Определение изомера

Изомеры – это две молекулы с одинаковой молекулярной формулой, но структурно различающиеся. Следовательно, изомеры содержат одинаковое количество атомов для каждого элемента, но расположение атомов отличается. Несмотря на одинаковую молекулярную формулу, физические свойства каждого молекула может отличаться, особенно если функциональные группы, связанные с каждой молекулой, различны. Изомеризация – это процесс, при котором одна молекула превращается в другую молекулу с одинаковыми атомами. Это может происходить спонтанно или может потребоваться реакция для достижения этого эффекта.

Типы изомеров

Существует два основных типа изомеров: структурные изомеры и стереоизомеры (показаны ниже).

Структурные изомеры

Структурные изомеры различаются в отношении специфического присоединения атомов и функциональных групп. Таким образом, в зависимости от конкретных изомеров, они не могут быть отнесены к одной и той же функциональной группе, и они будут иметь разные названия IUPAC. Типы структурных изомеров включают в себя цепные изомеры (например, углеводородные цепи, демонстрирующие различные схемы разветвления); положение изомеров, которые различаются в зависимости от расположения функциональной группы на цепи; функциональные группы изомеров, в которых функциональная группа дополнительно разделена на различные функциональные группы; и скелетные изомеры, которые имеют различные углеродные цепи. Другим типом структурного изомера является таутомер. Таутомеры самопроизвольно преобразуются между двумя структурными изомерами и проявляют различные свойства в зависимости от конкретной изоформы. Иногда конверсия таутомеров может быть настолько быстрой, что выделение обоих невозможно.

стереоизомеры

Стереоизомеры относятся к изомерам, которые имеют одинаковую структуру связи, но различаются в отношении геометрического положения функциональных групп и атомов. Типы стереоизомеров состоят из энантиомеров, диастереомеров и конформационных изомеров. Энантиомеры являются зеркальными изображениями, которые содержат хиральные центры и не являются наложенными. Диастереомеры не являются зеркальными изображениями, которые могут содержать или не содержать хиральные центры. Конформационные изомеры показывают различные вращения вокруг одинарных связей.

Пример изомера

Есть несколько примеров изомеров, описанных следующим образом:

Метоксиэтан и пропанол

Химическая структура C3H8O существует в виде нескольких изомеров пропанола, а также изомера метоксиэтана. Два изомера пропанола состоят из пропан-1-ола и пропан-2-ола (также известного как изопропиловый спирт), которые отличаются размещением атома кислорода либо на концевом атоме углерода, либо на центральном атоме углерода, соответственно. Метоксиэтан также является изомером C3H8O, но представляет собой простой эфир, так как атом кислорода находится в центре молекулы, а не связан с одним атомом углерода.

Метилацетилен и аллен

Метилацетилен и аллен являются примером изомеров C3H4, которые различаются в зависимости от типа связи, проявляемой молекулами. Метилацетилен имеет одну тройную связь и одну одинарную связь между атомами углерода, а аллен имеет две двойные связи между атомами углерода.

Фульминат и цианат

Фульминат и цианат являются примером изомеров CNO. Фульминат демонстрирует расположение, в котором N связан как с атомами С, так и с О, тогда как в цианате и О, и N связаны с центральным атомом С.

Глюкоза и фруктоза

Глюкоза и фруктоза являются примером изомеров C6H12O6, которые различаются в зависимости от положения атома кислорода с двойной связью. В глюкозе О расположен на первом С, тогда как он расположен на втором С во фруктозе (структуры каждого показаны ниже).

Фармацевтические примеры

Изомеры чрезвычайно важны при разработке фармацевтических препаратов, поскольку обычно только один изомер конкретной молекулы будет оказывать желаемый эффект. Например, только один изомер ибупрофена будет связываться с необходимой мишенью в организме человека и вызывать облегчение боли. Точно так же цисплатин является эффективным противоопухолевым препаратом, в то время как его изомер, трансплатин, вообще не оказывает противоракового действия. Один из самых известных примеров – талидомид (на фото ниже). Хотя один изомер талидомида является сильнодействующим средством для подавления утреннего недомогания, он был доставлен в соотношении 50:50 со своим стереоизомером, который был ответственен за врожденные дефекты, наблюдаемые у детей, родившихся в 1950-х годах, от матерей, которые принимали препарат.

Ферментативные реакции

Одна из важнейших функций изомеров в организме человека – ферментативные реакции. Ориентация, функциональные группы, длины связей и общая трехмерная структура молекулы влияют на ее способность связываться с ферментами. Ферменты обычно распознают определенную молекулярную форму, похожую на замок и ключ. Следовательно, изомеры, которые имеют различную физическую форму, не смогут связываться с конкретным ферментом, несмотря на то, что они имеют одинаковую молекулярную формулу. Примером этого является фермент триозофосфатизомераза, который участвует в гликолизе, катализируя взаимопревращение дигидроксиацетона и (R) -глицеральдегидфосфата; однако изомер (S) -глицеральдегид не достигает той же реакции, поскольку он не вписывается в триозофосфатный фермент. Ферменты, которые функционируют для превращения молекул в их изомеры (например, триозофосфатизомераза, описанная выше), называются изомеразами.

викторина

1. Изомеры с одинаковой структурой связи, но геометрическим положением атомов и функциональных групп, известны как:A. Структурные изомерыB. стереоизомерыC. таутомерыD. Цепные изомеры

Ответ на вопрос № 1

В верно. Стереоизомеры отличаются от структурных изомеров, потому что они имеют одинаковую структуру основной связи, но атомы и функциональные группы имеют тенденцию вращаться или располагаться по-разному в пространстве.

2. Молекулы А, В и С являются изомерами. Фермент А связывается с изомером А с образованием изомера В и наоборот, но Фермент А не может связываться с изомером С. Фермент А является примером:A. ИзомеразаB. СтереоизомерC. Структурный изомерD. Конверсионный изомер

Ответ на вопрос № 2

верно. Изомеразы – это специализированные ферменты, которые превращают молекулу в ее изомер. Однако не все изомеры способны связываться с ферментом из-за физической структуры молекулы.

3. Изомеры важны в биологических системах, потому что:A. Различные изомеры могут оказывать различное влияние на организм. XXB. Конкретные изомеры могут потребоваться для ферментативных реакцийC. Фармацевтическая разработка должна учитывать все потенциальные изомеры, чтобы избежать потенциальных вредных побочных эффектов, вызванных непреднамеренным взаимодействием изомеров молекулы при доставке пациентам.D. Все вышеперечисленноеE. Только А и БF. Ни один из вышеперечисленных

Ответ на вопрос № 3

D верно. Поскольку физическая структура часто различается между изомерами, разные изомеры могут по-разному связываться с различными рецепторами или ферментами в организме, вызывая тем самым дифференциальные эффекты. Это может представлять потенциальную проблему в фармацевтической промышленности, если лекарство содержит смесь его изомеров, поскольку такие молекулы могут вызывать непреднамеренные эффекты.

Ссылки

  • McMurry J. (2004). Органическая химия 6-е изд. Брукс / Коул Белмонт, Калифорния
  • Моррисон Р.Т. и Бойд Р.Н. (1992). Органическая химия 6-е изд. Прентис Холл: Энглвудские скалы, Нью-Джерси.
  • Соломонс Т.В., Грэм и Фрайл, Крейг Б. (2004). Органическая химия, 8-е изд. Джон Вили: Хобокен, Нью-Джерси

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *