شیمی فضایی – به زبان ساده

در این مطلب، در خصوص شیمی فضایی یا استریو‌شیمی بحث می‌کنیم و شکل سه بعدی مولکول‌ها در شیمی فضایی، کایرالیته و کنفیگراسیون در شیمی فضایی را یاد می‌گیریم.

نمایش شکل سه بعدی مولکول در شیمی فضایی

یک چهاروجهی را به صورت شکل زیر نیز می‌توانیم نشان دهیم. همانطور که در تصویر زیر مشاهده می‌کنید، دو پیوند در مولکول متان را به صورت دو مثلث (گوه) مشکی و خط‌چین نشان داده‌ایم. در خصوص مثلث مشکی می‌گوییم: اتم هیدروژن به سمت ما قرار دارد و در خصوص مثلث خط‌چین می‌گوییم: اتم، در حال دور شدن از ماست یا اتم به سمت ما نیست. با وجود اینکه چنین نمایشی، بر روی یک صفحه تخت انجام می‌شود، اما نوع مثلث‌ها حاکی از شکل سه بعدی مولکول هستند.

اتم‌های کربنی که به چهار اتم در همسایگی خود پیوند دارند، همواره شکلی چهاروجهی دارند و اتم‌های اطراف کربن، زاویه 109/5 درجه با یکدیگر دارند. پنتان، ترکیبی با چهار کربنِ چهاروجهی در یک ردیف است که هر کدام از اتمهای کربن را می‌توان به شکل زیر نشان داد.

تصاویر آینه‌ای و کایرالیته در شیمی فضایی

زمانی که به آینه نگاه می‌کنید، شخصی مجازی و در واقع، تصویر آینه‌ای خود را می‌بینید. هر شئ نیز تصویری آینه‌ای دارد اما این تصویر، لزوما با شئ اصلی تشابه ندارد. برای توضیح بیشتر، صندلی چوبی تصویر زیر را در نظر بگیرید.

فیلم آموزش استریو‌ شیمی در شیمی‌ آلی 1 در فرادرس

کلیک کنید

تصویر این صندلی در آینه، دقیقا با خود آن یکسان است. زمانی که یک شئ و تصویر آن در آینه یکسان باشد، به آن «انطباق‌پذیر»‌ (Superimposable) می‌گویند. اشیایی که برهم منطبق هستند را می‌توان به گونه‌ای کنار هم قرار دارد که ویژگی‌های سه بعدی هرکدام با دیگری برابر باشند.

اما این بار بهتر است شیئی را در نظر بگیریم که با تصویر آینه‌ای خود یکسان نباشد. به این نوع از تصاویر، «انطباق‌ناپذیر»‌ (non-Superimposable) می‌گویند. از مثال‌های آن می‌توان به صندلی دسته‌دار اشاره کرد که در تمامی کلاس‌های درس وجود دارد. تصویر آینه‌ای یک صندلی دسته‌دارِ راست دست، به صورت صندلی چپ‌دست نمایش داده می‌شود. تصویر زیر به خوبی بیانگر این موضوع است.

این مورد را در مورد تصویر دست‌های خود در آینه هم می‌توانیم مشاهده کنیم. می‌دانیم که دست‌های ما بر یکدیگر منطبق نیستند. در تعریفی دیگر، به شیئی که تصویر آینه‌ای آن بر دیگری منطبق نباشد، «کایرال» (Chiral) می‌گویند که این عبارت از واژه‌ای یونانی به معنای دست گرفته شده است. اشیایی همچون کفش و دستکش را می‌توان کایرال نامید. کایرالیته یک شئ را می‌توان بدون آینه هم نشان داد. در صورتیکه یک شئ، شامل صفحه‌ تقارن باشد، کایرال نیست و به آن «اکایرال» (Achiral) می‌گویند. یک صفحه تقارن، شئ را به دو بخش تقسیم می‌کند به طوریکه هر بخش، تصویر آینه‌ای دیگری باشد. عکس صندلی بدون دسته، دارای صفحه‌ تقارن و بنابراین اکایرال است. در نتیجه، وجود یا عدم وجود صفحه تقارن، تعیین کننده کایرالیته یک شئ خواهد بود.

مولکول‌های کایرال در شیمی فضایی

چهار اتم یا گروه متصل به مرکز کایرال، در دو آرایش مختلف قرار می‌گیرند تا دو «ایزومر فضایی» (Stereoisomers) بسازند. نمونه‌‌ای از آن را می‌توان در ایزومر فضایی برومو کلرو فلوئورو متان مشاهده کرد. این ماده، صفحه تقارن ندارد. تصویر زیر نشان می‌دهد که این مولکول، از نوع مولکول کایرال است چراکه تصویر آینه‌ای آن، بر خودش منطبق نیست.

در مقابل،‌ مولکول‌های دی‌کلرو متان و بروموکلرو متان در تصویر زیر،‌ صفحه تقارن دارند و کایرال نیستند. در این خصوص باید گفت که دی‌کلرو متان، دو صفحه تقارن دارد.

انانتیومر‌ها

در شیمی فضایی به دو ایزومر فضایی که تصویر آینه‌ای آن‌ها بر یکدیگر منطبق نباشند، «انانتیومر» (Enantiomer) می‌‌گویند. همانطور که گفته شد، مولکولی که دارای مرکز استرئوژنیک باشد، موسوم به مولکول کایرال است. به طور مثال، مولکول ۲-برومو بوتان را یک مولکول کایرال در نظر می‌گیریم زیرا اتم کربن به چهار گروه مختلف متصل می‌شود. در مقابل، در مولکول ۲-برومو پروپان، هیچ اتم کربنی وجود ندارد که به چهار گروه مختلف متصل باشد. در نتیجه، ۲-برومو پروپان، کایرال نیست.

خواص انانتیومرها

فیلم آموزش شیمی آلی 1 در فرادرس

کلیک کنید

فعالیت نوری

با وجود اینکه انانتیومرها، خواص شیمیایی یکسانی در محیط‌های اکایرال دارند، اما در یک خاصیت مهم فیزیکی با یکدیگر متفاوت هستند. رفتار انانتیومرها در خصوص نور قطبیده (پلاریزه) با یکدیگر متفاوت است. این اختلاف به ما کمک می‌کند تا در آزمایشگاه، مولکول کایرال را از انانتیومرش شناسایی کنیم.

نور پلاریزه شده با مولکول‌های کایرال برهم‌کنش انجام می‌دهد. این برهم‌کنش‌ها را با دستگاهی به نام پلاریمتر اندازه‌گیری می‌کنند. در یک پلاریمتر، نور با طول موج تنها - که به آن، «نور تک‌رنگ»‌ (Monochromatic Light) می‌گویند - از میان یک فیلتر پلاریزه عبور می‌کند. در مرحله بعد،‌ نور قطبیده، از لوله‌ای شامل محلول مورد آزمایش، عبور می‌کند. مولکول‌های اکایرال، تاثیری بر نورهای قطبیده ندارند. اما صفحه نور پلاریزه، به هنگام جذب توسط مولکول‌های کایرال، می‌چرخد. بعد از خروج نور از لوله، این نور از فیلتر پلاریزه دیگری عبور می‌کند که نقش آشکارساز دارد. این صفحه می‌تواند در جهت‌های ساعتگرد و پادساعتگرد چرخش داشته باشد تا با چرخش نور منطبق شود.

چرخش ویژه

$$[\alpha]_{\mathrm{D}}=\frac{alpha_{\mathrm{obs}}}{l_{\mathrm{x} c}}$$

اگر ماده‌ای کایرال، نور قطبیده را به راست (ساعت‌گرد) بچرخاند،‌ به آن «راست‌گردان» (Dextrorotatory) و اگر به سمت چپ (پادساعتگرد) بچرخاند، به آن «چپ‌گردان» (Levorotatory) می‌گویند. انانتیومرهای یک ماده کایرال، نور پلاریزه را به یک میزان اما با جهتی متفاوت می‌چرخانند. بنابراین، در شیمی فضایی به آن‌ها «ایزومرهای نوری» (Optical Isomers) نیز می‌گویند.

انانتیومرهای مواد را بسته به نوع چرخش و علامت مثبت یا منفی $$[\alpha]_D$$ مشخص می‌کنند. به طور مثال، در یکی از انانتیومرهای ۲-یدو بوتان، $$[\alpha]_D = - 15.15$$ است. در این حالت این انانتیومر را به صورت (-)-2-یدو بوتان و به طور مشابه،‌ انانتیومر دیگر با $$[\alpha]_D = + 15.15$$ را به شکل (+)-2-یدو بوتان نشان می‌دهند. علاوه بر این، چنین ایزومرهای (+) و (-) را به شکل d و s نیز می‌شناسند.

روش فیشر در رسم شکل مولکول

رسم یک مولکول در سه بعد، کاری دشوار و زمانبر است. علاوه بر این،‌ خوانش فرمول ساختاری، مخصوصا برای مولکول‌هایی با چندین مرکز کایرال، کار ساده‌ای نیست. در شیمی فضایی برای رسم ساختار مولکول یک ماده کایرال، می‌توان از «روش فیشر» (Fischer Projection) استفاده کرد. «امیل فیشر» (Emil Fischer)، شیمیدان آلمانی، این روش را در حدود یک قرن پیش معرفی کرد. «پیکربندی» (Configuration) یا کنفیگراسیون یک ماده کایرال در روش فیشر، به کمک مقایسه آن با کنفیگراسیون ماده‌ای مرجع به نام «گلیسرآلدهید» (Glyceraldehyde) بدست می‌آید.

• زنجیره کربن را به صورت عمودی مرتب کنید. در این حالت،‌ بیشترین گروه اکسید شده در بالا قرار بگیرد. در اینجا،‌ $$CHO$$ در بالا قرار می‌گیرد.
• اتم کربن کایرال را در داخل صفحه قرار دهید.
• از آن‌جایی که اتم کربن مرکزی، به چهار گروه مختلف، متصل است، گروه $$CHO$$ و $$CH_2OH$$، پشت صفحه و اتم هیدروژن و گروه هیدروکسیل در بیرون از صفحه قرار می‌گیرند.
• این چهار گروه را بر روی یک صفحه قرار دهید. در این روش به طور معمول، اتم کربن کایرال را نشان نمی‌دهند. در حقیقت، نقطه تقاطع خطوط پیوندی، بیانگر کربن کایرال است. در روش فیشر،‌ خطوط عمودی،‌ از ناظر دور می‌شوند و خطوط افقی به طرف ناظر قرار دارند. در تصویر زیر به ترتیب ساختارهای پرسپکتیو،‌ آینه‌ای و فیشر را مشاهده می‌کنید.

روش تصویری فیشر، نوعی نمایش دو بعدی است. در این ساختار، اگر مولکول را از یک طرف، حول کربن کایرال دوران بدهیم، به ساختار انانتیومر آن دست پیدا خواهیم کرد.

کنفیگراسیون R و S

در کنفیگراسیون R و S،‌ چهار گروه متصل به کربن استرئوژنیک، با ترتیب و اولویت مشخصی چیده می‌شوند. گروه با بالاترین اولویت را با عدد ۱ و کمترین اولویت را با عدد 4 نشان می‌دهند. چرخش مولکول را طوری تنظیم می‌کنیم که پیوند اتم کربن با گروه ۴، در دورترین فاصله و در راستای خط دید ما باشد. زمانی که این کار انجام شد، ۳ گروه بعدی، پیرامون محیط یک دایره و به سمت ما قرار می‌گیرند.

فیلم آموزش تقارن در شیمی‌ معدنی ۱ در فرادرس

کلیک کنید

برای درک ساده‌تر این روش، فرض کنید شاخه گلی را در دست گرفته‌اید،‌ ساقه گل نقش گروه عدد ۴ را دارد و گلبرگ‌های آن، در نقش سه گروه دیگر ظاهر می‌شوند. حال، به شماره‌گذاری گروه‌ها دقت کنید که در اینجا، ساعت‌گرد است. کنفیگراسیون ساعت‌گرد را با R و پادساعتگرد را با S نشان می‌دهیم.

تعیین اولویت‌ها

همانطور که دیدیم، برای شماره‌گذاری گروه‌های متصل به اتم کربن کایرال، باید اولویت‌هایی را در نظر بگیریم. این اولویت‌ها به ترتیب در زیر آورده شده‌اند:

• اتم‌ها: به ترتیب کاهش عدد اتمی، اتم‌های متصل به کربن را شماره‌گذاری کنید. عدد اتمی کمتر،‌ اولویت کمتری هم دارد. ایزوتوپ‌ها را به ترتیب کاهش جرم اتمی مرتب می‌کنیم. به طور مثال، در ایزوتوپ‌های هیدروژن، اولویت دوتریوم از هیدروژن بیشتر است.