Autor: Peter Pančík
Publikované dňa:
Citácia: PANČÍK, Peter. 2025. Chempedia.sk: Štruktúra organických látok. [cit. 2025-04-02]. Dostupné na internete: <https://chempedia.sk/organicka-chemia/struktura-organickych-latok>.
Štruktúra organických látok je určená spôsobom, akým sú jednotlivé atómy v molekule navzájom viazané (poradie a typ väzieb) a ich priestorovým usporiadaním. Organická chémia, ako chémia uhľovodíkov a ich derivátov, kladie na štruktúru molekúl zásadný dôraz, pretože od nej priamo závisia ich vlastnosti a reaktivita.
Organické látky vykazujú rôzne úrovne štruktúry, ktoré opisujú usporiadanie atómov v čoraz detailnejšom meradle:
- konštitúcia – určuje, ktoré atómy sú spojené a akým typom väzby. Ide o poradie atómov a druhy väzieb v molekule (napr. jednoduché, dvojité)
- konfigurácia – určuje pevné priestorové usporiadanie atómov, ktoré sa dá zmeniť iba pretrhnutím väzieb (napr. cis–trans izoméria, chiralita)
- konformácia – určuje prechodné priestorové usporiadanie, ktoré vzniká rotáciou okolo jednoduchých väzieb, bez trhania väzieb (napr. stoličková forma cyklohexánu)
V súvislosti so štruktúrou organických zlúčenín sa často stretávame s pojmom izomér. Izoméry sú zlúčeniny, ktoré majú rovnaký sumárny (molekulový) vzorec, ale odlišnú štruktúru. Táto odlišnosť v štruktúre vedie k rôznym fyzikálnym a chemickým vlastnostiam izomérov.
Taktiež sa môžete stretnúť s pojmom substituent. Substituent je atóm alebo skupina atómov, ktoré nahrádzajú iný atóm (najčastejšie atóm vodíka) v molekule základnej organickej zlúčeniny. Prítomnosť a typ substituentov významne ovplyvňujú konštitúciu organickej molekuly a jej následné vlastnosti a reaktivitu. Ak substituent nie je hlavnou charakteristickou skupinou, jeho prítomnosť sa v názve zlúčeniny vyjadruje formou predpony.
Konštitúcia link
Konštitúcia organickej látky predstavuje základnú úroveň jej štruktúry. Konštitúcia určuje, ktoré atómy sú s ktorými spojené a aké typy väzieb (jednoduché, dvojité, trojité) ich spájajú.
Konštitučné izoméry sú zlúčeniny, ktoré majú rovnaký sumárny (molekulový) vzorec, ale líšia sa svojou konštitúciou, čo znamená, že majú odlišné poradie atómov v molekule alebo odlišný spôsob ich vzájomnej väzby. Inými slovami, líšia sa povahou a poradím atómov a väzieb v molekulách.
Konštitučná izoméria sa delí na niekoľko typov:
- Reťazové izoméry: Líšia sa typom uhlíkového reťazca (nerozvetvený vs. rozvetvený). Napríklad bután (CH₃–CH₂–CH₂–CH₃) a 2-metylpropán (izobután) (CH₃–CH(CH₃)–CH₃) majú rovnaký sumárny vzorec C₄H₁₀, ale odlišné usporiadanie uhlíkového reťazca. Iným príkladom je pentán a 2-metylbután.
- Skupinové (funkčné) izoméry: Majú rovnaký sumárny vzorec, ale líšia sa funkčnou skupinou. Napríklad etanol (CH₃CH₂OH) a dimetyléter (CH₃OCH₃) majú rovnaký vzorec C₂H₆O, ale odlišné funkčné skupiny (alkohol a éter). Ďalším príkladom je butan-1-ol a etoxyetán.
- Polohové izoméry: Líšia sa polohou substituenta (atómu alebo skupiny atómov) alebo násobnej väzby na uhlíkovom reťazci. Napríklad izopropylamín (CH₃CH(NH₂)CH₃) a propylamín (CH₃CH₂CH₂NH₂) majú rovnaký vzorec C₃H₉N, ale skupina –NH₂ je naviazaná na rôznych uhlíkoch. Ďalším príkladom je propan-1-ol a propan-2-ol, alebo 1-chlórpentán a 2-chlórpentán.
Tautomérny efekt link
Tautomérny efekt (tautoméria) je typ izomérie, pri ktorom existujú dva alebo viacero štruktúrnych izomérov (tautomérov), ktoré sa ľahko a samovoľne premieňajú jeden na druhý. Táto premena je zvyčajne sprevádzaná presunom atómu vodíka (protónu) v molekule a zmenou polohy dvojitej väzby. Tautoméry sú teda konštitučné izoméry líšiace sa polohou atómov a väzieb, ktoré sa za určitých podmienok spontánne a reverzibilne premieňajú.
Medzi najčastejšie príklady tautomérie patria:
- Keto-enol tautoméria: Predstavuje rovnováhu medzi ketónovou (alebo aldehydovou) formou a enolovou formou (alkohol s dvojitou väzbou). Napríklad propén-2-ol (enolforma) a propanón (ketoforma), alebo vinylalkohol a acetaldehyd. Rovnováha je zvyčajne posunutá na stranu keto formy.
- Laktam-laktim tautoméria: Ide o premenu medzi amidovou formou (laktám) a imínolovou formou (laktím) v cyklických zlúčeninách.
- Tautomérne formy existujú aj pri heterocyklických zlúčeninách, ako napríklad pri kyseline močovej, kde sa môžu vyskytovať oxo-forma a hydroxy-forma.
Konfigurácia link
Konfigurácia organickej molekuly opisuje fixné priestorové usporiadanie atómov, ktoré je dané ich vzájomným spojením chemickými väzbami. Konfiguráciu molekuly možno zmeniť len pretrhnutím a vytvorením nových chemických väzieb. Je to teda priestorové usporiadanie, ktoré určuje relatívnu polohu atómov v priestore a nemení sa rotáciou okolo jednoduchých väzieb.
Konfiguračné izoméry (stereoizoméry) sú izoméry, ktoré majú rovnaký sumárny vzorec aj konštitúciu (rovnaké poradie a spôsob väzby atómov), ale líšia sa svojím priestorovým usporiadaním atómov v molekule. Na rozdiel od konformačných izomérov, premena medzi konfiguračnými izomérmi vyžaduje prekonanie energetickej bariéry spojenej s pretrhnutím a opätovným vytvorením kovalentných väzieb.
Hlavné typy konfiguračnej izomérie sú:
Geometrická izoméria link
Geometrická izoméria je typ konfiguračnej izomérie, pri ktorej majú izoméry rovnaký sumárny vzorec aj konštitúciu, ale líšia sa priestorovým usporiadaním atómov v molekule. Tento typ izomérie sa vyskytuje najmä pri zlúčeninách s dvojitou väzbou (C=C) alebo pri cyklických zlúčeninách.
Niekedy sa táto forma izomérie nazýva cis-trans izoméria podľa polohy substituentov:
- Cis-izomér: Ak sú dva rovnaké alebo podobné substituenty na rovnakej strane
- Trans-izomér: Ak sú dva rovnaké alebo podobné substituenty na opačných stranách
Podmienky pre existenciu cis-trans izomérie sú nasledovné:
- Prítomnosť dvojitej väzby (C=C): Rotácia okolo dvojitej väzby je obmedzená alebo znemožnená v dôsledku prítomnosti π-väzby. Toto bráni spontánnej premene izomérov jeden na druhý.
- Prítomnosť cyklu: V cyklických zlúčeninách je rotácia okolo jednoduchých väzieb v cykle tiež obmedzená, čo umožňuje existenciu cis-trans izomérov.
- Dva rôzne substituenty na každom atóme uhlíka násobnej väzby alebo cyklu:
Aby mohla existovať cis-trans izoméria, musí mať každý z uhlíkov dvojitej väzby naviazané dve rôzne skupiny. Napríklad v but-2-éne (CH₃–CH=CH–CH₃) má každý uhlík dvojitej väzby jednu metylovú skupinu (CH₃) a jeden vodík (H), takže vieme rozlíšiť, či sú rovnaké skupiny na tej istej (cis) alebo opačnej (trans) strane. Naopak, pri eténe (CH₂=CH₂), kde sú na oboch uhlíkoch naviazané dva vodíky, cis-trans izoméria nie je možná, pretože nie je čo porovnávať – všetko je rovnaké.
Príklady cis-trans izomérie:
- But-2-én: Existuje ako cis-but-2-én a trans-but-2-én, kde metylové skupiny (CH₃) sú buď na rovnakej alebo opačných stranách dvojitej väzby.
- 1,2-dichlóretén: Taktiež existuje v cis a trans forme, líšiacich sa priestorovým usporiadaním atómov chlóru (Cl) okolo dvojitej väzby.
- 1,2-dimetylcyklopropán: Metyl skupiny (CH₃) môžu byť umiestnené na rovnakej alebo opačných stranách roviny cyklu, čím vznikajú cis- a trans-1,2-dimetylcyklopropán.
Geometrická izoméria má významný vplyv na chemické a fyzikálne vlastnosti, pretože cis a trans izoméry majú často odlišné teploty topenia a varu, rozpustnosť a reaktivitu.
Názvoslovie E/Z link
Ak má jeden alebo oba uhlíky naviazané dve rôzne skupiny (napr. etyl, metyl, Cl, H), kde nie je jednoduché určiť cis a trans podľa rovnakých substituentov, sa používa systém E/Z založený na Cahn-Ingold-Prelogových sekvenčných pravidlách.
- Z (zusammen): Ak majú substituenty s vyššou prioritou na každom uhlíku dvojitej väzby rovnakú stranu dvojitej väzby (nem. zusammen = spolu).
- E (entgegen): Ak majú substituenty s vyššou prioritou na každom uhlíku dvojitej väzby opačné strany dvojitej väzby (nem. entgegen = oproti).
Príklad: but-2-én
- Ak sú metylové skupiny (CH₃) na rovnakej strane → cis-but-2-én alebo (Z)-but-2-én
- Ak sú na opačných stranách → trans-but-2-én alebo (E)-but-2-én
- Tu sa dá použiť aj cis/trans, aj E/Z.
Príklad: 3-chlórpent-2-én
- Na jednej strane dvojitej väzby je Cl a H, na druhej CH₂CH₃ (etyl) a CH₃ (metyl).
- Cl má vyššiu prioritu než H a etyl má vyššiu prioritu než metyl (podľa pravidiel Cahn-Ingold-Prelog).
- Ak sú Cl a etyl na rovnakej strane, ide o (Z)-3-chlórpent-2-én.
- Ak sú Cl a etyl na opačných stranách, ide o (E)-3-chlórpent-2-én.
Optická izoméria link
Chiralita je vlastnosť objektu alebo molekuly, že nie je superponovateľná so svojím zrkadlovým obrazom, ak zachováme rovnakú orientáciu. Slovo „chirálny“ pochádza z gréckeho cheir – „ruka“. Podobne ako pravá a ľavá ruka: sú si zrkadlovými obrazmi, ale nedajú sa presne prekryť, keď majú rovnaké natočenie (napr. obe dlaňou nadol) – palec bude vždy na opačnej strane.
Molekula je chirálna, ak nemá rovinu symetrie, ktorá by ju predelila tak, že jedna polovica je zrkadlovým obrazom druhej polovice.
Najčastejšou príčinou chirality v organických molekulách je prítomnosť chirálneho uhlíka. Chirálny uhlík (C) alebo asymetrický uhlík* je tetraédrický atóm uhlíka (s hybridizáciou sp³), na ktorý sú naviazané štyri rôzne atómy alebo skupiny atómov (štyri rôzne substituenty).
Enantioméry sú dve nesuperponovateľné zrkadlové formy tej istej chirálnej molekuly. Vznikajú vtedy, ak molekula obsahuje aspoň jeden chirálny uhlík, teda uhlík viazaný na štyri rôzne skupiny.
- Majú rovnaké fyzikálne vlastnosti (teplota topenia, varu, hustota), ale opačný smer otáčania roviny polarizovaného svetla.
- Enantioméry sa označujú ako pravotočivý (+) alebo dextrorotačný (d) a ľavotočivý (–) alebo levorotačný (l).
- Otáčavosť sa meria polarimetrom a porovnáva pomocou špecifickej rotácie [α]D.
- Racemická zmes obsahujúca rovnaké množstvo oboch enantiomérov je opticky neaktívna.
- Príklad: (+)-kyselina mliečna a (–)-kyselina mliečna
Konfigurácia chirálneho centra sa určuje podľa Cahn–Ingold–Prelogových pravidiel a označuje sa ako:
- R (rectus) – ak sú skupiny zoradené v smere hodinových ručičiek
- S (sinister) – ak sú zoradené proti smeru hodinových ručičiek
Diastereoméry sú stereoizoméry, ktoré nie sú zrkadlovými obrazmi. Líšia sa konfiguráciou na jednom alebo viacerých chirálnych centrách, ale nie na všetkých.
- Majú rozdielne fyzikálne aj chemické vlastnosti.
- Príklad: 2R,3R- a 2R,3S-izoméry treonínu (kyseliny 2-amino-3-hydroxybutánovej)
- Príklad: (1R,2S)-2-metylcyklohexán a (1S,2S)-2-metylcyklohexán
Epiméry sú špeciálny typ diastereomérov – líšia sa konfiguráciou len na jednom chirálnom centre, ostatné centrá sú rovnaké.
- Patria medzi dôležité biologické stereoizoméry.
- Príklad: D-glukóza a D-galaktóza – líšia sa len konfiguráciou na C4.
- Príklad: D-glukóza a D-manóza – líšia sa na C2.
Chiralita hrá kľúčovú úlohu v biológii, pretože biologické receptory sú chirálne. Z toho dôvodu často len jeden enantiomér liečiva dokáže správne zapadnúť do cieľovej bielkoviny a byť biologicky aktívny, zatiaľ čo druhý môže byť menej účinný alebo dokonca škodlivý.
| Označenie | Čo označuje | Ako sa určuje | Kedy sa používa | Príkladový postup |
|---|---|---|---|---|
| R / S (rectus / sinister) | Absolútnu konfiguráciu chirálneho centra (priestorové usporiadanie skupín) | Podľa Cahn–Ingold–Prelog (CIP) pravidiel: 1. Urči 4 skupiny na chirálnom uhlíku 2. Priraď prioritu (vyššie atómové číslo = vyššia priorita) 3. Umiestni skupinu s najnižšou prioritou dozadu 4. Sleduj poradie 1 → 2 → 3: ➡️ R, ak ide v smere hodinových ručičiek ➡️ S, ak ide proti smeru | Všeobecné použitie pri všetkých organických molekulách s chirálnym uhlíkom | Urči konfiguráciu v mliečnej kyseline: 1. OH = 1, COOH = 2, CH₃ = 3, H = 4 2. H je vzadu → sleduj 1→2→3 ➡️ ak ide v smere hodiniek → R-konfigurácia |
| D / L (dexter / laevus) | Relatívnu konfiguráciu (vzťah ku glyceraldehydu) | Porovnaním s konfiguráciou D-glyceraldehydu: – pozri chirálne centrum najďalej od karbonylovej skupiny (vo Fischerovej projekcii) – ak je OH vpravo → D – ak vľavo → L | Sacharidy a aminokyseliny (biochemické označenie) | V glukóze pozri OH na C5: ➡️ ak je vpravo → D-glukóza ➡️ ak vľavo → L-glukóza |
| +/ – (optická aktivita) | Smer otáčania roviny polarizovaného svetla | Merané experimentálne pomocou polarimetra: – ak rovina ide doprava → (+), dextrorotačný – ak doľava → (–), levorotačný | Všetky opticky aktívne látky, bez ohľadu na konfiguráciu | Priprav roztok chirálnej látky, zmeraj uhol α pomocou polarimetra: ➡️ α > 0 → (+) ➡️ α < 0 → (–) |
Konformácia link
Konformácia molekúl predstavuje rôzne priestorové usporiadania atómov, ktoré môže molekula nadobúdať v dôsledku rotácie okolo jednoduchých (σ) väzieb. Tieto rôzne priestorové usporiadania sa nazývajú konforméry alebo konformačné izoméry.
Medzi konformérmi dochádza k neustálej premene bez pretrhnutia chemických väzieb a zvyčajne sa nedajú izolovať za bežných podmienok.
Príkladmi konformácií sú:
- Stoličková a vaničková forma cyklohexánu.
- Zaclonená (syn) a zošikmená (anti, nezákrytová) konformácia etánu.
Rôzne konformácie tej istej molekuly majú rôznu energiu a ich zastúpenie v rovnovážnej zmesi závisí od teploty. Stabilnejšia konformácia je v danom okamihu zastúpená väčším percentom molekúl. Najstabilnejšia konformácia alkánu je tá, v ktorej sú všetky substituenty striedavé a väzby C-C sú anti.
