이성질체

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화학에서 이성질체는 분자 공식은 동일하지만 (즉, 각 원소의 원자 수는 동일하지만)^[1] 공간에 있는 원자의 배열이 뚜렷한 분자 또는 다원자 이온입니다.이성체는 이성체의 존재 또는 가능성이다.

이성질체는 반드시 유사한 화학적 또는 물리적 특성을 공유하지는 않습니다.이성질체의 두 가지 주요 형태는 원자 사이의 결합이 다른 구조 이성질체와 결합은 같지만 원자의 상대적 위치가 다른 입체 이성질체질 이성질체질 이성질체 또는 공간 이성질체이다.

이성 관계는 계층을 형성합니다.두 가지 화학물질이 같은 구성 이성질체일 수 있지만 더 자세히 분석하면 서로의 입체 이성질체일 수 있다.서로 같은 입체 이성질체인 두 분자는 다른 형태이거나 다른 등방체일 수 있다.분석의 깊이는 연구 분야 또는 관심 있는 화학적, 물리적 특성에 따라 달라집니다.

영어 단어 "이성체" (/"assommomr/)는 "이성체"^[2][4]에서 유래한 것으로, 스웨덴어 "이성체"에서 독일어 "이성체^[3]"를 차용한 것이다.

구조 이성질체

구조 이성질체는 각 원소의 원자의 수는 같지만(따라서 같은 분자 공식), 원자들은 서로 ^[5]다른 방식으로 연결되어 있다.

예
_3
8: CHO

$예$를 들어 $분자식$이 ${\displaystyle {}_{}^{}{}_{}^{}}$ ${\displaystyle {}_{}^{}}$O({$displaystyle {C3H8O$인 세 가지 화합물이 있습니다.

${\displaystyle {}_{}^{}{}_{}^{}}$ ${\displaystyle {}_{}^{}}$ O$({$에 표시된 첫 번째 2개의 이성질체는 프로판(propane$)$에서 유래한 알코올입니다.둘 다 단일 결합으로 연결된 3개의 탄소 원자의 사슬을 가지고 있으며, 나머지 탄소 원자는 7개의 수소 원자와 수소 원자에 결합된 수산기$OH(\$로 채워져 있다.카본 체인 프로판-1-ol의 끝(1-프로판올, n-프로필 알코올, n-프로판올; I) 또는 중간 탄소 프로판-2-ol(2-프로판올, 이소프로필 알코올, 이소프로판올; II) 중 하나에 하이드록실 결합하는 탄소는 서로 다르다.이는 응축된 $구조식$ ${\displaystyle {}_{}^{}{\text{C}}_{}^{}}$ - ${\displaystyle {CH\mathrm{}}_{}^{}}$2 - ${\displaystyle {CH\mathrm{}}_{}^{}}$ OH {$displaystyle {H3C-CH2-CH2OH}}$ $및$ ${\displaystyle {}_{}^{}}$ C${\displaystyle }$-${\displaystyle {\text{CH}}_{}^{}}$ (${\displaystyle \text{OH}}$ ${\displaystyle )}$ - ${\displaystyle {CH\mathrm{}}_{}^{}}$3 {$displaystyle {H3C-CH(OH)-3}}$로 설명할 수 있습니다$.$

${\displaystyle {}_{}^{}{}_{}^{}}$ $H8 O$의 세 번째 이성질체는$$에테르메톡시에탄(에틸메틸에테르, III$)$이다.다른 두 개와는 달리 산소 원자가 두 개의 탄소에 연결되어 있고 여덟 개의 수소가 모두 탄소에 직접 결합되어 있다.이는 $축합식{\displaystyle {}_{}^{}}$ ${\displaystyle {}_{}^{}}$ C${\displaystyle }$-${\displaystyle O}$ - ${\displaystyle {CH\mathrm{}}_{}^{}}$2 - ${\displaystyle {CH\mathrm{}}_{}^{}}$3 ${\displaystyle {H3C-O-CH2-CH3$으로 나타낼 수 있습니다.

알코올 "3-프로판올"은 1-프로판올과 차이가 없기 때문에 또 다른 이성질체가 아닙니다. 알코올 "3-프로판올"은 사슬을 따라 탄소 번호를 매기는 방향으로 임의로 선택한 결과일 뿐입니다.같은 이유로, "에톡시메탄"은 메톡시에탄과 같은 분자이지 다른 이성질체가 아니다.

1-프로판올 및 2-프로판올은 위치 이성질체의 예로, "부모" 분자(이 경우 프로판)에서 이중 결합 또는 관능기 등의 특정 특성이 발생하는 위치에 따라 다르다.

예: CH
_3
4

$탄화수소{\displaystyle {}_{}^{}}$ ${\displaystyle {}_{}^{}{}_{}^{}}$ $디스플레이$스타일 {$C3$$})$에는 세 가지 구조 이성질체도 있습니다.$H4$

프로파디엔	II 프로핀	III 사이클로프로펜

이 중 2개의 이성질체는 3개의 탄소원자가 개방사슬 형태로 연결되어 있지만, 그 중 1개(프로파디엔 또는 알렌, I)는 2개의 이중결합으로 연결되어 있고, 다른 1개의 프로핀 또는 메틸아세틸렌, II는 1개의 결합과 3중결합으로 연결되어 있다.세 번째 이성질체(시클로프로펜;III)는 3개의 탄소가 2개의 단일결합과 2개의 이중결합에 의해 고리 모양으로 연결되어 있다.이 3가지 모두 탄소 원자의 나머지 원자가 4가지 수소에 의해 충족된다.

3중 결합을 가진 구조 이성질체는 1개뿐이라는 점에 유의하십시오. 왜냐하면 이 결합의 다른 가능한 위치는 단지 3개의 탄소를 다른 순서로 그리는 것이기 때문입니다.같은 이유로 사이클로프로펜은 3개가 아닌 1개밖에 없다.

타이모터

호화합물은 쉽게 상호 변환되는 구조적 이성질체이다, 그래서 두 개 이상의 종이 다음과 같은 평형상태에서 공존한다.

$H$- - - - - ( \ $displaystyle${ H - X - X - Y=Z ^[6] ) 。

중요한 예로는 케토에놀 호변이성 및 중성 및 zwitterion형 아미노산 사이의 평형이 있다.

공명 형태

일부 분자의 구조는 때때로 서로 다른 여러 구조 이성질체 사이의 공명으로 설명된다.전형적인 예로는 1,2-메틸벤젠(o-자일렌)이 있으며, 이는 종종 두 가지 뚜렷한 구조 이성질체의 혼합으로 설명된다.

그러나 이 두 구조 중 어느 것도 실제 화합물을 묘사하지 않으며, 벤젠 코어 및 인접한 포지트 내 2개의 메틸기(methylgen core)와 ${\displaystyle {}_{}^{}{}_{}^{}}$ $display$style {$C8H10})$의 단일 이성질인 o-자일렌의 실제 탈국재결합을 묘사하기 위한 방법으로 고안되었다.이온.

입체 이성질체

입체 이성질체는 같은 유형의 결합에 의해 연결된 동일한 원자 또는 동위원소를 가지고 있지만, 회전과 변환과는 별개로 그 모양, 즉 공간에서의 원자의 상대적 위치가 다릅니다.

이론적으로, 각 원자를 적절한 경로를 따라 움직임으로써 분자 또는 이온 원자의 공간 내 배열이 무한히 많은 방법으로 점진적으로 다른 배열로 바뀌는 것을 상상할 수 있다.하지만, 원자의 위치의 변화는 일반적으로 각 원자의 결합 사이의 각도와 원자 사이의 거리에 의해 결정되는 분자의 내부 에너지를 변화시킬 것입니다.

입체 이성질체는 내부 에너지가 국소 최소인 분자 또는 이온 원자의 배열이다. 즉, 원자의 위치에 작은 변화가 내부 에너지를 증가시켜 원자를 원래 위치로 밀어내는 힘을 발생시키는 배열이다.따라서 분자의 형태를 이러한 에너지 $최소{\displaystyle }$ A$($디스플레이 스타일)에서 다른 에너지 최소 B$(디스플레이 스타일)$로 변경하려면 A$($ $및$ B$($$디스플레이 스타일)$보다 더 높은 에너지를 가진 구성을 거쳐야 합니다. 즉, 적합성입니다.n 이성질체는 에너지 장벽에 의해 다른 이성질체로부터 분리된다. 즉, 분자의 내부 에너지에 일시적으로 추가되어야 하는 양이다.

구조 이성질체의 전형적인 예는 시클로헥산이다.일반적으로 C${\displaystyle }$-${\displaystyle C}$ - ${\displaystyle C}$ - C$$（ $displaystyle$} { C - C - C - C$$} } $are$ are110도에 가까울 때 알케인은 최소 에너지를 가집니다.C${\displaystyle }$-${\displaystyle C}$ - C - C - ${\displaystyle C}$ - C $（$ \ displaystyle { C - C - C - C - C } } （ \$displaystyle$ { C - C - C - C - C }$$）각의$$ $일부{\displaystyle }$ 또는 전부가 이 값($일반$ 육각형의 경우 120도)과 멀리 떨어져 있어야 하기 때문에 시클로헥산 분자의 배열은 더 높은 에너지를 가집니다.따라서 국소 에너지 최소인 구조는 의자(탄소가 평균 평면 위와 아래에 번갈아 배치됨)와 보트(평면 위에 두 개의 반대되는 탄소가 있고 그 아래에 네 개의 탄소가 있음) 중 하나에 따라 링이 공간 내에서 꼬여 있다.

만약 두 개의 입체 이성질체 사이의 에너지 장벽이 충분히 낮다면, 분자가 환경과의 상호작용 또는 자체 진동으로부터 얻는 열에너지의 무작위 입력에 의해 극복될 수 있다.이 경우 온도와 문맥에 따라 두 이성체는 하나의 이성체로 간주해도 좋다.예를 들어, 시클로헥산의 두 가지 구조는 상온(액체 상태)에서 서로 매우 빠르게 변환되기 때문에 일반적으로 ^[7]화학에서 단일 이성체로 취급됩니다.

어떤 경우, 장벽은 원자 자체의 양자 터널링에 의해 넘을 수 있다.이 마지막 현상은 매우 낮은 ^[8]온도에서도 최소 에너지 상호변환의 두 가지 구성이 몇 피코초 이내에 최소 에너지 상호변환되기 때문에 ${\displaystyle \text{플루오로클로로아민}}$ $NHFCl(\$displaystyle ${NHFCl})$ 또는 $과산화수소{\displaystyle {}_{}^{}}$ $displaystyle {H2O2$의 입체 이성질체 분리를 방지합니다.

반대로, 에너지 장벽은 너무 높아서 그것을 극복하는 가장 쉬운 방법은 분자의 하나 이상의 결합을 일시적으로 끊고 다시 형성해야 할 것이다.이 경우 2개의 이성질체는 보통 분리돼 별개의 물질로 취급될 수 있을 정도로 안정적이다.이 이성질체들은 단순히 두 개의 다른 ^[9]배치가 아닌 분자의 다른 배치가성체 또는 "배치"라고 불립니다.(단, "conformation"과 "configuration"이라는 용어는 화학 이외에서는 대부분 동의어이며, 그 구별은 화학자들 사이에서도 논란이 될 수 있다는 것을 알아야 합니다.^[7]

(예를 들어 수소 결합을 통해) 동일하거나 다른 화합물의 다른 분자와의 상호작용은 분자의 배열 에너지를 크게 변화시킬 수 있다.따라서 용액 또는 액체 및 고체상 화합물의 가능한 이성질체는 진공상태에서 분리된 분자의 이성질체와 매우 다르다.심지어 가스 단계에서도, 아세트산과 같은 일부 화합물은 대부분 분리된 분자의 형태와 다를 수 있는 이합체나 더 큰 그룹의 분자의 형태로 존재할 것입니다.

에난티오머

두 화합물은 만약 그들의 분자가 서로의 거울상이라면 에난티오머라고 불리며, 왼손과 오른손처럼 회전이나 번역만으로 일치시킬 수 없다.그 두 모양은 키랄 모양이라고 한다.

전형적인 예로는 브로모클로로플루오로메탄($\$이 있습니다.예를 들어 경로 Cl Br${\display$ {$F-> Cl-> Br}$이 수소 원자에서 볼 때 시계방향 또는 시계반대방향으로 회전하는지 여부에 따라 두 가지 에난티오머를 구별할 수 있다.하나의 구조를 다른 것으로 바꾸려면, 어느 시점에서 그 네 개의 원자가 같은 평면에 놓여 있어야 할 것이고, 이것은 탄소 원자에 대한 그들의 결합을 심각하게 변형시키거나 끊어야 할 것이다.두 구성 사이의 대응하는 에너지 장벽은 너무 높아 상온에서 변환이 거의 이루어지지 않으며 서로 다른 구성으로 간주할 수 있습니다.

반면 화합물인 클로로플루오로메탄 ${\displaystyle {CH\mathrm{}}_{}^{}}$ 2 $(\$는 키랄이 아닙니다. 분자의 거울상도 적절한 축을 반바퀴 돌리면 얻을 수 있습니다.

키랄 화합물의 또 다른 예로는 두 개의 겹치는 이중 결합을 포함하는 탄화수소 2,3-펜타디엔$$C - ${\displaystyle \text{CH}}$ $=$ C = ${\displaystyle CH{}_{}^{}}{\displaystyle =}$ ${\displaystyle \text{CH}}$ - ${\displaystyle {CH\mathrm{}}_{}^{}}$ 3 { $displaystyle$ {$H3C-CH=CH-CH3}}$가 있다.이중 결합은 세 개의 중간 탄소가 일직선상에 있는 반면, 처음 세 개의 탄소와 마지막 세 개의 탄소는 수직면에 있습니다.분자와 그 거울상은 대칭축이 있어도 겹칠 수 없다.예를 들어, 두 개의 에난티오머는 오른손 법칙으로 구분할 수 있습니다.이런 종류의 이성질체를 축방향 이성질체라고 부른다.

에난티오머는 키랄 화합물과 반응하거나 대부분의 효소와 같은 키랄 촉매가 존재하는 경우를 제외하고 화학 반응에서 동일하게 작용한다.이러한 후자의 이유로, 대부분의 키랄 화합물의 두 가지 에난티오머는 보통 살아있는 유기체에서 현저하게 다른 효과와 역할을 가진다.생화학 및 식품과학에서, 키랄 분자의 두 가지 에난티오머(예: 포도당)는 보통 확인되고 매우 다른 물질로 취급된다.

키랄 화합물의 각 에난티오머는 전형적으로 그것을 통과하는 편광면을 회전시킨다.회전은 두 이성질체에 대해 같은 크기이지만 반대되는 감각을 가지며, 용액에서 이들의 농도를 구별하고 측정하는 유용한 방법이 될 수 있습니다.이러한 이유로, 에난티오머는 이전에는 "광학적 이성질체"^[10][11]라고 불렸다.그러나 이 용어는 모호하고 ^[12][13]IUPAC에 의해 권장되지 않는다.

에난티오머가 아닌 입체 이성질체를 디아스테레오머라고 한다.일부 디아스테레오머는 키랄 중심을 포함할 수 있고,^[14] 일부는 포함할 수 없습니다.

일부 에난티오머 쌍(트랜스-시클로옥텐의 쌍)은 결합 길이와 각도를 약간만 바꾸는 내부 운동에 의해 상호 변환될 수 있다.다른 페어(CHFClBr 등)는 결합을 해제하지 않으면 상호 변환할 수 없기 때문에 설정이 다릅니다.

시스-트랜스 이성질체

2개의 탄소 원자 사이의 이중 결합은 나머지 4개의 결합(단일 경우)을 δ 오비탈에 의해 정의된 결합의 평면에 수직인 동일한 평면에 놓이게 한다.각 탄소의 두 결합이 서로 다른 원자에 연결되면, 이중 결합에 대한 탄소 중 하나의 180도 비틀림에 의해 서로 다른 두 개의 뚜렷한 배치가 가능합니다.

전형적인 예로는 $디클로로에텐{\displaystyle {}_{}^{}}$ ${\displaystyle {}_{}^{}{}_{}^{}}$ ${\displaystyle {}_{}^{}{}_{}^{}}$ ${\displaystyle {Cl2\mathrm{}}_{}^{}}$({$displaystyle {C2H2Cl2$ 특히 각 탄소에 1개의 염소가 결합되어 있는 구조 ${\displaystyle \text{이성질체}}$Cl - ${\displaystyle \text{HC}}$ ${\displaystyle =\text{CH}}$ -$Cl ({ce {Cl-HC=CH-Cl}})$ 등이$$ 있습니다.그것은 두 개의 입체 이성질체를 가지고 있고, 두 개의 염소는 이중 결합 평면의 같은 면 또는 반대 면에 있다.IUPAC 권장 명명법에서는 각각 cis(라틴어에서 "이쪽"을 의미)와 trans(다른쪽) 또는 Z와 E로 불린다.이 두 가지 형태 사이의 변환은 일반적으로 일시적으로 결합을 끊는 것(또는 이중 결합을 단일 결합으로 바꾸는 것)을 필요로 하므로, 두 가지 형태는 분자의 다른 구성으로 간주된다.

보다 일반적으로, cis-trans 이성질체(기하학적 이성질체)는 다른 ^[15]원자의 다소 단단한 틀에 의해 구별 가능한 두 기능군의 상대적 배향이 제한되는 분자에서 발생한다.

$예$를 들어 사이클릭 알코올 이노시톨$CHOH)$ $(CHOH$) 6(시클로헥산의 6배 알코올)$$의 경우, 6개의 탄소 고리 골격은 각각의 탄소 전환 위치에서 히드록실${\displaystyle }$-$$($Hydroxyl$ - $OH)$ 및$$ 수소 $(H)$를 크게 방지합니다.따라서 각 히드록실기가 링의 평균 평면의 "이쪽" 또는 "이쪽"에 있는지 여부에 따라 구성 이성질체가 달라집니다.회전 시 등가 이성질체를 할인하면 이 기준에 따라 다른 9개의 이성질체가 존재하며, 서로 다른 안정 물질로 작용한다(이 중 2개는 서로 에난티오머이다).자연에서 가장 흔한 것(myo-inositol)은 그 평면의 같은 쪽에 탄소 1, 2, 3, 5에 히드록실기를 가지고 있기 때문에 cis-1, 2, 3, 5-trans-4, 6-cyclohexanehexol이라고 불릴 수 있다.그리고 이러한 cis-trans 이성질체 각각은 안정적인 "의자" 또는 "보트" 구조를 가질 수 있다(다른 cis-trans 이성질체 사이의 장벽보다 훨씬 낮지만).

시스 및 트랜스 이성질체는 정사각형 ${\displaystyle {\text{평면}}_{}^{}}$ $MX$ 2 ${\displaystyle {Y\mathrm{}}_{}^{}}$2$({Displaystyle${MX2Y2$}})$ 복합체$$ 및 ${\displaystyle {8면체\mathrm{}}_{}^{}}$ ${\displaystyle {}_{}^{}{}_{}^{}}$ ${\displaystyle {4\mathrm{}}_{}^{}}$Y $2({Displaystyle$ {MX4Y2$}})$ 복합체와 같은 무기 배위 화합물에서도 발생합니다.

보다 복잡한 유기 분자의 경우 cis 및 trans 라벨이 모호합니다.IUPAC는 각 탄소 ^[16][14]원자의 결합에 대한 CIP 우선순위를 바탕으로 보다 정확한 라벨링 방식을 권장합니다.

동등하지 않은 채권을 가진 센터

보다 일반적으로, 3개 이상의 등가하지 않은 단일 결합을 형성할 수 있는 원자 또는 원자군(배위 화합물 내의 전이 금속 등)은 서로 다른 원자 또는 그룹이 그 위치에 부착될 때 복수의 입체 이성질체를 발생시킬 수 있다.6개 이상의 동등한 결합을 가진 중앙이 두 개 이상의 치환기를 갖는 경우에도 마찬가지입니다.

예를 들어 ${\displaystyle {\text{화합물}}_{}^{}}$ ${\displaystyle {PF\mathrm{}}_{}^{}}$ 4 $(\${PF4Cl$\})$은 인 원자와 5개의 할로겐과의 결합이 약 삼각쌍추체 형상을 가진다.따라서 염소 원자가 두 개의 "축" 위치 중 하나를 차지하는지 또는 세 개의 "적도" 위치 중 하나를 차지하는지 여부에 따라 이 공식의 두 개의 입체 이성질체가 가능하다.

${\displaystyle {\text{화합물}}_{}^{}}$ ${\displaystyle {PF\mathrm{}}_{}^{}}$ 3 ${\displaystyle {Cl\mathrm{}}_{}^{}}$2 ({$display {PF3Cl2$는 3개의 이성질체를 사용할 수 있으며, 0, 1, 또는 2개의 염소가 축방향 위치에 있다.

또 다른 예로, 중심 원자 M이 팔면체 기하학으로 6개의 결합을 형성하는 ${\displaystyle {MX\mathrm{}}_{}^{}}$3 ${\displaystyle {Y\mathrm{}}_{}^{}}$3 ({displaystyle ${MX3Y3$과 ${\displaystyle {\text{같은}}_{}^{}}$ 공식의 복합체는 $3개$의 X$$\$style {X}$ 결합$$(및 $3개$의$$Y $display$ 스타일 {X})에 따라 최소 2개의 얼굴-중간 이성질체를 가진다.({$ce {Y}})$ 결합은$$ 팔면체의 한 면(fac 이성질체)의 세 모서리를 향하거나 같은 적도면 또는 "메리디언" 평면(mer 이성질체)에 놓여 있습니다$.$

로타머 및 아트로피소머

단 하나의 결합으로 연결된 분자의 두 부분은 그 결합을 중심으로 회전할 수 있습니다.결합 자체는 그 회전에 무관심한 반면, 두 부분의 원자 사이의 흡인력과 반발은 일반적으로 두 부분 사이의 상대적인 회전 각도 θ에 따라 전체 분자의 에너지를 변화시킨다(그리고 두 부분의 에너지가 변형될 수도 있다).그러면 에너지가 로컬 최소값인 φ의 특수값이 하나 이상 있을 것입니다.분자의 대응하는 배치는 회전 이성질체 또는 회전 이성질체라고 불립니다.

따라서 예를 들어 에탄 $분자{\displaystyle {}_{}^{}}$ ${\displaystyle {}_{}^{}}$C - $(\displaystyle {H3C-CH3$에서는 두 메틸기가 C${\displaystyle }$- $(\$ 축을 $중심$으로 독립적으로 회전할 수 있다는 점을 제외하고 모든 결합각도와 길이가 좁게 제한된다.따라서, 그러한 각도와 거리가 고정된다고 가정하더라도, 에탄 분자는 두 그룹 사이의 상대적인 회전 각도 θ에 의해 달라지는 무한히 많은 구조가 존재한다.두 메틸기 내 수소원자 간의 미약한 반발로 인해 에너지가 120° 간격의 θ의 세 가지 특정 값에 대해 최소화된다.이러한 구성에서는 6개의 $평면{\displaystyle }$H -${\displaystyle C}$ -$$ $(\displaystyle {H-C-C}})$ $또는$ C -${\displaystyle C}$ -$$ (\$displaystyle {C-C-H})$가 60° 간격으로 배치됩니다.분자 전체의 회전을 억제하면, 그 구성은 단일 이성질체, 이른바 시차 배치입니다.

분자 1,2-디클로로에탄($ClH$ ${\displaystyle {}_{}^{}}$C - ${\displaystyle {CH\mathrm{}}_{}^{}}$ 2$$ {$displaystyle {ClH 2C-CH$ 2 Cl$})$의 양반간 회전에도 3개의 국소 에너지 최소값이 있지만${\displaystyle }$H -$$ - H - Style ${H$ - ${\displaystyle \text{Cl}}$$}$ Cl }$$due rotation rotation due due due due due due due due due due due due due due due due due due due due minim minim minim minim minim minim minim minim minim minim minim minim minim minim minim minim minim minim minim minim minim minimaaaaaaaa minim minimaaaa minim minim minim minim minim minim minima minim minim minim minim minim minim minim minim minim minim minim minim${\displaystyle \text{H}}$- ${\displaystyle \text{Cl}}$($디스플레이$ 스타일 ${H-Cl})$ 상호작용을$$ 합니다.따라서 두 개의 염소가 두 개의 카본과 같은 평면상에 있지만 서로 반대 방향의 결합을 갖는 트랜스 이성질체와 두 개의 ${\displaystyle {고슈\mathrm{}}_{}^{}}$ 이성질체(Gauche 이성질체)가 있으며, 두${\displaystyle {\text{개}}_{}^{}}$의 CH ${\displaystyle {}_{}^{}}$ Cl$(\$ 그룹이$$ 그 위치에서 약 109° 회전한다.트랜스 및 고슈 간 계산된 에너지 차이는 ~1.5kcal/mol, 트랜스에서 고슈로 ~109° 회전 장벽은 ~5kcal/mol,^[17] 1개의 고슈에서 에난티오머로 ~142° 회전 장벽은 ~8kcal/mol이다.부탄도 상황은 비슷하지만 가우의 에너지와 ^[17]장벽이 눈에 띄게 낮다.

단일 결합으로 연결된 분자의 두 부분이 부피가 크거나 충전되면 에너지 장벽이 훨씬 높아질 수 있습니다.예를 들어, 화합물 비페닐(단일 결합으로 연결된 두 개의 페닐기)에서 중심 단일 결합에 가장 가까운 수소 원자 사이의 반발은 두 개의 고리가 기울어진 형태보다 더 높은 에너지를 가진 완전한 평면 형태를 제공한다.따라서 기체상에서는 분자는 적어도 2개의 로타머를 가지며, 고리면은 ±47°씩 꼬여 서로의 거울상입니다.이들 사이의 장벽은 다소 낮다(~8kJ/mol).^[18]이러한 입체 장애 효과는 4개의 수소가 클로로린이나 카르본과 같은 더 큰 원자나 그룹으로 대체될 때 더욱 두드러집니다.두 로타머가 상온에서 안정적인 화합물로 분리될 수 있을 정도로 장벽이 높으면 아트로피소머라고 한다.

토포이소머

큰 분자는 이들을 분리하는 특정한 기하학적 제약이 없더라도 공간에서의 전체적인 배열의 위상에 따라 다른 이성질체를 가질 수 있다.예를 들어 긴 사슬을 꼬아 위상적으로 구별되는 매듭을 형성할 수 있으며, 부피가 큰 치환기 또는 순환 폐쇄(원형 DNA 및 RNA 플라스미드 등)에 의해 상호 변환을 방지할 수 있다.일부 매듭은 거울-이미지 에난티오머 쌍으로 올 수 있습니다.이러한 형태를 위상 이성질체 또는 국소 이성질체라고 합니다.

또, 이러한 2개 이상의 분자는, 화학 결합이 없는 경우에도, 이러한 위상 결합에 의해서 카테난내에서 결합할 수 있다.만약 분자가 충분히 크다면, 연결은 다른 이성질체를 구성하면서 위상적으로 구별되는 여러 가지 방법으로 발생할 수 있다.도데카헤드라인(He@CH
_20
20)과 탄소 피포드에 둘러싸인 헬륨과 같은 케이지 화합물은 제한되거나 구멍이 ^[19]없는 큰 내부 공간을 가진 분자와 관련된 유사한 형태의 위상 이성질체이다.

동위원소 및 스핀

아이소토포머

분자 또는 이온의 이성질체를 열거할 때 동일한 원소의 다른 동위원소는 다른 종류의 원자로 간주할 수 있다.하나 이상의 원자를 동위원소로 치환하면 단일 이성질체에서 여러 구조 이성질체 및/또는 입체 이성질체를 생성할 수 있다.

예를 들어, 에탄 분자의 공통 수소 원자 두 개($H1 {^1$ H$\})$를 중수소 ${\displaystyle }$ 두 개($H2$ H$\})$ $또는{\displaystyle }$ D$({$ H$\})$로 대체하면 두 개의 뚜렷한 구조적 이성질체가 생성되며, 두 개의 치환이 동일한 탄소(1-d)에 있는지 여부에 따라 달라집니다.로에탄, ${\displaystyle {}_{}^{}}$C - ${\displaystyle {CH\mathrm{}}_{}^{}}$3$(\displaystyle {HD2C-CH3$ 또는 각 탄소(1,2-dideuteroethane, ${\displaystyle {}_{}^{}}$ C${\displaystyle }$- ${\displaystyle {CDH\mathrm{}}_{}^{}}$2$(\displaystyle {DH2C-CDH2}})$에 1개씩, 치환기가 중수소 대신 염소인 경우.두 분자는 쉽게 상호 변환되지 않으며 마이크로파 ^[20]스펙트럼과 같은 다른 특성을 가지고 있습니다.

또 다른 예로는 클로로플루오로메탄($CH$ 2 ${\displaystyle \text{ClF}{}_{}^{}}${$CH2$ClF$})$의 수소 중 하나를 중수소 원자 1개로 대체하는 경우가 있습니다.원래 분자는 키랄이 아니며 단일 이성질체를 가지고 있지만, 치환으로 ${\displaystyle \text{CHDClF}}($$적어도$ 이론상으로는)^[21]의 키랄 에난티오머 쌍이 생성됩니다.

각 원소의 모든 동위원소가 단일 동위원소로 대체될 경우, 두 이성체가 동일할 경우, 동위원소 이성질체 또는 동위원소 ^[22]이성질체로 설명된다.위의 두 가지 예에서 모든$(\displaystyle$ {$D})$가 H$(\$로 대체되면 두 개의 디데우테로에탄은 모두 에탄(ethane)이 되고 두 개의 도트로클로로플루오로메탄은 CH 2 $(\displaystyle {CH2ClF$가 됩니다.

동위원소체의 개념은 동위원소 조성이 ^[22]다른 동위원소 또는 동위원소 호몰로그와 다르다.예를 들어 ${\displaystyle {}_{}^{}{}_{}^{}}$ ${\displaystyle {}_{}^{}}$ D$(\displaystyle {C2H5D})$와 ${\displaystyle {}_{}^{}{}_{}^{}}$ ${\displaystyle {}_{}^{}{}_{}^{}}$ $displaystyle {C2H4D2})$는 아이소토폴로지이며 아이소토머가 아니기 때문에 서로 이성질체가 아닙니다.

스핀 이성질체

원자핵 성질에 기초한 또 다른 형태의 이성질체는 스핀 이성질체이며, 여기서 분자는 구성 원자핵의 상대 스핀 자기 양자수_s m에서만 다르다.이 현상은 스핀 이성질체^[23] 또는 핵 스핀 ^[24]이성질체로 설명되는 두 개의 긴 수명 상태로 부분적으로 분리될 수 있는 수소에 대해 중요하다: 두 개의 핵의 스핀이 반대 방향을 가리키는 파라히드로젠과 스핀이 같은 방향을 가리키는 오르소수소.

이성화

이성질화는 한 분자가 정확히 같은 원자를 가진 다른 분자로 변형되는 과정이다. 그러나 원자는 ^[25]다시 배열된다.어떤 분자와 어떤 조건에서는 이성화 현상이 자연적으로 일어난다.많은 이성질체는 결합 에너지가 같거나 거의 같으며, 따라서 이들이 비교적 자유롭게 상호 변환할 수 있다면, 즉 두 이성질체 사이의 에너지 장벽이 너무 높지 않다.이성질화가 분자 내에서 일어나면 재배열 반응으로 간주된다.

유기금속 이성질화의 예로는 데카페닐페로센[(γ-CPh⁵₅₅)₂Fe]의 결합 ^[26][27]이성질체로부터 제조하는 것이 있다.

푸마르산 합성

푸마르산의 산업적 합성은 말레인산의 cis-trans 이성질화를 통해 진행된다.

토포이소머라아제는 원형 DNA를 절단하고 변형시켜 위상을 바꿀 수 있는 효소이다.

약화학

예를 들어 메틸기의 배치와 같은 뚜렷한 생물학적 특성을 가진 이성질체가 흔하다.치환 크산틴에서 초콜릿에서 발견되는 테오브로민은 카페인과 공통적인 효과를 가진 혈관확장제이다; 그러나 만약 두 개의 메틸기 중 하나가 2-고리 코어에서 다른 위치로 이동한다면, 이소체는 기관지 확장과 항염증 작용을 포함한 다양한 효과를 가진 테오필린이다.이것의 또 다른 예는 페네틸아민 기반의 자극제에서 발생한다.펜터민은 암페타민보다 효과가 약한 비키랄 화합물이다.식욕저하제로 사용되며 자극성이 약하거나 전혀 없습니다.그러나 대체 원자 배열은 암페타민보다 강한 자극제인 덱스트로메탐페타민을 제공한다.

의약화학 및 생화학에서 에난티오머는 뚜렷한 생물학적 활성을 가질 수 있기 때문에 특별한 관심사이다.많은 준비 절차에서 동일한 양의 두 가지 에난티오머 형태를 혼합할 수 있습니다.경우에 따라서는 키랄 고정상을 이용한 크로마토그래피에 의해 에난티오머가 분리된다.그들은 또한 디아스테레오머 염의 형성을 통해 분리될 수 있다.다른 경우에는 에난티오 선택적 합성이 개발되었다.

무기적인 예로서 시스플라틴(위 구조 참조)은 암 화학요법에 사용되는 중요한 약물이며, 트랜스 이성질(트랜스플라틴)은 유용한 약리학적 활성이 없다.

역사

이성질성은 1827년 프리드리히 뵐러가 시안산$$은을 조제했을 때 처음 발견되었는데, ${\displaystyle \text{AgCNO}}$의 원소 성분({$displaystyle {AgCNO})$은 유스투스 폰 리빅에 의해 ^[28]제조됨)과 동일하지만 그 성질은 뚜렷했다.이 연구결과는 원소조성이 다른 경우에만 화합물이 구별될 수 있다는 당대의 지배적인 화학적 이해에 도전했다. (이제 우리는 풀민산염과 시안산염의 결합구조를 대략${\displaystyle {}^{}}$O - ${\displaystyle {}^{}{}^{}}$+ {O - N +$}$${\displaystyle {}^{}}$ C${\displaystyle {}^{}}$-$${ ce { O - N + } $）$displaystyle ${C-}}$ 및$$ $O{\displaystyle }$ ${\displaystyle =}$ ${\displaystyle C}$ ${\displaystyle ={}^{}N{}^{}}$ -$${$displaystyle {O=C=N-}}$을$($를) 각각 $선택$합니다.

뵐러가 1828년에 요소가 화학적으로 구별되는 시안산 암모늄과 동일한 ${\displaystyle {\text{원자조성물}}_{}^{}}$(${\displaystyle {CH\mathrm{}}_{}^{}}$ 4 N ${\displaystyle {}_{}^{}}$ O$,$ &$quot;style$ {CH 4 $N2O$을 가지고 있다는 것을 발견한 것과 같은 추가 사례가 그 후 몇 년 동안 발견되었다.(현재 구조는 (${\displaystyle {{}_{}^{}}_{}^{}}$- ) ${\displaystyle {}_{}^{}}$ ${\displaystyle =}$ $O${\$displaystyle {(H2N-)2C=$로 알려져 있습니다.$O$$}}$ 및$$${\displaystyle }$[${\displaystyle {NH\mathrm{}}_{}^{}}$ 4${\displaystyle {}_{}^{}}$+${\displaystyle }$][ ${\displaystyle O}$ ${\displaystyle =}$ ${\displaystyle C{}^{}}$ ${\displaystyle {=}^{}}$ N${\displaystyle {}^{}}$-$$]({$displaystyle {[NH+4])$$O=C=N$1830년에 Jöns Jacob Berzelius는 ^{[4][29][30][31]}이 현상을 설명하기 위해 이성체라는 용어를 도입했다.

1848년, 루이 파스퇴르는 타르타르산 결정이 서로 거울에 비친 이미지인 두 가지 형태로 나타난 것을 관찰했다.그는 손으로 결정체를 분리하여 두 가지 형태의 주석산을 얻었는데, 각각은 두 가지 형태 중 한 가지 형태로만 결정화되어 편광면을 같은 정도로 하지만 ^[32][33]반대 방향으로 회전시켰다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

외부 링크