Isomeri i kemi: strukturisomeri, cis-trans og spejlbilleder med eksempler

Dit niveau

Hvad står der i læreplanen på dit niveau?

Siden gælder stx og kemi B på htx. E og Z og R og S står ikke i stx-vejledningen til kemi. De er med her, fordi bioteknologi A bruger E og Z, og fordi IUPAC, der fastsætter kemiens navne, stort set har erstattet cis og trans med E og Z for alkener. Siger din lærer noget andet om netop dit hold, så følg din lærer.

Definitionen

Hvad er isomeri?

Isomerer er stoffer med samme molekylformel og hver sin struktur. Molekylerne har altså præcis de samme atomer, og alligevel er det to forskellige stoffer med hvert sit kogepunkt, sin duft eller sin virkning i kroppen.

Ordet er dannet af græsk iso-, samme, og meros, del. Den svenske kemiker J.J. Berzelius fandt på det i 1830, efter at Friedrich Wöhler og Justus von Liebig havde opdaget, at to sølvsalte med helt forskellige egenskaber havde præcis samme sammensætning.

Der er to hovedgrupper. Ved strukturisomeri er atomerne bundet i forskellig rækkefølge: et atom har andre naboer i det ene stof end i det andet. Ved stereoisomeri har hvert atom de samme naboer, men atomerne sidder forskelligt i rummet.

Pas på tegningen. Vender du en strukturformel om, spejler den på papiret eller tegner kæden fra den anden ende, er det stadig samme stof. Tæl i stedet, hvad hvert atom er bundet til. Propan-1-ol tegnet fra højre mod venstre er stadig propan-1-ol.

Struktur

Strukturisomeri: samme atomer i ny rækkefølge

Ved strukturisomeri har mindst ét atom andre naboer. Det ændrer formen på molekylet og dermed, hvor godt molekylerne kan holde fast i hinanden. Derfor er kogepunktet et godt sted at se forskellen. Der er tre typer.

Der findes præcis fem stoffer med formlen C₆H₁₄, og de har hvert sit carbonskelet: hexan, CH₃(CH₂)₄CH₃, er en lige kæde, og de fire andre har en eller to grene. Det er kædeisomeri. Tabellen viser mønstret: hexan uden grene koger højest, og de to med to grene koger lavest. Et forgrenet molekyle er mere kompakt, så der er mindre flade, hvor to molekyler kan ligge op ad hinanden, og de svage bindinger mellem molekylerne bliver færre. For alkanerne vokser antallet hurtigt: C₁₀H₂₂ har 75 isomerer.

Kogepunkterne er fra PubChem og rundet til hele grader.

Stillingsisomeri: OH-gruppen flytter

Propan-1-ol, CH₃CH₂CH₂OH, har OH-gruppen på det yderste C-atom. Propan-2-ol, CH₃CH(OH)CH₃, har den på det midterste. Skelettet og den funktionelle gruppe er de samme, kun pladsen er en anden. Propan-1-ol koger ved 97 °C og propan-2-ol ved 82 °C.

Det samme gælder en dobbeltbinding: pent-1-en, CH₂=CHCH₂CH₂CH₃, og pent-2-en, CH₃CH=CHCH₂CH₃, er begge C₅H₁₀ og er stillingsisomere, fordi C=C-bindingen sidder to forskellige steder. Tallet foran endelsen i navnet fortæller dig pladsen.

Funktionsisomeri: C₃H₆O₂

Formlen C₃H₆O₂ kan være en carboxylsyre, propansyre (CH₃CH₂COOH), eller en ester, fx methylethanoat (CH₃COOCH₃) eller ethylmethanoat (HCOOCH₂CH₃). Det er funktionsisomeri, fordi den funktionelle gruppe og dermed stofklassen er forskellig.

Propansyre koger ved 141 °C, methylethanoat ved 57 °C og ethylmethanoat ved 54 °C. Syren har en OH-gruppe og kan danne hydrogenbindinger mellem molekylerne. Estrene har ingen H bundet til O og kan det ikke. De to estere er i øvrigt også isomere med hinanden: esterbindingen sidder forskellige steder i kæden. Se mere om stofklasserne under carboxylsyrer og estere.

Stereo: låst i rummet

Cis-trans-isomeri: låst omkring en dobbeltbinding eller en ring

Ved stereoisomeri har hvert atom samme naboer, men atomerne sidder forskelligt i rummet. Den første af de to former, kemi B og A kræver, er cis-trans-isomeri, som også kaldes geometrisk isomeri.

Om en enkeltbinding kan molekylet dreje frit. Om en C=C-binding kan det ikke, for så skulle den ene af de to bindinger brydes. Derfor bliver grupperne siddende på hver deres side. Cis betyder samme side, trans hver sin side. En ring låser på samme måde: i cis-1,2-dimethylcyclopentan sidder de to methylgrupper på samme side af ringens plan, og i trans-formen på hver sin side.

Betingelsen: hvert af de to C-atomer i dobbeltbindingen skal bære to forskellige grupper. 2-methylpropen, CH₂=C(CH₃)₂, har to H på det ene C-atom og to CH₃ på det andet. Bytter du om, får du samme molekyle, så der er ingen cis-trans-form.

De to syrer har samme molekylformel, C₄H₄O₄, og samme naboer for hvert atom. Alligevel er smeltepunkterne omkring 150 grader fra hinanden. Ved opvarmning kan maleinsyre omdannes til fumarsyre, og det forsøg findes som rapport i vores opgavebibliotek: omlejring af Z- og E-butendisyre og cis- og trans-butendisyre.

Udvidelse: E og Z

E og Z: når cis og trans ikke er nok

Cis og trans fungerer, når to ens grupper kan sammenlignes. Bærer dobbeltbindingen tre eller fire forskellige grupper, bliver ordene tvetydige. Derfor bruger IUPAC E og Z, og bioteknologi A skal kunne begge systemer.

Reglen: Se på hvert C-atom i dobbeltbindingen for sig, og find den af dets to grupper, der har højest prioritet. Prioriteten går efter atomnummeret på det atom, der sidder direkte på C-atomet: Cl (17) slår O (8), O slår C (6), og C slår H (1). Sidder de to vindere på samme side, er formen Z (af tysk zusammen, sammen). Sidder de på hver sin side, er den E (entgegen, modsat). Systemet hedder CIP efter kemikerne Cahn, Ingold og Prelog.

Uafgjort? Er de første atomer ens, går du et led videre ud i hver gruppe og sammenligner, hvad det første atom selv er bundet til. Isopropyl, CH(CH₃)₂, slår ethyl, CH₂CH₃: begge starter med C, men isopropyls C bærer to C-atomer og ét H, mens ethyls bærer ét C-atom og to H. En dobbeltbinding til O tæller, som om O sad der to gange.

Stereo: spejlbilleder

Spejlbilledisomeri: det chirale C-atom

Et C-atom med fire forskellige atomer eller grupper som naboer kaldes chiralt eller asymmetrisk. Et molekyle med et sådant C-atom kan ikke lægges oven i sit eget spejlbillede, ligesom din venstre hånd ikke passer i en højrehandske. De to former kaldes enantiomerer, og fænomenet hedder spejlbilledisomeri. Ordet chiral kommer af græsk for hånd.

Tjek med propan-2-ol og butan-2-ol. Propan-2-ol, CH₃CH(OH)CH₃, har på det midterste C-atom H, OH og to CH₃. To af grupperne er ens, så det C-atom er ikke chiralt. Butan-2-ol, CH₃CH(OH)CH₂CH₃, har på samme plads H, OH, CH₃ og CH₂CH₃: fire forskellige grupper. Derfor findes butan-2-ol i to spejlbilledformer, og propan-2-ol gør ikke.

Sådan tegnes det. Det chirale C-atom markeres ofte med en stjerne. For at vise rummet tegnes to bindinger som almindelige streger i papirets plan, én som en udfyldt kile, der peger ud mod dig, og én som en stiplet kile, der peger væk fra dig.

Hvad er ens, og hvad er forskelligt? To enantiomerer koger og smelter ved samme temperatur, og de opløses lige godt i vand og andre opløsningsmidler, der ikke selv er chirale. Forskellen viser sig først, når de møder noget chiralt: receptorerne i næsen, enzymerne i kroppen eller planpolariseret lys, som de drejer lige meget, men hver sin vej.

Begge former er C₁₀H₁₄O med samme kogepunkt, så en destillation kan ikke skille dem ad. Din næse kan, fordi duftreceptorerne selv er chirale.

Antallet af stereoisomerer

Hvert chiralt C-atom kan have to opbygninger. Med n chirale C-atomer er der derfor højst 2ⁿ stereoisomerer (sig: to i n’te). Ordet højst er vigtigt. Vinsyre, HOOCCH(OH)CH(OH)COOH, har to chirale C-atomer og kunne derfor have fire former, men den har kun tre: en højredrejende, en venstredrejende og en mesoform, der er sit eget spejlbillede, fordi molekylets to halvdele spejler hinanden. Louis Pasteurs arbejde med vinsyre i 1848 lagde grunden til stereokemien.

Målingen

Optisk aktivitet: polarimeteret og fortegnet

Almindeligt lys svinger i alle retninger på tværs af strålen. Efter et polarisationsfilter svinger det kun i ét plan, og så kaldes det planpolariseret. I et polarimeter sendes det gennem et rør med en opløsning af stoffet, og et filter mere på den anden side, analysatoren, drejes, til man finder lysets nye plan. Vinklen er drejningen.

Drejer stoffet planet med uret, set mod lyskilden, kaldes det højredrejende og får fortegnet (+). Mod uret er venstredrejende og får (−). Et stof, der drejer lyset, kaldes optisk aktivt. En blanding af lige meget af de to enantiomerer hedder et racemat og drejer slet ikke, fordi de to drejninger ophæver hinanden.

Fortegnet følger ikke R og S. Fortegnet er noget, du måler. R og S er en regel om, hvordan grupperne sidder i rummet. (R)-carvon drejer mod venstre, men (R)-thalidomid drejer mod højre. Drejningen afhænger også af opløsningsmiddel og temperatur: L-alanin har en specifik drejning på +2,4° i vand og +13,7° i saltsyre.

Udvidelse: R og S

R og S, D og L: at navngive et spejlbillede

R og S fortæller, hvordan de fire grupper sidder om et chiralt C-atom. Det er det samme CIP-system som ved E og Z: prioritet efter atomnummer, og ved uafgjort et led videre.

Eksempel: mælkesyre, CH₃CH(OH)COOH. Det midterste C-atom bærer OH, COOH, CH₃ og H. OH får 1, fordi O har atomnummer 8. COOH og CH₃ starter begge med C, så du går et led videre: COOH har tre O-bindinger (den dobbelte tæller to gange), CH₃ har tre H. COOH får 2, CH₃ får 3 og H får 4. Den mælkesyre, musklerne danner, er L-mælkesyre, og den er (S)-formen og drejer lyset mod højre.

D og L er et ældre system. Det bygger på en Fischerprojektion: hovedkæden tegnes lodret med C-atom nummer 1 øverst, de lodrette bindinger peger væk fra dig, og de vandrette peger ud mod dig. D og L bruges stadig om sukkerarter og aminosyrer, og naturen bruger næsten kun D-sukkerarter og L-aminosyrer. Men D og L kan ikke oversættes direkte til R og S: L-alanin er (S), mens L-cystein er (R), fordi svovlatomet i cystein ændrer prioriteterne.

Metode

Sådan finder du alle isomerer af en molekylformel

Opgaven “tegn alle isomerer af …” går galt på to måder: du glemmer en, eller du tegner den samme to gange. En fast rækkefølge løser begge dele.

C₄H₁₀O har 10 H ligesom butan, så der er ingen dobbeltbinding og ingen ring. Det giver fire alkoholer og tre ethere, i alt syv strukturisomerer. Butan-2-ol findes i to spejlbilledformer, så tæller du stereoisomererne med, er der otte forskellige stoffer. Alle kogepunkter er fra PubChem og rundet til hele grader. Diethylether koger langt lavere end alkoholerne, fordi den ikke har en OH-gruppe og ikke kan danne hydrogenbindinger mellem molekylerne.

Eksamen

Isomeri til prøverne

Ved den mundtlige prøve i kemi B på stx trækker du en opgave med teori, et forsøg fra undervisningen og mindst ét bilag. Du har ca. 30 minutters forberedelse og ca. 30 minutters eksamination, og forsøget og bilaget skal med i samtalen. Isomeri kan være opgavens teori, fx hvis I har bestemt smeltepunkter for butendisyrerne eller målt drejningen af en sukkeropløsning i et polarimeter.

De skriftlige prøver i kemi A og bioteknologi A varer fem timer og stilles inden for kernestoffet, og struktur- og stereoisomeri er en del af det. Øv dig i de tre greb, siden bygger på: afgør cis eller trans og E eller Z, find de chirale C-atomer i et større molekyle, og regn det højeste antal stereoisomerer med 2ⁿ.

Se alle prøveformerne under eksamen i kemi og eksamen i bioteknologi.

Øv dig

Opgaver med facit

Regn opgaverne på papir, før du åbner facit. Brug beslutningstræet og navnene.

Se forskellen

Rigtigt og forkert