Структурна ізомерія і підрахунок ізомерів
~20 хв · 9 розділів · 13 тестових запитань
Розпізнавати структурні ізомери серед пар формул, визначати вид ізомерії та систематично перебирати всі ізомери алканів C₄H₁₀–C₆H₁₄, алкенів C₄H₈, спиртів C₄H₉OH, кислот і естерів C₃H₆O₂ — навичка, яка дає числову відповідь на НМТ.
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:
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.
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
Нерозгалужений ланцюг з усіх n атомів Карбону.
Ланцюг з n − 1 атомів і одна група CH₃ біля 2-го, 3-го… атома — до середини ланцюга.
Ланцюг з n − 2 атомів і дві групи CH₃ (біля одного чи різних атомів) або одна група C₂H₅ не ближче 3-го атома.
Назвати кожну структуру за систематичною номенклатурою й викреслити повтори.
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
Молекулярна формула | Кількість ізомерів | Назви ізомерів |
|---|---|---|
C₄H₁₀ | 2 | бутан, 2-метилпропан |
C₅H₁₂ | 3 | пентан, 2-метилбутан, 2,2-диметилпропан |
C₆H₁₄ | 5 | гексан, 2-метилпентан, 3-метилпентан, 2,2-диметилбутан, 2,3-диметилбутан |
C₇H₁₆ | 9 | для довідки (напам'ять учити не треба — число можна вивести перебором) |
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
Склад | Клас | Кількість ізомерів |
|---|---|---|
C₄H₁₀ | алкани | 2 |
C₅H₁₂ | алкани | 3 |
C₆H₁₄ | алкани | 5 |
C₄H₈ | алкени | 3 |
C₃H₇OH | спирти | 2 |
C₄H₉OH | спирти | 4 |
C₃H₆O₂ | кислоти й естери | 3 |
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:
Нерозгалужений ланцюг C₄: OH при 1-му C — бутан-1-ол.
Нерозгалужений ланцюг C₄: OH при 2-му C — бутан-2-ол.
Ланцюг C₃ з CH₃ при 2-му C: OH при 1-му C — 2-метилпропан-1-ол.
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.
Чому на питання «скільки ізомерів має 2-метилбутан» відповідь 2, а не 3?
Бо питають про ізомери речовини X, а не про всі речовини складу. 2-метилбутан — це одна з трьох речовин складу C₅H₁₂ (пентан, 2-метилбутан, 2,2-диметилпропан). Коли питають «скільки ізомерів має 2-метилбутан», мають на увазі: скільки інших речовин того самого складу, крім нього самого. Відповідь: 3 − 1 = 2. Якби питали «скільки ізомерів складу C₅H₁₂», відповідь була б 3.
Як переконатися, що дві намальовані формули — не одна й та сама речовина?
Дай кожній формулі систематичну назву за правилами номенклатури. Якщо назви збігаються — це одна речовина. Наприклад, CH₃–CH₂–CH(CH₃)–CH₃ і CH₃–CH(CH₃)–CH₂–CH₃ — обидва 2-метилбутан. Ще один спосіб: вирівняй найдовший ланцюг атомів C і пронумеруй його так, щоб замісники отримали найменші номери. Якщо після нумерації виходить та сама назва — це одна молекула.
Чому метильну групу не можна ставити біля першого атома Карбону?
Бо тоді головний ланцюг подовжується, і структура збігається з уже знайденою. Наприклад, якщо до ланцюга з чотирьох атомів C (бутан) приєднати CH₃ біля першого атома, то найдовший ланцюг стане з п'яти атомів C — це пентан, який ми вже порахували на першому кроці. Те саме з етильною групою C₂H₅ біля другого атома: «2-етилпропан» — це насправді 2-метилбутан (ланцюг з чотирьох атомів C із замісником CH₃ при другому).
Чи є ізомерами пропанова кислота й метилетаноат, якщо це різні класи?
Так, це міжкласова ізомерія. Пропанова кислота CH₃–CH₂–COOH і метилетаноат CH₃–COO–CH₃ мають однаковий молекулярний склад C₃H₆O₂, але належать до різних класів — карбонових кислот та естерів відповідно. Їхні хімічні властивості різні: кислота реагує з карбонатами й змінює забарвлення індикаторів, а естери — ні. Разом із етилметаноатом H–COO–C₂H₅ вони утворюють три ізомери складу C₃H₆O₂.
Чи треба пам'ятати кількість ізомерів гептану й більших алканів?
Ні, програма НМТ вимагає вміти перебирати ізомери, а не запам'ятовувати їхню кількість. Ти маєш володіти алгоритмом n → n − 1 → n − 2 і застосувати його до будь-якого алкану, який дадуть в умові. Для довідки: C₇H₁₆ має 9 ізомерів, але це число не треба вчити напам'ять — його можна вивести перебором. Числа для C₄H₁₀ (2), C₅H₁₂ (3) і C₆H₁₄ (5) корисно пам'ятати, щоб перевіряти себе під час перебору.
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.