Структурна ізомерія і підрахунок ізомерів

Уявімо, що з однакового набору цеглинок — чотирьох атомів Карбону й десяти атомів Гідрогену — можна скласти дві різні конструкції. В органічній хімії це явище називають ізомерією, а самі речовини — ізомерами. Ізомери мають однаковий якісний і кількісний склад (однакову молекулярну формулу й відносну молекулярну масу), але різну хімічну будову, а тому й різні фізичні та хімічні властивості.

Програма НМТ вимагає лише структурної ізомерії — тобто різного порядку сполучення атомів у молекулі. Просторову (стерео-) ізомерію на НМТ не питають.

Як перевірити, чи є дві речовини ізомерами

Застосовуй двокрокову перевірку:

1. Чи збігається молекулярна формула? Якщо ні — це не ізомери. Наприклад, бутан C₄H₁₀ і бут-1-ен C₄H₈ мають різну кількість атомів Гідрогену, тому вони не ізомери.

2. Чи різна будова? Якщо обидві формули мають ту саму систематичну назву — це одна й та сама речовина, записана інакше.

Найпоширеніша пастка — вважати ізомером ту саму молекулу, просто намальовану з вигином ланцюга або прочитану з іншого кінця. Поглянь на два записи:

CH₃–CH(CH₃)–CH₂–CH₃ і CH₃–CH₂–CH(CH₃)–CH₃

Обидва — 2-метилбутан. Це одна речовина, а не два ізомери.

Ізомери й гомологи — не плутай

Ізомери мають однаковий склад: пентан C₅H₁₂ і 2-метилбутан C₅H₁₂ — ізомери. Гомологи належать до одного класу й відрізняються на одну або кілька груп CH₂: пентан C₅H₁₂ і бутан C₄H₁₀ — гомологи, а не ізомери.

Дві форми питання на НМТ

Уважно читай, про що саме питають:

• «Скільки структурних ізомерів має речовина X» — рахують інші структури того самого складу, без самої X. Наприклад, 2-метилбутан має 2 ізомери (пентан і 2,2-диметилпропан). Саме таке питання було в демоваріанті НМТ-2026, завдання 21.2.

• «Скільки ізомерів складу C₅H₁₂» або «скільки існує речовин складу…» — рахують усі структури разом. Для C₅H₁₂ це 3 (пентан, 2-метилбутан, 2,2-диметилпропан).

Різниця критична: у першому випадку відповідь на одиницю менша, ніж у другому.

Структурна ізомерія буває кількох видів. На НМТ перевіряють чотири основні типи: ізомерію карбонового ланцюга, ізомерію положення кратного зв'язку, ізомерію положення функціональної групи та міжкласову ізомерію. Розгляньмо кожен з них.

Ізомерія карбонового ланцюга

Атоми Карбону можуть сполучатися в нерозгалужений ланцюг або утворювати розгалуження. Наприклад, бутан C₄H₁₀ існує у двох формах:

• CH₃–CH₂–CH₂–CH₃ — бутан (нерозгалужений ланцюг)

• CH₃–CH(CH₃)–CH₃ — 2-метилпропан (розгалужений ланцюг)

Обидві речовини мають склад C₄H₁₀, але різну будову карбонового скелета — це ізомери карбонового ланцюга. Те саме стосується алкенів: бут-1-ен CH₂=CH–CH₂–CH₃ і 2-метилпроп-1-ен CH₂=C(CH₃)–CH₃ — ізомери ланцюга.

Ізомерія положення кратного зв'язку

Коли ланцюг однаковий, а подвійний або потрійний зв'язок розташований біля різних атомів Карбону, виникають ізомери положення кратного зв'язку. Приклади:

• Бут-1-ен CH₂=CH–CH₂–CH₃ і бут-2-ен CH₃–CH=CH–CH₃ — ізомери положення подвійного зв'язку.

• Бут-1-ин CH≡C–CH₂–CH₃ і бут-2-ин CH₃–C≡C–CH₃ — ізомери положення потрійного зв'язку.

Ізомерія положення функціональної групи

Функціональна група (OH, NH₂, COOH тощо) може приєднуватися до різних атомів Карбону в ланцюзі. Наприклад, спирти складу C₃H₇OH:

• Пропан-1-ол CH₃–CH₂–CH₂–OH — група OH при 1-му атомі C.

• Пропан-2-ол CH₃–CH(OH)–CH₃ — група OH при 2-му атомі C.

Це ізомери положення функціональної групи.

Міжкласова ізомерія

Речовини з однаковим складом можуть належати до різних класів органічних сполук. Найважливіший приклад для НМТ — склад C₃H₆O₂, якому відповідають:

• Пропанова кислота CH₃–CH₂–COOH (клас карбонових кислот)

• Метилетаноат CH₃–COO–CH₃ (клас естерів)

• Етилметаноат H–COO–C₂H₅ (клас естерів)

Кислота й естери мають різні хімічні властивості: кислота реагує з карбонатами (виділяється CO₂) і змінює забарвлення індикаторів, а естери — ні. Це міжкласова ізомерія.

Межі програми НМТ

Програма НМТ охоплює лише структурну ізомерію. Циклоалкани (наприклад, циклопропан C₃H₆) не входять до програми, тому, рахуючи ізомери, беруть сполуки лише названого класу: «ізомерних алкенів», «спиртів», «кислот і естерів» такого складу. Якщо в завданні сказано «ізомерні алкени складу C₄H₈», циклоалкани не враховують.

Алкани — найпростіший клас для відпрацювання навички підрахунку ізомерів, бо в них немає кратних зв'язків чи функціональних груп — лише карбоновий скелет. Засвоївши алгоритм для алканів, ти легко впораєшся й з іншими класами.

Алгоритм перебору

1. Нерозгалужений ланцюг з усіх n атомів Карбону.

2. Ланцюг з n − 1 атомів і одна група CH₃ біля 2-го, 3-го… атома — до середини ланцюга.

3. Ланцюг з n − 2 атомів і дві групи CH₃ (біля одного чи різних атомів) або одна група C₂H₅ не ближче 3-го атома.

4. Назвати кожну структуру за систематичною номенклатурою й викреслити повтори.

5. Дописати атоми Гідрогену, щоб переконатися, що формула збігається.

Чому не можна ставити замісник скрізь

Якщо поставити групу CH₃ біля крайнього (першого) атома Карбону, головний ланцюг подовжується — і виходить уже знайдена структура. Наприклад, «1-метилбутан» — це насправді пентан (ланцюг із п'яти атомів C). Так само «2-етилпропан» — це 2-метилбутан, бо етильна група C₂H₅ біля другого атома робить головний ланцюг довшим.

Результати для ключових алканів

Симетрія ланцюга

У пентановому ланцюзі положення 2 і 4 рівноцінні, тому назва «4-метилпентан» — це той самий 2-метилпентан, записаний з іншого кінця. Завжди нумеруй ланцюг так, щоб замісник отримав найменший номер.

Для C₆H₁₄: дві групи CH₃ на бутановому ланцюзі (n − 2 = 4) дають лише два варіанти — 2,2-диметилбутан (обидві групи при 2-му атомі) і 2,3-диметилбутан (групи при 2-му та 3-му атомах). Варіант 2,4-диметилбутан неможливий, бо це подовжило б ланцюг.

Перевірка

Після перебору переконайся, що всі знайдені структури мають ту саму молекулярну формулу, а їхні назви не повторюються. Якщо дві назви описують одну й ту саму сполуку (наприклад, «2-метилпентан» і «4-метилпентан»), залиш одну.

Коли в молекулі з'являється кратний зв'язок або функціональна група, кількість ізомерів зростає, бо до варіантів карбонового ланцюга додаються варіанти положення цього зв'язку чи групи.

Алкени C₄H₈

Для алкенів спершу перебирають варіанти ланцюга, а потім на кожному ланцюзі — положення подвійного зв'язку. Нумерацію починають від того кінця, до якого подвійний зв'язок ближче.

Склад C₄H₈ дає три структурні ізомери-алкени:

• Бут-1-ен CH₂=CH–CH₂–CH₃

• Бут-2-ен CH₃–CH=CH–CH₃

• 2-метилпроп-1-ен CH₂=C(CH₃)–CH₃

Зверни увагу: «бут-3-ен» — це той самий бут-1-ен, лише нумерований з іншого кінця. Тому четвертого ізомеру немає.

Спирти

Група OH може пересуватися по кожному варіанту карбонового ланцюга. Для C₃H₇OH існує два ізомери:

• Пропан-1-ол CH₃–CH₂–CH₂–OH

• Пропан-2-ол CH₃–CH(OH)–CH₃

Для C₄H₉OH — чотири ізомери:

• Бутан-1-ол CH₃–CH₂–CH₂–CH₂–OH

• Бутан-2-ол CH₃–CH₂–CH(OH)–CH₃

• 2-метилпропан-1-ол (CH₃)₂CH–CH₂–OH

• 2-метилпропан-2-ол (CH₃)₃C–OH

Найчастіше помиляються, пропускаючи 2-метилпропан-2-ол (третинний спирт) або рахуючи лише нерозгалужений ланцюг.

Кислоти й естери C₃H₆O₂

Склад C₃H₆O₂ охоплює одразу два класи — карбонові кислоти й естери. Їх перебирають, розподіляючи атоми Карбону між кислотною та спиртовою частинами естеру:

• Пропанова кислота CH₃–CH₂–COOH (3 атоми C у кислоті)

• Метилетаноат CH₃–COO–CH₃ (2 атоми C у кислоті + 1 у спирті)

• Етилметаноат H–COO–C₂H₅ (1 атом C у кислоті + 2 у спирті)

Разом — 3 ізомери. Важливо не пропустити жодного з естерів: метилетаноат і етилметаноат — різні речовини.

Таблиця чисел для перевірки

Розв'яжемо кілька типових завдань НМТ на структурну ізомерію. Кожен приклад супроводжується покроковим поясненням.

Приклад 1. Вибір ізомерів серед пар речовин

Завдання: Які речовини є структурними ізомерами?

А) пентан і 2,2-диметилпропан Б) пентан і пент-1-ен В) 2-метилбутан і CH₃–CH₂–CH(CH₃)–CH₃ Г) бутан і пентан

Розв'язання:

Перевіряємо кожну пару за двокроковою перевіркою.

• А) Пентан C₅H₁₂ і 2,2-диметилпропан C₅H₁₂ — однаковий склад, різна будова. Це ізомери.

• Б) Пентан C₅H₁₂ і пент-1-ен C₅H₁₀ — різний склад (різна кількість H). Не ізомери.

• В) 2-метилбутан і CH₃–CH₂–CH(CH₃)–CH₃ — обидва записи описують 2-метилбутан. Це одна речовина.

• Г) Бутан C₄H₁₀ і пентан C₅H₁₂ — різний склад, гомологи. Не ізомери.

Відповідь: А.

Чому інші варіанти неправильні: у Б склад різний (C₅H₁₂ і C₅H₁₀); у В — та сама речовина; у Г — гомологи, а не ізомери.

Приклад 2. Скільки ізомерів має речовина

Завдання: Скільки структурних ізомерів має 3-метилпентан?

Розв'язання:

3-метилпентан — це алкан складу C₆H₁₄. Усіх ізомерів складу C₆H₁₄ — 5: гексан, 2-метилпентан, 3-метилпентан, 2,2-диметилбутан, 2,3-диметилбутан. Питання «скільки ізомерів має 3-метилпентан» означає: скільки інших речовин того самого складу, крім нього самого. Тому з 5 віднімаємо 1 (сам 3-метилпентан).

Відповідь: 4.

Пастка: відповідь 5 — це коли порахували й сам 3-метилпентан або додали «4-метилпентан» (той самий 2-метилпентан, записаний з іншого кінця).

Приклад 3. Скільки існує спиртів заданого складу

Завдання: Скільки існує спиртів складу C₄H₉OH?

Розв'язання:

Питають про склад, тому рахують усі структури. Перебираємо:

1. Нерозгалужений ланцюг C₄: OH при 1-му C — бутан-1-ол.

2. Нерозгалужений ланцюг C₄: OH при 2-му C — бутан-2-ол.

3. Ланцюг C₃ з CH₃ при 2-му C: OH при 1-му C — 2-метилпропан-1-ол.

4. Ланцюг C₃ з CH₃ при 2-му C: OH при 2-му C — 2-метилпропан-2-ол.

Відповідь: 4.

Пастки: відповідь 2 — лише нерозгалужений ланцюг; відповідь 3 — пропустили 2-метилпропан-2-ол.

Приклад 4. Ізомер пропанової кислоти

Завдання: Ізомером пропанової кислоти є:

А) етанова кислота Б) пропан-1-ол В) метилетаноат Г) пропаналь

Розв'язання:

Пропанова кислота має склад C₃H₆O₂. Шукаємо речовину з таким самим складом, але іншою будовою.

• А) Етанова кислота CH₃COOH — склад C₂H₄O₂, гомолог. Не підходить.

• Б) Пропан-1-ол C₃H₈O — інший склад (більше H). Не підходить.

• В) Метилетаноат CH₃–COO–CH₃ — склад C₃H₆O₂, естер. Це ізомер (міжкласова ізомерія).

• Г) Пропаналь C₃H₆O — інший склад (менше O). Не підходить.

Відповідь: В.

Чому інші неправильні: етанова кислота — гомолог (різний склад на CH₂); пропан-1-ол і пропаналь мають інші молекулярні формули.

Приклад 5. Ізомерні алкени

Завдання: Скільки структурних ізомерів-алкенів має бут-1-ен?

Розв'язання:

Бут-1-ен — алкен складу C₄H₈. Усіх структурних ізомерів-алкенів складу C₄H₈ — 3: бут-1-ен, бут-2-ен, 2-метилпроп-1-ен. Питання «скільки ізомерних алкенів має бут-1-ен» — рахуємо інші, без самого бут-1-ену.

Відповідь: 2.

Пастки: відповідь 3 — порахували й сам бут-1-ен; відповідь 4 — додали «бут-3-ен», який є тим самим бут-1-еном, нумерованим з іншого кінця.

На НМТ з хімії завдання на ізомерію вважають одними з найскладніших саме через типові помилки. Розбери їх заздалегідь, щоб не втратити бали.

• Рахувати ту саму молекулу з іншим вигином ланцюга чи прочитану з іншого кінця як новий ізомер. Наприклад, CH₃–CH₂–CH(CH₃)–CH₃ і CH₃–CH(CH₃)–CH₂–CH₃ — це один 2-метилбутан. Завжди давай кожній структурі систематичну назву — повтори стануть очевидними.

• Ставити CH₃ біля крайнього атома чи C₂H₅ біля другого атома ланцюга й отримувати вже знайдену структуру. «1-метилбутан» — це пентан, «2-етилпропан» — це 2-метилбутан. Замісник не може бути при 1-му атомі, бо тоді головний ланцюг подовжується.

• У питанні «скільки ізомерів має X» рахувати й саму речовину X, а в питанні про склад — пропускати нерозгалужену структуру. Перше: «скільки ізомерів має 2-метилбутан» → 2 (без нього). Друге: «скільки ізомерів складу C₅H₁₂» → 3 (усі, включно з пентаном).

• Перебираючи алкени чи спирти, змінювати лише ланцюг і забувати про положення подвійного зв'язку чи групи OH. Наприклад, для C₄H₉OH спершу перебирають ланцюги (нерозгалужений C₄ і розгалужений C₃ з CH₃), а на кожному — положення OH.

• Вважати ізомерами речовини з різною кількістю атомів H: бутан C₄H₁₀ і бут-1-ен C₄H₈. Перший крок перевірки — молекулярна формула. Якщо вона різна, це не ізомери.

• Вважати метилетаноат і етилметаноат однією речовиною або пропускати один з естерів складу C₃H₆O₂. Це дві різні сполуки: у метилетаноаті CH₃–COO–CH₃ кислотний залишок — етанова кислота (2C), а спиртова частина — метанол (1C); в етилметаноаті H–COO–C₂H₅ кислотний залишок — метанова кислота (1C), а спиртова частина — етанол (2C).

Завдання на структурну ізомерію можуть бути в НМТ у двох форматах: вибір однієї відповіді з чотирьох (завдання 1–18) і коротка відповідь числом (структуроване завдання 21, як частина 21.2 у демоваріанті НМТ-2026). Пари «речовини — вид ізомерії» можуть трапитися й у завданнях на відповідність (19–20).

Формат демоваріанту НМТ-2026

У демоваріанті НМТ-2026 завдання 21 — структуроване, з двома частинами:

• Частина 21.1 — обчислити відносну молекулярну масу алкану (1 бал).

• Частина 21.2 — визначити кількість структурних ізомерів цього алкану (1 бал).

Частини оцінюють окремо, разом можна отримати 0, 1 або 2 бали. Відповідь у завданні з короткою відповіддю — число, яке вписують у спеціальне поле. Вгадати його не можна, на відміну від вибору з чотирьох варіантів.

Місце теми в програмі НМТ

Тема 3.1 програми НМТ вимагає: пояснювати суть структурної ізомерії, наводити приклади структурних ізомерів різних класів, визначати ізомери. У завданнях 1–18 (вибір однієї з чотирьох, 1 бал) можуть запропонувати пару речовин і запитати, чи є вони ізомерами, або запропонувати знайти ізомер серед кількох варіантів. У демоваріанті № 14 одне з тверджень стосується ізомерії алкену.

Усі короткі відповіді разом дають 8 з 32 тестових балів, тому помилка в підрахунку ізомерів коштує відчутної частки результату.

Стратегія виконання

Перебирай структури в чернетці за алгоритмом n → n − 1 → n − 2, підписуй кожну назвою й викреслюй повтори. Перед записом числа ще раз прочитай, про що питають — про ізомери речовини X чи про всі речовини складу. Це найважливіше: одна буква в умові змінює відповідь на одиницю.

• Ізомери — речовини з однаковою молекулярною формулою, але різною будовою й різними властивостями.

• Види структурної ізомерії: карбонового ланцюга, положення кратного зв'язку, положення функціональної групи, міжкласова (кислоти й естери).

• Алгоритм перебору: ланцюг n → n − 1 → n − 2, кожну структуру назвати, повтори викреслити.

• Запам'ятай числа: C₄H₁₀ — 2, C₅H₁₂ — 3, C₆H₁₄ — 5; алкенів C₄H₈ — 3; спиртів C₄H₉OH — 4; кислот і естерів C₃H₆O₂ — 3.

• «Ізомерів речовини X» — без X; «ізомерів складу CₙHₘ» — усі структури.