Zawartość
Izomery składają się z identycznych wzorów, ale różnych struktur lub układów przestrzennych. Występują w przyrodzie, ale wzbudzają szczególne zainteresowanie chemią organiczną - badaniem związków węgla - ze względu na różnorodność cząsteczek organicznych o znaczeniu ekonomicznym. Naukowcy próbowali matematycznie wyliczyć liczbę izomerów organicznych cząsteczek o prostym łańcuchu, zwanych alkanami, ale nie znaleźli prostej zależności między liczbą izomerów a ilością atomów węgla. Jednak programy komputerowe, które rozkładają struktury alkanów na fragmenty, z którymi łatwiej jest pracować, dają dobre wyniki.
Rodzaje izomerów
Dwa typy izomerów to strukturalne i optyczne. Izomery strukturalne mają różne układy atomów lub małe skupiska atomów, zwane grupami funkcyjnymi. Izomery te wynikają z różnic w rozgałęzieniach cząsteczek i sposobie rozmieszczenia grup funkcyjnych. Izomery optyczne lub stereoizomery są strukturalnie identyczne, ale różnią się przestrzennym położeniem geometrycznym atomów i grup funkcyjnych. Przykłady izomerów optycznych obejmują odbicia lustrzane i cząsteczki obracające się w przeciwnych kierunkach.
Poznaj alkany
Alkany to łańcuchy atomów węgla (C) i wodoru (H), ułożone w taki sposób, że na każdy n atomów węgla przypada 2n + 2 wodory. Pochodzą głównie z gazu ziemnego i ropy naftowej. Węgiel w alkanach tworzy łańcuchy, w których każdy węgiel jest połączony z czterema innymi atomami wiązaniami C-C lub C-H. Alkany liniowe lub acykliczne nie tworzą pierścieni. Najprostszym alkanem jest metan, CH4. Te z czterema lub więcej atomami węgla mogą tworzyć izomery strukturalne, a te z siedmioma lub więcej atomami węgla mogą również tworzyć izomery optyczne. Niektóre izomery są „sterycznie niekorzystne”, co oznacza, że ich powstanie jest mało prawdopodobne, ponieważ potrzebują dużo energii, aby zachować stabilność.
Liczenie izomerów
Robert Paton i Jonathan Goodman z University of Cambridge oferują bezpłatną aplikację o nazwie IsoCount, która oblicza liczbę izomerów strukturalnych i optycznych dowolnego alkanu acyklicznego. Wystarczy wpisać liczbę atomów węgla w alkanu, a program znajdzie liczbę izomerów strukturalnych i optycznych, określając, ile z nich jest niekorzystnych sterycznie. Program wykorzystuje algorytm, który w sposób interaktywny bada część alkanu w celu określenia ilości izomerów. Na przykład, jeśli wpiszesz siedem, program poinformuje, że alkan C7H16 ma dziewięć izomerów strukturalnych i dwa optyczne.
Niestabilne alkany
Alkany zawierające 16 i 17 atomów węgla nie są związkami stabilnymi i szybko dysocjują w temperaturze pokojowej. C17 nie istnieje, a C16 można utworzyć tylko szybko w bardzo niskich temperaturach. Niektóre alkany o wyższych łańcuchach są również niestabilne. Program IsoCount uważa fragmenty węgla za niestabilne podczas raportowania wyników. Liczba izomerów rośnie szybko wraz z liczbą atomów węgla. Autorzy IsoCount szacują, że izomery alkanu 167-węglowego przewyższają liczbę cząstek we wszechświecie.