Ketenisomerie, plaatsisomerie, functie-isomerie, cis-transisomerie en optische isomerie
Blok 1: Inleiding en algemene definitie van isomerie
Definitie
Isomerie duidt op het verschijnsel waarbij verschillende verbindingen dezelfde molecuulformule bezitten, maar een verschillende ruimtelijke of structurele opbouw. Elke isomeer heeft hierdoor unieke fysische en chemische eigenschappen, ook al is de brutoformule identiek.
Belangrijke concepten
Isomerie is een fundamenteel concept in de organische chemie en vormt de basis voor het onderscheid tussen verbindingen met dezelfde samenstelling, maar een verschillende structuur of ruimtelijke schikking. Het begrip verklaart waarom moleculen met dezelfde atoomsoorten en -aantallen uiteenlopende reactiviteit en interacties vertonen.
Formules en berekeningen
De chemische formule van elke isomeer blijft ongewijzigd, maar de structuurformule en eventueel de ruimtelijke formule verschilt. Er wordt een onderscheid gemaakt tussen structuurisomerie en stereo-isomerie, als overkoepelende categorieën.
Praktijkvoorbeelden
Geen praktijkvoorbeelden vereist in de inleiding.
Veel gemaakte fouten
Op examenniveau bestaat er verwarring tussen moleculen die een verschillende molecuulformule hebben (geen isomeren!) en isomeren met een variatie in structuur of configuratie met dezelfde molecuulformule.
---Blok 2: Structuurisomerie – overzicht en subvormen
Definitie
Structuurisomerie is de vorm van isomerie waarbij isomeren verschillen in de wijze waarop de atomen aan elkaar gebonden zijn. Dit betreft veranderingen in de hoofdketen, plaatsing of aard van functionele groepen, of in de plaats van een meervoudige binding. Drie hoofdsubtypes zijn relevant: ketenisomerie, plaats-isomerie en functie-isomerie.
Belangrijke concepten
Ketenisomerie
Dit verwijst naar isomeren die qua vertakking van de koolstofketen van elkaar verschillen. De moleculen hebben dezelfde brutoformule, maar variëren in de lineaire of vertakte opbouw van het skelet.
Functie-isomerie
Hierbij verschilt de functionele groep in de verbindingen. Isomeren bezitten een andere soort karakteristieke groep, ondanks gelijke samenstelling en aantal atomen.
Plaats-isomerie
Dit type treedt op wanneer de plaats van een functionele groep of een meervoudige binding (zoals een dubbele binding) verschilt binnen het skelet, zonder verandering in het soort functionele groep.
Formules en berekeningen
Ketenisomerie (voorbeeld)
Brutoformule: C5H12 Isomeer 1: Pentaan (lineair) → CH3-CH2-CH2-CH2-CH3 Isomeer 2: 2-methylbutaan (vertakt) → CH3-CH(CH3)-CH2-CH3 Isomeer 3: 2,2-dimethylpropaan (sterk vertakt) → (CH3)4C
Functie-isomerie (voorbeeld)
Brutoformule: C3H6O Isomeer 1: Propanal (aldehyde) → CH3-CH2-CHO Isomeer 2: Propanon (keton) → CH3-CO-CH3
Plaats-isomerie (voorbeeld)
Brutoformule: C4H8 Isomeer 1: 1-butene → CH2=CH-CH2-CH3 Isomeer 2: 2-butene → CH3-CH=CH-CH3 Plaats-isomerie treedt hier op door verschil in plaats van de dubbele binding.
Praktijkvoorbeelden
Ketenisomerie
Voorbeeld 1: C6H14 levert hexaan (lineaire structuur), 2-methylpentaan (1 vertakking op C2), en 2,2-dimethylbutaan (2 methylgroepen op C2) als drie verschillende ketenisomeren.
Voorbeeld 2: Bij C7H16 bestaan er negen verschillende ketenisomeren, elk met een andere structuur van het koolstofskelet. Voorbeelden zijn n-heptaan en 2,3-dimethylpentaan.
Functie-isomerie
Voorbeeld 1: C2H6O: Ethanol (alcohol, CH3CH2OH) versus dimethylether (ether, CH3OCH3).
Voorbeeld 2: C4H8O: Butanal (aldehyde, CH3CH2CH2CHO) en 2-butanon (keton, CH3COCH2CH3) delen de brutoformule, maar verschillen in functionele groep.
Plaats-isomerie
Voorbeeld 1: C5H10: 1-penteen (dubbele binding tussen C1 en C2) en 2-penteen (dubbele binding tussen C2 en C3).
Voorbeeld 2: C3H7Cl: 1-chloorpropaan (Cl op C1) versus 2-chloorpropaan (Cl op C2).
Veel gemaakte fouten
Ketenisomerie wordt vaak verward met plaats-isomerie, vooral bij vertakte structuren met functionele groepen.
Soms worden ketenisomeren onjuist getekend, bijvoorbeeld door het niet naleven van de maximale vertakking.
Bij functie-isomerie wordt soms niet onderkend dat niet alleen structuur, maar de functionele groep moet verschillen om van functie-isomerie te spreken.
Plaats-isomerie wordt regelmatig onjuist toegepast indien het om een verandering van hoofdketenstructuur gaat, wat dan onder ketenisomerie zou vallen.
Blok 3: Stereo-isomerie – cis/trans-isomerie
Definitie
Stereo-isomerie duidt op isomeren die dezelfde verbindingen en structuurformule hebben, maar verschillen in de ruimtelijke ordening van hun atomen. Cis-trans-isomerie is een subtype daarvan dat voorkomt bij verbindingen met een stijve structuur, zoals dubbele bindingen (bij alkenen) of in cyclische verbindingen, waarbij twee identieke groepen of atomen zich aan dezelfde (cis) of aan tegenoverliggende (trans) zijden van het vlak bevinden.
Belangrijke concepten
Cis-trans-isomerie ontstaat enkel als elk koolstofatoom van de dubbele binding twee verschillende groepen draagt. Cis-duidt op een ruimtelijk arrangement waarbij de identieke groepen aan dezelfde zijde van de dubbele binding of ring staan, terwijl trans aangeeft dat ze zich aan tegengestelde kanten bevinden. Dit resulteert in merkbaar verschillende fysische en soms chemische eigenschappen.
De term alkenen verwijst naar verbindingen met minstens één C=C dubbele binding, die vatbaar zijn voor deze vorm van isomerie indien de genoemde voorwaarden voldaan zijn.
Formules en berekeningen
Structuurformules: Dichlooretheen (C2H2Cl2)
- Cis-vorm (cis-1,2-dichlooretheen): H Cl \ / C==C / \ Cl H - Trans-vorm (trans-1,2-dichlooretheen): H Cl \ / C==C / \ Cl HBij het tekenen van deze vormen is het essentieel de groepen correct tov het dubbele bindingsvlak te plaatsen: in cis-configuratie de gelijke groepen aan dezelfde zijde, in trans aan tegengestelde zijden.
Praktijkvoorbeelden
Voorbeeld 1: 2-butene (C4H8)
- Cis-2-butene: beide methylgroepen (CH3) aan dezelfde kant van de dubbele binding - Trans-2-butene: methylgroepen aan tegenoverliggende zijden.
Structuren: - Cis: CH3-CH=CH-CH3, met beide CH3 boven het dubbele bindingsvlak - Trans: één CH3 boven, de andere onder het vlak Dit verschil beïnvloedt onder andere het kookpunt: de cis-vorm heeft meestal een hoger kookpunt door grotere polarisatie.
Voorbeeld 2: 1,2-dichlooretheen (C2H2Cl2)
Zoals hierboven weergegeven: de cis- en trans-vormen zijn niet superponeerbaar en zijn zichtbaar verschillend onder andere via spectroscopische methoden. Ze vertonen ook verschillende dipoolmomenten (cis is polair, trans apolair).
Veel gemaakte fouten
Studenten tekenen soms cis-trans-isomerie waar één van de dubbele binding C-atomen tweemaal dezelfde groep draagt — dit is onjuist, want cis-trans-isomerie vereist twee verschillende groepen op elk C-atoom.
De termen cis en trans worden door elkaar gehaald, of onjuist toegepast op structuren zonder stijve binding (zoals bij alkanen, waarbij vrij draaien altijd mogelijk blijft).
Binnen cyclische verbindingen (zoals cyclohexaan-derivaten) wordt cis/trans-isomerie te simplistisch behandeld zonder rekening te houden met ring-conformaties.
Blok 4: Optische isomerie en het chiraal centrum
Definitie
Optische isomerie verwijst naar het verschijnsel waarbij moleculen met dezelfde structuur- en brutoformule elkaars spiegelbeeld zijn, maar niet identiek overlaybaar. Zulke moleculen noemt men enantiomeren. Het onderscheid treedt op bij aanwezigheid van minstens één chiraal centrum.
Een chiraal centrum is een koolstofatoom dat verbonden is met vier verschillende atomen of groepen, aangeduid als “x” in de formule. De aanwezigheid van één of meer chirale centra maakt optische activiteit mogelijk.
Belangrijke concepten
Een molecule met een chiraal centrum is optisch actief: het draait het vlak van gepolariseerd licht in een bepaalde richting (rechts- of linksdraaiend).
Het fenomeen treedt veelvuldig op bij organische verbindingen met meerdere asymmetrische koolstofatomen, zoals suikers en aminozuren.
De notaties D- en L- verwijzen naar de oriëntatie zoals oorspronkelijk gedefinieerd bij monosachariden (D-glucose en L-glucose).
De term hydroxylgroep (-OH) komt frequent voor in dit type isomeren.
Formules en berekeningen
Structuurformule van D-glucose
D-glucose is een aldohexose met zes koolstofatomen, waarvan vier als chiraal centrum fungeren (C2 t.e.m. C5). De Fischer-projectie helpt visueel de chirale centra aan te duiden. Fischer-projectie (alleen relevant chiraal centrum uitgelicht): O= | (aldose) H—C—OH ← chiraal centrum C2 HO—C—H ← chiraal centrum C3 H—C—OH ← chiraal centrum C4 H—C—OH ← chiraal centrum C5 | CH2OH C2, C3, C4 en C5 dragen elk vier verschillende groepen (H, OH, rest van de keten, respectievelijk de bovenliggende en onderliggende structuren). De aanwezigheid van vier verschillende bindingen per koolstof maakt dat dit centrum chiraal is. D-glucose en L-glucose zijn elkaars spiegelbeeld en dus optische isomeren.
Praktijkvoorbeelden
Voorbeeld 1: D-glucose (C6H12O6)
Zoals hierboven aangegeven, heeft D-glucose vier chirale centra. Elk ervan kan zowel R- als S-configuratie aannemen, waardoor het aantal mogelijke stereoisomeren voor aldohexosen oploopt tot ().
Voorbeeld 2: Melkzuur (C3H6O3)
Melkzuur bevat één chiraal centrum (op het centrale koolstofatoom verbonden met H, OH, COOH en CH3). D- en L-melkzuur zijn elkaars optische isomeren (enantiomeren).
Veel gemaakte fouten
Exemplaren waarbij een “chiraal centrum” wordt getekend met twee identieke groepen worden onterecht als optisch actief beschouwd.
Studenten vergeten soms dat bij aanwezigheid van meerdere chirale centra het aantal optische isomeren bedraagt, met = aantal chirale centra, maar dat meso-vormen (niet optisch actief ondanks chirale centra) bij sommige verbindingen voorkomen.
Het onderscheid tussen diastereomeren en enantiomeren binnen optisch isomerie wordt soms niet correct toegepast, met name bij meer dan één chiraal centrum.
Notatie D-glucose wordt soms verwisseld met de absolute configuratie R/S, terwijl deze naar de relatieve oriëntatie verwijst.
Samenvatting
Isomerie beschrijft het bestaan van verbindingen met dezelfde molecuulformule, maar verschillende structuur of ruimtelijke schikking. Structuurisomerie omvat ketenisomerie (variatie in vertakking), functie-isomerie (verschillende functionele groepen) en plaats-isomerie (andere locatie van een binding of groep). Stereo-isomerie betreft verschillen in de ruimtelijke opbouw; cis-trans-isomerie komt voor bij stijve bindingen zoals dubbele bindingen, wanneer identieke groepen zich aan dezelfde of tegenovergestelde zijde bevinden. Optische isomerie wordt gekarakteriseerd door het bestaan van spiegelbeeldisomeren via aanwezigheid van een chiraal centrum, zichtbaar bijvoorbeeld bij D-glucose. Elk type isomerie vergt specifieke aandacht voor de structuur van moleculen en bepaalt unieke fysisch-chemische eigenschappen.
---Oefenvragen
Vraag 1: Geef twee plaatsisomeren met brutoformule C5H10 en teken hun structuurformules. Antwoord:1-penteen: CH2=CH-CH2-CH2-CH3
2-penteen: CH3-CH=CH-CH2-CH3
Omdat elk C-atoom in de dubbele binding twee verschillende groepen draagt (H en Cl), zijn zowel een cis-configuratie (beide Cl aan dezelfde zijde) als een trans-configuratie (Cl's aan tegengestelde zijden) mogelijk. Strucuren: Cis: H Cl \ / C==C / \ Cl H Trans: H Cl \ / C==C / \ Cl H
--- Vraag 3: D-glucose heeft vier chirale centra. Hoeveel optische isomeren (stereoisomeren) zijn er theoretisch mogelijk binnen de aldohexosen? Antwoord:Er zijn vier chirale centra, dus mogelijke stereoisomeren binnen deze klasse van verbindingen.
--- Vraag 4: Beschrijf het verschil tussen ketenisomerie en functie-isomerie aan de hand van C4H10O. Antwoord:Ketenisomerie: Verschil in vertakking van het koolstofskelet, bijvoorbeeld butanol (rechtlijnig) en 2-methylpropanol (vertakt), beide alcoholen.
Functie-isomerie: Verschil in functionele groep, bijvoorbeeld butanol (alcohol, C4H9OH) versus ethers zoals methoxypropaan (C3H7OCH3).
Nee, bij 1-butene is één van de C-atomen van de dubbele binding verbonden met twee waterstofatomen, waardoor niet aan de eis van twee verschillende groepen per C-atoom voldaan is. Hierdoor is cis-trans-isomerie niet mogelijk.
---