Zawartość
Izomery składają się z identycznych wzorów, ale różnych struktur lub układów przestrzennych. Występują w naturze, ale wzbudzają szczególne zainteresowanie chemią organiczną - badaniem związków węgla - ze względu na dużą różnorodność ważnych ekonomicznie cząsteczek organicznych. Naukowcy próbowali matematycznie wyprowadzić liczbę izomerów organicznych cząsteczek liniowego łańcucha, zwanych alkanami, ale nie znaleźli prostej zależności między liczbą izomerów a ilością węgla. Jednak programy obliczeniowe, które rozkładają struktury alkanów na fragmenty, łatwiej pracować z dobrymi wynikami.
Rodzaje izomerów
Dwa typy izomerów są strukturalne i optyczne. Izomery strukturalne mają różne układy atomów lub małe skupiska atomów, zwane grupami funkcyjnymi. Te izomery wynikają z różnic w rozgałęzieniach cząsteczek i sposobu rozmieszczenia grup funkcyjnych. Izomery optyczne lub stereoizomery są strukturalnie identyczne, ale różnią się przestrzenną pozycją geometryczną atomów i grup funkcyjnych. Przykłady izomerów optycznych obejmują odbicia lustrzane i cząsteczki, które obracają się w przeciwnych kierunkach.
Poznaj alkany
Alkany są łańcuchami atomów węgla (C) i wodoru (H), rozmieszczonymi tak, że na każde n atomów węgla przypadają 2n + 2 wodory. Pochodzą głównie z gazu ziemnego i ropy naftowej. Węgiel w alkanach tworzy łańcuchy, w których każdy węgiel wiąże się z czterema innymi atomami za pomocą wiązań C-C lub C-H. Liniowe lub acykliczne alkany nie tworzą pierścieni. Najprostszym alkanem jest metan, CH4. Te z czterema lub większą liczbą atomów węgla mogą tworzyć izomery strukturalne, a te z siedmioma lub większą liczbą atomów węgla mogą również tworzyć izomery optyczne. Niektóre izomery są „niekorzystne sterycznie”, co oznacza, że ich powstawanie jest mało prawdopodobne, ponieważ potrzebują dużo energii, aby pozostać stabilne.
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 acyklicznego alkanu. Po prostu wpisujesz liczbę węgli alkanowych, a program odkrywa liczbę izomerów strukturalnych i optycznych, informując, ile jest niekorzystnie sterycznie. Program wykorzystuje algorytm, który interaktywnie bada część alkanu, aby uzyskać ilość izomerów. Na przykład, jeśli wprowadzisz siedem, program informuje, że alkan C7H16 ma dziewięć izomerów strukturalnych i dwa optyczne.
Niestabilne alkany
Alkany o 16 i 17 atomach węgla nie są związkami trwałymi i szybko dysocjują w temperaturze pokojowej. C17 nie istnieje, a C16 może powstać gwałtownie tylko w bardzo niskich temperaturach. Niektóre alkany większych łańcuchów są również niestabilne. Program IsoCount uważa, że fragmenty węgla są niestabilne podczas raportowania wyników. Liczba izomerów rośnie gwałtownie wraz z liczbą węgli. Autorzy IsoCount szacują, że izomery alkanu o 167 atomach węgla przewyższą liczbę cząstek we wszechświecie.