دیاسترومر چیست؟ – به زبان ساده + تفاوت با انانتیومر

«دیاسترومرها» (Diastereomer) نوعی ایزومر فضایی هستند، به‌طوری‌که فاقد «تصویر آینه‌ای» (Mirror Image) و بر هم «انطباق ناپذیر» (Non-superimposable) باشند. در این مطلب می‌خواهیم با دیاسترومر بیشتر آشنا شویم و نحوه نام‌گذاری و تشخیص آن‌‌ را فرا بگیریم. همچنین با بررسی انواع ایزومرهای فضایی مرتبط، به رابطه‌ای که این دیاسترومرها با ایزومرهای فضایی دیگر، مانند انانتیومرها دارند، خواهیم پرداخت.

دیاسترومر چیست ؟

دیاسترومرها ایزومرهایی فضایی هستند که نه تنها بر هم منطبق نمی‌شوند که تصویر آینه‌ای یکدیگر نیز نیستند. این ویژگی آن‌ها بر خلاف دیگر گروه ایزومرهای فضایی، انانتیومرها، است. دیاسترومرها دارای بیش از یک مرکز فضایی یا مرکز کایرال هستند. در ادامه برای درک بهتر چند مفهوم را مورد بررسی قرار می‌دهیم.

ایزومر فضایی چیست ؟

ایزومرهای فضایی نوعی از ایزومر هستند که در جهت‌گیری اتم‌ها و گروه‌ها با یکدیگر متفاوت اما دارای فرمول شیمیایی، تعداد اتم‌ها و نحوه اتصال مشابه یکدیگر هستند. می‌خواهیم کمی بیشتر در مورد جهت‌گیری فضایی صحبت کنیم. جهت‌گیری فضایی در مورد مکان اتم‌ها و گروه‌های متصل در فضا است.

به این صورت اگر در فضای سه بعدی دو گروه در دو مولکول مشابه تنها ۱ درجه در فضا تفاوت موقعیت داشته باشند، مولکول‌ها ایزومر یکدیگر هستند و این به مولکول‌ها امکان داشتن ایزومرهای بسیار زیادی را می‌دهد. انانتیومرها و دیاسترومرها نوعی از ایزومری فضایی هستند.

انانتیومر چیست ؟

یک مولکول کایرال به دو فرم ایزومری فضایی با نام‌ انانتیومر وجود دارد. دو انانتیومر تصویر آينه‌ای یکدیگر هستند و بر هم منطبق نمی‌شوند. برای تشخیص دو انانتیومر از هم، آن‌ها را با «پیکربندی» (Configuration) که دارند می‌شناسند. در ادامه مفاهیم کایرالیته و پیکربندی را مورد بررسی قرار خواهیم داد. توجه داشته باشید که دو انانتیومر در دو ویژگی زیر با یکدیگر متفاوت هستند.

• انانتیومرها نور قطبیده را به مقدار یکسان و در دو جهت مخالف هم می‌چرخانند.
• انانتیومرها در انجام برخی واکنش‌های شیمیایی و زیستی با یکدیگر متفاوت هستند.

به دلیل تفاوت در چرخش نور قطبیده به انانتیومرها، «ایزومرهای نوری» (Optical Isomer) نیز گفته می‌شود. از آن‌جا که ویژگی‌های فیزیکی دو انانتیومر کاملا با یکدیگر برابر است، جداسازی آن‌ها فرایند بسیار مشکلی به حساب می‌آید و یکی از اصلی‌ترین دغدغه‌ها در کار با ترکیبات دارای انانتیومر است.

انانتیومرها دارای حداقل یک مرکز کایرال هستند. ویژگی این مرکز کایرال این است که هر ۴ استخلاف روی آن با یکدیگر متفاوت هستند و از همین نکته می‌توان برای تشخیص وجود کایرالیته در یک مولکول استفاده کرد. در ادامه تعدادی مثال را برای آشنایی بیشتر با انانتیومرها و مفهوم مرکز کایرال می‌آوریم.

 

مثال انانتیومر

در تصویر زیر ۶ مولکول متفاوت آورده شده است. با دقت به آن‌ها نگاه کنید و بگویید کدام کایرال و کدام غیرکایرال است؟ در صورت وجود مرکز کایرال آن را مشخص کنید.

مولکول ۱

برای تشخیص کایرال و غیرکایرال بودن یک مولکول باید وجود مرکز کایرال را در آن‌ها مورد بررسی قرار دهیم. همان‌طور که پیش‌تر گفتیم مرکز کایرال اتمی است که روی آن ۴ اتم یا استخلاف کاملا متفاوت حضور داشته باشند. در این مولکول اتمی با این مشخصات داریم که دارای ۴ گروه متفاوت به‌‌صورت زیر است.

• $$H$$
• $$CH_3$$
• $$OH$$
• $$CH_2CH_3$$

مراکز کایرال موجود در مولکول‌ها در تصویر زیر با ستاره قرمز مشخص شده‌اند.

مولکول ۲

این مولکول نمی‌تواند کایرال باشد زیرا فاقد اتمی با ۴ استخلاف متفاوت است. می‌بینیم که اتم کربن دوم در زنجیره نیز کایرال نیست و دارای دو استخلاف $$CH_3$$ مشابه است.

مولکول ۳

این مولکول نیز نمی‌تواند کایرال باشد زیرا فاقد اتمی با ۴ استخلاف متفاوت است. می‌بینیم که اتم کربن اول در زنجیره دارای دو استخلاف $$H$$ مشابه است.

مولکول ۴

وقتی در مولکولی پیوند دوگانه کربن-کربن وجود داشته باشد، مانند این است که این اتم به دو گروه یا اتم مشابه متصل است. همین تشابه باعث می‌شود این مولکول نیز کایرال نباشد.

مولکول ۵

در این مولکول دو مرکز کایرال وجود دارد زیرا دو کربن داریم که دارای ۴ گروه متفاوت هستند. می‌توانید آن‌ها را در تصویر زیر ببینید.

مولکول ۶

در این مولکول اتمی داریم که دارای ۴ گروه متفاوت به‌‌صورت زیر است.

• $$H$$
• $$Br$$
• $$CHCH_2$$
• $$CH_2CH_3$$

کایرالیته چیست ؟

«کایرالیته» (Chirality) ویژگی مربوط به عدم تقارن است که به مولکول‌های کایرال نسبت داده می‌شود. این مولکول‌ها دارای تصویر آينه هستند اما بر روی تصویر آينه‌ای خود منطبق نمی‌شوند. وجود کایرالیته در مولکول بستگی به این مفهوم دارد. مفهوم کایرالیته را می‌توان با مثال دست انسان تشریح کرد.

دست راست و چپ انسان تصویر آینه‌ای هم هستند اما زمانی که کف هر دو دست به یک سمت باشد، به هیچ صورتی بر هم نمی‌توان آن‌ها را منطبق کرد. این را می‌توانید در تصویر زیر به خوبی مشاهده کنید. مولکولی کایرال است که در خود حداقل یک مرکز کایرال داشته باشد، یعنی کربنی که به آن ۴ استخلاف غیرمشابه متصل باشند. این مولکول باید فاقد صفحه تقارن نیز باشد.

مثال کایرالیته

در هر مثال مشخص کنید که مولکول کایرال است یا غیر کایرال؟

مولکول ۱

این مولکول دارای یک صفحه تقارن و غیرکایرال است. با این حال توجه داشته باشید که این مولکول ۲ مرکز کایرال در خود دارد.

مولکول ۲

این مولکول نیز غیرکایرال است زیرا در آن هیچ کربن کایرالی وجود ندارد.

مولکول ۳

این مولکول فاقد مرکز کایرال و بنابراین غیرکایرال است. همچنین می‌توان از استخلاف کلر و پل دو حلقه، صفحه تقارنی را برای آن در نظر گرفت.

پیکربندی انانتیومر چیست ؟

برای متمایز کردن انانتیومرها از یکدیگر از سیستمی استفاده می‌شود که به هر مرکز کایرال یک پیکربندی مطلق را نسبت می‌دهد. در این سیستم با استفاده از مجموعه‌ای از قوانین می‌توانیم مراکز را نام‌گذاری کنیم. همچنین برای پی‌بردن به رابطه بین دو مولکول، چه انانتیومر باشند چه دیاسترومر، به این روش تعیین پیکربندی نیاز خواهیم داشت. در زیر این قوانین را مرحله به مرحله توضیح می‌دهیم.

• در مرحله اول باید ۴ اتم یا گروه متصل به مرکز کایرال را مشخص کنیم و سپس آن‌ها را بر اساس اولویتشان شماره‌گذاری کنیم. در این مورد هر چه عدد اتمی بالاتر باشد، اولویت نیز بیشتر است. بر همین اساس هیدروژن با عدد اتمی ۱ در پایین‌ترین اولویت قرار می‌گیرد.
• اگر بخواهیم در مثالی اولویت ایزوتوپ‌ها را در نظر بگیریم، ایزوتوپی که عدد جرمی بالاتری داشته باشد، مقدم است.
• برای به تصویر کشیدن مولکول، همیشه آن استخلافی که اولویت پایین‌تری دارد، در پشت صفحه و دور از بیننده رسم می‌شود. به همین منوال استخلافی با بیشترین اولویت را روی صفحه و نزدیک به بیننده رسم می‌کنیم. برای نشان دادن مورد اول از نقطه‌چین و برای نشان دادن مورد دوم از گوه بهره می‌گیرم. در مولکول زیر مثالی از این نوع نمایش را مشاهده می‌کنید.

• با مشخص کردن اولویت استخلاف‌ها، فلشی از استخلاف با بالاترین اولویت به استخلاف دوم، سوم و سپس کم اولویت‌ترین استخلاف رسم می‌کنیم. اگر این فلش ساعت‌گرد بود آن را با نماد $$R$$ و اگر پادساعت‌گرد بود آن را با نماد $$S$$ نشان می‌دهیم.

• توجه داشته باشید که اگر به مولکولی برخورد کردید که استخلاف با اولویت بالا در پشت صفحه و استخلاف با اولویت پایین در روی صفحه قرار داشت، پیش از رسم فلش باید مولکول را بچرخانیم.
• اگر در تخصیص اولویت، به دو استخلافی برخورد کردید که اولین اتم‌ آن‌ها مشابه بود، نمی‌توان در مورد آن‌ها قضاوت کرد. در این مورد باید حرکت را روی استخلاف ادامه دهیم تا به اولین نقطه تفاوت برسیم. توجه داشته باشید که با مشاهده اولین تفاوت، اتم‌های بعدی هیچ تاثیری روی اولویت نمی‌گذارند. در زیر مثالی از این مدل استخلاف آورده شده است.

در این مثال اولین تفاوت مربوط به استخلاف متصل به اکسیژن است. گروه $$CH_3$$ نسبت به $$H$$ از اولویت بالاتری برخوردار است.

• اگر در استخلافی پیوند دوگانه وجود داشت، به این معنی است که آن دو اتم دو بار به یکدیگر متصل شده‌اند. همین در مورد پیوند سه‌گانه نیز صدق می‌کند، یعنی وقتی اتمی دارای پیوند سه‌گانه باشد، سه مرتبه به آن اتم وصل شده است. این را باید در تعیین اولویت، برای پرهیز از خطا در نظر گرفت. در تصویر زیر معادل پیوند دوگانه را می‌توانید مشاهده کنید.

در ادامه برای درک بهتر مطلب تعدادی مثال را مورد مطالعه قرار می‌دهیم.

مثال تعیین پیکربندی مرکز کایرال

در مولکول‌های زیر ابتدا ترتیب اولویت را مشخص کنید و سپس به مرکز کایرال پیکربندی مناسب آن را نسبت دهید.

مولکول ۱

اولویت استخلاف‌های متصل به کربن کایرال در این مولکول به‌‌صورت زیر است.

ید > برم > فلوئور > هیدروژن

اگر فلشی از ید به برم و سپس فلوئور رسم کنیم، مسیری پادساعت‌گرد را طی می‌کند، بنابراین پیکربندی این مرکز کایرال از نوع $$S$$ است. توجه داشته باشید که نیازی به چرخاندن مولکول وجود ندارد زیرا هیدروژن با کمترین اولویت در پشت قرار دارد.

مولکول ۲

اولویت اتم‌های روی کربن کایرال در این مولکول را می‌توان به‌‌صورت زیر نوشت.

برم > کلر > متیل > هیدروژن

این مولکول را باید قبل از رسم فلش بچرخانیم زیرا برم در پشت صفحه قرار دارد و این باعث به دست آمدن پیکربندی به شکل غلط می‌شود. سپس اگر فلشی از برم به کلر و سپس متیل رسم کنیم، مسیری ساعت‌گرد را طی می‌کند، بنابراین پیکربندی این مرکز کایرال از نوع $$R$$ است.

مولکول ۳

تخصیص پیکربندی $$R$$ و $$S$$ به این مولکول اشتباه است زیرا روی اتم کربن آن دو هیدروژن وجود دارد و این باعث می‌شود که غیرکایرال باشد.

مولکول ۴

اولویت استخلاف‌های متصل به کربن کایرال در این مولکول به‌‌صورت زیر است.

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

اگر فلشی اولویت اول به اولویت دوم و سپس اولویت سوم رسم کنیم، مسیری ساعت‌گرد را طی می‌کند، بنابراین پیکربندی این مرکز کایرال از نوع $$R$$ است.

مولکول ۵

اولویت استخلاف‌های متصل به کربن کایرال در این مولکول را به شکل زیر تعیین می‌کنیم.

$$−COOH >\; −CH_2OH >\; C≡CH >\; H$$

اگر فلشی اولویت اول به اولویت دوم و سپس اولویت سوم رسم کنیم، مسیری پادساعت‌گرد را طی می‌کند، بنابراین پیکربندی این مرکز کایرال از نوع $$S$$ است.

مثال دوم

فرض کنید گروه‌های زیر روی یک کربن کایرال وجود دارند. در تعیین پیکربندی کدام گروه از اولویت بالا‌تری برخوردار است؟

$$SO_3H$$، $$COOH$$، $$CHO$$، $$C_6H_5$$

پاسخ: همان‌طور که گفتیم اتمی اولویت دارد که عدد اتمی بالاتری داشته باشد. اگر استخلاف به‌‌‌صورت گروه بود، استخلافی که اولین عنصر با عدد اتمی بالاتر را داشته باشد در اولویت اول است. بنابراین در این مورد می‌توان ترتیب کاهش اولویت را به شکل زیر نوشت.

$$−SO _3H>\;−COOH>\;−CHO>\;−C _6H _5$$

از همین مراحل می‌توان برای تعیین پیکربندی تمامی مراکز کایرال استفاده کرد. در بخش تمرین و حل مثال تعدادی بیشتری سوال را بررسی خواهیم کرد.

فعالیت نوری چیست ؟

پیشتر گفتیم که انانتیومرها در یک ویژگی مهم با یکدیگر متفاوت هستند و نور قطبیده را در دو جهت مخالف یکدیگر می‌چرخانند. یعنی مقدار چرخش نور قطبیده توسط دو انانتیومر مقداری دقیقا برابر یکدیگر و در دو جهت مخالف است.

 

به انانتیومری که نور قطبیده را در جهت حرکت عقربه‌های ساعت بچرخاند، راست‌گرد گفته می‌شود و آن را با نماد (+) یا (d) نمایش می‌دهند. همچنین به انانتیومری که نور قطبیده را در خلاف جهت حرکت عقربه‌های ساعت بچرخاند، چپ‌گرد می‌گویند و آن را با نماد (-) یا (l) نشان می‌دهند. به مولکول‌هایی که توانایی چرخش نور قطبیده را داشته باشند، در واقع فعالیت نوری داشته باشد، فعال نوری می‌گوییم. چرخش نور توسط دو انانتیومر را در تصویر زیر مشاهده می‌کنید.

مخلوط راسمیک چیست؟

در «مخلوط راسمیک» (Racemis Mixture) ترکیب ۵۰:۵۰ از دو انانتیومر وجود دارد. می‌دانیم که دو انانتیومر نور قطبیده را به مقدار برابر و در جهت مخالف می‌چرخانند. وجود دو انانتیومر در یک ترکیب باعث خنثی شدن این دو چرخش در جهت مخالف می‌شود، بنابراین می‌توان این‌طور نتیجه‌گیری کرد که مخلوط راسمیک از نظر نوری غیرفعال است.

جداسازی دو انانتیومر از مخلوط راسمیک بسیار دشوار است زیرا دو انانتیومر دارای ویژگی‌های فیزیکی مشابه یکدیگر هستند. این در مورد دیاسترومر که دارای ویژگی‌های فیزیکی متفاوتی هستند، صدق نمی‌کند و از همین ویژگی می‌توان برای جداسازی مخلوط راسمیک استفاده کرد. واکنش یک مخلوط راسمیک با یک انانتیومر کایرال خالص باعث به وجود آمدن مخلوطی از دیاسترومر می‌شود. در ادامه مثالی را برای روشن شدن این مفهوم مورد بررسی قرار می‌دهیم.

 

اگر مخلوط راسمیکی از یک الکل کایرال با یک انانتیومر خالص کربوکسیلیک اسیدی واکنش داده شود، نتیجه دیاسترومرهایی خواهد بود که قابلیت جداسازی را دارند. در این مورد اگر از انانتیومر خالص $$R$$ اسید استفاده شده باشد، محصول استری یکی دارای پیکربندی $$R$$ و $$R$$ و دیگری $$R$$ و $$S$$ است. این دو از نظر تئوری به دلیل داشتن ویژگی‌های فیزیکی متفاوت قابل جداسازی هستند. در نهایت نیز می‌توان با هیدرولیز هر دیاسترومر، الکل اولیه را داشت. در تصویر زیر روند این جداسازی را به‌‌صورت بسیار ساده مشاهده می‌کنید.

رابطه انانتیومر و دیاسترومر

در این بخش می‌خواهیم بدانیم انانتیومر و دیاسترومر چه تفاوت‌هایی با یکدیگر دارند و از چه طریقی قابل تشخیص هستند. به تصویر زیر خوب دقت کنید. در آن ۴ فرم ایزومری اریتروز آورده شده است که بعضی با یکدیگر انانتیومر و بعضی دیاسترومر هستند. می‌توانید مشاهده کنید که ساختار ۱ و ۲ تصویر آینه‌ای هم و دارای پیکربندی‌های متفاوت هستند. این در مورد دو ساختار ۳ و ۴ نیز صدق می‌کند. همچنین جفت ۱ و ۴ و جفت ۲ و ۳ نیز در پیکربندی یکی از مراکز کایرال خود متفاوت و در نتیجه دیاسترومر هستند.

از دو نکته زیر می‌توانید برای تشخیص انانتیومرها و دیاسترومرها استفاده کنید.

• اگر پیکربندی تمامی مراکز کایرال در دو ایزومر با یکدیگر متفاوت باشد، آن‌ها انانتیومر یکدیگر هستند.
• اگر حداقل یکی از مراکز کایرال و نه همه، در دو ایزومر با یکدیگر متفاوت باشد، آن‌ها دیاسترومر یکدیگر هستند.

در زیر نکته‌های گفته شده در مورد اریتروز را به‌صورت خلاصه و ساده مشاهده می‌کنید. این بخش به شما کمک می‌کند تا توانایی تشخیص ایزومرهای یک ساختار از همدیگر را داشته باشید.

• پیکربندی دیاسترومر: ($$R$$ ،$$R$$) و ($$R$$، $$S$$) / ($$R$$ ،$$R$$) و ($$S$$ ،$$R$$) / ($$S$$ ،$$S$$) و ($$S$$ ،$$R$$) / ($$S$$ ،$$S$$) و ($$R$$ ،$$S$$)
• پیکربندی انانتیومرها: ($$R$$ ،$$R$$) و ($$S$$ ،$$S$$) / ($$S$$ ،$$R$$) و ($$R$$ ،$$S$$)

محاسبه تعداد ایزومر فضایی

در حالت کلی اگر مولکولی دارای $$n$$ مرکز فضایی باشد، بیشترین تعداد ایزومرهایی که می‌تواند داشته باشد را از رابطه زیر به دست می‌آوریم.

$$2^n$$

برای بررسی این رابطه مولکول قند گلوکز را در حالت خطی آن در نظر می‌گیریم. این مولکول دارای دو انانتیومر معروف « دی گلوکز» و «ال گلوکز» است که ایزومر دی، در بدن انسان مسئول تامین انرژی است. تصویر این قند را در زیر مشاهده می‌کنید. از آنجا که در آن ۴ مرکز کایرال وجود دارد، می‌تواند ۱۶ ایزومر فضایی مختلف داشته باشد.

در «دی گلوکز» و «ال گلوکز» تمام پیکربندی‌ها با دیگری متفاوت است. بنابراین ۱۴ ایزومر فضایی باقی‌مانده، دیاسترومر هستند که حداقل در یک مرکز فضایی و نه در تمامی آن‌ها با یکدیگر متفاوت هستند. یکی از این دیاسترومرها در تصویر بالا نشان داده شده است. این مولکول «دی گالاکتوز» نامیده می‌شود. با کمی دقت متوجه می‌شویم که تفاوت دی گلوکز و دی گالاکتوز تنها در یکی از پیکربندی‌های آن‌ها است.

در تصویر زیر مولکول بزرگ «اریترونولید ب» (Erythronolide B) را مشاهده می‌کنید که ۱۰ مرکز فضایی دارد. این ماده پیش‌ساز آنتی‌بیوتیک اریترومایسین است. انانتیومر این ماده در تمامی مراکز کایرال با آن تفاوت پیکربندی دارد.

این مولکول دارای $$2^{10} = 1024$$ ایزومر فضایی است که از این بین ۱۰۲۲ عدد به‌صورت دیاسترومر ساختار بالا وجود دارند.

تشخیص دیاسترومر

گفتیم که برای تشخیص انانتیومرها می‌توانیم به وجود یا عدم وجود مرکز کایرال در آن‌ها توجه کنیم. اما اگر بیش از یک مرکز کایرال در مولکولی وجود داشته باشد، می‌توانیم دیاسترومرها را داشته باشیم. به مولکول زیر با دو مرکز کایرال توجه کنید.

در ادامه با بررسی یک مثال به درک مفهوم دیاسترومری نزدیک خواهیم شد. به مولکول زیر دقت کنید. این ساختار مربوط به قندی است که آن را با نام دی-اریتروز می‌شناسیم. سیستم نام‌گذاری قندها به‌صورتی است که به آن‌ها پیشوند «دی» $$(D)$$ و «ال» $$(L)$$ را نسبت می‌دهد و ما در اینجا نیازی به فراگیری آن برای پیشبرد آموزش نداریم.

این قند مولکولی کایرال است و در آن کربن‌های شماره ۲ و ۳ مراکز فضایی هستند. پیکربندی هر دو کربن از نوع $$R$$ است. در مورد نحوه تعیین پیکربندی در بخش‌های قبلی توضیح داده‌ایم. این مولکول به دلیل کایرال بودن دارای انانتیومری است که ال-اریتروز نامیده می‌شود و تصویر آینه‌ای دی-اریتروز است. این رابطه را می‌توانید در تصویر زیر مشاهده کنید. همچنین به دلیل انانتیومر بودن، این دو را نمی‌توان روی هم منطبق کرد.

همان‌طور که مشاهده می‌کنید در انانتیومرها هر دو مرکز کایرال موجود در مولکول، پیکربندی متفاوتی دارند. پیکربندی کربن ۴ در «دی اریتروز» از نوع $$R$$ و در «ال اریتروز» از نوع $$S$$ است. به همین صورت پیکربندی کربن شماره ۲ نیز در آن‌ها متفاوت است.

به دو ایزومر اریتروز در تصویر زیر دقت کنید. این دو دارای فرمول مولکولی و نحوه اتصال برابر هستند اما آرایش گروه‌ها در فضا با یکدیگر برابر نیست. با این حال این دو تصویر آينه‌ای یکدیگر نیستند. طبق تعریف می‌توان با اطمینان ادعا کرد که این دو دیاسترومر یکدیگر هستند. در دیاسترومرها حداقل یکی از مراکز فضایی دارای پیکربندی متفاوت خواهد بود.

اپی‌ مر چیست ؟

به دو دیاسترومری که تنها در یک مرکز کایرال (از بین ۲ یا تعداد بیشتری مرکز) تفاوت پیکربندی داشته باشند، «اپی‌مر» (Epimer) گفته می‌شود. برای نمونه در تصویر بالا در بخش قبلی، دی گالاکتوز و دی گلوکز اپی‌مر یکدیگر هستند. در مولکول تصویر زیر ۳ مرکز فضایی وجود دارد و آن‌ها تنها در یکی (اتم کربن شماره ۳) از پیکربندی‌های این مراکز با هم متفاوت هستند و در نتیجه رابطه اپی‌مری دارند.

مزو چیست ؟

اگر بخواهیم تعریفی جامع و مختصر از ترکیب‌های مزو داشته باشیم، می‌توانیم این‌طور بیان کنیم که ترکیبات مزو مولکول‌هایی غیرکایرال هستند که در ساختار خود مرکز کایرال دارند. ترکیب مزو دارای صفحه تقارنی در خود است که باعث می‌شود روی تصویر آینه‌ای خود منطبق نباشد. همچنین این ترکیب‌ها فاقد فعالیت نوری هستند و در حالت کلی مراکز فضایی دارند که دارای ۲ یا تعداد بیشتری استخلاف مشابه با یکدیگر باشند.

صفحه تقارن این ترکیبات نیز به‌صورتی است که آن را به دو قسمت کاملا مشابه هم تقسیم می‌کند و دلیلی برای از بین رفتن فعالیت نوری مولکول است. در واقع می‌توان اینطور تصور کرد که این دو قسمت انانتیومر یکدیگر هستند و دارای چرخش نوری برابر و مخالف جهت هم. به همین دلیل فعالیت نوری یکدیگر را خنثی می‌کنند. این دو قسمت مشابه تصویر آينه‌ای هم نیز هستند.

شناسایی ترکیب مزو

برای شناسایی ترکیب مزو مراحل زیر را طی می‌کنیم.

• ترکیب مزو حداقل دو مرکز کایرال در خود دارد.
• ترکیب مزو دارای صفحه تقارنی است که آن را به دو قسمت مشابه فرضی تقسیم می‌کند.
• شیمی فضایی این مراکز فضایی همدیگر را خنثی می‌کند، یعنی مراکز فضایی باید دارای استخلاف‌های برابر و پیکربندی مخالف هم باشند.

در ادامه این قوانین را برای مولکول «۲و۳-دی‌کلرو بوتان» مورد بررسی قرار می‌دهیم. تصویر این مولکول را در زیر مشاهده می‌کنید. این ترکیب ۲ مرکز کایرال دارد و می‌تواند ۴ ایزومر فضایی مختلف، به‌صورت دو جفت انانتیومر، داشته باشد.

این ۴ انانتیومر را می‌توان به‌صورت زیر ترسیم کرد. بعد از رسم آن‌ها متوجه می‌شویم که زوج سمت راست، تصویر آینه‌ای یکدیگر هستند و نمی‌توانند بر هم منطبق شوند، بنابراین انانتیومر یکدیگر هستند. به پیکربندی هر مرکز فضایی که در تصویر مشخص شده است، دقت کنید. با این حال، زوج سمت چپ این ویژگی‌ها را ندارند و مزو هستند.

توجه داشته باشید که این جفت در خود یک صفحه تقارن دارد که آن‌ها را به دو قسمت مشابه تقسیم می‌کند. هر دو مرکز کایرال دارای سه استخلاف $$H$$ ، $$Cl$$ و $$CH_3$$ هستند و در هر دو یکی از پیکربندی‌ها $$R$$ و دیگری $$S$$ است. بنابراین می‌توان این‌طور بیان کرد که این مولکول در کل ۳ ایزومر فضایی دارد که دو تا انانتیومر هستند و دیگری مزو است.

در تصویر بالا می‌توانید صفحه تقارن این دو ترکیب مزو، که با رنگ صورتی مشخص شده است، را مشاهده کنید. در مواجه با صفحه تقارن داخلی باید این نکته را در نظر داشته باشید که پیوندهای یگانه سیگما می‌توانند حول خود بچرخند و ممکن است در نگاه اول این‌طور به نظر بیاید که فاقد صفحه تقارن داخلی هستند اما با چرخش حول پیوند سیگما به حالتی می‌رسند که می‌توان صفحه تقارن داخلی آن‌ها را پیدا کرد.

به دو ساختار زیر توجه کنید. برای نام‌گذاری آن‌ها از عبارت «(مزو)-۲و۳-بوتان دی‌اُل» استفاده می‌کنیم. این دو ساختار تصویر آينه‌ای یکدیگر و کاملا مشابه یکدیگر هستند. در این ساختار دو مرکز کایرال وجود دارد و می‌توانیم با چرخش پیوندهای آن‌ها حول کربن-کربن شاهد وجود محور تقارنی در آن‌ها باشیم که مولکول را به دو قسمت مساوی تقسیم می‌کند.

نمونه‌ای دیگری از ترکیبات مزو را در تصویر زیر مشاهده می‌کنید. این مولکول دارای صفحه تقارن در خود است، به‌‌صورتی که آن را به دو بخش کاملا مشابه تقسیم می‌کند. به علاوه دارای دو مرکز کایرال نیز هست و می‌توان گفت که مولکول مزو است.

ترکیبات مزو می‌توانند به‌صورت پنتان، بوتان، هپتان و هیدروکربن‌های حلقوی حضور داشته باشند. می‌دانیم که برای داشتن ترکیب مزو باید در ساختار دو مرکز کایرال وجود داشته باشد، با این‌حال ترکیب‌های کایرالی وجود دارند که دارای تعداد بیشتری کربن کایرال هستند. در زیر تعدادی از این ترکیبات را مثال زده‌ایم. توجه داشته باشید که در تمامی این ترکیب‌ها صفحه تقارن وجود دارد که با رنگ سرخابی نشان داده شده است.

در بالا یک هیدروکربن حلقوی نیز به عنوان مزو معرفی شده است. در حالت کلی اگر یک آلکان حلقوی دارای دو استخلاف مشابه باشد که با صورت‌بندی سیس حضور دارند، ترکیب مزو خواهد بود. سیکلو آلکان‌های دو استخلافی از نوع ترانس، حتی با وجود مشابه بودن استخلاف‌ها نیز، مزو نیستد. این گفته را می‌توانید در تصویر زیر به خوبی مشاهده کنید.

فعالیت نوری ترکیبات مزو

زمانی که میزان فعالیت نوری یک ترکیب مزو، توسط پلاریمتر اندازه‌گیری می‌‌شود، در آشکارساز علامت مثبت یا منفی مشاهده نمی‌شود. این به معنای آن است که این مولکول‌ها نور قطبیده را در جهت مشخصی نمی‌چرخانند و نمی‌توان برای تمایز آن‌ها از دو عبارت راست‌گرد و چپ‌گرد استفاده کرد. آنچه گفتیم با تعاریفی که پیش از این ارائه دادیم هم‌خوانی دارد زیرا ترکیب مزو غیرکایرال و بنابراین از نظر نوری غیرفعال است.

مطالعات «لویی پاستور» (Louis Pasteur) روی ایزومرهای تارتاریک اسید (۲و۳-دی‌هیدروکسی بوتان دیوییک اسید) در اواسط قرن ۱۹ در شفاف‌سازی برخی از ویژگی این دسته از ترکیبات، موثر بوده است. این مولکول دارای ۲ مرکز کایرال است اما تنها ۳ ایزومر فضایی دارد. دو عدد از این ایزومرهای فضایی انانتیومر یکدیگر هستند و دیگری ترکیبی مزو و غیرکایرال است.

در جدول زیر می‌توانید برخی از ویژگی‌های فیزیکی این ایزومرهای فضایی را مشاهده کنید. همان‌طور که می‌دانید دو انانتیومر داری چرخش نوری برابر و با جهت‌های مخالف یکدیگر هستند اما ترکیب مزو غیرکایرال است و تاثیری روی نور قطبیده نخواهد گذاشت. در واقع این ترکیب مزو دیاسترومر دو انانتیومر و دارای نقطه ذوب کاملا متفاوتی است.

مثال مولکول مزو

حال که می‌دانیم مفهوم مزو چیست، می‌خواهیم با بررسی چند ساختار در مورد مزو بودن آن‌ها نتیجه‌گیری کنیم.

مثال اول

به هیدروکربن حلقوی زیر توجه کنید و بگویید آیا مزو است؟

پاسخ: این مولکول همان‌طور که در تصویر بالا مشاهده می‌کنید دارای یک صفحه تقارن است. (این صفحه به‌صورت عمودی و در تصویر با رنگ سرخابی نشان داده شده است.) وجود صفحه تقارن باعث می‌شود که مولکول غیرکایرال باشد. با این‌حال در آن دو مرکز کایرال به چشم می‌خورد. بنابراین می‌توان این‌طور نتیجه گیری کرد که این مولکول مزو است.

مثال دوم

به مولکول‌های تصویر زیر دقت کنید و بگویید کدام یک ترکیبی مزو است؟

پاسخ: در تصویر بالا مولکول‌های ۱، ۳، ۴ و ۵ مزو هستند. برای آن‌که ترکیبی مزو باشد باید حداقل دارای دو مرکز کربن کایرال و صفحه تقارن داخلی باشد. این صفحه تقارن باید مولکول را به دو بخش کاملا مساوی تقسیم کند. توجه داشته باشید که در مولکول شماره ۲ از آن‌جا که هیدروکربن حلقوی از نوع آنتی است، ترکیب مزو نخواهد بود.

مثال تشخیص انانتیومر، دیاسترومر و اپی‌مر

در این مثال می‌خواهیم با در دست داشتن تعدادی مولکول که ایزومر یکدیگر هستند، به رابطه بین آن‌ها پی ببریم. به تصویر زیر به خوبی توجه کنید.

سوال ۱

کدام مولکول(ها) انانتیومر مولکول ۱ هستند؟

مولکول ۵ انانتیومر مولکول ۱ است زیرا در آن پیکربندی هر ۳ مرکز کایرال تغییر کرده است و آن‌ها با وجود اینکه تصویر آينه‌ای هم هستند اما بر هم منطبق نمی‌شوند.

سوال ۲

کدام مولکول(ها) دیاسترومر مولکول ۱ هستند؟

مولکول‌های ۲، ۳، ۴، ۶، ۷ و ۸ دیاسترومر مولکول ۱ هستند، زیرا در آن‌ها حداقل یکی و نه تمامی مراکز کایرال تغییر پیکربندی داده است. این ساختارها تصویر آینه‌ای یکدیگر نیستند.

سوال ۳

کدام مولکول(ها) اپی‌مر مولکول ۱ هستند؟

طبق تعریف اپی‌مرها تنها در ۲ پیکربندی با هم متفاوت هستند، بنابراین مولکول‌های ۲، ۳ و ۸ اپی‌مر مولکول ۱ هستند.

ویژگی دیاسترومرها

می‌دانیم که انانتیومرها در تمام ویژگی‌ها به جز جهت چرخاندن نور قطبیده با یکدیگر تفاوت دارند اما این در مورد دیاسترومرها صدق نمی‌کند. دیاسترومرها از نظر تئوری ویژگی‌های کاملا متفاوتی نسبت به یکدیگر دارند.

از واژه تئوری به این سبب استفاده می‌کنیم زیرا گاهی چنان مقادیر ویژگی‌های فیزیکی آن‌ها به یکدیگر نزدیک است که قابلیت جداسازی را مختل می‌کند. همچنین چرخش نور قطبیده در دیاسترومرها از قانون خاصی پیروی نمی‌کند، به‌صورتی که دو دیاسترومر می‌توانند دارای چرخش نوری با علامت موافق و مخالف و مقادیر برابر یا کاملا متفاوت باشند. در جدول زیر تعدادی از ویژگی‌های مهم مواد را در مورد انانتیومرها و دیاسترومرها مقایسه می‌کنیم.

طرح فیشر

طرح فیشر روشی قراردادی برای نمایش مولکول‌ها است به‌‌صورتی که بتوان درک درستی از مراکز فضایی و صورت‌بندی آن داشت. برای بررس نحوه این رسم و تبدیل، نمونه‌ای را روی یک مولکول مورد بررسی قرار می‌دهیم. این مولکول «(R)-لاکتیک اسید» نام دارد.

برای تبدیل این مولکول به طرح فیشر آن باید طبق مراحل زیر عمل کنیم. در مرحله اول، ابتدا مولکول را جوری قرار می‌دهیم که:

• مرکز کایرال روی سطح کاغذ قرار دارد.
• دو پیوند از صفحه بیرون می‌آیند که روی خط افقی قرار داده می‌شوند.
• دو پیوند به سمت داخل صفحه می‌روند و روی خط عمودی قرار داده می‌شوند.

این مراحل را می‌توانید در تصویر زیر مشاهده کنید.

در مرحله دوم باید پیوندهای بیرون از صفحه را هل دهیم و روی صفحه مولکول قرار دهیم. این تبدیل در زیر نشان داده شده است.

در مرحله سوم پیوندهایی که درون صفحه هستند را می‌کشیم و مانند مورد قبلی به روی صفحه منتقل می‌کنیم. این را می‌توانید در تصویر زیر به خوبی مشاهده کنید.

در مرحله بعدی مانند تصویر زیر، برای راحتی کار نماد کربن کایرال را از مرکز مولکول حذف می‌کنیم.

در انتها چیزی که در دست داریم طرح فیشر (R)-لاکتیک اسید است.

تعیین پیکربندی در طرح فیشر

گفتیم که برای سهولت کار می‌توانیم مولکول‌هایی با مراکز کایرال را با طرح فیشر نمایش بدهیم اما تعیین پیکربندی یک مرکز کایرال از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است. برای این کار می‌توانیم مراحل زیر را طی کنیم.

• در ابتدا مانند قبل باید استخلاف‌های روی هر مرکز کایرال را با توجه به اولویتشان عددگذاری کنیم. در این مرحله نحوه نمایش مولکول تغییری در کار ایجاد نمی‌کند. این مراحل را با یک مولکول پیش می‌بریم.

• اگر استخلاف با پایین‌ترین اولویت روی خط عمودی قرار داشت، به این معنا است که پشت صفحه و دور از بیننده است. در این حالت تنها از اولویت اول به دوم و سپس سوم فلشی رسم می‌کنیم. مانند قبل اگر جهت حرکت فلش ساعت‌گرد بود،‌ پیکربندی آن از نوع $$R$$ و اگر پادساعت‌گرد بود، پیکربندی از نوع $$S$$ است. این کار را برای مولکول بالا انجام داده‌ایم و نتیجه به‌‌صورت زیر است.

در طرح فیشر تلاش بر این است تا یک مولکول سه‌بعدی را در دو بعد نشان دهیم. بنابراین ایجاد برخی تغییرات در آن می‌تواند پیکربندی مرکز کایرال آن را تغییر دهد. در زیر می‌توانید لیستی از تغییراتی را ببینید که پیکربندی مرکز کایرال را در طرح فیشر دست‌نخورده باقی می‌گذارند.

• اگر طرح فیشر یک مولکول را ۱۸۰ درجه به سمت راست یا چپ بچرخانیم، به‌طوری که آن را از روی صفحه خود بلند نکنیم، پیکربندی آن هیچ تغییری نمی‌کند. برای مثال این اصل را روی لاکتیک اسید مورد بررسی قرار می‌دهیم.

اگر جهت‌گیری هر گروه را نیز اعمال کنیم باز متوجه می‌شویم که در پیکربندی تفاوتی ایجاد نشده است.

• اگر سه استخلاف روی کربن کایرال را به سمت چپ یا راست بچرخانیم،‌ در حالی که تنها استخلاف باقی‌مانده سر جای خود باشد، در پیکربندی مولکول تغییری ایجاد نمی‌شود. برای اثبات این ادعا به تصویر زیر توجه کنید.

مشاهده می‌کنید که با اعمال جهت‌گیری هر گروه، پیکربندی تغییری نکرده است.

با این حال دو تغییر نیز وجود دارند که پیکربندی مرکز کایرال را در طرح فیشر تغییر می‌دهند و باید در مورد آن‌ها احتیاط به خرج دهیم تا نتایج اشتباهی نداشته باشیم.

• اگر استخلاف‌های روی مرکز کایرال در طرح فیشر را ۹۰ درجه به سمت راست یا چپ بچرخانیم، پیکربندی تغییر خواهد کرد. این را می‌توانید در تصویر زیر مشاهده کنید.

پیکربندی هر کدام را مورد بررسی قرار می‌دهیم و متوجه می‌شویم که تغییری رخ داده است.

• تعویض موقعیت هر دو استخلافی با هم،‌باعث تغییر پیکربندی مرکز کایرال می‌شود. برای نمونه به تصویر زیر دقت کنید.

در این مثال موقعیت دو استخلاف $$OH$$ و $$H$$ با یکدیگر عوض شده است. می‌توانید در تصویر زیر مشاهده کنید که این کار پیکربندی مرکز کایرال را تغییر می‌دهد.

نمایش دیاسترومر با طرح فیشر

طرح فیشر برای نمایش مولکول‌هایی که بیش از مرکز کایرال دارند بسیار مفید است. همان‌طور که مشاهده کردید این طرح هم ساده و هم بسیار گویا است. در این بخش‌ می‌خواهیم بدانیم چطور می‌توانیم یک دیاسترومر را با طرح فیشر به‌ خوبی نشان داد. در این مورد می‌خواهیم انانتیومر یک مولکول دارای ۳ مرکز کایرال را به کمک طرح فیشر نمایش دهیم. برای این کار می‌توانید آينه‌ای فرضی را در نظر بگیرید و بازتاب مولکول را با تغییر جهت گروه‌های روی کربن کایرال رسم کنید.

برای بررسی صحت کار در هر مورد پیکربندی را مشخص می‌کنیم و متوجه می‌شویم که از $$R$$ به $$S$$ و از $$S$$ به $$R$$ تغییر کرده‌اند.

برای داشتن دیاسترومر مولکولی با طرح فیشر نیاز داریم که پیکربندی حداقل یک و نه تمامی مرکزهای کایرال را تغییر دهیم. به عبارتی باید مولکول دیاسترومر به گونه‌ای رسم شود تا تصویر آينه‌ای مولکول دیگر نباشد. این کار را در تصویر زیر مشاهده می‌کنید. دو مولکول داده شده در دو مرکز کایرال با یکدیگر متفاوت و در نتیجه دیاسترومر یکدیگر هستند.

دیاسترومر کربوهیدرات در طرح فیشر

از طرح فیشر عمدتا برای رسم کربوهیدارت‌ها استفاده می‌شود، زیرا این دسته از ترکیبات چندین مرکز کایرال دارند. این مراکز کایرال را می‌توان به ساده‌ترین شکل ممکن با طرح فیشر نشان داد و در مورد پیکربندی آن‌ها صحبت کرد. از این مورد مثالی را مورد بررسی قرار می‌دهیم. گلوکز قند بسیار معروف و رایجی است که به‌وفور در زندگی روزمره انسان نقش دارد. این مولکول بیشتر به‌صورت دی-گلوکز وجود دارد اما می‌توان ال-گلوکز را نیز به شکل صنعتی در دست داشت. این دو انانتیومر را می‌توان به صورت زیر نمایش داد. توجه داشته باشید که آن‌ها تصویر آينه‌ای همدیگر هستند اما بر هم منطبق نمی‌شوند. و می‌توان اطمینان کسب کرد که انانتیومرها صحیح رسم شده‌اند.

مثال تعیین پیکربندی در طرح فیشر

حال که با نحوه رسم مولکول‌های دارای مراکز کایرال توسط طرح فیشر آشنا شدیم، به بررسی تعدادی مثال در این مورد می‌پردازیم.

مثال اول

نام مولکول زیر «۱و۲-پروپان دی‌اُل» است. پیکربندی مرکز کایرال آن را مشخص کنید.

پاسخ: در طرح فیشر دو استخلافی که روی خط افقی قرار دارند، بیرون صفحه و دو استخلافی که روی خط عمودی قرار دارند، درون صفحه هستند. بنابراین اگر در تعیین پیکربندی استخلاف با پایین‌ترین اولویت روی خط افقی قرار داشت، نیاز داریم که آن را به پشت صفحه ببریم. البته برای راحتی کار می‌توان پیکربندی را در همین حالت تعیین و بعد آن را تعویض کرد. مثلا در این مورد اولویت بالا با گروه $$OH$$، سپس $$CH_2OH$$ و بعد $$CH_3$$ و در نهایت $$H$$ است. اگر از استخلاف بالا به پایین فلشی رسم کنیم، جهت حرکت آن ساعت‌گرد و پیکربندی از نوع $$R$$ خواهد بود. در اینجا به دلیل قرار گرفتن استخلاف با آخرین اولویت روی خط افقی، پیکربندی از $$R$$ به $$S$$ تغییر می‌کند. بنابراین نام کامل این مولکول «(S)-۱و۲-پروپان دی‌اُل» است.

مثال دوم

طرح فیشر مولکول زیر را رسم کنید.

پاسخ: در این مولکول دو مرکز کایرال وجود دارد که به نام کربن شماره ۲ و کربن شماره ۳ نام‌گذاری شده‌اند. با توجه به اولویت استخلاف‌های آن‌ها پیکربندی هر مرکز را می‌توان مشخص کرد.

طرح فیشر این مولکول را به‌صورت زیر رسم می‌کنیم. همان‌طور که مشاهده می‌کنید کربن شماره ۱ و ۴ وگروه‌های متصل به آن‌ها دست نخورده در پایین و بالای طرح فیشر آورده شده‌اند. برای بررسی درستی طرح، می‌توانیم به پیکربندی مراکز کایرال آن توجه کنیم که دست‌خوش تغییری نشده باشد.

انواع دیاسترومر

دیاسترومرها باید جوری نام‌گذاری شوند که کاملا قابل تشخیص و تمایز از یکدیگر باشند. برای این کار می‌توان آن‌ها را همراه با نام‌هایی کرد که در مورد جزئیات ساختار آن‌ها اطلاعات دقیق‌تری به دست می‌دهد. در ادامه می‌خواهیم به تعدادی از این سیستم‌ها برای تسهیل نام‌گذاری دیاسترومرها اشاره کنیم.

اریترو و ترئو

در این بخش می‌خواهیم به یکی از مفاهیم مهم و پرتکرار در شیمی فضایی بپردازیم. «اریترو»‌ (Erythro) و «ترئو» (Threo) دو واژه‌ای هستند که از آن‌ها برای توصیف مراکز فضایی استفاده می‌شود. این دو واژه از قندهای اریتروز و ترئوز گرفته شده‌اند، بنابراین برای درک بهتر آن‌ها، ابتدا نگاهی به ساختار این دو قند می‌اندازیم.

با توجه به تصویر این دو مولکول می‌توان این‌طور نتیجه‌گیری کرد که در اریتروز دو جفت گروه مشابه $$OH$$ و $$H$$ در یک سمت قرار دارند و در ترئوز در دو سمت مخالف. این روش نام‌گذاری حتی در خارج از شیمی کربوهیدرات‌ها نیز به کار گرفته می‌شود. به این صورت که می‌توان پیکربندی مولکول‌هایی با دو مرکز کایرال را با یکی از نام‌های اریترو و ترئو مشخص کرد. در تصویر زیر مثالی از این مورد را مشاهده می‌کنید. به جهت استخلاف‌های مشابه نسبت به یکدیگر توجه کنید.

در این مورد زمانی که دو استخلاف $$Br$$ و دو استخلاف $$Cl$$ در یک سمت هستند برای نشان دادن شیمی فضایی مولکول از واژه اریترو و زمانی که در دو سمت متفاوت باشند، از واژه ترئو استفاده می‌شود. در تصویر زیر اریتروی همین ساختار را با طرح فیشر و «طرح خرک» (Sawhorse) مشاهده می‌کنید. در حالتی که دو استخلاف در حالت پوشیده باشند، این ساختار را خواهیم داشت.

با این حال استفاده از اریترو و ترئو با محدودیت‌هایی مواجه است. برای مثال اگر دو مرکز کایرال دارای استخلاف‌هایی متفاوت از یکدیگر باشند، استفاده از این واژه‌ها دقت کافی را ندارد و منظور ما را به‌خوب نمی‌رساند. در بخش بعد در مورد نحوه دیگری که برای نام‌گذاری مولکول‌هایی با بیش از یک مرکز فضایی وجود دارد، صحبت می‌کنیم.

دیاسترومر سین و آنتی

زمانی که مولکولی دارای دو مرکز کایرال باشد، به‌صورتی که استخلاف‌های آن‌ها با یکدیگر متفاوت باشد، برای توصیف نحوه قرارگیری آن‌ها می‌توان از دو واژه «سین» (Syn) و «آنتی» (Anti) استفاده کرد. در این سیستم نام‌گذاری مولکول را به‌صورت زیگزاگ رسم می‌کنیم و اگر استخلاف‌ها در یک سمت باشند، به آن سین، اگر در دو سمت باشند، به آن آنتی می‌گوییم. برای روشن شدن این مفهوم به دو مثال زیر توجه کنید.

تمرین و حل مثال دیاسترومر

حال که با مفهوم دیاسترومر آشنا شدیم، برای درک بهتر تعدادی مثال و تمرین را مورد بررسی قرار می‌دهیم. مرور این تمرین‌ها باعث می‌شود بتوانید از دانش خود در حل مسائل مرتبط بهره بگیرید.

مثال دیاسترومر

در این بخش مثال‌هایی را پیرامون مفهوم دیاسترومری همراه با پاسخ تشریحی آورده‌ایم.

مثال اول

مولکول‌ زیر چند مرکز کایرال دارد؟ برای هم کدام پیکربندی مناسبی انتخاب کنید.

پاسخ: در این مولکول حلقوی دو مرکز کایرال وجود دارد. یکی کربن متصل به استخلاف $$OH$$ و دیگری کربن دارای استخلاف $$Br$$ است. برای تخصیص پیکربندی ابتدا باید اولویت استخلاف‌‌های موجود روی هر اتم کربن را مشخص کنیم. این را می‌توانید در تصویر زیر مشاهده کنید. توجه داشته باشید که برای تعیین اولویت استخلاف‌هایی که درون حلقه هستند، به اولین نقطه تفاوت آن‌ها کار داریم. مثلا در مورد مرکز کایرال دارای $$OH$$ از آن‌جا متوجه می‌شویم حلقه در سمت چپ اولویت ۲ است که زودتر به استخلاف برم می‌رسد.

در مرکز کایرال آبی، فلشی که از اولویت بالا به اولویت پایین رسم می‌کنیم، پادساعت‌گرد است، بنابراین پیکربندی آن از نوع $$S$$ خواهد بود. در مورد مرکز کایرال قرمز جهت فلش برعکس است.

مثال دوم

در مولکول زیر یک مرکز کایرال وجود دارد. ابتدا اولویت استخلاف‌های آن را مشخص کنید و سپس پیکربندی مناسب را به آن نسبت دهید.

پاسخ: در این مولکول یک کربن وجود که دارای ۴ استخلاف متنوع است. اولویت گروه‌های آن را در تصویر زیر با تخصیص اعداد مشخص کرده‌ایم. اگر از اولویت ۱ به ۲ و ۳، فلشی رسم کنیم، جهت فلش ساعت‌گرد است و پیکربندی از نوع $$R$$ خواهد بود.

مثال سوم

دو انانتیومر زیر را نام‌گذاری کنید.

پاسخ: در نام‌گذاری انانتیومرها نیاز داریم نوع پیکربندی هر مرکز کایرال را برای ایجاد تمایز بین آن‌ها بیاوریم. بنابراین باید ابتدا مراکز کایرال را شناسایی و استخلاف‌های آن را اولویت‌بندی کنیم. در این دو مولکول ۲ مرکز کایرال وجود دارد. در هر مورد اولویت با فلوئور است. در مولکول سمت راست پیکربندی به شکل (۲S، ۳R) و در مولکول سمت چپ پیکربندی (۲R، ۳S) است.

نام این مولکول ۲-فلوئورو ۳-متیل هگزان است. با آوردن پیکربندی هر مرکز پیش از آن داریم:

• مولکول سمت راست: (۲S، ۳R) ۲-فلوئورو ۳-متیل هگزان
• مولکول سمت چپ: (۲R، ۳S) ۲-فلوئورو ۳-متیل هگزان

مثال چهارم

در تصویر زیر ۳ مولکول بیوشیمیایی را مشاهده می‌کنید. در مورد هر کدام مراکز فضایی را مشخص کنید و پیکربندی مطلق مناسب آن را بیابید.

پاسخ: برای یافتن مرکز کایرال باید به دنبال اتم کربنی باشیم که دارای ۴ استخلاف کاملا متفاوت روی خود باشد. سپس بر اساس اولویت این استخلاف‌ها و رسم فلشی از اولویت بالا به اولویت‌های پایین به پیکربندی آن پی‌ می‌بریم.

مولکول دی هیدرواوروتات

این مولکول دارای یک مرکز کایرال است که درون حلقه قرار دارد. با تخصیص اولویت به استخلاف‌ها، متوجه می‌شویم که جهت حرکت فلش به‌‌صورت پادساعت‌گرد است و پیکربندی از نوع $$S$$ خواهد بود.

مولکول موالونات

این مولکول دارای یک مرکز کایرال است که در تصویر زیر مشاهده می‌کنید.. با تخصیص اولویت به استخلاف‌ها، متوجه می‌شویم که جهت حرکت فلش به‌‌صورت ساعت‌گرد است و پیکربندی از نوع $$R$$ خواهد بود.

مولکول اریتروز

در این مولکول دارای دو مرکز کایرال وجود دارد.برای مرکز سمت چپ نیاز داریم تا قبل از رسم فلش آن را بچرخانیم زیرا استخلاف $$OH$$ با بیشترین اولویت با خط‌چین نشان‌ داده شده است و در پشت صفحه قرار دارد. بعد از چرخش و اولویت گذاری، پیکربندی از نوع $$R$$ به دست می آيد. در مورد مرکز کایرال سمت راست نیازی به چرخاندن مولکول نیست و پیکربندی $$R$$ خواهد بود.

مثال پنجم

طرح فیشر دو مولکول زیر را رسم کنید.

مولکول ۱

برای رسم این طرح فیشر ابتدا می‌توانیم گروه $$CH_3$$ را ثابت نگه داریم و سپس باقی استخلاف‌ها را در جای مناسب خود رسم کنیم. توجه داشته باشید که پیکربندی مرکز کایرال باید در هر دو یکسان باشد. در این مورد پیکربندی از نوع $$R$$ است.

مولکول ۲

برای رسم این طرح فیشر ابتدا می‌توانیم گروه $$CH_2CH_3$$ را ثابت نگه داریم و سپس باقی استخلاف‌ها را در جای مناسب خود رسم کنیم. برای بررسی درستی کار می‌توانیم پیکربندی‌ها را مقایسه کنیم که در هر دو از نوع $$R$$ است. بنابراین طرح فیشر به‌درستی رسم شده است.

مثال ششم

با توجه به قوانین گفته‌شده، طرح فیشر مولکول زیر را رسم کنید.

پاسخ: در این مولکول یک مرکز کایرال با ۴ استخلاف به‌صورت زیر وجود دارد. آن‌ها را به‌ترتیب کاهش اولویت در زیر آورده‌ایم.

• $$OH$$
• $$COH$$
• $$CH_2OH$$
• $$H$$

طرح فیشر آن را به‌صورت زیر رسم می‌کنیم. برای بررسی درستی طرح، می‌توانیم به پیکربندی آن توجه کنیم. با توجه به اولویت استخلاف‌ها در مولکول بالا با رسم فلش، جهت آن ساعت‌گرد خواهد بود و پیکربندی $$R$$ است. در طرح فیشر زیر اگر از اولویت بالا به اولویت‌های پایین فلشی رسم کنیم پادساعت‌گرد است اما به دلیل قرارگیری استخلاف $$H$$ در خط افقی که به معنای بیرون صفحه بودن آن است، استخلاف را تغییر می‌دهیم. این تغییر را به این دلیل انجام می‌دهیم که قرارگیری هیدروژن با اولویت پایین در بیرون از صفحه، در تعیین پیکربندی ایجاد خطا می‌کند و باید چرخانده شود.

مثال هفتم

با توجه به کربوهیدرات تصویر زیر، چند طرح فیشر آن را با پیکربندی‌های متفاوت رسم کنید و بگویید هر کدام مربوط به چه قندی است؟ در هر مورد پیکربندی را نیز مشخص کنید.

پاسخ: در این مولکول سه مرکز فضایی وجود دارد و با تغییر پیکربندی‌ آن‌ها به مولکول‌های متفاوتی می‌رسیم.

اولین ساختار مربوط به قند دی-ریبوز است. هر سه مرکز فضایی در این مولکول دارای صورت‌بندی $$R$$ هستند.

ساختار دوم مربوط به قند دی-آرابینوز است. در این ساختار دو پیکربندی از نوع $$R$$ و پیکربندی مرکز کایرال دیگر از نوع $$S$$ هستند. توجه داشته باشید که این پیکربندی در طرح فیشر رسم شده نیز خود را نشان می‌دهد.

ساختار بعدی مربوط به قند دی-زایلوز است. در این ساختار دو پیکربندی از نوع $$R$$ و پیکربندی مرکز کایرال دیگر از نوع $$S$$ هستند. به این نکته توجه داشته باشید که موقعیت پیکربندی‌ها با مولکول بالا متفاوت است و همین باعث ایجاد تغییر و متفاوت بودن دو قند می‌شود.

ساختار دوم مربوط به قند دی-لایزوز است. در این ساختار دو پیکربندی از نوع $$S$$ و پیکربندی مرکز کایرال دیگر از نوع $$R$$ هستند.

با تغییر پیکربندی‌ها می‌توان به مولکول‌های متفاوت‌ بیشتری رسید، اما روند کار به‌صورتی است که در این مثال توضیح دادیم.

مثال هشتم

طرح فیشر مولکولی به نام «(اس)-۲-هیدروکسی بوتانوییک اسید» را رسم کنید. (فرمول شیمیایی آن به‌صورت زیر است.

$$CH_3CH_2CH(OH)COOH$$

پاسخ: طرح فیشر یک مولکول با مرکز فضایی باید به‌صورتی رسم شود که پیکربندی آن تغییری نکند. همان‌طور که در صورت سوال آمده، پیکربندی تنها مرکز کایرال این مولکول از نوع $$S$$ است. این را می‌توانید در مولکول زیر نیز پیدا کنیم. ابتدا استخلاف‌های متصل به مرکز کایرال را به‌ترتیب اولویت مشخص می‌کنیم.

• $$OH$$
• $$CO_2H$$
• $$CH_2CH_3$$
• $$H$$

با این وجود اگر از استخلاف بالا به پایین فلشی رسم کنیم در جهت عقربه‌های ساعت است و پیکربندی از نوع $$R$$ خواهد بود. نکته‌ای که باید به آن توجه شود این است که هیدروژن با آخرین اولویت رو خط افقی قرار دارد، به این معنی که بیرون از صفحه است. بنابراین باید یا مولکول را بچرخانیم یا بعد از تعیین استخلاف آن را تغییر دهیم.

مثال نهم

در هر مورد مراکز کایرال را در صورت وجود مشخص کنید.

پاسخ: در هر یک از مولکول‌های بالا یک مرکز کایرال وجود دارد. همچنین پیکربندی آن‌ها را نیز با توجه به قوانین ذکر شده در این مطلب، مشخص کرده‌ایم. به تصویر زیر دقت کنید.

مثال دهم

کدام یک از مولکول‌های تصویر زیر مزو و کدام غیرمزو هستند؟

پاسخ: با توجه به مفهوم مزو می‌توانیم آن را برای هر یک از مولکول‌های زیر مورد بررسی قرار دهیم.

مولکول ۱

این مولکول مزو نیست زیرا دو مرکز کایرال با پیکربندی مشابه $$S$$ دارد و نمی‌توان در آن صفحه تقارنی پیدا کرد که مولکول را به دو قسمت کاملا مشابه تقسیم کند.

مولکول ۲

این ترکیب مزو است زیرا صفحه تقارنی دارد که در تصویر زیر نشان داده شده است. به‌ علاوه پیکربندی مراکز کایرال آن به‌صورت $$R$$ و $$S$$ است.

مولکول ۳

این مولکول با وجود داشتن صفحه تقارن، مزو نیست زیرا به‌صورتی است که برای هر مرکز کایرال گروه متقارنی وجود دارد و مولکول در کل کایرال نخواهد بود.

مثال یازدهم

ایزومرهای فضایی ممکن ۳و۴-دی‌کلرو هگزان را رسم کنید و بگویید کدام مزو است؟

پاسخ: با تغییر پیکربندی می‌توان این مولکول را به ۴ صورت زیر رسم کرد.

ساختار ۱ و ۲ مشابه یکدیگر است، (با شیمی فضایی $$R$$ و $$S$$) بنابراین می‌توان‌ آن‌ها را مزو دانست اما ساختار ۳ و ۴ دارای پیکربندی متفاوت و انانتیومر یکدیگر هستند.

تمرین دیاسترومر

حل تمرین‌های چند‌گزینه‌ای به تثبیت مفاهیم فراگرفته‌شده کمک به‌سزایی می‌کند.

تمرین اول

 

تمرین دوم

 

تمرین سوم

 

تمرین چهارم

 

تمرین پنجم

 

تمرین ششم

 

تمرین هفتم

 

تمرین هشتم

 

تمرین نهم

 

تمرین دهم

 

تمرین یازدهم

 

تمرین دوازدهم

 

تمرین سیزدهم

 

تمرین چهاردهم

 

تمرین پانزدهم

 

سوالات متدوال

در این بخش می‌خواهیم به تعدادی از پرتکرارترین سوال‌هایی که پیرامون این موضوع وجود دارد را پاسخ بدهیم.

تفاوت انانتیومر و دیاسترومر چیست ؟

هر دو ایزومرهای فضایی هستند با این تفاوت که دو انانتیومر تصویر آینه‌ای یکدیگر هستند و دو دیاسترومر خیر.

تفاوت پیکربندی دو دیاسترومر در چیست ؟

دو دیاسترومر در حداقل یک مرکز کایرال دارای پیکربندی متفاوت هستند. این تفاوت نباید در تمامی مراکز کایرال باشد، یعنی حداقل یک مرکز با پیکربندی مشابه وجود داشته باشد.

تفاوت پیکربندی دو انانتیومر در چیست ؟

دو مولکول زمانی انانتیومر یکدیگر هستند که تمامی مراکز فضایی آن‌ها دارای پیکربندی متفاوت از یکدیگر باشد.

آیا چرخش نوری دو دیاسترومر مشابه یکدیگر است ؟

مقادیر چرخش نوری دو دیاسترومر متفاوت از همدیگر خواهد بود اما می‌توانند دارای علامت مخالف یا موافق هم باشند.

در دیاسترومرها چند مرکز فضایی وجود دارد ؟

یک مولکول زمانی دارای دیاسترومر است که حداقل دو مرکز کایرال در ساختار خود داشته باشد.

جمع بندی

هدف از این مطلب این بود که با مفهوم دیاسترومر آشنا شویم و توانایی تشخیص آن را پیدا کنیم. هچنین در مورد موضوعات مرتبط با دیاسترومر مانند کایرالیته، نحوه نام گذاری ایزومر فضایی و رابطه انانتیومر و دیاسترومر صحبت کردیم.