпадает полностью, а различие — только в расположении атомов в пространстве. Это пространственная (или стереоизомерия). Пока познакомимся с ней на уровне идеи — подробно с примерами вернёмся к ней в уроках про конкретные классы.

Цис-транс-изомерия

Вокруг одинарной связи $C-C$ атомы могут свободно вращаться, поэтому там пространственных изомеров не возникает. А вот вокруг двойной связи (или в жёстком цикле) свободное вращение невозможно — атомы фиксированы в определённом положении. Если у каждого из двух атомов при двойной связи (или в цикле) есть два разных заместителя, возникают два разных пространственных изомера — цис- и транс-.

Условие легко проверить на примере: у вещества $CH_3-CH=CH-CH_3$ у каждого из двух атомов при двойной связи заместители разные (атом водорода и метильная группа) — значит, возможны два варианта: с одинаковыми группами по одну сторону от двойной связи (цис-) и по разные стороны (транс-). А вот если хотя бы у одного из атомов при двойной связи оба заместителя одинаковы (например, два атома водорода), цис-транс-изомерия невозможна — переставлять просто нечего. Мы вернёмся к этому условию подробно в уроке 8, когда будем разбирать алкены.

Оптическая изомерия

Ещё один вид пространственной изомерии возникает, если в молекуле есть атом углерода, связанный с четырьмя разными заместителями — такой атом называют асимметрическим. Молекула с асимметрическим атомом может существовать в виде двух форм, которые относятся друг к другу как предмет и его отражение в зеркале — их нельзя совместить наложением, как нельзя совместить левую и правую руку. Такие изомеры называют оптическими. Явление станет практически важным позже, когда мы дойдём до аминокислот и углеводов (уроки 18 и 20) — там асимметрические атомы встречаются почти всегда.

Примеры и разбор

Пример 1. Гомологи или нет?

Задача: Даны пары веществ. Определите, являются ли они гомологами: (а) $CH_4$ и $C_3H_8$; (б) $C_2H_6$ и $C_2H_4$; (в) $C_3H_8$ и $C_4H_8$.

Разбор:

• (а) Оба вещества — предельные углеводороды (общая формула $C_nH_{2n+2}$), формулы отличаются на $2\times CH_2$ — это гомологи.
• (б) $C_2H_6$ — предельный углеводород, $C_2H_4$ — углеводород с двойной связью. Классы разные, значит, гомологами они быть не могут, даже несмотря на близкие формулы.
• (в) $C_3H_8$ — предельный углеводород ($C_nH_{2n+2}$ при $n=3$), а $C_4H_8$ соответствует уже формуле $C_nH_{2n}$ — то есть это вещество другого класса. Не гомологи.

Вывод: для гомологов важны сразу два условия — принадлежность к одному классу и разница ровно на $CH_2$ (или несколько таких групп). Одного совпадения общей формулы недостаточно.

Пример 2. Изомеры для состава $C_4H_{10}O$

Задача: Формуле $C_4H_{10}O$ соответствует несколько изомеров. Укажите, какие типы структурной изомерии среди них встречаются.

Разбор: Этой формуле отвечают, в частности, бутанол-1 (группа $-OH$ у крайнего атома неразветвлённой цепи), бутанол-2 (та же цепь, но группа $-OH$ у второго атома — изомерия положения), 2-метилпропанол-1 (разветвлённый скелет — изомерия скелета) и метил-пропиловый эфир (атом кислорода не в группе $-OH$, а между двумя углеродными фрагментами — межклассовая изомерия, класс простых эфиров вместо спиртов).

Вывод: для одной и той же молекулярной формулы разные изомеры могут отличаться сразу по нескольким основаниям — скелетом, положением группы и даже принадлежностью к разным классам.

Пример 3. Возможна ли цис-транс-изомерия?

Задача: Проверьте, возможна ли цис-транс-изомерия для веществ $CH_3-CH=CH-CH_3$ и $CH_2=CH-CH_3$.

Разбор: Для первого вещества у каждого атома при двойной связи по два разных заместителя ($H$ и $CH_3$) — условие выполнено, цис-транс-изомерия возможна. Для второго вещества у одного из атомов при двойной связи — сразу два атома водорода (заместители одинаковые) — условие не выполнено, изомерия невозможна.

Вывод: прежде чем искать цис- и транс-форму, всегда проверяйте заместители у обоих атомов двойной связи по отдельности — достаточно, чтобы хотя бы у одного из них заместители совпали, и пространственная изомерия этого типа исчезает.

Проверьте себя

1. Чем гомологи принципиально отличаются от изомеров — сравните по двум признакам: молекулярная формула и строение.
2. Что такое гомологическая разность? Назовите её формулу.
3. Приведите свою пару веществ, которая иллюстрирует межклассовую изомерию (можно опираться на класс, который мы обсуждали в этом уроке).
4. Почему у бутена-1 ($CH_2=CH-CH_2-CH_3$) не бывает цис-транс-изомеров, а у бутена-2 — бывает?
5. Что нужно найти в молекуле, чтобы утверждать, что для неё возможна оптическая изомерия?
6. Является ли изомерия скелета частным случаем структурной или пространственной изомерии?
7. Почему при одинаковой общей формуле класса ($C_nH_{2n+2}$, например) конкретные вещества всё равно могут не быть гомологами друг другу?

Коротко о главном

• Гомологи — вещества одного класса, отличающиеся на одну или несколько групп $-CH_2-$; у них похожие химические свойства и закономерно меняющиеся физические.
• Гомологический ряд описывается общей формулой (например, $C_nH_{2n+2}$ для предельных углеводородов).
• Изомеры — вещества с одинаковой молекулярной формулой, но разным строением.
• Структурная изомерия бывает трёх видов: скелета (разветвление цепи), положения (кратной связи или функциональной группы) и межклассовая (разные классы при одинаковой формуле).
• Пространственная изомерия требует одинакового порядка связей и делится на цис-транс (нужна двойная связь или цикл + два разных заместителя у каждого из двух атомов) и оптическую (нужен асимметрический атом углерода с четырьмя разными заместителями).
• Умение отличать гомологи от изомеров — база для всех следующих уроков курса, где мы будем разбирать конкретные классы веществ.

Куда дальше

Мы разобрали общий инструмент сравнения веществ — пора применить его к первому конкретному классу. Начнём с самых простых органических соединений — предельных углеводородов, для которых мы уже вывели общую формулу $C_nH_{2n+2}$.

➡ Урок 7: Алканы и циклоалканы: предельные углеводороды