الكيمياء الفراغية: أنواع الايزوميرات (المتصاوغات)

 جاء مفهوم الكيمياء الفراغية من المتصاوغات (الايزوميرات). والتصاوغ يقصد به وجود جزيئات مختلفة أو متشابهة تمتلك نفس الصيغة العامة. ويوجد في عدد كبير جدا من المركبات والجزيئات التي تتكون من نفس الذرات ولكنها تمتلك بنية هيكلية أو فراغية مختلفة. وقد تختلف في الخواص أيضا إما بشكل طفيف أو بشكل كبير.

ما هي الكيمياء الفراغية؟

الكيمياء الفراغية هي فرع الكيمياء الذي يدرس أماكن تواجد الذرات داخل الجزيء في الإحداثيات الثلاثة (x, y, z). أي الصورة الثلاثية الأبعاد للجزيئات.

الايزوميرات: هي جزيئات لها نفس الصيغة العامة ولكنها تختلف في الصيغة الهيكلية أو الفراغية.

أنواع الايزوميرات

هناك العديد من أنواع الايزوميرات لكن يوجد نوعان رئيسيان منها وهما المتصاوغات الهيكلية أو الدستورية، والمتصاوغات الفراغية.

المتصاوغات الدستورية (الهيكلية).

الأيزومرات البنيوية، والمعروفة أيضًا باسم الأيزومرات الهيكلية، تشترك في نفس الصيغة الجزيئية ولكن لها ترتيبات مختلفة من الذرات والروابط.  وينتج عن هذا الاختلاف في الترتيب خصائص فريدة لكل أيزومر.

أنواع الايزومرات الدستورية:

فيما يلي أنواع الايزوميرات الدستورية الرئيسية الثلاثة:

 1. الايزومرات الهيكلية (أيزوميرات السلسلة): تحتوي هذه الايزومرات على ترتيبات مختلفة لذرات الكربون في في السلسلة البنائية.  على سبيل المثال:

 ن- البيوتان (CH3CH2CH2CH3): سلسلة مستقيمة تحتوي على أربع ذرات كربون

 الأيزوبيوتان (CH3CH(CH3)CH3): سلسلة متفرعة تحتوي على أربع ذرات كربون

 2. الأيزومرات الموضعية (Regioisomers): هذه الأيزومرات لها نفس المجموعات الوظيفية ولكنها مرتبطة بمواقع مختلفة في الجزيء.  مثال على المتصاوغات الموضعية:

 1- البروبانول (CH3CH2CH2OH): مجموعة الهيدروكسيل في نهاية السلسلة

 2- البروبانول (CH3CHOHCH3): مجموعة الهيدروكسيل المرتبطة بذرة الكربون الثانية

 3. أيزومرات المجموعة الوظيفية: تحتوي هذه الأيزومرات على مجموعات وظيفية مختلفة على الرغم من وجود نفس عدد الذرات وترتيبها.  على سبيل المثال:

 الإيثانول (CH3CH2OH): المجموعة الوظيفية للكحول

 ثنائي ميثيل الأثير (CH3OCH3): مجموعة الأثير الوظيفية

 أنواع إضافية:

 الأيزومرات التوتومرية (Tautomerism): وهي أيزوميرات يحصل بينها تبادل خلال تفاعل كيميائي معكوس، حيث تنزح ذرة هيدروجين من مكانها، مع تغير موضع الرابطة المزدوجة.  على سبيل المثال، تحلل الكيتو-إنول. يجب عدم الخلط بينها وبين الرنين؛ وهو تغير في موضع الشحنة أو الرابطة فقط، دون نزوح الهيدروجين.

 الايزوميرات الحلقية-السلسلية: هذه الأيزومرات لها نفس الذرات ولكنها تختلف فيما إذا كانت تشكل حلقة أم سلسلة. على سبيل المثال البروبين والبروبان الحلقي لهما نفس الصيغة الجزيئية C3H6 ولكن أحدهما سلسلة مفتوحة تحتوي على رابطة مزدوجة والأخير عبارة عن حلقة مثلثة.

الأيزومرات الفراغية (المجسمة): غوص أعمق

 الأيزومرات الفراغية، والمعروفة أيضًا باسم الأيزومرات المكانية، هي مجموعة رائعة من الجزيئات التي تشترك في نفس الصيغة الجزيئية واتصال الروابط ولكنها تختلف في الترتيب ثلاثي الأبعاد لذراتها.  وهذا الاختلاف الدقيق على ما يبدو يمكن أن يكون له تأثير عميق على خصائصها، بما في ذلك:

•  الخصائص الفيزيائية: يمكن أن تختلف نقاط الانصهار والغليان والذوبان واللزوجة ومعامل الانكسار بين الأيزومرات الفراغية.
•  الخواص الكيميائية: يمكن أن تتأثر التفاعلية ومعدلات التفاعل وتوزيعات المنتجات بالترتيب المكاني للذرات.
•  النشاط البيولوجي: غالبًا ما تحتوي الأدوية والهرمونات والجزيئات النشطة بيولوجيًا الأخرى على أيزومر مجسم واحد فقط يُظهر النشاط المطلوب.

 هناك نوعان رئيسيان من الأيزومرات الفراغية:

 1. المتصاوغات الضوئية:

 الايزوميرات أو المتناظرات الضوئية هي صور مرآة لبعضها البعض، ولا يمكن مطابقتها على بعضهما بسبب عدم وجود مركز تماثل. وكما أنها ليست مستوية أو لا تمتلك محور تماثل. في البداية تم ملاحظة هذه الظاهرة مع المركبات العضوية؛ وينتج عن ارتباط ذرة مركزية بأربع ذرات أو مجموعات مختلفة. ولكن لوحظ أنه يحدث حتى في المركبات غير العضوية أيضا.

 لديهما خصائص كيميائية وفيزيائية متطابقة باستثناء اختلاف واحد مهم: أنها تتفاعل بشكل مختلف مع الضوء المستقطب.

 تستطيع المتصاوغات الضوئية أن تُدير مستوى الضوء المستقطب في اتجاهات متعاكسة. حيث يديره أحد المتناظرات باتجاه عقارب الساعة (يميني الدوران، D)، بينما يديره الآخر عكس اتجاه عقارب الساعة (يساري الدوران، L). وهذه الخاصية هي التي تمنحهم اسم "المتصاوغات الضوئية."

 تُستخدم هذه الخاصية، المعروفة بالنشاط البصري، لتمييز المتصاوغات الضوئية عن الأنواع الأخرى من المتصاوغات الفراغية.

مركز عدم التماثل

يطلق على الذرة التي تحاط بأربع ذرات أو مجموعات مختلفة اسم "مركز عدم التماثل" وغالبا ما تكون ذرة كربون في الكيمياء العضوية. وكل مركز عدم تماثل يكوِّن اثنين من الاحتمالات. يمكن حساب عدد الجزيئات المتصاوغة التي يمكن أن تتشكل بالمعادلة: 2ⁿ حيث n عدد مراكز عدم التماثل.

مثلا لو كان الجزيء يحتوي على ثلاثة مراكز، سنقوم بحساب عدد صور المرآة كما يلي:

\[2^{n} , ∵ n = 3\\ \therefore 2^{3} = 8\]

يعني أن هذا الجزيء يمكنه تشكيل 8 أشكال فراغية.

الشكل الهندسي للكرام

يقصد ب "الكرام" هنا رسومات الروابط في الفراغ. بالنظر إلى الشكل أعلاه ↑ هناك أربعة روابط:

• اثنان منها مرسومة بشكل عادي وتدل على أنها في مستوى الشاشة؛ وهي المرتبطة ب CH3 و COOH. أحدهما على مستوى رأسي والآخر على مستوى مائل تقريبا (نحو الركن).
• رابطة واحدة عبارة عن مثلث صلب (مظلل بالكامل)؛ وهذا الرابطة إلى خارج الشاشة أو إلى الأمام (نحونا). وهي المرتبطة ب OH.
• رابطة واحدة مثلثة أيضا ولكن بداخلها خطوط قصيرة على مستوى المثلث؛ وهذه متجهة إلى داخل الشاشة. وهي المرتبطة بالهيدروجين (H).

 2. الدياستيريومرات (المتصاوغات غير الضوئية):

•  Diastereomers هي أيزومرات فراغية ولكنها ليست صورًا معكوسة لبعضها البعض.
•  يمكن أن يكون لها خصائص فيزيائية وكيميائية مختلفة.
•  على عكس المتصاوغات الضوئية، لا تقوم المتجاورات غير الضوئية بتدوير الضوء المستقطب في اتجاهين متعاكسين.

 أنواع الدياستيريومرات:

 أيزومرات Cis-trans: هذه الأيزومرات لها ترتيبات مختلفة حول رابطة مزدوجة.  يمكن أن تكون المجموعات المرتبطة بكل ذرة كربون في الرابطة المزدوجة على نفس الجانب (سيس) أو على الجانبين المتقابلين (ترانس).

 Epimers: تختلف هذه الأيزومرات في تكوين مركز مجسم واحد.

 المطابقون: هذه ليست أيزومرات حقيقية، ولكنها عبارة عن ترتيبات مكانية مختلفة لجزيء يمكن أن يتحول بسرعة من خلال الدوران حول روابط مفردة.

 الكيرالية:

 يعتبر الجزيء كيراليا إذا لم يكن قابلاً للتركيب على صورته في المرآة.  تعد الكيرالية شرطًا ضروريًا ولكنه ليس كافيًا لكي يحتوي الجزيء على أيزومرات مجسمة.

وتعتبر الكيرالية خاصية رائعة لبعض الجزيئات التي تجعلها مثل اليد اليسرى واليمنى - فهي غير قابلة للتركيب على صورها المرآة.  تخيل زوجًا من القفازات: أحدهما يناسب يدك اليسرى على وجه التحديد، والآخر يناسب يدك اليمنى.  على الرغم من أنها تبدو متطابقة، إلا أنها متميزة بسبب عدم تناظرها.

ما شرط الكيرالية؟

عادة ما تنشأ اللامركزية في الجزيئات من ذرة مركزية لها أربعة بدائل مختلفة مرتبطة بها.  يخلق هذا الترتيب هندسة رباعية السطوح، واعتمادًا على الترتيب المكاني لهذه البدائل، يمكن أن يكون الجزيء كيرالي أو غير كيرالي.

 أهمية المتصاوغات الفراغية:

 تلعب الأيزومرات الفراغية دورًا حاسمًا في مجالات مختلفة، بما في ذلك:

•  تطوير الدواء: قد يكون أحد مضادات الدواء نشطًا علاجيًا بينما قد يكون الآخر غير نشط أو حتى ضارًا.
•  علوم الأغذية: يمكن أن تتأثر نكهة ورائحة الطعام بوجود أيزومرات مجسمة محددة.
•  الزراعة: يمكن تصميم مبيدات الأعشاب ومبيدات الآفات لاستهداف أيزومرات مجسمة محددة للآفات أو الأعشاب الضارة.
•  العلوم البيئية: يمكن أن يتأثر تحلل الملوثات في البيئة بالكيمياء المجسمة الخاصة بها.

 يعد فهم الأيزومرية الفراغية أمرًا بالغ الأهمية لتفسير سلوك الجزيئات وتصميم مواد جديدة ذات خصائص مرغوبة.

 مصادر إضافية:

 https://en.wikipedia.org/wiki/Stereoisomerism

 https://en.wikipedia.org/wiki/Stereoisomerism

 https://chem.libretexts.org/Courses/Sacramento_City_College/SCC%3A_Chem_420_-_Organic_Chemistry_I/Text/06%3A_Stereochemistry_at_Tetrahedral_Centers/6.01%3A_Chirality