Атомы углерода могут соединяться в цепочки практически любой длины. В природе существуют органические вещества, молекулы которых содержат длинные углеродные цепи, например основу пчелиного воска составляет сложный эфир мирицилпальмитат C₁₅H₃₁COOC₃₁H₆₃. Синтетические же полимеры — это углеродные цепи состоящие из сотен тысяч атомов.

К тому же углеродный каркас до­статочно прочен: энергия связи С—С сопоставима с энергией связи С—О.

По этой причине углеродные со­единения часто оказываются устой­чивыми как к нагреванию, так и к действию иных разрушающих факто­ров — освещению, агрессивным хи­мическим средам.

И наконец, углеродный каркас подвижен, нежёсток: цепи углерод­ных атомов, соединённых простыми одинарными связями, могут изги­баться, сворачиваться и другими спо­собами изменять свою форму.

Одна из причин многообразия органических веществ — явление изомерии. Существуют органические соединения, которые имеют одинако­вый элементный состав, но отлича­ются друг от друга по свойствам — как физическим (агрегатное состоя­ние, температура кипения, плавле­ния), так и химическим. Например, формуле С₂Н₆О соответствуют два разных вещества — жидкий при нор­мальных условиях этиловый спирт и газообразный диметиловый эфир.

Разные вещества, имеющие одина­ковый элементный состав, но разли­чающиеся строением молекул, назы­вают изомерами.

Явление изомерии было открыто в 1824 г. Юстусом Либихом и Фридри­хом Вёлером. Проводя независимо друг от друга исследования, они об­наружили, что существуют два веще­ства одинакового состава, но с разны­ми свойствами — циановая кислота Н—О—CºN и так называемая гремучая (фульминовая) кислота Н—CºN—O. Термин «изомер» (от греч. «изос» — «равный» и «мерос» — «мера», «часть») был предложен Якобом Берцелиусом позднее, в 1830 г.

Орбитали возбуждённого атома углерода:

1 — негибридизованные;

2 — sp³-гибридизация;

3 — sр²-гибридизация;

4 — sp-гибридизация.

Углеродная цепь обладает большой гибкостью, оставаясь при этом очень прочной.

Якоб Хендрик Вант-Гофф.

Изомеры делят на два больших класса — структурные и простран­ственные.

Структурными называются изоме­ры, отличающиеся строением моле­кулы (порядком соединения атомов в молекуле). Органические молекулы проявляют три вида структурной изо­мерии.

1. Изомерия углеродного скелета. Её существование для насыщенных углеводородов — алканов впервые обнаружил в 1866 г. А. М. Бутлеров, получив изобутан (метилпропан):

Число изомеров быстро возраста­ет с увеличением количества атомов углерода в молекуле.

2. Изомерия, связанная с различ­ным положением заместителя или кратной связи в молекуле:

3. Межклассовая изомерия. В этом случае изомерами являются вещества, содержащие разные функциональ­ные группы и не относящиеся к одно­му классу органических соединений:

Что касается пространственной изомерии, то ещё в первой половине XIX в. было известно о существовании нескольких веществ с одной и той же молекулярной формулой, разли­чающихся лишь по некоторым фи­зическим признакам. В 1832 г. Бер­целиус отметил подобный случай изомерии для виноградной и винно­каменной кислот. Однако объяснить это явление различием в строении молекулярного скелета не удалось, поскольку химическое поведение ве­ществ было одинаковым. Проблема значительно усложнилась, когда в 1848 г. французский учёный Луи Пастер открыл левовращающую винную и мезовинную кислоты. После почти десятилетних исследований Пастер пришёл к выводу, что причиной это­го явления может быть существование молекулярной асимметрии (его рабо­ты по данному вопросу напечатаны под общим заглавием «Молекулярная диссимметрия»). Теория асимметриче­ского атома углерода была детально разработана в 1874 г. Якобом Вант-Гоффом и изложена им в книге «Хи­мия в пространстве». Основу стерео­химии Вант-Гоффа составляет учение о тетраэдрическом строении молеку­лы метана.

Молекулы, которые являются зер­кальными изображениями друг друга и поэтому не совместимы при поворо­тах в пространстве, как правая и левая перчатки, называют оптическими изо­мерами. Существуют такие элементы структуры, которые могут сделать мо­лекулу асимметричной и неидентич­ной её зеркальному изображению. Чаще всего встречается наиболее важ­ный из них — асимметрический атом углерода, связанный с четырьмя раз­ными заместителями. Простейшим примером может служить молекула молочной (2-гидроксипропановой) кислоты: СН₃СН(ОН)СООН.

Многие соединения не содержат асимметрических атомов углерода, но обнаруживают тем не менее явле­ние оптической изомерии. Условия для изомерии такого типа возникают в случае, когда вращение фрагментов молекулы относительно друг друга за­труднено. Например, молекула аллена

СН₂=С=СН₂ из-за двойных связей уг­леродного атома является жёсткой, её концевые группы СН₂ лежат в двух взаимно перпендикулярных плоско­стях. Поэтому все замещённые аллены типа XYC=C=CXY (где X и Y — раз­личные заместители) асимметричны и могут существовать в виде двух не­совместимых оптических изомеров. У алкенов и других соединений с двойными связями существует про­странственная изомерия, возникшая из-за отсутствия свободного враще­ния вокруг двойной связи; её называ­ют геометрической, или цис-транс-изомерией (лат. cis — «с той же стороны» и trans — «с противополож­ной стороны»). Она появляется тогда, когда каждый из sp²-гибридных угле­родных атомов связан с двумя разны­ми заместителями. Простейший при­мер — бутен-2:



Первые случаи геометрической изомерии были отмечены немецким химиком Йоханнесом Вислиценусом (1835—1902) в 70-х гг. XIX в. на при­мерах фумаровой и малеиновой кис­лот. Применив теорию Вант-Гоффа, он приписал этим кислотам правильные пространственные формулы, что помогло объяснить различия в их хи­мических свойствах. Несмотря на то что обе кислоты представляют собой геометрические изомеры одной и той же бутендиовой кислоты, они мо­гут по-разному проявлять себя в хи­мических реакциях. Цис-изомер, или малеиновая кислота t_пл=139 °С), при нагревании до 160 °С теряет воду и превращается в циклический ангид­рид малеиновой кислоты:



Транс-изомер, или фумаровая кис­лота (t_пл=288 °С), не может непосред­ственно перейти в малеиновый ангид­рид: при нагревании до 300 °С он возгоняется и превращается в смесь малеиновой кислоты и небольшого количества малеинового ангидрида.

Существование явления изомерии делает разнообразие органических молекул прямо-таки устрашающим. Если для простейших молекул, содер­жащих несколько углеродных атомов, количество изомеров исчисляется де­сятками, то можно представить, како­вы возможности в этом плане у слож­ных молекул природных соединений. Так, если в молекуле белка имеется 100 различных асимметрических центров (это вполне обычное и даже не слишком большое число), то долж­но существовать 10⁴³ возможных оп­тических изомеров.

Оптические изомеры молочной кислоты.

Так называемые затруднённые конформеры могут проявлять оптическую активность.