شیمی دنیایی از ساختار های مختلف است. برخی از ترکیبات ممکن است فرمول شیمیایی یکسانی داشته باشند. اما فرمول ساختاری متفاوتی داشته باشند. در اصطلاح این ترکیبات ایزومر هستند. ایزومر ها نیز انواع مختلفی دارند. ایزومر فضایی (Stereoisomerism) یکی از انواع ایزومرهاست که می تواند در برخی از ترکیبات وجود داشته باشد. کاربرد ایزومر فضایی بسیار زیاد بوده و می تواند در پزشکی، داروسازی و… به کار رود. توجه شود که خواص فیزیکی ایزومرفضایی با یکدیگر تفاوت چندانی نداشته و تنها با روش های خاص می توان آن ها را تشخیص داد. توجه شود که ایزومر فضایی مولکول هایی هستند که اتصال های یکسانی اما ساختار سه بعدی متفاوتی دارند. شناخت ایزومر فضایی از آن جهت مهم است که می تواند بر واکنش پذیری مولکول تاثیر گذارد. به طور کلی ایزومر فضایی به دو دسته پیکربندی و صورت بندی تقسیم می گردند.
تعریف ایزومر
نخستین بار شیمیدانی سوئدی به نام برزلیوس (J.J.Berzelius) از کلمه ایزومر برای معرفی ترکیبات شیمیایی مختلف که ترکیب درصد عناصرشان یکسان بوده استفاده نموده است. ایزومر از کلمات یونانی isos و meros برگزیده‌شده است. معنای این واژه های یونانی بخش های یکسان است.
ایزومر یا همپار حاصل ترکیب اتم هایی با نسبت یکسان هستند. البته ترتیب و نحوه قرار گرفتن اتم در هر یک از ایزومرها متفاوت خواهد بود. ایزومر ها می توانند ساختاری یا فضایی باشند.
اگر به مولکول بوتان و متیل پروپان توجه کنید متوجه خواهید شد که این دو مولکول تنها از اتم های کربن و هیدروژن تشکیل یافته اند. هر دو ماده هم دارای فرمول مولکولی C۴H۱۰ هستند. ساختار بوتان به گونه ای است که اتم های کربن در آن پشت سر هم و به شکل زنجیری قرار گرفته اند. اما در ساختار متیل پروپان، دیگر کربن ها زنجیری نیستند و ترکیب ساختاری شاخه شاخه دارد. درواقع در زنجیر کربنی متیل پروپان ۳ اتم کربن وجود دارد. با توجه به مطالب عنوان شده مولکول های بوتان و متیل پروپان ایزومر هستند.
خواص فیزیکی و شیمیایی در ایزومر ها می تواند تفاوت هایی داشته باشد. هر دو ترکیبی که در بالا به آن اشاره شد یعنی بوتان و متیل پروپان گازهایی بی رنگ هستند. اما نقطه جوش های متفاوتی دارند. نقطه جوش بوتان ۰.۵- درجه سانتی گراد است و نقطه جوش متیل پروپان ۱۲- درجه سانتی گراد است. این مطلب نشان دهنده تفاوت در نقطه جوش این دو ایزومر ساختاری است.
انواع ایزومر
ایزومری ها را می توان در دو گروه اصلی تقسیم بندی نمود. توجه شود که هر کدام از این گروه ها خود دارای انواع مختلفی ایزومر هستند.
- ایزومری ساختاری (Structural Isomers)
- ایزومری فضایی (Stereo Isomers)
ایزومر ساختاری
ایزومر ساختاری برای ترکیباتی به کار می رود که فرمول مولکولی یکسانی اما ساختار متفاوتی نشان می دهند. اتم ها یا گروه های عاملی در این نوع ایزومرها قادرند تا به شکل های متفاوتی به یکدیگر اتصال یابند. این نوع ایزومرها به سه گروه تقسیم می شوند. در ادامه با شناخت ایزومر ساختاری همراه ما باشید.
- ایزومر شاخه ای
- ایزومرهای موضعی
- ایزومر عاملی
معرفی ایزومر های اسکلتی
این نوع ایزومر ها در مولکول هایی دیده می شوند که فرمول مولکولی یکسان دارند. اما اسکلت کربنی آن ها متفاوت است. برخی از ترکیبات آلی از زنجیر هایی راست و بدون شاخه کربن تشکیل یافته اند. اما برخی هم دارای زنجیری از کربن همراه با چند شاخه فرعی در اطراف زنجیر هستند. تعداد ایزومر ها با زیاد شدن تعداد کربن ها افزایش می یابد. درواقع یک اسکلت کربنی می تواند به چندین شکل شاخه دار شود. اگر مولکول های ۲-متیل هپتان و ۳-متیل هپتان را مورد مقایسه قرار دهیم، متوجه می شویم که فرمول شیمیایی هر دو مولکول یکسان است. اما تفاوت این دو ترکیب که آن ها را به ایزومر تبدیل نموده این است که محل قرارگیری گروه متیل در آن ها با هم متفاوت است. بنابراین مولکول هایی متفاوتی به وجود آمده که در اصطلاح ایزومر ساختاری نامیده می شود.
ایزومر های موقعیتی
ایزومر های موضعی به این دلیل به وجود می آیند که موقعیت گروه عاملی ممکن است در مولکول تغییر یابد. گروه عاملی قسمتی از مولکول است که سبب واکنش پذیری مولکول می شود. انواع مختلف گروه عاملی در شیمی آلی شناخته شده است.
در regioisomerism مکان و موقعیت گروه عاملی تغییر نموده و منجر به ایجاد ایزومر شده است. از روی نام مولکول می توان محل قرار گیری گروه عاملی را تشخیص داد. برای مثال در آلکن ها، بسته به موقعیت پیوند دوگانه، می توان چند ایزومر ساختاری ایجاد نمود. مولکول های ۱- پنتانول و ۲- پنتانول نیز ایزومر های موضعی یا موقعیتی هم می باشند.
ایزومر گروه عاملی
ایزومرهای گروه عاملی فرمول مولکولی یکسان اما گروه عاملی متفاوتی دارند. برای نمونه آلکن راست زنجیر با سیکلو آلکان مربوطه اش یک ایزومر عاملی خواهد بود. الکل C۲H۵OH با اتر CH۳OCH۳ ایزومر گروه عاملی هم به حساب می آیند.
ایزومر فضایی
ایزومر فضایی با نام استرئو ایزومر نیز شناخته می شود. از لحاظ ساختاریی ایزومر فضایی نوع خاصی از ایزومری است که ماهیت پیوند بین اتم ها یکسان است. اما شکل هندسی اتم یا گروه های عاملی در فضا متفاوت خواهد بود. ایزومرهای فضایی در ساختار تفاوت چندانی با هم ندارند.درواقع اختلاف آن ها با هم در نحوه قرار گرفتن اتم ها در فضاست. همچنین باید یادآور شویم که ایزومر فضایی خود می تواند به چند گروه تقسیم بندی شود. در ادامه این مقاله به بررسی تعریف ایزومر فضایی می پردازیم. با ما همراه باشید.
انواع ایزومر فضایی
- ایزومرهای پیکربندی
- ایزومر صورت بندی
ایزومر فضایی پیکربندی
این ایزومری را می توان به ایزومر های سیس و تراس و E و Z تقسیم بندی نمود. همچنین دسته دیگر این تقسیم بندی مربوط به ایزومرهایی با مراکز کایرال خواهد بود.
ایزومر هندسی (سیس و ترانس، E و Z)
آیوپاک ایزومر فضایی هندسی را مورد بررسی قرار داده است. در مورد آلکن ها از نام سیس و ترانس و یا E و Z استفاده می شود. اگر در هر کربن فقط یک استخلاف وجود داشته باشد، دو ایزومرفضایی با نام سیس و ترانس مشخص می شوند. ایزومرفضایی که هر دو استخلاف آن در یک سمت پیوند دوگانه باشد سیس و ایزومر های فضایی که استخلاف ها در دو طرف پیوند دو گانه قرار داشته باشند ترانس است.
اما اگر در ایزومر فضایی روی یکی از دو کربن دو استخلاف وجود داشته باشد، دیگر از سیس و ترانس استفاده نمی شود. بلکه از E و Z برای نامگذاری آن ها استفاده می شود. این قواعد بر اساس قواعد کاهن-اینگولد-پرلوگ استوار است. اولویت برای تعیین E و Z در ایزومر فضایی بر مبنای کاهش عدد اتمی است. در این نامگذاری ایزومر فضایی که در آن گروه های اولویت بالا در کربن، در یک سمت باشند ایزومر فضایی Z نامیده می شود. برای ایزومر فضایی E قضیه برعکس است. البته توجه شود که در اینگونه نامگذاری ها برای جفت الکترون کمترین اولویت را در نظر می گیرند.
این نوع از ایزومرفضایی در ترکیباتی وجود دارند که به صورت پیوند های دوگانه کربن – کربن هستند. توجه شود که چرخش حول این پیوند ها بر خلاف پیوند های یگانه آزاد نیست. یعنی اگر ۲ اتم متفاوت و یا دو گروه متفاوت به هر یک از کربن های درگیر در پیوند دوگانه متصل شوند، این گروه ها می توانند به چند طریق در فضا قرار گیرند و مولکول های مختلفی را بسازند.
نامگذاری سیس و ترانس
نامگذاری سیس و ترانس ممکن است تا حدودی گیج کننده باشد. بنابراین کمتر مورد استفاده قرار می گیرد. امروزه در نامگذاری و معرفی ایزومر فضایی، E و Z شهرت بیشتری دارد. E از کلمه entgegen و Z از کلمه zusammen گرفته شده است. این حروف را می توان در جلوی نام ایزومر فضایی قرار داده و به راحتی نوع ایزومر را مشخص نمود.
ایزومر فضایی نوری
نام گذاری این نوع از ایزومر فضایی با توجه به اثر ساختارها روی نور قطبیده، انجام شده است. ایزومرهای فضایی نوری اغلب می توانند دارای مراکز کایرال باشند. هر شیئی که بر تصویر آینه ای خود منطبق نباشد کایرال گفته می شود. مولکول هایی که کایرال نباشند، ناکایرال نامیده می شوند. مرکز کایرال اتم کربنی است که به چهار اتم و یا گروه مختلف اتصال یافته است. این اتم ها یا گروه ها می توانند به صورت های مختلف در اطراف کربن مرکزی قرار بگیرند. در این ایزومر فضایی اتم ها نمی تواند بچرخد و دو آرایش هم تراز را ایجاد کنند. به دلیل اینکه یک آرایش نمی تواند دقیقا بر آرایش دیگر منطبق شود، به آن ها تصاویر آینه ای غیر قابل انطباق می گویند. درواقع هر یک از این ایزومرفضایی نوری تصویر آینه ای دیگری است. درست مانند انگشتان دو دست.
این ایزومرهای فضایی نیز مانند ایزومر های هندسی با حروف اختصاصی نشان داده می شوند. در نامگذاری، گروه های اطراف کربن مرکزی اولویت بیشتری دارند. اتم ها یا گروه های سنگین اولویت ۱ و بقیه در اولویت های بعدی قرار می گیرند. از اولویت اول به سمت اولویت های دوم، سوم و چهارم اگر جهت حرکت بر خلاف عقربه های ساعت بود ایزومر فضایی S داریم. اگر جهت حرکت به سمت اولویت کم در جهت عقربه های ساعت بود، در این صورت ایزومر فضایی R داریم. S به معنای پادساعتگرد و R به معنای ساعتگرد است. بنابراین ایزومر فضایی R و S نیز می تواند وجود داشته باشد.
انانتیومر و دیاستریومر
در ایزومر فضایی دو مولکولی که تصویر آینه ای هم باشند را جفت انانتیومری می نامند. انانتیومر های جدا از هم نسبت به محیط های ناکایرال خواص یکسانی دارند. انحلال پذیری و خواص فیزیکی و واکنش های شیمیایی آن ها در محیط های ناکایرال نیز مانند هم است. اما ایزومر فضایی انانتیومری با سرعت متفاوتی با واکنش گر های ناکایرال وارد واکنش می شوند. این ایزومر ها به کاتالیزور های کایرال به شکل متفاوت پاسخ می دهند.
انانتیومر ها باعث تفاوت در پاسخ های فیزیولوژیکی می شوند. زیرا پذیرنده های زیستی کایرال هستند. برای مثال عطر روغن نعناع ناشی از ایزومر فضایی انانتیومر R یک ترکیب است. اما عطر زیره به دلیل ایزومر فضایی انانتیومر S همان ترکیب است.
دیاستریومر به مولکول هایی گفته می شود که ایزومرهای فضایی هم هستند اما انانتیومر نیستند. مولکول های دیاستریومر دارای ترکیب اتصال یکسانی هستند اما در یک یا چند مرکز فضایی خود دارای پیکربندی متفاوتی هستند.
مراکز پیش کایرال
مراکز پیش کایرال دارای دو لیگاند یکسانند. بنابراین به عنوان ناکایرال در نظر گرفته می شوند. اگر دو گروه دیگر متفاوت باشند، اگر هرکدام از گروه های یکسان جای خود را به لیگاندی متفاوت دهد، آنگاه می توان یک مرکز فضایی داشت.این موقعیت انانتیوتوپیک نامیده می شود. این موقعیت می توان پیش-R و یا پیش-S باشد. درصورتی که مولکول های حاصل دیاستریومر باشند، به این لیگاندها دیاستریوتوپیک می گویند.
جداسازی ایزومر فضایی
تفکیک به معنی جداسازی یک مخلوط راسمیک به انانتیومر های است. تفکیک به روش زیر قابل انجام است:
- استفاده از یک ترکیب انانتیومری خالص به عنوان عامل تفکیک کننده
- استفاده از یک ماده کایرال در جداسازی فیزیکی
- تفکیک بر اساس اختلاف سرعت واکنش انانتیومر ها با یک واکنش گر کایرال
ایزومر فضایی صورت بندی
صورت بندی شکل متفاوتی از ایزومرهای فضایی است که در آن مولکول می تواند بدون شکستن هیچ یک از پیوند کووالانسی اش به آن فرم درآید. تفاوت این نوع ایزومرهای فضایی با هم در نتیجه چرخش در یک یا چند پیوند ساده است. صورت بندی های آنتی و گوش نمونه ای از این ایزومرهای فضایی بشمار می آیند.
کاربرد ایزومر فضایی
ایزومر فضایی انانتیومر و دیاستریومر در داروسازی و پزشکی اهمیت بالایی دارند. بسیاری از داروها در فرم S موثر و در فرم R خطرناکند. البته برعکس این موضوع نیز ممکن است رخ دهد. مثلا در سال های ۱۹۵۰ تا ۱۹۶۰ جهت درمان ویار صبحگاهی در زنان باردار دارویی تجویز می شد. در آن زمان نمی دانستند که انانتیومر S از این دارو می تواند در بدن ترکیبی بسازد که باعث تغییر شکل و نقص جنین می شود. همچنین این دو انانتیومر در بدن به هم تبدیل می شوند، و حتی اگر ایزومر R به صورت خالص مصرف شود نیز می تواند اثرات مشابهی داشته باشد.
بنابراین ایزومرهای فضایی نوری در دارو ها باید قبل از مصرف به خوبی مورد مطالعه قرار گیرد. از دلایلی که امروز دارو ها طی چند سال تحقیق و تست ها عرضه می شوند نیز همین است. تا از خطرات احتمالی پیشگیری شود.
سخن آخر
شناخت علم شیمی و ایزومرهای فضایی می تواند برای پیشرفت تمام شاخه های علم مفید باشد. زیرا این ترکیبات شیمیایی هر کدام خواص مختلفی دارند و می توانند در گوشه ای از جهان بی کران علم مورد استفاده قرار گیرند.
