Содержание
Изомеры состоят из одинаковых формул, но разных структур или пространственных расположений. Они встречаются в природе, но вызывают особый интерес к органической химии - изучению соединений углерода - из-за большого разнообразия экономически важных органических молекул. Ученые пытались математически вывести количество изомеров органических молекул с линейной цепью, называемых алканами, но не нашли простой связи между количеством изомеров и количеством углерода. Тем не менее, вычислительные программы, которые разлагают алкановые структуры на фрагменты, легче работать с хорошими результатами.
Типы изомеров
Два типа изомеров являются структурными и оптическими. Структурные изомеры имеют различное расположение атомов или небольших кластеров атомов, называемых функциональными группами. Эти изомеры являются результатом различий в разветвлениях молекул и расположении функциональных групп. Оптические изомеры, или стереоизомеры, структурно идентичны, но отличаются пространственно-геометрическим положением атомов и функциональных групп. Примеры оптических изомеров включают зеркальные изображения и молекулы, которые вращаются в противоположных направлениях.
Встречайте алканы
Алканы представляют собой цепочки атомов углерода (C) и водорода (H), расположенные так, что на каждые n атомов углерода приходится 2n + 2 водорода. Они происходят в основном из природного газа и сырой нефти. Углерод в алканах образует цепи, в которых каждый углерод связывается с четырьмя другими атомами связями C-C или C-H. Линейные или ациклические алканы не образуют колец. Самый простой алкан - это метан, CH4. Те, у кого четыре или более атомов углерода, могут образовывать структурные изомеры, а те, у кого семь или более атомов углерода, также могут образовывать оптические изомеры. Некоторые изомеры "стерически неблагоприятны", что означает, что их образование маловероятно, потому что им нужно много энергии, чтобы оставаться стабильным.
Подсчет изомеров
Роберт Патон и Джонатан Гудман из Кембриджского университета предлагают бесплатное приложение под названием IsoCount, которое рассчитывает количество структурных и оптических изомеров любого ациклического алкана. Вы просто вводите количество алкановых углеродов, и программа раскрывает количество структурных и оптических изомеров, сообщая вам, сколько стерически неблагоприятно. Программа использует алгоритм, который в интерактивном режиме исследует часть алкана, чтобы получить количество изомеров. Например, если ввести число семь, программа сообщает, что алкан C7H16 имеет девять структурных и два оптических изомера.
Нестабильные алканы
Алканы, имеющие 16 и 17 атомов углерода, не являются стабильными соединениями и быстро диссоциируют при комнатной температуре. C17 не существует, и C16 может образовываться быстро только при очень низких температурах. Некоторые алканы с более крупными цепями также нестабильны. Программа IsoCount считает углеродные фрагменты нестабильными при сообщении их результатов. Число изомеров быстро растет с увеличением количества атомов углерода. Авторы IsoCount считают, что изомеры 167-углеродного алкана опередили бы количество частиц во Вселенной.