Зміст
Ізомери складаються з однаковими формулами, але різними структурами або просторовими розташуваннями. Вони трапляються в природі, але викликають особливий інтерес до органічної хімії - вивчення сполук вуглецю - через широке розмаїття економічно важливих органічних молекул. Вчені намагалися математично вивести кількість ізомерів органічних прямоланцюгових молекул, які називаються алканами, але не виявили простої залежності між кількістю ізомерів та кількістю вуглецю. Однак комп’ютерні програми, які розщеплюють алканові структури на фрагменти, з якими легше працювати, мають хороші результати.
Види ізомерів
Два типи ізомерів бувають структурними та оптичними. Структурні ізомери мають різне розташування атомів або невеликі скупчення атомів, які називаються функціональними групами. Ці ізомери є результатом відмінностей у розгалуженні молекул та способі розташування функціональних груп. Оптичні ізомери, або стереоізомери, структурно однакові, але відрізняються просторовим геометричним положенням атомів і функціональних груп. Приклади оптичних ізомерів включають дзеркальні зображення та молекули, які обертаються в протилежних напрямках.
Зустріньте алкани
Алкани - це ланцюги атомів вуглецю (С) та водню (Н), розташовані таким чином, що на кожні n атомів вуглецю припадає 2n + 2 водню. Вони походять головним чином із природного газу та сирої нафти. Вуглець в алканах утворює ланцюги, в яких кожен вуглець пов’язаний з чотирма іншими атомами зв’язками C-C або C-H. Лінійні або ациклічні алкани не утворюють кілець. Найпростіший алкан - метан, CH4. Ті, у кого чотири або більше атомів вуглецю, можуть утворювати структурні ізомери, а ті, що мають сім і більше вуглеців, також можуть утворювати оптичні ізомери. Деякі ізомери є "стерично несприятливими", тобто їх утворення малоймовірне, оскільки їм потрібно багато енергії, щоб залишатися стабільними.
Підрахунок ізомерів
Роберт Патон та Джонатан Гудман з Кембриджського університету пропонують безкоштовну програму під назвою IsoCount, яка обчислює кількість структурних та оптичних ізомерів будь-якого ациклічного алкану. Ви просто вводите кількість вуглецю в алкані, і програма знаходить кількість структурних та оптичних ізомерів, кажучи, скільки стерично несприятливих. Програма використовує алгоритм, який інтерактивно вивчає частину алкану для отримання кількості ізомерів. Наприклад, якщо ввести сім, програма повідомляє, що алкан C7H16 має дев'ять структурних та два оптичних ізомеру.
Нестійкі алкани
Алкани з вмістом вуглецю 16 і 17 не є стабільними сполуками і швидко дисоціюють при кімнатній температурі. С17 не існує, і С16 може швидко утворюватися лише при дуже низьких температурах. Деякі алкани вищих ланцюгів також нестійкі. Програма IsoCount вважає уламки вуглецю нестійкими при звітуванні про свої результати. Кількість ізомерів швидко зростає із збільшенням кількості вуглецю. Автори IsoCount підрахували, що ізомери 167-вуглецевого алкану перевищуватимуть кількість частинок у Всесвіті.