انواع ایزومری در کمپلکس ها – شیمی فضایی به زبان ساده
۲۳۴۱ بازدید
آخرین بهروزرسانی: ۱۴ آبان ۱۴۰۲
زمان مطالعه: ۲۱ دقیقه
انواع ایزومری در شیمی از تفاوت در آرایش و جهتگیری اتمها و گروههای در یک مولکول به وجود میآیند و باعث ایجاد تفاوت در ویژگیهای شیمیایی و فیزیکی مولکولها میشوند. برای مثال بسیاری از ترکیبات دارویی دارای ایزومرهایی هستند که ویژگیهایی کاملا متفاوت نسبت به آنها از خود نشان میدهند. از آنجا که مفهوم ایزومری در بسیاری از ترکیبات به چشم میخورد، بنابراین دانشجویان شیمی و افراد فعال در این حوزه باید توانایی شناسایی انواع ایزومری و تشخیص آنها از یکدیگر را داشته باشند.
در این مطلب از مجله فرادرس ابتدا میخواهم با مفهوم ایزومر آشنا شویم و سپس انواع ایزومری شامل ایزومر کنفورماسیونی، ایزومر هندسی، ایزومر نوری و تعداد بیشتر از آنها را مورد بررسی قرار میدهیم. در هر مورد مولکولهایی آورده شده است که به درک مفهوم کمک قابل توجهی میکند. در نهایت نیز به بررسی تعدادی مثال و حل تمرین چندگزینهای از انواع ایزومری پرداختهایم.
ایزومر چیست؟
«ایزومرها» (Isomers) مولکولهایی با فرمول مولکولی یکسان هستند که نوع آرایش و جهتگیری اتمها در آنها با یکدیگر متفاوت است. این پدیده یکی از جالبترین ویژگیهای شیمی آلی است که به دلیل سهبعدی بودن مولکولها مشاهده میشود.
شکل فضایی مولکولها میتواند روی ویژگیهایی که از خود نشان میدهند، تاثیر بهسزایی داشته باشد. انواع ایزومری متفاوتی وجود دارند که میتوانید آنها را در فلوچارت زیر مشاهده کنید. به کمک این جدول میتوانیم راحتتر در مورد رابطه دو مولکول با یکدیگر اظهار نظر کنیم.
در این بخش میخواهیم به معرفی انواع ایزومری موجود بپردازیم و هر کدام را به تفضیل مورد بررسی قرار دهیم. در هر مورد سعی کردهایم مثالهای متنوعی ارائه دهیم تا شناخت بهتری نسبت به انواع ایزومری پیدا کنیم.
پیوند شیمیایی یگانه کربن کربن در اتان، پروپان و دیگر آلکانها از همپوشانی اوربیتال با هیبریداسیونsp3 روی یک اتم کربن با اوربیتال با هیبریداسیون sp3 در کربن دیگر و تشکیل پیوند سیگما به وجود میآیند. از آنجا که چرخش حول پیوند یگانه کربن کربن تغییری در همپوشانی اوربیتالها با هیبریداسیون sp3 به وجود نمیآورد، سد انرژی قابلتوجهی برای انجام آن وجود ندارد.
در نتیجه چیدمانهای بسیاری برای اتمهای یک مولکول امکان وجود دارند که هر کدام مربوط به یکی از درجههای چرخش حول پیوند است. به هر کدام از این ساختارها که چیدمان متفاوتی از یکدیگر دارند، یک «ایزومر کنفورماسیونی» (Conformational Isomer) یا «کنفورمر» (Conformer) گفته میشود. در تصویر زیر میتوانید ساختار ۳ ایزومر کنفورماسیونی متفاوت از مولکول پنتان را مشاهده کنید.
برخلاف ایزومرهای کونفورماسیونی که در بخش قبل به آنها پرداختیم که در آنها نحوه اتصال اتمها فرقی نمیکند، «ایزومرهای ساختاری» (Structural Isomers) در نحوه اتصال نیز با یکدیگر متفاوت هستند. مثالی از انواع ایزومری ساختاری را میتوانید در تصویر زیر مشاهده کنید که مربوط به هیدروکربنی آلیفاتیک با ۳ اتم کربن است.
یکی از این ایزومرهای ساختاری ۱-پروپانول (نرمال پروپانول) و دیگری ۲-پروپانول (ایزوپروپانول) است که در هر دو، گروه عاملی الکل حضور دارد.گرچه فرمول مولکولی هر دوی آنها C3H8O است اما در موقعیت گروه هیدروکسیل با یکدیگر متفاوت هستند. همین تفاوت باعث متفاوت بودن ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی آنها نسبت به یکدیگر میشود.
توجه داشته باشید که در تبدیل یک ایزومر ساختاری به ایزومر ساختاری دیگر حداقل یک پیوند شکسته و پیوند دیگری در محل جدیدی از مولکول تشکیل میشود. برای مثال به انواع ایزومری ساختاری موجود در تصویر زیر نگاه کنید که مربوط به هیدروکربنی با فرمول شیمیاییC5H12 هستند.
مشاهده میکنید که ساختار ۱ و ۴ در واقع مشابه هم هستند، همچنین ساختار ۲ و ۳ نیز یک مولکول واحد را نشان میدهند که با چرخش به میزان ۱۸۰ درجه به یکدیگر تبدیل میشوند. تنها سه مولکول را میتوان ایزومر ساختاری یکدیگر دانست، مولکول شماره ۱ و۴ با نام نرمال پنتان، مولکول شماره ۲ و ۳ با نام ۲-متیل بوتان و مولکول شماره ۵ با نام ۲و۲-دیمتیل پروپان.
برای تشخیص ایزومرهای ساختاری میتوانیم به شکست پیوندهای موجود توجه کنیم. برای مثال در تصویر بالا برای تبدیل مولکول شماره ۱ به ۴ و مولکول شماره ۲ به ۳ هیچ پیوندی شکسته نمیشود، بنابراین یکسان هستند و ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی مشابهی نیز از خود بروز میدهند.
ایزومر فضایی
در «ایزومرهای فضایی» (Stereoisomers) نحوه اتصال اتمها به یکدیگر مشابه است اما در جهتگیری در فضای سهبعدی با هم تفاوتهایی دارند. با توجه به تفاوت جهتگیری در فضا ایزومر فضایی انواع متفاوتی خواهد داشت که در ادامه به بررسی آنها خواهیم پرداخت. این ایزومر را با ایزومر ساختاری مقایسه کنید که در آن نحوه اتصال اتمها با یکدیگر متفاوت بود.
«ایزومرهای هندسی» (Geonetric Isomers) که با نام «ایزومر پیکربندی» (Configurational Isomer) یا «ایزومر سیس و ترانس» (Cis and Trans Isomer) نیز شناخته میشوند، زیر مجموعه ایزومرهای فضایی هستند. در این ایزومرها، ترتیب اتصال اتمها مشابه است اما در آرایش فضایی اتمها تفاوتهایی مشاهده میشود. میدانیم که پیوندهای دوگانه در آلکنها به دلیل ماهیت صلب خود، آزادی چرخش ندارند.
برای مثال به آلکن ۲-بوتن توجه کنید که در آن یک پیوند دوگانه بین کربن شماره ۲ و ۳ برقرار است که بین دو پیوند یگانه وجود دارد. این پیوند دوگانه صلب میتواند باعث به وجود آمدن دو ایزومر متفاوت از ۲-بوتن شود که آنها را در تصویر زیر مشاهده میکنید.
در این ایزومری بسته به جهتگیری استخلافها نسبت به پیوند دوگانه دو ایزومر سیس و ایزومر ترانس را مشاهده میکنیم. در تصویر بالا مولکول شماره ۱ سیس بوتن و مولکول شماره ۲ ترانس بوتن نامیده میشود. در ایزومر سیس دو اتم هیدروژن در یک سمت مولکول قرار دارند در حالی که در ایزومر ترانس در دو سمت مختلف هستند.
توجه داشته باشید که تنها مولکولهایی دارای ایزومر سیس و ترانس هستند که ساختاری صلب، مانند پیوند دوگانه و حلقه داشته باشند که در آنها امکان چرخش حول پیوند وجود نداشته باشد. به علاوه برای سیس و ترانس بودن ایزومر، اتمهای کربن باید دارای دو گروه متفاوت به خود باشند. برای مثال به تصویر زیر که مربوط به مولکول پروپن است، توجه کنید.
همانطور که مشاهده میکنید در این ساختار ایزومر هندسی وجود ندارد زیرا یکی از اتمهای کربن درگیر در پیوند دوگانه تنها به ۲ اتم هیدروژن متصل است. بهطور کلی ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی ایزومرهای هندسی از یکدیگر متفاوت است.
از جمله ترکیبات صلب دیگری که دارای ایزومر ساختاری هستند، میتوان به آلکینها اشاره کرد. مثالی از این ایزومر را در تصویر زیر مشاهده میکنید که در آنها جایگاه پیوند سهگانه با یکدیگر متفاوت است.
همانطور که مشاهده میکنید مولکول شماره ۱ با نام ۱-بوتین و مولکول شماره ۲ با نام ۲-بوتین، ایزومر ساختاری یکدیگر هستند. با این حال نمیتوانند ایزومر هندسی داشته باشند زیرا به کربنهای درگیر در پیوند سهگانه تنها ۱ گروه متصل است.
ایزومر نوری
ایزومرهای فضایی که ایزومر هندسی نیستند، میتوانند «ایزومرهای نوری» (Optical Isomers) را به وجود آورند. ایزومرهای نوری ایزومرهایی هستند که در جایگاه استخلافهای حول یک اتم یا مولکول با یکدیگر متفاوت باشند. به دلیل برهمکنش این ایزومرها با «نور قطبیده» (Plane Polarized Light) آنها را نوری مینامیم و به دو دسته مهم انانتیومر و دیاسترومر طبقهبندی میشوند که در ادامه به هر کدام خواهیم پرداخت.
«انانتیومرها» (Enantiomers) تصویر آینهای یکدیگر هستند اما بر هم منطبق نمیشوند. سادهترین مثالی که میتوان از انانتیومرها زد دستهای انسان است. دست راست و چپ انسان تصویر آینهای یکدیگر هستند اما در صورتی که کف هر دو دست به سمت بالا یا پایین باشد، نمیتوان آنها را بر هم منطبق کرد. این نکته را میتوانید در تصویر زیر مشاهده کنید.
به اشیاء انطباقناپذیری که تصویر آینهای یکدیگر باشند، «کایرال» (Chiral) میگوییم. یکی از روشهای ساده برای پی بردن به کایرال بودن یک مولکول ساده این است که گروههای مختلف متصل به اتم مرکزی کربن را بررسی کنیم. در صورتی که روی کربن، ۴ گروه متفاوت حضور داشته باشد آن را کایرال در نظر میگیریم. برای مثال به مولکول زیر توجه کنید.
همانطور که مشاهده میکنید به کربن مرکزی این مولکول، ۴ گروه مختلف H و OH و CH3 و CH2CH3 متصل است که با دایرههایی به رنگ آبی مشخص شدهاند، بنابراین کربن مرکزی آن را کایرال مینامیم.
کایرالیته چیست؟
«کایرالیته» (Chirality) مفهومی است که به مولکولهایی با توانایی چرخش نور قطبیده نسبت داده میشود و این ویژگی در تمامی ایزومرها مانند ایزومرهای هندسی وجود ندارد. در این صورت هر مولکولی که توانایی چرخش نور قطبیده را داشته باشد، «کایرال» (Chiral) نامیده میشود و تصویر آینهای نیز دارد.
در هر مولکول کایرال، اتمی چهاروجهی وجود دارد که روی خود دارای ۴ استخلاف یا اتم متفاوت است و با نام «مرکز فضایی» (Stereocenter) یا «مرکز کایرال» (Chiral Center) نامیده میشود. از این نکته میتوان برای شناسایی مولکولهای کایرال و رابطه بین آنها استفاده کرد.
مخلوط راسمیک چیست؟
«مخلوط راسمیک» (Racemic Mixture) ترکیبی با نسبت ۱:۱ از دو انانتیومر است. از آنجا که دو انانتیومر دارای چرخش نوری با مقدار برابر و در جهت مخالف هستند، مخلوط راسمیک فاقد فعالیت نوری است.
برای نامگذاری و تعیین انانتیومرهای یک ترکیب باید نوع دستسانی آنها را در مولکول بیان کنیم. این روش به نام روش R و S شناخته میشود که نخستین بار توسط سه دانشمند به وجود آمد و با توجه به نامهای آنها بهصورت «قانون کان اینگولد پرولوگ» (Cahn Ingold Prelog Rules) نامگذاری شد. در ادامه میخواهیم با این قانون برای تعیین پیکربندی انواع ایزومری آشنا شویم.
در این روش مراکز فضایی ایزومرهای نوری با S و R تعیین میشوند. در صورتی که در مرکزی فضایی اولویت استخلافها را تعیین کنیم و فلشی از استخلاف بالا به استخلافهای پایین رسم کنیم و جهت آن ساعتگرد باشد، پیکربندی آن از نوع R است. همچنین در صورتی که جهت حرکت فلش بهصورت پادساعتگرد باشد، آن را با S مشخص میکنیم.
این مورد را میتوانید در تصویر زیر مشاهده کنید. شماره ۱ نشاندهنده استخلاف با بیشترین اولویت و شماره ۴ نشاندهنده استخلاف با کمترین اولویت است. این پیکربندیها بهصورت پسوندی درون پرانتز پیش از نام مولکولها با مراکز فضایی آورده میشوند.
قوانین اولویت استخلافها
همانطور که مشاهده کردید یکی از مهمترین مواردی که باید برای تخصیص پیکربندی انجام دهیم، تعیین اولویت استخلافها است. در این بخش میخواهیم نحوه آن را فرا گیریم. توجه داشته باشید که در صورت اولویتگذاری نادرست، پیکربندی به دست آمده نیز صحیح نخواهد بود، بنابراین باید به این قوانین تسلط کافی پیدا کنیم.
قانون اول
ابتدا اتمهایی که بهصورت مستقیم به مراکز فضایی متصل هستند را مورد بررسی قرار میدهیم. اتمی با عدد اتمی بالاتر نسبت به اتمی با عدد اتمی پایینتر از اولویت بالاتری برخوردار است. در این صورت اتم هیدروژن کمترین اولویت را در عناصر جدول تناوبی دارد زیرا عدد اتمی آن برابر با ۱ است.
در صورتی که شاهد حضور ایزوتوپها باشیم، ایزوتوپی که بالاترین جرم اتمی را دارد بیشترین اولویت را خواهد داشت.
نکته مهمی که وجود دارد این است که استخلاف با کمترین اولویت باید همیشه دور از بیننده باشد که با نقطهچین آن را مشخص میکنیم. برای درک بهتر ساعتی را تصور کنید که از روبرو به آن نگاه میکنیم. استخلاف با اولویت پایینتر مانند عقربهای است که در پشت صفحه ساعت قرار دارد.
پس از تخصیص اولویت به استخلافها، از استخلاف با اولویت ۱ به اولویت ۲ و سپس به اولویت ۳ فلشی رسم میکنیم. در این صورت اگر جهت فلش ساعتگرد باشد، پیکربندی از نوع R و در صورتی که پادساعتگرد باشد، پیکربندی از نوع S است.
توجه داشته باشید که پیش از رسم فلش، باید استخلاف با کمترین اولویت در پشت صفحه و با نقطهچین باشد. همچنین استخلاف با اولویت بالاتر باید در روی صفحه و با گوه مشخص شده باشد. در صورتی که غیر از باشد، باید آن را بچرخانیم تا به پیکربندی صحیح برسیم.
قانون دوم
در صورتی که در استخلافی اولین اتم متصل یکسان باشد، به سراغ اتمهای متصل به آن میرویم. در این مورد با یافتن اولین تفاوت بین دو استخلاف میتوانیم به تخصیص اولویت آنها بپردازیم. برای درک بهتر مثالی را مورد بررسی قرار میدهیم.
استخلاف اتیل از استخلاف متیل اولویت بالاتری دارد. همانطور که در تصویر زیر مشاهده میکنید هر دوی آنها در اتصال به مرکز کایرال دارای یک اتم کربن هستند، بنابراین از این اتم نمیتوان اولویت آنها را مشخص کرد.
با پیشروی در زنجیره متوجه میشویم که به استخلاف متیل تنها ۳ اتم کربن دیگر متصل است در حالی که استخلاف اتیل به ۲ اتم هیدروژن و ۱ اتم کربن دیگر اتصال دارد، بنابراین از آنجا که این کربن اولین نقطه تفاوت آنها است و از هیدروژن عدد اتمی بالاتری دارد، اولویت با استخلاف اتیل است.
قانون سوم
در صورتی که زنجیرهای چندین بار به اتم یکسانی متصل باشد، باید به دنبال اتمهای بعدی باشیم که بالاترین عدد اتمی را داشته باشند. اگر هیچ کدام از اتمها اولویت نداشته باشند، اولویت با زنجیرهای است که به دفعات بیشتری متصل شده باشد. برای مثال به تصویر زیر توجه کنید که در آن تمامی اتمها یکسان هستند.
اولویت استخلاف ۱-متیل اتیل از استخلاف اتیل بالاتر است زیرا به اولین کربن آن ۲ کربن دیگر متصل است در حالی که کربن اتیل روی خود تنها ۱ کربن دیگر دارد. همانطور که توضیح دادیم این نقطه اولین تفاوت بین این دو است و از آنجا که عدد اتمی کربن از هیدروژن بیشتر است، اولویت با استخلاف ۱-متیل اتیل خواهد بود. حال به تصویر زیر توجه کنید.
در تصویر بالا به هر کدام از اتمهای کربن یک هیدروژن و یک گروه متیلی متصل است و تفاوت در یکی از پیوندها مشاهده میشود. در مولکول سمت راست این اتصال متیل و در مولکول سمت چپ برم است. از آنجا که عدد اتمی برم از کربن بالاتر است، اولویت با آن خواهد بود.
در صورتی که دو اتم با یکدیگر پیوند دوگانه و سهگانه داشته باشند، به این معناست که ۲ یا ۳ بار به استخلافهای مشابهی متصل شدهاند. برای مثال در تصویر زیر معادل پیوندهای دوگانه کربن کربن را مشاهده میکنید.
همچنین معادل پیوند سهگانه کربن کربن را در زیر مشاهده میکنید.
در تصویر زیر مثال دیگری را مشاهده میکنید که اهمیت یافتن اولین مکان تفاوت را مشخص میکند. با یافتن اولین نقطه تفاوت، اتمهایی که در مرحله بعد به استخلاف متصل هستند، فاقد اهمیت خواهند بود.
در تصویر زیر به مولکول سمت راست ۱ عدد هیدروژن و ۲ عدد کربن و به مولکول سمت چپ، ۲ عدد هیدروژن و ۱ عدد کربن وصل است، بنابراین میتوان با اطمینان اولویت را به مولکول سمت راست داد. وجود کلر در اتصال به کربن در مولکول سمت راست در اختصاص اولویت آن تفاوتی ایجاد نمیکند.
در مواردی با استخلافهایی مواجه میشویم که تا چندین اتصال کاملا با یکدیگر برابر هستند. در چنین مورادی باید تا جایی در زنجیره پیشروی کنیم تا به اولین نقطه تفاوت برسیم. برای مثال در تصویر زیر وجود هیدروژن در مولکول سمت چپ و وجود کربن در مولکول سمت راست اولین نقطه تفاوت است که به مولکول دارای کربن اولویت میدهد.
دیاسترومر چیست؟
«دیاسترومرها» (Diastereomers) گروهی دیگر از ایزومرهای نوری هستند که تصویر آینهای یکدیگر نیستند. در دیاسترومرها آرایش گروهها پیرامون یک یا تعداد بیشتری اتم با یکدیگر متفاوت است در حالی که اتمهایی با آرایش پیرامون یکسان نیز حضور دارند. همانطور که در تصویر زیر مشاهده میکنید، جهتگیری گروهها روی اولین و سومین کربن متفاوت است اما گروههای کربن دوم مشابه یکدیگر هستند و این باعث ایجاد تفاوت در دو مولکول میشود.
«اپیمرها» (Epimers) زیرمجموعه دیاسترومرها هستند که تنها در یک موقعیت با یکدیگر تفاوت دارند. بنابراین میتوان اینطور بیان کرد که تمامی اپیمرها دیاسترومر هستند اما هر دیاسترومری اپیمر نیست. در تصویر زیر نمونه دو مولکول بالا را در موقعیتی مشاهده میکنید که اپیمر هستند.
مثال از تعیین پیکربندی
حال به قوانین مسلط بر تعیین پیکربندی مراکز فضایی آشنا شدیم، میخواهیم در این بخش مثالهای متعددی را مورد بررسی قرار دهیم.
در تصویر زیر ۵ مولکول متفاوت را مشاهده میکنید. ابتدا حضور یا عدم حضور مرکز فضایی را در آنها مشخص کنید و سپس در صورت وجود پیکربندی مطلق آن را با توجه به مجموعه قوانین گفته شده به دست آورید.
مولکول ۱
کربن این مولکول مرکز کایرال است زیرا به آن ۴ اتم مختلف وصل شده است. با توجه به عدد اتمی اولویت آنها را میتوان بهصورت زیر نوشت.
پیش از رسم فلش چک میکنیم که هیدروژن که استخلاف با کمترین اولویت است در پشت صفحه باشد که چنین است و با نقطهچین رسم شده است. در صورتی که از ید به برم و سپس فلوئور فلشی رسم کنیم جهت حرکت آن پادساعتگرد است و پیکربندی آن از نوع S خواهد بود.
مولکول ۲
در این مولکول نیز مرکز فضایی وجود دارد و اولویت استخلافهای متصل بهصورت زیر خواهد بود.
برم > کلر > متیل > هیدروژن
همانطور که مشاهده میکنید برم با بالاترین اولویت در پشت صفحه قرار دارد و با نقطهچین نشان داده شده است، بنابراین پیش از رسم فلش باید مولکول را بچرخانیم. در این صورت با رسم فلش از برم به کلر و سپس متیل، جهت آن ساعتگرد است و پیکربندی از نوع R خواهد بود.
مولکول ۳
در این مولکول دو اتم هیدروژن روی کربن مرکزی قرار دارد، بنابراین فاقد مرکز فضایی است و نمیتوان پیکربندی R و S را به آن نسبت داد.
مولکول ۴
به کربن مرکزی این مولکول، ۴ استخلاف متفاوت متصل است که اولویت آنها را میتوان بهصورت زیر نوشت.
OH>CN>CH2NH2>H
همانطور که مشاهده میکنید هیدروژن در پشت مولکول نیست و باید آن را چرخاند. بعد از این کار اگر از استخلاف ۱ به ۲ و سپس ۲ فلشی رسم کنیم، پیکربندی از نوع R خواهد بود زیرا جهت فلش ساعتگرد است.
مولکول ۵
ابتدا اولویت استخلافهای این مولکول را تعیین میکنیم که با توجه به قوانین گفته شده بهصورت زیر است.
COOH>CH2OH>C≡CH>H
پیکربندی این مولکول از نوع S است زیرا جهت حرکت فلش رسم شده پادساعتگرد خواهد بود.
مثال دوم
پیکربندی مطلق مراکز فضایی دو مولکول زیر را پیدا کنید و بگویید چه رابطهای با یکدیگر دارند؟
پاسخ
هر دو این ساختارها دارای فرمول شیمیایی و نحوه اتصال یکسان هستند. به تصویر زیر که در آن مولکول سمت راست چرخانده شده است، توجه کنید. نتیجهای که به دست میدهد همان مولکول سمت چپ است، بنابراین میتوان گفت که این دو ساختار مشابه هم و با شیمی فضایی R و S هستند.
انواع ایزومر در کمپلکسها
تا اینجا با انواع ایزومری در ترکیبات شیمیایی آشنا شدیم. در این بخش میخواهیم بهطور ویژه به انواع ایزومری در کمپلکسها بپردازیم.
«ایزومر یونش» (Ionization Isomerism) زمانی اتفاق میافتد که لیگاند متصل به مرکز فلزی جای خود را با آنیون یا مولکولی خنثی که خارج از شبکه کمپلکس قرار دارد، عوض میکند. برای مثال یک ایزومر هشتوجهی دارای ۵ لیگاند مشابه است اما ششمین لیگاند با آنها متفاوت خواهد بود. این لیگاند غیرمشابه همان مولکول یا آنیون بیرون از فضای شبکه در ایزومر دیگر است.
از آنجا که در این دو ایزومر، آنیون یا مولکول بیرون از شبکه متفاوت خواهند بود، شاهد تغییر در ویژگیهای مولکول نیز هستیم. ایزومر هیدراتی نوعی از ایزومر یونش است که در آن مولکول آب یکی از مولکولهای تبادلی است. برای مثال به دو ایزومر یونش موجود در تصویر زیر توجه کنید.
تفاوت این دو ایزومر در لیگاند متفاوت متصل به مرکز فلزی و مولکول موجود در خارج از شبکه است. در مولکول سمت چپ، یون کلر به کبالت به صورت یک لیگاند متصل است و برم در خارج از شبکه کمپلکس، نقش «یون مخالف» (Counter Ion) را ایفا میکند.
مولکول سمت راست دقیقا برعکس این است، یعنی در آن برم، لیگاند متصل به فلز مرکزی و کلر یون مخالف است. توجه داشته باشید که این تفاوت را در نحوه نامگذاری آن ها نیز یادآور میشویم. نام مولکول سمت چپ «پنتا آمین کلرو کبالت (II) برمید» و نام مولکول سمت راست «پنتا آمین برمو کبالت (II) کلرید است.
تفاوت این دو ایزومر در یون تولید شده توسط آنها در زمان انحلال نیز مشاهده کرد. برای مثال زمانی که مولکول پنتا آمین برمو کبالت (II) کلرید در آب حل میشوند، یون Cl− به وجود میآید که میتوانید واکنش آن را در زیر مشاهده کنید.
CoBr(NH3)5Cl(s)→CoBr(NH3)5+(aq)+Cl−(aq)
در حالی که با انحلال مولکول پنتا آمین کلرو کبالت (II) برمید، یون حاصل برم خواهد بود. واکنش این انحلال را در زیر مشاهده میکنید.
CoCl(NH3)5Br(s)→CoCl(NH3)5+(aq)+Br−(aq)
ایزومر کوئوردیناسیون
«ایزومر کوئودریناسیون» (Coordination Isomer) در ترکیباتی مشاهده میشود که دارای دو بخش کاتیونی کمپلکسی و آنیونی کمپلکسی هستند که در آنها تبادل لیگاندها از کاتیون به آنیون ممکن باشد. در این صورت دو ترکیب کمپلکسی به یکدیگر متصل هستند که یکی از آنها دارای بار مثبت و دیگری دارای بار منفی است. نمونهای از این نوع ایزومری را میتوانید در تصویر زیر مشاهده کنید.
در این مثال از مجله فرادرس، همانطور که مشاهده میکنید جایگاه مس و روی در دو لیگاند دستخوش تغییر میشود.
ایزومر اتصالی
«ایزومر اتصالی» (Linkage Isomer) در لیگاندهای دودندانه مشاهده میشود که بیش از یک روش برای ایجاد شبکه از خود نشان میدهند. از شناختهشدهترین آنها میتوان به زوج SCN−وNCS^-وزوجNO_2^-وONO^-اشارهکرد.درواقعتفاوتایزومرهایاتصالیدراتمیازلیگانداستکهبهیونمرکزیوصلمیشود.لیگاندهابایددارایبیشازیکاتمدهندهباشنداماتنهاازیکموضعخودبهیونمتصلمیشوند.برایمثالNO_2^-لیگاندیاستکهمیتواندازاتماکسیژنیانیتروژنخودبهاتممرکزیوصلشودامادرعینحالتواناییاتصالبهآنرابهصورتهمزمانتوسطنیتروژنواکسیژنندارد.برایدرکبهترایننکتهبهتصویرزیرتوجهکنید.مولکولسمتراستنیتریتونامیدهمیشودوازاتماکسیژنبهیونمرکزیمتصلخواهدشد،درحالیکهمولکولچپبانامنیتروازنیتروژنخودوصلمیشود.ازآنجاکهایزومرهایساختاریفرمولمشابهیکدیگردارند،فرمولکمپلکسآنهاتغییرینخواهدکرداماویژگیهاییکهازخودبروزمیدهندممکناستمتفاوتازیکدیگرباشد.ازدیگرلیگاندهاییکهبهتولیدایزومراتصالمیانجامند،میتوانبهسلنوسیاناتبافرمولشیمیاییSeCN^-،ایزوسلنوسیاناتبافرمولشیمیاییNCSe^-وسولفیتبافرمولشیمیاییSO_3^{2-}اشارهکرد.ایزومرهندسیمسطحکمپلکسهایفلزیکهتنهادرنوعمجاورتلیگاندهانسبتبهیکدیگرباهممتفاوتهستند،ایزومرهندسینامیدهمیشوند.درصورتیلیگاندهایمشابهدرکناریکدیگرباشند،ایزومرهندسیازنوعسیسودرصورتیکهروبروییکدیگرقراربگیرند،ایزومرهندسیازنوعترانسخواهدبود.ایننوعایزومریدرکمپلکسهایمسطحوهشتوجهیازاهمیتبهسزاییبرخورداراستکهدرادامهبهآنهاخواهیمپرداخت.ابتداکمپلکسMA_3Bرابررسیمیکنیم.ازآنجاکهراسهایمربعبایکدیگربرابرهستند،محلقرارگیریلیگاندBدرآناهمیتنداردوتفاوتیایجادنمیکند.بنابراینمیتوانبااطمینانگفتکهاینکمپلکستنهایکایزومرهندسیداردکهآنهارادرتصویرزیرمشاهدهمیکنید.همانطورکهمشاهدهمیکنیدهر۴ساختارازنظرشیمیاییبایکدیگربرابرهستندوتنهاباچرخشکمپلکسهامیتوانآنهارابرهممنطبقکرد.برایکمپلکسیبهصورتMA_2B_2دوایزومرامکانوجودداردکهدریکیازآنهالیگاندهایAکناریکدیگرولیگاندهایBنیزدرکناریکدیگرحضوردارندوبهنامسیسخواندهمیشود.درایزومردوملیگاندهایAروبروییکدیگرولیگاندهایBنیزروبرویهمحضوردارندوآنراترانسمینامیم.گرچهمیتوانایزومرسیساینساختاررابه۴مدلمختلفرسمکرداماباکمیدقتمتوجهمیشویمکههمهیکیهستندوباچرخشمیتوانآنهارابهیکدیگرتبدیلکرد.اینرامیتوانیددرتصویرزیرمشاهدهکنید.همچنینایزومرترانسرامیتوانبهدونوعرسمکردیمکهکاملامشابهیکدیگرهستند.ازآنجاکهنمیتواندوایزومرسیسوترانسرابههیچروشیبهیکدیگرتبدیلکرد،میتوانیمبااطمینانبگوییمکهاتمهایآنجهتگیریمتفاوتیدرفضادارند.یکیازبهترینمثالهاییکهمیتوانازایزومرسیسوتراسبافرمولکلیMA_2B_2زدمربوطبهpt(NH_3)Cl_2است.ایزومرسیساینمولکولمربوطهبهدارویسیسپلاتیناستکهدرشیمیدرمانیبهکارگرفتهمیشوداماایزومرترانسآنمادهایسمیبهشمارمیرود.بههمینجهتشناساییایزومرهایسیسوترانسازیکدیگراهمیتفراوانیدارد.درتصویرزیرایزومرسیسوترانساینمادهرامشاهدهمیکنید.کمپلکسهایمسطحیکهلیگاندهایمتقارندودندانهایدارند،تنهایکساختارمیتوانندبهخودبگیرند.برایمثالبهکمپلسزیرکهمربوطبه [Pt(en) _2]^{2+ }استتوجهکنیدکهدرآنخطوطمنحنیبیندواتمنیتروژننشاندهندهلیگاندهایاتیلندیآمینهستند.ایزومرهندسیهشتوجهیانواعایزومریبهصورتسیسوترانسدرکمپلکسهایهشتوجهینیزمشاهدهمیشود.مانندآنچهدرموردکمپلکسهایمسطحگفتیم،دراینموردنیزدرصورتیکهتمامیلیگاندهاجزیکیباهمبرابرباشند،تنهایکساختارایزومریوجودخواهدداشت.درتصویرزیردوجهتگیریممکنازجهتگیریهایکمپلکسیبافرمولMA_5Bرامشاهدهمیکنید.توجهداشتهباشیدکهتمامیرئوسدراینهشتوجهیبایکدیگربرابرهستند.ایندوساختاروساختارهایمشابهآنرامیتوانباچرخشرویهممنطبقکرد،بنابراینهمگیازنظرشیمیاییباهمبرابرهستند.درصورتیکهدرکمپلکسهایهشتوجهی۲لیگانداز۴لیگانددیگرمتفاوتباشند،یعنیفرمولکمپلکسبهصورتMA_4B_2باشد،برایآندوایزومرمیتوانمتصورشد.دولیگاندBمیتوانندنسبتبهیکدیگرسیسیاترانسباشندودرتصویرزیراینگفتهرامشاهدهمیکنید.کمپلکس [Co(NH_3)4Cl_2]Cl مثالیازایننوعکمپلکسهشتوجهیاست.درصورتیکهدرکمپلکسبالایکیازلیگاندهایAباBجایگزینشود،کمپلکسیبافرمولMA_3B_3بهدستمیآیدکهدوایزومربرایآنممکنخواهدبود.نحوهنمایشایندوایزومررامیتوانیددرتصویرزیرمشاهدهکنید.مثالازایزومردرکمپلکسهاتااینجاباانواعایزومریدرکمپلکسهاآشناشدیم.دراینبخشمیخوهیمبرایدرکبهترتعدادیمثالراموردبررسیقراردهیموبااینمفهومآشناییبیشتریپیداکنیم.<b>مثالاول</b>ایزومرکوئوردیناسیونیترکیبیبافرمولشیمیایی {[Co(NH_3)_6] [Cr(CN)_6]} بهچهصورتخواهدبود؟<b>پاسخ</b>همانطورکهپیشترتوضیحدادیم،درایزومرکوئوردیناسیونیفلزهابینکاتیونوآنیونتبادلمیشوند،یعنیدراینموردکرومبهجایگاهکبالتوکبالتبهجایگاهکروممنتقلخواهدشد.اینانتقالرابهصورتتصویریدرزیرآوردهایم.بنابرایندومولکول {[Co(NH_3)_6] [Cr(CN)_6]} و {[Cr(NH_3)_6][Co(CN)_6] } ایزومرکوئوردیناسیونییکدیگرهستند.<b>مثالدوم</b>کمپلکسکاتیونیکبالتبافرمولشیمیایی [Co(NH_3)_5(NO_2)]Cl_2 دارایدوایزومراتصالاست.آنهارامشخصکنیدوبگوییدچهتفاوتهاییبایکدیگردارند؟<b>پاسخ</b>دوایزومراتصالیاینلیگاندرامیتوانبهصورتزیرنشاندادکهدرمولکولسمتچپایزومرنیترووازاتمنیتروژنخودبهکبالتوصلشدهاست.همچنیندرسمتراستایزومرنیتریتوراداریمکهازاتماکسيژنخودبهکبالتمرکزیمتصلمیشود.نحوهنشاندادایندوایزومربافرمولرامیتوانیددرزیرمشاهدهکنید.<b>ایزومرنیتریتو،متصلازاتماکسیژن</b>: {[Co(ONO)(NH_3)_5]Cl} <b>ایزومرنیترو،متصلازاتمنیتروژن</b>: {[Co(NO_2)(NH_3)_5]Cl} <b>مثالسوم</b>ایزومرهایهندسیکمپلکس [Co(H_2O)_2(ox)BrCl]^− رارسمکنید.منظورازoxدرفرمولاینکمپلکس، ^−O_2CCO_2^−استکهاگزالاتنامیدهمیشود.<b>پاسخ</b>اینکمپلکسداراییکلیگانددوندانهاگزالاتیاستکهتنهامیتوانددوجایگاهمجاورهمرااشغالکندوایزومرسیسرابهوجودآورد.۴موقعیتدیگراینکمپلکسرادولیگاندآب،یکعددبرمویکعددکلراشغالمیکنند.ابتداساختارهایمتقارناینکمپلکسرابهصورتیرسممیکنیمکهلیگاندهانسبتبهیکدیگرترانسباشند.دراینصورتدولیگاندهالوژنیادوآبمیتوانندنسبتبهیکدیگردرموقعیتترانسقراربگیرندوآنهارابهصورتزیرنمایشمیدهیم.بهعلاوهدوایزومردیگرنیزمیتوانرسمکردکهدرآنهالیدهانسبتبهلیگاندآبترانسهستندوآنهارادرتصویرزیرمشاهدهمیکنید.دریکیازآنهالیگاندکلربالیگانداگزالاتدریکصفحهتقارنحضورداردونسبتبهیکیازاکسیژنهایاگزالاتبهصورتترانساستکهدرسمتچپتصویرزیرآنرامشاهدهمیکنید.باتعویضجایگاهکلروبرمیایکدیگر،ایزومردیگربهدستمیآیدکهدرسمتراستتصویربالاآوردهشدهاست.دراینایزومربرمبالیگانداگزالاتدریکصفحهتقارنوجوددارندونسبتبهیکیازاکسیژنهایآنترانساست.بنابراینمیتوانبااطمینانگفتکهاینکمپلکسدارای۴ایزومرهندسیمتفاوتاست.حلمثالوتمرینازانواعایزومریتااینجاباانواعایزومریونحوهتشخیصهریکازآنهاآشناشدیم.دراینبخشمیخواهیمابتداتعدادیمثالرابههمراهپاسختشریحیمرورکنیموسپسبهتمرینهاییچندگزینهایبپردازیم.فیلمآموزششیمیآلی۲–مروروحلتستکنکورارشددرفرادرسکلیککنیدمثالازانواعایزومریدراینبخشتعدادیمثالرابررسیمیکنیمودرهرموردپاسختشریحیآنرانیزمیآوریم.توجهبهاینپاسخهایتشریحیمیتوانددرپاسخگوییبهپرسشهایمشابهمفیدباشد.مثالاولدوساختار۱−بوتنو۲−بوتنچهرابطهایبایکدیگردارند؟<b>پاسخ</b>درتصویرزیرمولکولشماره۱مربوطبه۱−بوتنومولکولشماره۲مربوطبه۲−بوتناست.همانطورکهمشاهدهمیکنیددر۱−بوتنپیونددوگانهدرابتدایمولکولقرارداردامادر۲−بوتنپیونددوگانهبیندوپیوندیگانهاست.دراینصورتایندومولکولدارایپیوندهایمتفاوتیهستندوایزومرساختارییکدیگرنامیدهمیشوند.مثالدومدرزیر۸زوجمولکولرامشاهدهمیکنید.باتوجهبهرابطهانواعایزومری،نسبتآنهابایکدیگرچیست؟<b>زوجاول</b>درتصویرزیرهردومولکولدارایفرمولشیمیایییکسانبهصورتC_6H_{12}هستندواتصالاتمهایآنبایکدیگرمشابهاست.تنهاموردمتفاوتدرایندو،آرایشاتمهادرفضااستومیتوانگفتکهایزومرکنفورماسیونییکدیگرهستند.<b>زوجدوم</b>درایندومولکولتنهافرمولشیمیایییکسانوبهصورتC_2H_6Oاستاماهمانطورکهمشاهدهمیکنیدنحوهاتصالمتفاوتیدارند،بنابراینایندوایزومرساختارییکدیگرهستند.<b>زوجسوم</b>ایندومولکولدارایفرمولشیمیایییکسانبهصورتC_3H_9BrواتصالیکسانهستنداماپیکربندیمرکزفضاییدرسمتچپازنوعRودرسمتراستازنوعSاست.بنابراینآنهاراایزومرهایفضاییانانتیومریمیدانیم.<b>زوجچهارم</b>ازآنجاکهفرمولشیمیاییآنهامشابه(C_2H_6O)استامادرمحلپیونددوگانهبایکدیگرمتفاوتهستند،ایزومرساختارییکدیگرخواهندبود.<b>زوجپنجم</b>همانطورکهمشاهدهمیکنیدایندومولکولکاملامشابهیکدیگرهستندونحوهاتصالیکسانینیزدارداماجهتگیریاستخلافهادرآنهامتفاوتاست.میتوانیمبههرمرکزفضاییپیکربندیآنرااختصاصدهیمکهنتیجهبهصورتRوSبرایمولکولسمتچپوSوSبرایمولکولسمتراستاست.بنابراینآنهاایزومرهایفضاییهستندکهرابطهدیاسترومرینیزدارند.<b>زوجششم</b>درایندومولکولنحوهاتصالاتمهاکاملامشابهیکدیگراستاماشیمیفضاییآنهامتفاوتاستوایزومرفضایییکدیگرهستند.میتواناینتفاوترابااختصاصدادنپیکربندیمناسببهآنهامشخصاستکهدرتصویرزیرآوردهشدهاست.پیکربندیمولکولسمتراستبهصورتSوRوپیکربندیمولکولسمتچپبهصورتRوSاست.مولکولهاییکهدرهردومرکزفضاییبایکدیگرمتفاوتباشند،تصویرآینهاییکدیگرهستندامابرهممنطبقنمیشوند،بنبابراینانانتیومریکدیگرنامیدهمیشوند.مثالسومآیادومولکول {[FeCl_5(NO_2)]^{3–}} و {[FeCl_5(ONO)]^{3–}} $$ ایزومر اتصالی یکدیگر هستند؟
پاسخ
در این دو مولکول، تفاوت در نقطه اتصال لیگاند به فلز مرکزی است که آن را در تصویر زیر مشاهده میکنید.
این دو مولکول ایزومر اتصالی یکدیگر هستند زیرا در مولکول سمت راست، لیگاند از اتم اکسیژن خود به فلز مرکزی متصل شده است و در مولکول سمت چپ از اتم نیتروژن خود.
تمرین از انواع ایزومری
حال که در بخش قبل تعدادی مثال را بررسی کردیم، به سراغ تعدادی تمرین چندگزینهای میرویم.
تمرین اول
کدام یک از گزینههای زیر در مورد ایزومرهای نوری صحیح است؟
انانتیومرها تصویر آینهای یکدیگر هستند و بر هم منطبق نمیشوند اما دیاسترومرها تصویر آینهای یکدیگر هستند و بر هم منطبق میشوند.
انانتیومرها تصویر آینهای یکدیگر هستند و بر هم منطبق نمیشوند اما دیاسترومرها تصویر آینهای یکدیگر نیستند.
انانتیومرها تصویر آینهای یکدیگر هستند و بر هم منطبق میشوند اما دیاسترومرها تصویر آینهای یکدیگر نیستند.
انانتیومرها و دیاسترومرها تصویر آینهای یکدیگر هستند و بر هم منطبق میشوند.
تمرین دوم
رابطه بین دو مولکول (R)-۲-کلرو هگزان و ۱-کلروهگران در کدام گزینه بهصورت صحیح آورده شده است؟
ایزومر ساختاری
ایزومر نوری
اپیمر
ایزومر هندسی
پاسخ تشریحی
برای پاسخ راحتتر و افزایش دقت بهتر است ابتدا ساختار این دو مولکول را رسم کنیم.
این دو مولکول دارای فرمول شیمیایی یکسان بهصورت C6H13Cl هستند اما نحوه اتصال اتمهای آن با یکدیگر متفاوت است، بنابراین ایزومر ساختاری یکدیگر نامیده میشوند.
تمرین سوم
تعدادی ایزومرهای هندسی کمپلکس [Cr(en)2(CN)2]+ در کدام یک از گزینههای زیر بهصورت صحیح آورده شده است؟
۳
۲
۵
۶
پاسخ تشریحی
ین کمپلکس دارای دو لیگاند است. همانطور که در تصویر زیر مشاهده میکنید در صورتی که لیگاندهای CN روبروی یکدیگر قرار داشته باشند، ایزومر از نوع ترانس و در صورتی که در مجاورت یکدیگر باشند، ایزومر از نوع سیس نامیده میشود.
تمرین چهارم
کدام یک از گزینههای زیر فاقد ایزومری هندسی است؟
۱-هگزن
۲-هگزن
۳-هگزن
۴-هگزن
تمرین پنجم
دو هیدروکربن زیر چه رابطه ایزومری با یکدیگر دارند؟
(۳R، ۲R) دیکلرو هگزان و (۳R، ۲S) دیکلرو هگزان
اپیمر هستند.
نمیتوان تعیین کرد.
ایزومر ساختاری هستند.
رابطهای ندارند.
پاسخ تشریحی
مشاهده پاسخ تشریحی برخی از سوالات، نیاز به عضویت در مجله فرادرس و ورود به آن دارد.
تمرین ششم
کدام یک از انواع ایزومری را میتوان با چرخش مولکول حول پیوند یگانه به یکدیگر تبدیل کرد؟
ایزومر کنفورماسیونی
انانتیومر
دیاسترومر
هیچکدام
تمرین هفتم
با توجه به تعریف انواع ایزومری، کدام یک از گزینههای زیر نادرست است؟
انواع ایزومری در ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی با یکدیگر تفاوت دارند.
انواع ایزومری شامل ایزومری ساختاری و ایزومری فضایی میشوند.
ایزومرها دارای فرمول مولکولی متفاوت از یکدیگر هستند.
ایزومری هندسی و ایزومری نوری دو نوع مختلف از ایرومری فضایی هستند.
تمرین هشتم
ایزومری که از تفاوت چیدمان فضایی اتمها یا گروههایی حول پیوند دوگانه کربنها به وجود میآیند، چه نامیده میشوند؟
ایزومر ساختاری
ایزومر نوری
ایزومر فضایی
ایزومر هندسی
تمرین نهم
سیکلوهگزان ایزومر حلقهای کدام یک از ترکیبات زیر است؟
سیکلوهگزن
سیکلوپنتان
هگزن
هگزان
تمرین دهم
کدام یک از گزینههای زیر ایزومر مولکول CH3COOH به شمار میرود؟
CH3CH2OH
CH3COCH3
HCOOCH3
تمامی گزینهها صحیح هستند.
تمرین یازدهم
هیدروکربن پنتان چند ایزومر دارد؟
۱
۵
۷
۲
تمرین دوازدهم
کدام یک از گزینههای زیر در مورد انواع ایزومری در هیدروکربنها صحیح است؟
دارای فرمول شیمیایی یکسان هستند.
تعداد اتمهای کربن در آنها یکسان است.
دارای فرمول ساختاری یکسان هستند.
گزینه ۲ و ۳ صحیح است.
سوالات متداول
حال که با انواع ایزومری و رابطه آنها با یکدیگر آشنا شدیم، میخواهیم در این بخش به تعدادی از مهمترین و پرتکرارترین سوالهای موجود پیرامون آن پاسخ دهیم.
ایزومر نوری چیست؟
ایزومرهای نوری ایزومرهایی هستند که در جایگاه استخلافهای حول یک اتم یا مولکول با یکدیگر متفاوت هستند و به دلیل برهمکنش خود با نور قطبیده نوری نامیده میشوند.
ایزومر انانتیومر چیست؟
انانتیومرها ایزومرهایی هستند که تصویر آینهای یکدیگر هستند اما بر هم منطبق نمیشوند.
ایزومر فضایی چیست؟
در ایزومرهای فضایی نحوه اتصال اتمها به یکدیگر مشابه است اما در جهتگیری در فضای سهبعدی با هم تفاوتهایی دارند.
ایزومر چیست؟
ایزومرها مولکولهایی با فرمول مولکولی یکسان هستند که نوع آرایش و جهتگیری اتمها در آنها با یکدیگر متفاوت است.
ایزومر یونش چیست؟
ایزومر یونش زمانی اتفاق میافتد که لیگاند متصل به مرکز فلزی جای خود را با آنیون یا مولکولی خنثی که خارج از شبکه کمپلکس قرار دارد، عوض میکند.
جمعبندی
هدف از این مطلب آشنایی با انواع ایزومری در شیمی بود. در این مطلب از مجله فرادرس ابتدا به بررسی مفهوم ایزومری پرداختیم و سپس انواع آن را بهتفضیل معرفی کردیم. از جمله ایزومریهایی که در این مطلب به آن اشاره شده است میتوان به ایزومر هندسی، ایزومر نوری، ایزومر ساختاری و ایزومر فضایی اشاره کرد.
در هر مورد تلاش شده است تا مفهوم ایزومری را بر مولکولهایی که دارای آن است مورد بررسی قرار دهیم و مثالهایی را برای درک بهتری بررسی کنیم. در نهایت نیز با تعدادی مثال و تمرین چندگزینهای درک خود از این مفهوم را عمق بخشیدیم.
اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزشها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد میشوند:
سحر خائفی دانشآموخته کارشناسی ارشد شیمی دارویی از دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی است. به دنیای کتاب و تئاتر علاقه دارد و در حال حاضر در زمینه تولید محتوای شیمی با مجله فرادرس همکاری میکند.