Зміст
Ізомери складаються з ідентичних формул, але різних структур або просторових механізмів. Вони зустрічаються в природі, але викликають особливий інтерес до органічної хімії - вивчення вуглецевих сполук - через широкий спектр економічно важливих органічних молекул. Вчені намагалися математично вивести число ізомерів органічних лінійних ланцюгових молекул, званих алканами, але не виявили простої залежності між кількістю ізомерів і кількістю вуглецю. Проте обчислювальні програми, які розкладають алканові структури на фрагменти, легше працювати з хорошими результатами.
Типи ізомерів
Два типи ізомерів є структурними і оптичними. Структурні ізомери мають різні розташування атомів або малих кластерів атомів, званих функціональними групами. Ці ізомери виникають внаслідок відмінностей у розгалуженнях молекул і способу розташування функціональних груп. Оптичні ізомери або стереоізомери структурно ідентичні, але відрізняються просторовим геометричним положенням атомів і функціональних груп. Приклади оптичних ізомерів включають дзеркальні зображення і молекули, які обертаються в протилежних напрямках.
Знайомтеся з алканами
Алкани - це ланцюги атомів вуглецю (C) і водень (H), розташовані так, що для кожного n атомів вуглецю є 2n + 2 водню. Вони походять переважно з природного газу та нафти. Вуглець в алканах утворює ланцюги, в яких кожен вуглець зв'язується з чотирма іншими атомами за допомогою зв'язків C-C або C-H. Лінійні або ациклічні алкани не утворюють кілець. Найпростішим алканом є метан, CH4. Ті з чотирма або більше атомами вуглецю можуть утворювати структурні ізомери, а ті з семи або більше атомами вуглецю можуть також утворювати оптичні ізомери. Деякі ізомери є "стерично несприятливими", що означає, що їх утворення малоймовірно, оскільки їм потрібно багато енергії, щоб залишатися стабільними.
Підрахунок ізомерів
Роберт Патон і Джонатан Гудман з Кембриджського університету пропонують безкоштовну програму, яка називається IsoCount, яка розраховує кількість структурних і оптичних ізомерів будь-якого ациклічного алкана. Ви просто набираєте кількість алканових вуглеців, і програма розкриває кількість структурних і оптичних ізомерів, що говорить вам, скільки їх стерично несприятливі. Програма використовує алгоритм, який інтерактивно вивчає частину алкана для отримання кількості ізомерів. Наприклад, якщо ви введете сім, програма повідомляє, що алкан C7H16 має дев'ять структурних і двох оптичних ізомерів.
Нестабільні алкани
Алкани з 16 і 17 атомами вуглецю не є стабільними сполуками і швидко дисоціюють при кімнатній температурі. C17 не існує, і C16 може швидко формуватися тільки при дуже низьких температурах. Деякі алкани більших ланцюгів також нестійкі. Програма IsoCount вважає вуглецеві фрагменти нестійкими при повідомленні про їх результати. Число ізомерів швидко зростає з кількістю атомів вуглецю. Автори IsoCount оцінюють, що ізомери 167-вуглецевого алкану будуть випереджати кількість частинок у Всесвіті.