ایزومر نوری چیست؟ – به زبان ساده + مثال

«ایزومرهای نوری» (Optical Isomer) گونه‌ای از ایزومرهای فضایی هستند که در آرایش فضایی با یکدیگر تفاوت‌هایی دارند. به این دلیل به آن‌ها ایزومر نوری می‌گویند که در جهت‌دهی به «نور قطبیده» (Polarized Light) مخالف هم عمل می‌کنند. در این مطلب می‌خواهیم بدانیم ایزومر نوری چیست و چه انواعی دارد. همچنین در مورد کاربردهای ایزومر نوری صحبت خواهیم کرد. برای درک بهتر ابتدا تعریف دقیقی از ایزومر و ایزومر فضایی را بررسی خواهیم کرد.

ایزومر چیست ؟

«ایزومرها» (Isomer) دارای «فرمول مولکولی» (Molecular Formula) یکسان هستند اما «آرایش فضایی» (Spatial Arrangement) آن‌ها با یکدیگر متفاوت است. از زیبایی‌های شیمی آلی این است که در آن به سه‌بعدی بودن مولکول‌ها توجه می‌شود. چگونگی قرارگیری مولکول در فضا روی ویژگی‌های آن تاثیر می‌گذارد. در تصویر زیر انواع ایزومرهای موجود و زیرشاخه‌های آن‌ها را مشاهده می‌کنید.

ایزومر فضایی چیست ؟

ایزومر نوری گونه‌ای از ایزومر فضایی است. ایزومرهای فضایی دارای فرمول مولکولی یکسان هستند اما در جهت‌گیری اتم‌هایشان در فضا با یکدیگر تفاوت دارند. این شامل تمام حالت‌هایی از مولکول است که به دلیل چرخش حول محور پیوندی خاص به‌وجود می‌آید.

 

ایزومر نوری چیست ؟

ایزومرهای نوری به دلیل تاثیری که روی نور قطبیده می‌گذارند، به این نام خوانده می‌شوند. ایزومرهای نوری به دو فرم ایزومری وجود دارند که به آن‌ها «انانتیومر» (Enantiomer) می‌گویند. انانتیومرها در یک ویژگی با یکدیگر متفاوت هستند. آن‌ها نور قطبیده را در دو جهت مخالف هم می‌چرخانند. با توجه به رفتار ایزومرهای نوری در برابر نور قطبیده دو نوع انانتیومر داریم.

• انانتیومر (+): اگر محلول انانتیومر، نور قطبیده را در جهت حرکت عقربه‌های ساعت بچرخاند انانتیومر (+) است. از پیشوند $$D$$ نیز برای این انانتیومر استفاده می‌شود. $$D$$ از کلمه Dexter که در لاتین به معنای راست است، گرفته شده است.
• انانتیومر (-):اگر محلول انانتیومر، نور قطبیده را در جهت عکس حرکت عقربه‌های ساعت بچرخاند انانتیومر (-) است. از پیشوند $$L$$ نیز برای نشان دادن این انانتیومر استفاده می‌شود.

برای درک بهتر مثالی را در ادامه بررسی خواهیم کرد. آمینواسید «آلانین» (Alanine) دارای ایزومر نوری است. به ایزومری که نور قطبیده را در جهت حرکت عقربه‌های ساعت می‌چرخاند، (+)آلانین و به ایزومری که نور قطبیده را در جهت عکس حرکت عقربه‌های ساعت می‌چرخاند، (-)آلانین می‌گویند.

توجه داشته باشید که مقدار چرخش نور قطبیده توسط دو ایزومر فضایی دقیقا با یکدیگر برابر است و فقط در جهت چرخش با یکدیگر تفاوت دارند.

انانتیومر چیست ؟

به ایزومر‌های نوری انانتیومر نیز می‌گویند. ایزومرهای نوری به دو ایزومر فضایی گفته می‌شود که روی «تصویر آینه‌ای» (Miror Image) خود منطبق نباشند. در واقع ایزومر نوری مانند دست چپ و راست انسان است، آن‌ها دقیقا تصویر آینه‌ای همدیگر هستند اما با چرخاندن یکی، امکان انطباق آن‌ها روی هم از بین می‌رود. این دو ایزومر نوری به‌اصطلاح انانتیومر یکدیگر خوانده می‌شوند.

انانتیومرها به غیر از یک مورد، ویژگی‌های شیمیایی یکسانی دارند، آن‌ها در واکنش با مولکول‌های انانتیومر دیگر از خود رفتار متفاوتی نشان می‌دهند. انانتیومرها در ویژگی‌های فیزیکی نیز، به غیر از تفاوت در رفتار با نور قطبیده، با یکدیگر تفاوتی ندارند.

مخلوط راسمیک چیست ؟

به ترکیبی متشکل از دو انانتیومر به مقدار برابر، «راسمیک» (Rasemic) می‌گویند. مخلوط راسمیک عموما در ویژگی‌های شیمیایی و فیزیکی خود با انانتیومرهای خالص متفاوت است.

 

از آنجا که مخلوط راسمیک حاوی ۵۰٪ ایزومر نوری (+) و ۵۰٪ ایزومر نوری (-) است، مقدار چرخش در دو جهت با یکدیگر برابر است و خنثی می‌شود. بنابراین می‌گوییم که مخلوط راسمیک از نظر نوری غیرفعال می‌شود و تاثیری روی نور قطبیده ندارد.

مازاد انانتیومری چیست ؟

در بیشتر ترکیب‌های غیرراسمیک مقدار یکی از انانتیومرها از دیگری بیشتر است. نسبت اجزای تشکیل‌دهنده یک ترکیب غیرراسمیک با مفهومی به‌ نام «مازاد انانتیومری» (Enantiomeric Excess) به دست می‌آید. مازاد انانتیومری در واقع تفاوت بین فراوانی انانتیومرها است. برای مثال اگر ترکیبی حاوی ۷۵٪ از یک انانتیومر و ۲۵٪ از انانتیومر دیگر باشد، مازاد انانتیومری آن ۵۰٪ خواهد بود. به همین ترتیب اگر یکی از انانتیومرها به مقدار ۹۵٪ و دیگری ۵٪ وجود داشته باشد،‌ مازاد انانتیومری آن ترکیب ۹۰٪ است. مازاد انانتیومری را با $$ee$$ نمایش می‌دهند و در بیشتر موارد آن را به‌صورت درصد گزارش می‌کنند.

$$ee(R)=enantiomer R-enantiomerS$$

مازاد انانتیومری یک ترکیب، نشان‌دهنده فعالیت نوری آن است. این رابطه را با فرمول زیر می‌توان مشخص کرد.

$$[\alpha]_{mix} = ee \times [\alpha]_{major}$$

• $$[\alpha]_{mix}$$: چرخش نوری ترکیب
• $$[\alpha]_{major}$$: چرخش نوری ایزومر قالب
• $$ee$$: مازاد انانتیومری

از طرفی با داشتن چرخش‌ نوری ترکیب و ایزومر قالب، می‌توان مازاد انانتیومری آن را به دست آورد. مازاد انانتیومری را می‌توان با در دست داشتن مقدار مول هر انانتیومر نیز محاسبه کرد.

دیاسترومر چیست ؟

دیاسترومرها تصویر آینه‌ای یکدیگر نیستند. آن‌ها در بیش از یک مرکز کایرال با یکدیگر تفاوت دارند. هر مرکز کایرال امکان وجود دو پیکربندی بندی متفاوت را به وجود می‌آورد بنابراین به‌طور معمول تعداد ایزومرهای فضایی با هر حضور هر مرکز کایرال، ۲ واحد افزایش پیدا می‌کند.

واکنش دو محصول دارد که با یکدیگر دیاسترومر هستند.

 

اپی‌ مر چیست ؟

دو دیاسترومرهایی که تنها در یک مرکز کایرال با یکدیگر تفاوت داشته باشند، «اپی‌مر» (Epimer) هستند. دی-گلوکز و دی-گالاکتوز با یکدیگر اپی‌مر هستند و تنها در یک مرکز کایرال با یکدیگر تفاوت دارند. این کربن در تصویر زیر قابل مشاهده است.

تفاوت انانتیومر و دیاسترومر چیست ؟

دو انانتیومر با یکدیگر در تمام مرکزهای کایرال تفاوت دارند و این باعث می‌شود همیشه تصویر آینه‌ای یکدیگر باشند اما تفاوت دو دیاسترومر تنها در یک مرکز می‌تواند باشد. به‌علاوه دیاسترومرها ویژگی‌های فیزیکی متفاوتی دارند و در واکنش‌پذیری شیمیایی آن‌ها نیز یکسان نیستند. در ادامه مثالی از این مورد را بررسی می‌کنیم.

گلوکز (Glucose) و گالاکتوز (Galactose) دیاسترومر هستند و با اینکه جرم مولی برابری دارند، پایداری گلوکز بیشتر از گالاکتوز است. این تفاوت در پایداری باعث می‌شود که جذب گالاکتوز در بدن انسان سریع‌تر از گلوکز باشد.

 

گزینش‌ پذیری دیاسترومر

گزینش پذیری دیاسترومری، تمایل واکنش‌های شیمیایی برای به‌وجود آوردن محصولی از یک دیاسترومر است. درکل گزینش‌پذیری فضایی وابسته به برهم‌کنش‌های فضایی و پیچشی مراکز فضایی است.

ترکیب مزو چیست ؟

ترکیبات «مزو» (Meso) مولکول‌هایی اکایرال با چندین مرکز کایرال هستند. این مولکول‌ها روی تصویر آینه‌ای خود منطبق می‌شوند. همچین با وجود داشتن مراکز فضایی از نظر نوری نیز غیرفعال هستند. ترکیب مزو دارای صفحه تقارنی است که آن را به دو قسمت تقسیم می‌کند. این دو قسمت تصویر آینه‌ای یکدیگر هستند. یعنی با وجود داشتن صفحه تقارن، شیمی فضایی دو طرف در تقابل با هم خواهد بود و این فعالیت نوری مولکول را از بین می‌برد. توجه داشته باشید که امکان مزو بودن ترکیبات حلقوی نیز وجود دارد. برای درک بهتر مفهوم مزو چند مثال را بررسی خواهیم کرد.

این مولکول دارای یک صفحه تقارن است که در تصویر با خط قرمز مشخص شده است. به همین دلیل حتی با وجود دو کربن کایرال، مولکول اکایرال و فاقد فعالیت نوری است.

این ساختار دارای صفحه تقارنی است که با رنگ قرمز نشان داده شده است و با وجود داشتن دو کربن کایرال، خود اکایرال خواهد بود. این ترکیب مثالی از ترکیبات حلقوی مزو است.

در ادامه تعدادی ساختار مزو را مشاهده می‌کنید. صفحه تقارن در آن‌ها با خط‌چین مشخص شده است. به وجود مراکز کایرال در آن‌ها توجه کنید.

1،۳-دی‌متیل سیکلوهگزان در حالتی که دو متیل ایزومر سیس یکدیگر باشند، دارای ساختار مزو است. همان‌طور که در تصویر زیر می‌بینید، این مسئله در مورد ایزومر ترانس ۱،۳-دی‌متیل سیکلوهگزان صدق نمی‌کند.

شناسایی ترکیب مزو

ترکیب مزو یک یا چند مرکز فضایی و یک صفحه تقارن دارد. همچنین شیمی فضایی آن باید به‌صورت $$R$$ و $$S$$ باشد. برای تشخیص ترکیب مزو ابتدا بهتر است دنبال صفحه تقارن آن بگردید و سپس سراغ پیکربندی آن بروید. همان‌طور که پیش از این گفتیم ترکیب مزو از نظر نوری غیرفعال است‌ به این صورت که پیکربندی $$R$$ و $$S$$ همدیگر را خنثی می‌کنند. به دو مثال زیر توجه کنید.

کایرالیته چیست ؟

در شیمی به مولکول یا یونی که روی تصویر آینه‌ای خود منطبق نباشد، «کایرال» (Chiral) می‌گویند و به این ویژگی فضایی کایرالیته (Chirality) گفته می‌شود. این واژه از کلمه‌ای یونانی به معنای دست گرفته شده است که رایج‌ترین مثال برای توضیح مفهوم کایرالته است.

یک ساختار کایرال دقیقا مانند دست راست و چپ انسان است. آن‌ها تصویر آینه‌ای یکدیگر هستند اما بر هم «غیرقابل انطباق» (Non Superimposable) هستند.

مرکز کایرال

مرکز کایرال (Chiral Center)، یک اتم چهاروجهی (Tetrahedral) در مولکول است که دارای ۴ پیوند متفاوت باشد. به مرکز کایرال، «اتم کایرال» (Chiral Atom) نیز گفته می‌شود. اگر مرکز کایرال، اتم کربن باشد به آن «کربن نامتقارن» (Asymmetric Carbon) نیز می‌گویند. در مثال‌های زیر، مورد اول کربن نامتقارن است.

در مولکول‌های آلی معمولا مرکز کایرال، اتم کربنی است که به ۴ گروه متفاوت متصل باشد. مرکز کایرال می‌تواند دو «پیکربندی» (Configuration) متفاوت داشته باشد که این باعث به‌وجود آمدن دو ایزومر فضایی دیاسترومر و انانتیومر در مولکول‌هایی با بیش از ۲ مرکز کایرال، می‌شود.

مولکول کایرال و آکایرال

تفاوت بین مولکول‌ کایرال و اکایرال (Achiral) را می‌توان با مفهوم صفحه تقارن (Plane Of Symmetry) توضیح داد. اگر تمام گروه‌های متصل به کربن مرکزی با یکدیگر متفاوت باشند، مولکول صفحه تقارنی ندارد. به این نوع مولکول‌ها کایرال می‌گویند. در واقع از این روش می‌توان برای پی‌بردن به کایرالیته مولکول‌ها استفاده کرد.

اگر تمام گروه‌های متصل به کربن مرکزی با یکدیگر متفاوت نباشند، صفحه تقارن می‌تواند وجود داشته باشد. به این مولکول‌ها اکایرال می‌گویند و از خود فعالیت نوری نشان نمی‌دهند.

 

کربن کایرال در ساختار حلقوی

تا اینجا در مورد وجود کربن‌های کایرال در ساختارهای خطی صحبت کردیم. حال می‌خواهیم بدانیم آیا امکان حضور مرکز کایرال در ساختار حلقوی نیز وجود دارد یا خیر. برای درک بهتر این موضوع به تصویر زیر دقت کنید.

برای سادگی ابتدا از مواردی شروع می‌کنیم که وجود کربن کایرال را غیرممکن می‌کنند. در این ساختار پیوندهای دوگانه نمی‌توانند کایرال باشند. زیرا وجود پیوند دوگانه بین دو اتم کربن مانند این است که هر کربن به دو اتم کربن دیگر متصل باشد و این یعنی دو گروه متصل به آن مشابه یکدیگر هستند و نمی‌تواند کایرال باشد. بنابراین کربن ۲ و ۳ کایرال نیستند.

این گفته‌ها در مورد دو کربنی که با شماره ۴ و ۵ مشخص شده‌اند نیز صدق می‌کند زیرا هر دو فقط دو پیوند دارند و دو ظرفیت باقی‌مانده آن‌ها را هیدروژن‌ها پر می‌کنند. باز به کربنی برخوردیم که ۲ گروه از ۴ گروه متصل به آن مشابه هستند، بنابراین کربن ۴ و ۵ نیز کایرال نیستند.

در انتها می‌خواهیم کربنی که با شماره ۱ مشخص شده است را مورد بررسی قرار دهیم. این کربن به یک هیدروژن و یک $$OH$$ متصل است. دو ظرفیت دیگر آن نیز یکی با کربن ۲ و دیگری با کربن ۵ اشغال شده است. با پیشروی در ساختار هر کدام از این کربن‌ها می‌بینیم که آیا تفاوتی با یکدیگر دارند یا خیر و بلافاصله به جواب می‌رسیم. کربن ۲ دارای پیوند دوگانه است و کربن ۵ خیر. بنابراین می‌توان این‌طور نتیجه‌گیری کرد که کربن شماره ۱ به ۴ گروه کاملا متفاوت متصل و کایرال است.

شناسایی ایزومر نوری

برای اینکه در مورد ایزومر نوری بودن ترکیبی اظهار نظر کنیم، ابتدا باید ببینیم که دارای کربنی با ۴ گروه متصل متفاوت هست یا خیر. برای درک بهتر مسئله مثالی را به‌‌صورت تصویری در ادامه مورد بررسی قرار می‌دهیم.

دو ترکیب آلی زیر را در نظر بگیرید.

این دو مولکول آرایش فضایی متفاوتی دارند. اگر از بالا به این دو مولکول نگاه کنیم، متوجه می‌شویم که آرایش گروه نارنجی و آبی در فضا یکسان نیست. آیا با چرخاندن مولکول ۲ می‌توان آن را تبدیل به مولکول ۱ کرد؟ پاسخ منفی است. زیرا با چرخاندن مولکول ۲ نتیجه به‌صورت زیر خواهد بود.

تا اینجا متوجه شدیم که ساختار مولکول ۱ و ۲ را با چرخش در فضا نمی‌توان به یکدیگر تبدیل کرد. در چنین حالتی می‌گوییم که مولکول ۱ و ۲ بر هم انطباق‌پذیر نیستند زیرا به هیچ روشی نمی‌توان آن‌ها را دقیقا مشابه یکدیگر کرد.

در ادامه می خواهیم مثالی را بررسی کنیم که در آن دو گروه مشابه به کربنی با ۴ گروه متصل هستند. این دو گروه با رنگ سرخابی در تصویر زیر نمایش داده می‌شوند.

با ۱۸۰ درجه چرخاندن، مولکول ۲ دقیقا ساختاری مشابه مولکول ۱ پیدا می‌کند. این ادعا در تصویر زیر به‌وضوح دیده می‌شود.

با این دو مثال متوجه شدیم که تنها زمانی ایزومر نوری خواهیم کرد که هر ۴ گروه متصل به کربن مرکزی با یکدیگر متفاوت باشند.

تعیین تعداد ایزومر نوری

برای تعیین تعداد ایزومرهای نوری یک ترکیب ابتدا باید کربن‌های کایرال آن را مشخص کنیم. در حالت کلی رابطه بین کربن کایرال با تعداد ایزومر نوری به‌‌صورت زیر است. در این رابطه $$n$$ برابر با تعداد کربن‌های کایرال موجود در ساختار است.

• $$n$$: تعداد مراکز کایرال موجود در اتم
• $$number \:of\: optical\:isomers$$: تعداد انانتیومرهای نوری

$$number \:of\: optical\:isomers=2^n$$

ایزومرهای طبیعی

بیشتر سیستم‌های طبیعی تنها با یکی از دو ساختار انانتیومری (+) و (-) سروکار دارند. دلیل آن نیز خیلی پیچیده نیست. به دلیل ساختار ویژه فضایی، تنها یکی از آن‌ها می‌تواند در سایت فعال آنزیمی که با آن در ارتباط است به‌راحتی جا شود. بنابراین طبیعت به‌صورت انتخابی از ایزومر مورد استفاده خود تولید می‌کند.

این مسئله در مورد سنتزهای مصنوعی که در آزمایشگاه‌ها انجام می‌شود، صدق نمی‌کند زیرا در بیشتر موارد مقدار برابری از هر دو انانتیومر به دست می‌آید و محصول، راسمیک خواهد بود.

پیکربندی مطلق

برای دانستن پیکربندی مطلق یک مولکول با مرکز کایرال از سیستم نام‌گذاری استفاده می‌شود که پیش از نام انانتیومرها از دو عبارت $$R$$ و $$S$$ استفاده می‌کند. این سیستم نام‌گذاری توسط سه شیمی‌دان بنا نهاده شده است، و به نام آن‌ها نیز مشهور شده است. به این روش نام‌گذاری قانون «کان-اینگولد-پرلوگ» (Cahn-Ingold-Prelog) گفته می‌شود. علاوه بر این سیستم، به کمک دو روش تجربی نیز می‌توان به پیکربندی مطلق یک مولکول کایرال پی‌برد. با این‌حال استفاده از روش نام‌گذای $$R$$ و $$S$$ برای کارکردهای غیر آزمایشگاهی در اولویت است.

تعیین مرکز کایرال $$R$$ و $$S$$

توجه داشته باشید که نام‌گذاری به‌صورت $$R$$ و $$S$$ مربوط به هر مرکز کایرال است و به انانتیومر مرتبط نمی‌شود. هرچند بعد از تعیین این پیکربندی‌ها قبل از نام انانتیومر به آن‌ها نیز اشاره می‌شود. به دو تصویر زیر نگاه کنید.

در مولکول سمت چپ فلشی از گروه ۱ با بیشترین اولویت به گروه ۴ با کمترین اولویت رسم شده است. اگر این فلش عکس جهت حرکت عقربه‌های ساعت باشد، پیکربندی آن را $$S$$ می‌نامیم و اگر عکس این باشد، یعنی جهت حرکت فلش موافق جهت عقربه‌های ساعت باشد آن را با پیکربندی $$R$$ نشان می‌دهیم. با دانستن آن‌ها، $$R$$ و $$S$$ داخل پرانتز و قبل از نام مولکول نوشته می‌شود. در زیر دو مثال از مدل نوشتن انانتیومرها را مشاهده می‌کنید.

• (آر)-۲-بروموبوتان
• (اس)-۲و۳-دی‌هیدروکسی پروپانال

قوانینی برای تعیین اولویت گروه‌ های متصل

گفتیم که قبل از تعیین جهت فلش و تعیین $$R$$ و $$S$$ نیاز داریم که گروه‌های متصل به اتم کایرال را به ترتیب اولویتشان نام‌گذاری کنیم. برای این کار می‌توانیم از قوانین زیر کمک بگیریم.

 

قانون اول

اول به سراغ اتمی می‌رویم که خود به‌طور مستقیم به مرکز کایرال متصل است. در این مورد اولویت با اتمی است که عدد اتمی بالاتری داشته باشد. به همین دلیل در این قانون هیدروژن به دلیل داشتن پایین‌ترین عدد اتمی در بین عناصر جدول تناوبی از پایین‌ترین اولویت برخوردار است. به یاد داشتن نکته‌های زیر می‌تواند برای تشخیص بهتر کمک کند.

1. زمانی که در گروه‌ها دو ایزوتوپ متفاوت حضور داشته باشند، اولویت با ایزوتوپی است که عدد جرمی بزرگ‌تری داشته باشد.
2. برای رسم شکل این نکته را در نظر داشته باشید که گروه با کمترین اولویت باید پشت مولکول (به جهت داخل صفحه) و دور از بیننده قرار بگیرد. یعنی با خط‌چین به اتم کایرال متصل باشد. برای درک بهتر این نکته، ساعت و عقربه متصل به آن را در نظر بگیرید. این عقربه باید طوری به ساعت متصل باشد که در نگاه به روی صفحه ساعت، در دورترین حالت ممکن باشد. برای رسم آخرین اولویت گروه‌های متصل به اتم مرکزی کایرال نیز به همین طریق باید عمل کرد.
3. بعد از تعیین اولویت‌ها، باید فلشی از گروه با اولویت اول به گروه با اولویت دوم و سپس سوم و چهارم رسم کنیم. (توجه داشته باشید که این فلش برای کمک به تعیین پیکربندی است و با کمی تمرین می‌توان از رسم فلش به‌صورت فیزیکی خودداری کرد و در ذهن جهت آن را متصور شد.)
4. اگر فلش رسم شده از گروه با اولویت بالا به گروه‌های با اولویت پایین، در جهت عقربه‌های ساعت باشد، پیکربندی از نوع $$R$$ است و اگر خلاف جهت حرکت عقربه‌های ساعت باشد، پیکربندی از نوع $$S$$ خواهد بود.
5. به یاد داشته باشید که اگر در حال حل تمرینی هستید که در آن گروه با اولویت بالا، با نقطه‌چین و دور از ناظر بود یا گروه با اولویت پایین با «گوه» (Wedge) و روی صفحه بود، نیاز است که خودمان مولکول را بچرخانیم.

قانون دوم

ممکن است حالتی پیش بیاید که اولین اتم متصل به مرکز کایرال در دو گروه مختلف با یکدیگر یکسان باشند. در این حالت آن دو نسبت به هم اولویتی ندارند، بنابراین نیاز است که به اتم‌های بعدی آن گروه مراجعه کنید. این کار را آنقدر ادامه دهید تا در اتمی متفاوت باشند. (امکان اینکه دو گروه در تمام اتم‌ها یکسان باشد وجود ندارد، زیرا در این حالت اتم مرکزی به ۴ گروه متفاوت متصل نیست و در نتیجه نمی‌توان آن را کایرال نامید.)

مثالی از این گروه‌ها را در تصویر بالا می‌بینید. به اتم مرکزی دو گروه متیل و اتیل متصل هستند. در اتم اول هر دو دارای یک اتم کربن هستند که نسبت به هم اولویتی ندارند پس نیاز است که بررسی را ادامه دهیم. در جایگاه بعدی برای اتیل یک اتم کربن دیگر وجود دارد، اما متیل تنها به اتم هیدروژن متصل است. می‌دانیم که عدد اتمی کربن از هیدروژن بیشتر است، بنابراین اولویت گروه اتیل بیشتر از گروه متیل است. وجود کربن دوم در گروه اتیل باعث تفاوت در این دو گروه است و آن را در اولویت بالاتری قرار می‌دهد.

قانون سوم

اگر دو گروه متصل به مرکز کایرال دو یا سه بار به اتم‌های مشابهی متصل باشند، باید برای تعیین اولویت به اتم‌های متصل به هر کدام از اتم‌های مشابه نگاه کرد. هر گروهی که در جایی از زنجیره خود، اتمی با عدد اتمی بیشتر از گروه رقیب داشته باشد، اولویت بالاتری دارد.

• اگر در دو زنجیره رقیب، اتمی با عدد اتمی بالاتر وجود نداشت، گروهی اولویت بالاتری دارد که به تعداد بیشتری اتم مشابه متصل باشد.

برای درک بهتر این موضوع در انتهای این مطلب، در بخش مثال و حل تمرین، پیکربندی چند مرکز کایرال را مورد بررسی قرار خواهیم داد.

کاربرد ایزومر نوری چیست ؟

در این بخش می‌خواهیم اندکی در مورد کاربردهای ایزومری نوری در علم شیمی، صحبت کنیم. یکی از رایج‌ترین و مهم‌ترین کاربردهای ایزومرهای نوری در تشخیص نوع مکانیسمی است که واکنش از طریق آن انجام می‌شود. برای روشن شدن این مورد مثالی را بررسی خواهیم کرد.

واکنش جانشینی هسته‌دوستی آلکیل‌ هالیدها را در نظر بگیرید. آلکیل هالیدهای نوع اول با مکانیسم $$SN_2$$ وارد واکنش می‌شوند در حالی که آلکیل هالیدهای نوع سوم از مکانیسم $$SN_1$$ برای واکنش بهره می‌برند. واکنشی که با مکانیسم $$SN_2$$ انجام شود تنها یک محصول به وجود می‌آورد اما محصول واکنش با مکانیسم $$SN_1$$ مخلوطی از دو انانتیومر فعال نوری است. بنابراین اگر محصول واکنش جانشینی هسته‌دوستی ایزومرهای فعال نوری باشند، می‌توان اینطور نتیجه‌گیری کرد که واکنش از مکانیسم $$SN_1$$ پیش رفته است.

مشکلات استفاده از ایزومرهای نوری به عنوان دارو

بسیاری از موادی که تاثیر بیولوژیکی بر بدن انسان دارند و به‌عنوان دارو مورد استفاده قرار می‌گیرند، ایزومر نوری هستند. در بسیاری موراد تنها یکی از انانتیومرها موثر است و دیگری تاثیری به‌عنوان دارو ندارد. دلیل این امر آن است که مولکول‌های دارویی برای اثربخشی باید در سایت فعال مولکول‌های بزرگی مانند آنزیم و پروتئین جا شوند و نحوه اتصال آن‌ها با پذیرنده (Receptor) از اهمیت بالایی برخوردار است. از آنجا که انانتیومرها آرایش فضایی متفاوتی دارند ممکن است یکی از آن‌ها در این قالب بگنجد و دیگری خیر. بنابراین بسیاری از مواد دارویی به‌صورت تک انانتیومر حضور دارند.

در برخی موارد انانتیومر دیگر نیز همراه انانتیومر موثر در دارو موجود است، زیرا جداسازی این دو بسیار پرهزینه‌ و زمان‌بر است. البته در این مورد حتما باید تاثیر انانتیومر دیگر بر بدن مورد مطالعه قرار گیرد. اگر انانتیومر دیگر بی‌اثر باشد می‌توان آن را با خیال راحت همراه انانتیومر فعال کرد. مشکلی که در این میان وجود دارد، افزایش وزن دارو و مشکل در بلع آن به صورت خوراکی است.

در مواردی که تاثیر منفی انانتیومر دیگر بر بدن مشخص شده باشد، حتما باید آن را از انانتیومر موثر، جداسازی کرد. در این مورد می‌توان از روش‌های متفاوتی استفاده کرد. یکی از آن ها بهره‌گیری از کاتالیزور کایرال است. این روش بسیار مقرون به‌صرفه است زیرا اولا مقدار بسیار کمی از کاتالیزور نیاز است و دوما کاتالیزور طی واکنش دست‌نخورده باقی می‌ماند و می‌توان به دفعات از آن استفاده کرد.

مثالی از این مورد مسکن ایبوپروفن است. این ماده دارای دو انانتیومر است که با $$S$$ و $$R$$ شناخته می‌شوند. این دو ساختار ویژگی‌ها فیزیکی مشابهی، مانند انحلال‌پذیری و نقطه جوش، دارند اما انانتیومر $$R$$ آن هیچ تاثیری روی بدن انسان ندارد.

مثال‌ و حل تمرین

حال که دانستیم ایزومر نوری چیست، باید توانایی تشخیص آن را نیز کسب کنیم. برای درک بهتر این مسئله به مثال‌های زیر توجه کنید. در این بخش تعداد زیادی تمرین برای تشخیص نوع ایزومر نوری، تعیین پیکربندی انانتیومرها و رابطه بین آن‌ها آورده شده است.

مثال اول

در تصویر زیر اتم کربن نامتقارن مولکول ایزوبوتانول با ستاره مشخص شده است. دو انانتیومر این ایزومر نوری را رسم کنید.

پاسخ: رسم صحیح ایزومرها اهمیت بسیار بالایی دارد. بنابراین در مرحله بعد دو ایزومر را حول محور اتم کربن نامتقارن به‌صورتی رسم می‌کنیم که موقعیت فضایی هر گروه مشخص باشد. سپس آینه را روبروی آن قرار می‌دهیم و تصویر آینه‌ای آن را نیز رسم می‌کنیم. توجه داشته باشید که با تعیین پیکربندی می‌توان صحیح بودن رسم مولکول را مورد بررسی قرار داد. به‌صورتی که باید یکی از انانتیومرها دارای پیکربندی $$R$$ و دیگری $$S$$ باشد و این در مورد دو ساختار زیر صدق می‌کند.

مثال دوم

مانند مثال قبل مرکز کایرال مولکول ۲-هیدروکسی پروپانوئیک اسید (لاکتیک اسید) با ستاره قرمز رنگ مشخص شده است. دو انانتیومر حاصل از این کربن کایرال را رسم کنید.

پاسخ: در این مرحله دو ایزومر را حول محور اتم کربن نامتقارن به‌صورتی رسم می‌کنیم که موقعیت فضایی هر گروه مشخص باشد. سپس آینه را روبروی آن قرار می‌دهیم و تصویر آینه‌ای را نیز رسم می‌کنیم. در نهایت باید دو انانتیومر با پیکربندی متفاوت داشته باشیم و این در مورد دو تصویر زیر صدق می‌کند.

در این مثال نحوه رسم اتصال گروه کربوکسیلیک اسید (COOH) مهم است و اگر به‌‌صورت برعکس نوشته شود، نادرست است.

مثال سوم

در این مثال سراغ آمینواسید ۲-آمینو پروپانوئیک اسید (آلانین) می‌رویم که آمینواسیدی طبیعی است. آلانین از نظر ساختاری دقیقا مانند مثال پیش است تنها با این تفاوت که در آن گروه $$OH$$ با $$NH_2$$ جایگرین شده است. دو انانتیومر به‌وجود آمده توسط کربن کایرال این آمینواسید را رسم کنید.

دو انانتیومر این آمینواسید را می‌توان به‌صورت زیر نشان داد و مراحل رسم آن در مثال‌های بالا مورد بررسی قرار گرفته است.

تنها یکی از این دو ساختار، فرم (+)آلانین، به‌صورت طبیعی وجود دارد که در تصویر بالا در سمت راست قرار دارد. به این ساختار ال-آلانین گفته می‌شود. ساختار دیگر دی-آلانین نام دارد. ساختار ال-آلانین نور قطبیده را در جهت حرکت عقربه‌های ساعت می‌چرخاند.

مثال چهارم

 

مثال پنجم

 

مثال ششم

 

مثال هفتم

 

مثال هشتم

 

مثال نهم

 

مثال دهم

 

مثال یازدهم

 

مثال دوازهم

 

مثال سیزدهم

 

مثال چهاردهم

 

مثال پانزدهم

 

مثال شانزدهم

مثال هفدهم

مثال هجدهم

پیکربندی کربن‌های کایرال موجود در مولکول زیر را مشخص کنید.

پاسخ: پیکربندی کربن ۱ به‌صورت $$S$$ و پیکربندی کربن ۲ به‌صورت $$R$$ است. ترتیب اولویت گروه‌های متصل در تصویر زیر نشان داده شده است. با رسم فلش از بالاترین اولویت به پایین‌ترین، پیکربندی به دست می‌آید.

مثال نوزدهم

با توجه به ترکیب زیر بگویید چند عدد ایزومر نوری دارد؟

پاسخ: ابتدا باید تعداد اتم‌های کایرال ترکیب را محاسبه کنیم. این ساختار ۳ کربن کایرال دارد. بنابراین تعداد ایزومرهای نوری آن برابر با ۸ خواهد بود.

$$n=number\;of \; chiral\:centers\;\;\;\;2^n=2^3=8$$

مثال بیستم

در هر مورد، اولویت گروه‌های متصل به مرکز کایرال را مشخص کنید.

پاسخ: در این دو گروه اولین اتم متصل به مرکز کایرال یکسان و کربن است بنابراین نیاز است که برای تعیین ترتیب اولویت به اتم‌های بعدی مراجعه کنیم. در این مورد گروه ۱-متیل اتیل به گروه اتیل برتری دارد زیرا در گروه اتیل به کربن اول تنها یک اتم کربن دیگر متصل است در‌حالی که در گروه ۱-متیل اتیل به کربن اول، دو کربن متصل است. این تفاوت باعث می‌شود بتوان در مورد اولویت‌ این دو گروه نظر داد. در نتیجه ۲-متیل اتیل در مقام اول و بعد از آن اتیل قرار می‌گیرد.

پاسخ: در این مورد اولین اتم هر دو گروه کربن است. با نگاه به اتم‌های بعدی متوجه می‌شویم که هر کربن به یک متیل و یک هیدروژن متصل است. اما تفاوت در گروه سوم است. اولی به متیل و دومی به برم وصل است. از آن‌جا که عدد اتمی برم بیشتر از کربن است، بنابراین اولویت گروه سمت چپ بیشتر است.

پاسخ: در این مثال بین دو کربن، پیوند از نوع دوگانه داریم. به یاد داشته باشید که وجود پیوند دوگانه مانند این است که اتم کربن دو بار به اتم کربن دیگری متصل شده باشد. با این فرض می‌توان ترتیب اولویت‌ها را مانند مثال‌های قبل مورد بررسی قرار داد.

پاسخ: در برخورد با پیوند سه‌گانه نیز می‌توانیم مانند پیوند دوگانه رفتار کنیم. با این تفاوت که فرض بر این است که هر اتم کربن به ۳ اتم کربن دیگر متصل است.

پاسخ: توجه داشته باشید که همیشه باید به اولین تفاوت موجود بین دو گروه متصل برای تعیین ترتیب اولویت استناد کرد. در مواردی مانند مثال بالا، در هر گروه به کربن، سه اتم متصل است. برای گروه سمت راست این سه اتم هیدروژن و دو کربن است و برای گروه سمت چپ دو اتم هیدروژن و یک کربن. تا همینجا می‌دانیم که اولویت گروه سمت راست بالاتر است و نباید به وجود کلر با عدد اتمی بالا در گروه سمت راست توجه کنیم زیرا با وجود اولین تفاوت، اینکه در مراتب بعدی چه اتم‌هایی حضور دارند، هیچ اهمیتی ندارد.

پاسخ: در این مثال در وهله اول تفاوتی بین گروه‌های متصل وجود ندارد یعنی به هر اتم کربن، دو کربن و یک هیدروژن متصل است. یکی از این کربن‌ها متعلق به گروه $$CH_2CH_3$$ است که باز در هر دو گروه یکسان است. کربن دیگر در گروه سمت چپ به‌صورت $$CH_2OH$$ و در گروه سمت راست به‌صورت $$CH_2OCH_3$$ حضور دارد. اولین تفاوت این دو گروه در آخرین اتصال این شاخه است. بنابراین گروه سمت راست اولویت بالاتری دارد.

مثال بیست و یکم

با توجه به قوانین بررسی شده در این مطلب، در مورد $$R$$ یا $$S$$ بودن هر مرکز کایرال نظر دهید.

پاسخ ۱) در این مثال ساده برای بررسی ترتیب اولویت گروه‌های متصل به اتم کربن کایرال می‌توان به تفاوت اعداد اتمی آن‌ها توجه کرد. ترتیب اعداد اتمی برای ۴ گروه متصل به‌صورت زیر است.

$$I >\; Br >\; F >\; H$$

همان‌طور که مشاهده می‌کنید اتم هیدروژن با کمترین اولویت خود به سمت داخل صفحه قرار دارد بنابراین نیازی به چرخاندن مولکول قبل از تعیین پیکربندی آن نیست. در این مرحله با داشتن ترتیب اولویت گروه‌ها، فلشی از ید به برم و به فلوئور ترسیم می‌کنیم. با توجه به اینکه این فلش پادساعتگرد است، پیکربندی این مولکول از نوع $$S$$ است.

پاسخ ۲) در این مورد ترتیب اولویت گروه‌های متصل به کربن مرکزی کایرال به‌صورت زیر است.

$$Br >\; Cl >\; CH_3 >\; H$$

با توجه به تصویر مولکول می‌بینیم که اتم برم با بالاترین اولویت در پشت صفحه و دور از ناظر و اتم هیدروژن با پایین‌ترین اولویت توسط گوه متصل است و بیرون صفحه قرار دارد. برای تعیین پیکربندی صحیح نیاز است که مولکول را بچرخانیم تا جای برم و هیدروژن عوض شود. سپس با رسم فلشی از برم به کلر و سپس به متیل متوجه می‌شویم که پیکربندی از نوع $$R$$ است زیرا جهت حرکت فلش موافق عقربه‌های ساعت است.

پاسخ ۳) این مولکول دارای هیچ کدام از پیکربندی‌های $$R$$ و $$S$$ نیست زیرا مرکز کایرال ندارد. (به دو گروه مشابه آن، دو هیدروژن، توجه کنید.) اختصاص این پیکربندی‌ها فقط برای مولکول‌های کایرال ممکن است.

پاسخ ۴) در این مثال ترتیب اولویت گروه‌های متصل به اتم کایرال به‌صورت زیر خواهد بود.

$$OH >\; CN >\; CH_2NH_2 >\; H$$

در نظر داشته باشید که نیاز داریم مولکول را قبل از تعیین پیکربندی بچرخانیم زیرا هیدروژن در آن روی صفحه است و باید به پشت صفحه (به‌صورت خط‌چین) برود. بعد از این کار با رسم فلشی از $$OH$$ به $$CN$$ و سپس $$CH_2NH_2$$ متوجه می‌شویم که جهت فلش موافق حرکت عقربه‌های ساعت است. بنابراین می‌توانیم با اطمینان بگوییم که پیکربندی آن از نوع $$R$$ است.

پاسخ ۵) در این مثال ترتیب اولویت گروه‌های متصل به کربن را می‌توانیم به‌صورت زیر بنویسیم.

$$−COOH >\; −CH_2OH >\; C≡CH >\; H$$

در این مولکول نیز پیش از تعیین پیکربندی نیاز به چرخاندن مولکول است به‌صورتی که هیدروژن با کمترین اولولیت در پشت صفحه قرار بگیرد. سپس با رسم فلشی از $$COOH$$ به $$CH_2OH$$ و $$C≡CH$$، چرخش در جهت عکس عقربه‌های ساعت خواهد بود و مولکول از نوع $$S$$ است.

مثال بیست و دوم

با در نظر داشتن تعریف مزو، به ۶ ساختار زیر خوب دقت کنید و بگویید کدام یک از آن‌ها مزو هستند؟

پاسخ: در بین این ترکیب‌ها، ساختار ۱، ۳، ۴ و ۵ مزو هستند.

مثال بیست و سوم

ترکیبی شیمیایی دارای دو انانتیومر است و یکی از آن‌ها به عنوان ماده دارویی مورد استفاده قرار می‌گیرد. چرا انانتیومر دیگر هیچ تاثیر بیولوژیکی ندارد و نمی‌توان از آن به‌عنوان دارو استفاده کرد؟

پاسخ: بسیاری از مواد دارویی زمانی تاثیرگذار هستند که بتوانند در رسپتور پذیرنده خود جا شوند. بنابراین شکل فضایی آن‌ها در برهم‌کنش با سایت فعال مولکول هدف، مثلا آنزیم یا پروتئین، موثر است. انانیتومرها در آرایش فضایی با یکدیگر متفاوت هستند. بنابراین ممکن است یک انانتیومر به دلیل برهم‌کنش مناسب با سایت فعال اثر بیولوژیکی داشته باشد و دیگری خیر.

مثال بیست و چهارم

در مورد کایرالیته دو اتم کربن مشخص شده در تصویر زیر نظر دهید.

پاسخ: ابتدا می‌خواهیم کربنی که با شماره ۲ مشخص شده است را مورد بررسی قرار دهیم. برای اینکه کربنی کایرال باشد باید به ۴ گروه متفاوت از هم متصل باشد. این در مورد کربن ۲ صدق نمی‌کند زیرا دو تا از گروه‌های متصل به آن متیل هستند. بنابراین می‌توان این‌طور نتیجه‌گیری کرد که کربن ۲ اکایرال است.

برای بررسی کایرالیته کربن ۳ نیز همین روند را پیش می‌گیریم، یعنی ۴ گروه متصل به آن را پیدا می‌کنیم. این کربن کایرال است زیرا به یک هیدروژن، یک اتیل و یک متیل متصل است و گروه چهارم متصل به آن نیز همان زنجیره کربن ۲ است بنابراین هر ۴ مورد با یکدیگر متفاوت هستند و این یعنی کربن ۲ کایرال است.

مثال بیست و پنجم

در مورد کایرالیته اتم‌های کربن حلقوی در تصویر زیر نظر دهید.

پاسخ: ابتدا کربن ۳ و ۴ را مورد بررسی قرار می‌دهیم. همان‌طور که در این مطلب گفتیم اگر کربنی دارای پیوند دوگانه باشد مانند این است که دو پیوند مشابه با اتم کربن دارد. بنابراین شرط وجود ۴ پیوند متفاوت برای آن صدق نمی‌کند. در نتیجه کربن ۳ و ۴ اکایرال هستند.

در مرحله بعد می‌خواهیم کربن ۲ و ۵ را بررسی کنیم. هر کدام از این کربن‌ها دو ظرفیت اشغال شده توسط هیدروژن دارند و این یعنی نمی‌توانند کایرال باشند. بنابراین کربن ۲ و ۵ نیز به دلیل نداشتن ۴ گروه متصل متفاوت اکایرال هستند.

در انتها به سراغ کربن ۱ با پیوند $$OH$$ می‌رویم. این کربن به یک هیدروژن و یک $$OH$$ متصل است و دو ظرفیت دیگر آن نیز توسط کربن‌های ۲ و ۵ پر شده است بنابراین نیاز است که متفاوت بودن این دو شاخه را بررسی کنیم. هر دوی این کربن‌ها به دو هیدروژن و یک کربن درگیر در پیوند دوگانه متصل هستند و هیچ تفاوتی با هم ندارند. بنابراین کربن ۱ نیز نمی‌تواند کایرال باشد.

از وجود صفحه تقارن نیز می‌توان به اکایرال بودن اتم کربن ۱ پی برد. اگر صفحه‌ای این مولکول را به‌صورتی تقسیم کند که از اتم کربن ۱ و پیوند دوگانه روبرویش گذر کند، دقیقا آن را به دو قسمت مشابه تقسیم می‌کند و اتم نمی‌تواند کایرال باشد.

مثال بیست و ششم

با توجه به تصویر زیر بگویید کدام یک از اتم‌های کربن مشخص شده در ساختار کایرال هستند. (توجه داشته باشید که کربن‌ها به شیوه استاندارد برای نام‌گذاری مشخص نشده‌اند. اختصاص این اعدا به آن‌ها برای سادگی حل مسئله است.)

پاسخ: تصویر بالا ساختار مولکول کلسترول است. کربن‌هایی که عددگذاری نشده‌اند یا درگیر پیوند دوگانه هستند و یا به ۲ و ۳ هیدروژن متصل هستند بنابراین واضح است که نمی‌توانند کایرال باشند.

این ساختار از مجموع ۹ کربن مشخص‌ شده، ۸ کربن کایرال دارد. برای تشخیص بهتر و راحت‌تر می‌توانید ساختار را رسم کنید و هیدروژن‌ها و متیل‌ها را با رنگ دیگر در محل اتصالشان به‌صورتی که در تصویر پایین می‌بینید، به تصویر بکشید.

ابتدا به سراغ کربن ۹ می‌رویم. واضح است که به این کربن دو گروه مشابه متیل متصل شده است، پس نمی‌تواند به هیچ‌ وجه کایرال باشد. کربن ۱ دارای یک هیدروژن و یک $$OH$$ متصل به خود است. همچنین دو ظرفیت دیگر آن را نیز زنجیره‌های هیدروکربنی، که قسمتی از حلقه هستند، اشغال کرده‌اند. با بررسی ساختار این زنجیره‌ها و پیشروی در گروه‌های متصل به آن می‌بینیم که مشابه یکدیگر نیستند. بنابراین کربن ۱ با چهار گروه متفاوت کایرال است.

کربن ۲ و ۶ هر دو به یک گروه متیل متصل هستند. با بررسی دیگر گروه‌های متصل به آن‌ها می‌بینیم که در هر مورد زنجیره‌های هیدروکربنی با یکدیگر تفاوت دارند. بنابراین کربن ۲ و ۶ هر کدام چهار گروه متصل‌ به خود متفاوت دارند و کایرال هستند.

کربن ۳، ۴، ۵ و ۷ شرایط مشابه یکدیگر دارند. هر چهار کربن به یک اتم هیدروژن و سه زنجیره هیدروکربنی متفاوت متصل هستند. در نتیجه هر چهار کربن کایرال هستند.

در انتها سراغ بررسی اتم کربن ۸ می‌رویم. به این کربن نیز یک هیدروژن، یک متیل و دو زنجیره هیدروکربنی متصل است. با دقت به این زنجیره‌ها متوجه می‌شویم که با یکدیگر متفاوت هستند. بنابراین اتم کربن ۸ نیز کایرال است.

با نگاهی به این مراکز کایرال متوجه می‌شویم که هیچ کدام دارای صفحه تقارن نیستند و می‌توانند کایرال باشند.

مثال بیست و هفتم

در تصویر زیر ساختار ۸ ترکیب آلی را مشاهده می‌کنید. برخی از این ساختارها کایرال و برخی اکایرال هستند. ابتدا مراکز کایرال را در هر ساختار مشخص کنید و سپس در مورد کایرال بودن مولکول اظهار نظر کنید.

پاسخ: در حالت کلی اگر ساختاری فاقد مرکز کایرال باشد،‌ کایرال نیست و اگر دارای یک مرکز کایرال باشد حتما کایرال است.

در تصویر زیر مراکز کایرال هر ساختار با نقطه قرمز رنگ مشخص شده است. همان‌طور که مشاهده می‌کنید ساختار ۶ و ۷ هیچ اتم کربن کایرالی ندارند، بنابراین خود نیز اکایرال هستند. با کمی دقت متوجه خواهید شد که ساختار ۶ دارای صفحه تقارنی است که از اتم کلر و پیوند کربن-کربن روبرویش می‌گذرد. ساختار ۵ شباهت بسیاری به ساختار ۶ دارد اما از آن صفحه تقارنی عبور نمی‌کند. در این ساختار یک کربن کایرال (متصل به کلر) وجود دارد که مشخص شده است. توجه داشته باشید که دو زنجیره هیدروکربنی متصل به کربن کایرال با یکدیگر متفاوت هستند.

همچنین در ساختار ۱ و ۲ نیز تنها یک کربن کایرال وجود دارد. در ساختار ۱، کربن متصل به برم ۴ گروه متفاوت دارد. از آنجا که هر دو تنها یک مرکز کایرال دارند، مولکول نیز کایرال است. سه ساختار ۳، ۴ و ۸ بیش از یک مرکز کایرال دارند که با رنگ قرمز مشخص شده‌اند. این سه ساختار نیز کایرال هستند.

مثال بیست و هشتم

با دقت به ساختارهای زیر نگاه کنید و بگویید کدام کایرال و کدام اکایرال است؟

پاسخ: برای پاسخ به این سوال باید بررسی کنیم که آیا هر کربن به ۴ گروه مختلف متصل است یا خیر. در مولکول ۱ کربن به یک فلوئور، یک ید و دو متیل متصل است. بنابراین فاقد مرکز کایرال است. مولکول ۲ به یک ید، یک $$OH$$ و دو گروه اتیل متصل است، بنابراین به دلیل مشابه بودن گروه‌های اتصالی این نیز اکایرال است. در ساختار ۳، اتم کربن به یک متیل، یک هیدروژن، یک اتیل و یک $$OH$$ متصل است، در نتیجه این ساختار کایرال است. و در انتها ساختار ۴ دارای دو گروه اتصالی مشابه متیل و اکایرال است.

مثال بیست و نهم

در تصویر زیر ۴ جفت مولکول داده شده است. به این ساختارها دقت کنید و بگویید آیا انانتیومر یکدیگر هستند یا خیر.

پاسخ: جفت مولکول ۱ با یکدیگر انانتیومر هستند و روی تصویر آینه‌ای یکدیگر منطبق نمی‌شوند. جفت مولکول ۲ با یکدیگر یکسان هستند. با چرخش مولکول سمت راست به مولکول سمت چپ می‌رسیم. جفت مولکول ۳ انانتیومر هم هستند زیرا روی تصویر آینه‌ای هم منطبق نمی‌شوند. جفت مولکول ۴ نیز به دلیل عدم انطباق روی تصویر آینه‌ای یکدیگر، انانتیومر هستند.

مثال سی‌ام

ترکیبی ایزومری حاوی ۱۲٫۸ مول از انانتیومر (آر)-۲-برموبوتان و ۳٫۲ مول از انانتیومر (اس)-۲-برموبوتان است. مقدار مازاد انانتیومری را برای انانتیومر $$R$$ محاسبه کنید.

پاسخ: مقدار مازاد انانتیومری $$R$$ را می‌توان با در دست داشتن مقدار مول هر انانتیومر از رابطه زیر پیدا کرد.

$$ee(R)=moles( R)-moles(S)$$

$$ee(R)=12.8-3.2=9.6 \;mol$$

مازاد انانتیومری $$R$$، به مقدار ۹٫۶ مول است. برای بیان مازاد انانتیومری به‌ درصد به‌روش زیر عمل می‌کنیم.

$$$$

مثال سی‌ و یکم

با توجه به تصویر زیر مشخص کنید که مولکول زیر کایرال است یا خیر؟

پاسخ: این مولکول اکایرال است. برای پاسخ به این سوال بهتر است ابتدا در پی پیدا کردن کربن کایرال در ساختار باشیم. ۵ عدد از کربن‌های حلقوی به دلیل داشتن دو عدد هیدروژن به‌طور قطع کایرال نیستند. بنابراین کربن متصل به متیل را مورد بررسی قرار می‌دهیم. این کربن به یک اتم هیدروژن، یک گروه متیل و دو زنجیره هیدروکربنی متصل است. اگر این دو زنجیره با هم متفاوت باشند، آنوقت می‌توان با اطمینان گفت که مولکول کایرال است اما این دو زنجیره هیدروکربنی دقیقا مشابه یکدیگر هستند. بنابراین مولکول اکایرال است. به‌علاوه با کمی دقت متوجه می‌شویم که این مولکول دارای صفحه تقارنی است که از متیل و پیوند بین دو کربن روبروی آن عبور می‌کند.

مثال سی و دوم

به تصویر زیر نگاه کنید و بگویید کدام یک از مولکول‌ها کایرال هستند؟ در صورت کایرال بودن، کربن کایرال آن را نیز مشخص کنید.

پاسخ: مولکول ۱ هیچ کربن کایرالی ندارد، بنابراین کایرال نیست. ساختار مولکول ۲، یک کربن کایرال دارد. این کربن که در تصویر زیر با دایره قرمز نمایش داده شده است دارای ۴ گروه متصل متفاوت است: هیدروژن، $$OH$$ و دو زنجیره هیدروکربنی متفاوت از هم. ساختار مولکول ۳ نیز یک کربن کایرال دارد. این کربن متصل به یک متیل، یک هیدروژن و دو زنجیره هیدروکربنی است که با یکدیگر اختلاف بسیار زیادی دارند.

مثال سی و سوم

در این مثال می‌خواهیم کربن‌های کایرال را در مولکول‌هایی با حجیم‌تر و پیچیده‌تر بیابیم.

پاسخ: هرچند ساختار مولکول‌های این مثال از آن‌هایی که پیش از این بررسی کردیم کمی پیچیده‌تر است اما روند یافتن کربن کایرال تفاوتی ندارد و باید به دنبال کربنی باشیم که هر ۴ گروه متصل به ‌آن با یکدیگر متفاوت باشند. در ساختار مولکول ۱، تنها یک کربن کایرال وجود دارد که با دایره قرمز مشخص شده است. مراکز کایرال ساختار ۲ و ۳ را به‌صورت زیر می‌توانید بیابید.

سوالات متدوال

حالا که متوجه شدیم ایزومر نوری چیست و چه انواعی دارد، به برخی از مهم‌ترین و رایج‌ترین سوال‌ها پیرامون ایزومر نوری پاسخ می‌دهیم.

کدام آمینو اسید ایزومر نوری نیست ؟

گلایسین از نظر نوری آمینواسیدی غیرفعال است.

مخلوط راسمیک چیست ؟

به مخلوطی که در آن هر دو ایزومر نوری به مقدار برابری حضور داشته باشند، راسمیک می‌گویند.

برای نامگذاری ایزومرهای نوری از چه پیشوندهایی استفاده می شود ؟

برای نامگذاری ایزومرهای نوری از پیشوند (+) و (-) یا $$D$$ و $$L$$ استفاده می‌شود.

مرکز کایرال چیست ؟

مرکز کایرال کربنی است که به ۴ گروه متفاوت متصل باشد.

آیا مخلوط راسمیک فعالیت نوری دارد ؟

خیر، مخلوط راسمیک از نظر نوری غیرفعال است.

کدام مکانیسم انجام واکنش منجر به تولید ایزومرهای نوری می شود ؟

اگر واکنشی از طریق مکانیسم $$SN_1$$ انجام شود، محصول ایزومرهای نوری خواهد بود.

چه مولکول هایی ایزومر نوری دارند ؟

مولکول‌هایی که دارای مرکز کایرال باشند، ایزومر نوری دارند.

آیا تمام انانتیومرها کایرال هستند ؟

به اتمی که ۴ گروه متفاوت به آن متصل باشد کایرال می‌گویند اما انانتیومر به رابطه بین دو ایزومر فضایی اشاره دارد. انانتیومرها در ساختار خود مرکز کایرال دارند اما تمام ایزومرهای فضایی انانتیومر یکدیگر نیستند.

تفاوت انانتیومرها در چیست ؟

انانتیومرها در محیط اکایرال ویژگی‌های شیمیایی و فیزیکی یکسانی دارند. تفاوت آن‌ها در جهت چرخاندن نور قطبیده است. به‌علاوه با مولکول‌های کایرال دیگر برهم‌کنش متفاوتی دارند.

جمع بندی

هدف از خواندن این مطلب این بود که بدانیم ایزومر نوری چیست و چه کاربردهایی دارد.همچنین به‌طور مفصل در مورد انواع ایزومرهای موجود در علم شیمی صحبت کردیم و با بررسی مثال‌های متعددی روش تعیین پیکربندی مراکز کایرال ایزومرهای نوری را فرا گرفتیم.