Размышляя о том, в каком порядке могут быть соединены атомы углерода, водорода и кислорода в трёх известных тогда химикам бутиловых спиртах (все они имеют одинаковую формулу С4Н9ОН), Бутлеров пришёл к выводу, что должен существовать ещё один, четвёртый бутиловый спирт. И своё смелое теоретическое предположение Бутлеров подтвердил экспериментально: он синтезировал «четвёртый спирт», который имел тот же состав, но сильно отличался по свойствам от трёх известных! Это были уже знакомые нам изомеры, то есть вещества одинакового состава, но разного строения.
Распишите более детально строение всех четырёх спиртов, указав все связи между всеми атомами, и убедитесь, что пятого структурного изомера быть не может. Именно структурного, так как один из бутиловых спиртов обладает оптической изомерией, поэтому для него возможны две зеркально-симметричные структуры с разными оптическими свойствами.
Найдите такую молекулу и сделайте из пластилина и спичек модели двух её антиподов (в такой молекуле должен быть асимметрический атом углерода, соединённый с четырьмя разными заместителями, причём в качестве заместителя могут выступать также метильная СН3 и этильная С2Н5 группы). Со временем химики, используя различные физико-химические методы, сумели установить строение большинства известных им соединений.
Можно предложить такую игру «в изомеры»: кто раньше и за какое время нарисует все изомеры какого-нибудь предельного углеводорода и сосчитает число этих изомеров.
Предельные углеводороды — это вещества, состоящие из углерода и водорода с общей формулой СиН2я+2. При этом валентность всех атомов углерода равна 4, а всех атомов водорода равна 1. Когда п= 1, получаем вещество СН4 — метан, никаких изомеров у него нет. Когда п = 2 и 3, получаем также не имеющие изомеров вещества С2Нб (этан) и С3Н8 (пропан).
А вот следующий углеводород бутан С4Н10 уже не единственный: существует два изомера с такой же формулой (вы легко нарисуете их, используя чёрточки-валентности между атомами).
Один из них — так называемый нормальный бутан, сокращённо его формулу химики записывают так: СН3-СН2-СН2-СН3 (или в ещё более сжатом виде СН3СН2СН2СН3). Второй изомер называется изобутаном и имеет строение (при записи в сжатом виде) (СН3)2СНСН3.
В этой записи группа СН3 в скобках означает, что две такие группы присоединены к следующему атому углерода, к группе СН. Предупреждение: не следует даже пытаться пересчитать число изомеров для больших значений n (хотя химики прошлого именно так и поступали и нередко ошибались).
Это подтверждает следующая таблица. Таким образом, уже для углеводорода с n = 40 число изомеров превысило 62 триллиона.
У дононаконтагектана С192Н386 число изомеров (более 2,6 • 1080) превышает число элементарных частиц — протонов, нейтронов и электронов во Вселенной!
А для углеводорода С167Н336 невозможно синтезировать все его изомеры, так как для этого во всей Вселенной не хватит вещества…
Кстати, математики доказали, что не существует формулы, позволяющей рассчитать число изомеров углеводорода, зная только число атомов углерода в нём. Как же определили все приведённые в таблице числа? Ответ на этот вопрос очень далеко увёл бы нас от химии.
Отметим только, что для определения числа изомеров данного углеводорода необходимо знать число изомеров всех предыдущих!
Впервые явление изомерии было обнаружено среди неорганических веществ. В 1824 году молодой немецкий химик Фридрих Вёлер (1800-1882) провёл анализ серебряной соли циановой кислоты — цианата серебра.
Он определил процентное содержание в ней водорода, углерода, азота и кислорода. По данным анализа у него получилась формула HCNO.
Год спустя Юстус Либих проанализировал серебряную соль другой кислоты — фульминовой.
Он обнаружил нечто поразительное: результаты анализов для двух кислот в точности совпали. По этому поводу между двумя химиками завязалась переписка, которая привела к личному знакомству, перешедшему в дружбу.
Конечно, сначала у обоих химиков возникла мысль, что кто-то из них ошибся при анализе, поскольку свойства обеих солей были совершенно разными.
Например, фульминат серебра — взрывчатое соединение (недаром другое название этой кислоты — гремучая), тогда как цианат серебра не взрывается.
Впоследствии выяснилось, что причина различия в свойствах — в разном расположении атомов в двух молекулах: HNCO для циановой кислоты и HOCN для гремучей кислоты. Но природа преподнесла учёным ещё одну, на этот раз более трудную загадку.
Оказалось, что существуют разные вещества, молекулы которых построены из одних и тех же атомов — и атомы эти связаны в молекулах в одном и том же порядке. Тем не менее свойства этих веществ различаются.
Молекулы таких веществ тоже изомерны, но при этом два изомера отличаются как предмет и его отражение в зеркале.
Изомерию такого вида назвали оптической.