ايزومير
تحتاج هذه المقالة إلى مصادر إضافية للتحقق . ( سبتمبر 2021 ) |
في الكيمياء ، المتزامرات هي جزيئات أو أيونات متعددة الذرات لها نفس الصيغة الجزيئية - أي نفس عدد ذرات كل عنصر - ولكن ترتيبات مميزة للذرات في الفضاء. [1] يشير التزامر إلى وجود أو إمكانية وجود متزامرات.
لا تشترك المتزامرات بالضرورة في خصائص كيميائية أو فيزيائية متشابهة . هناك شكلان رئيسيان للتزامرات هما التزامرات البنيوية (أو الدستورية)، حيث تختلف الروابط بين الذرات؛ والتزامرات الفراغية أو (التزامرات المكانية)، حيث تكون الروابط متماثلة ولكن تختلف المواضع النسبية للذرات.
تشكل العلاقات المتماثلة تسلسلًا هرميًا . قد يكون مادتان كيميائيتان نفس المتماثل الدستوري، ولكن عند التحليل العميق يكونان متزامرين فراغيين لبعضهما البعض. قد يكون الجزيئان اللذان يمثلان نفس المتزامر الفراغي لبعضهما البعض في أشكال تكوينية مختلفة أو قد يكونان متناظرين مختلفين . يعتمد عمق التحليل على مجال الدراسة أو الخصائص الكيميائية والفيزيائية محل الاهتمام.
الكلمة الإنجليزية "isomer" ( / ˈaɪsəmər / ) هي تكوين خلفي من " isomeric"، [2] والتي تم استعارتها من خلال الكلمة الألمانية isomerisch [3] من الكلمة السويدية isomerisk ؛ والتي بدورها تم صياغتها من الكلمة اليونانية ἰσόμερoς isómeros ، مع الجذور isos = "يساوي"، méros = "جزء". [4]

المتماكبات البنيوية
تحتوي المتزامرات البنيوية على نفس عدد ذرات كل عنصر (ومن ثم نفس الصيغة الجزيئية )، ولكن الذرات مرتبطة بطرق مميزة. [5]
مثال:ج
3ح
8ا
على سبيل المثال، هناك ثلاثة مركبات مميزة لها الصيغة الجزيئية :

3ح
8O : I 1-بروبانول، II 2-بروبانول، III إيثيل-ميثيل-إيثر.
أول متزامرين موضحين هما بروبانول ، أي كحولات مشتقة من البروبان . وكلاهما يحتوي على سلسلة من ثلاث ذرات كربون متصلة بروابط أحادية، مع ملء تكافؤات الكربون المتبقية بسبع ذرات هيدروجين ومجموعة هيدروكسيل تضم ذرة الأكسجين المرتبطة بذرة هيدروجين. يختلف هذان المتزامران في الكربون الذي يرتبط به الهيدروكسيل: إما إلى طرف سلسلة الكربون بروبان-1-أول (1-بروبانول، ن -بروبيل كحول، ن -بروبانول؛ I ) أو إلى الكربون الأوسط بروبان-2-أول (2-بروبانول، إيزوبروبيل كحول، إيزوبروبانول؛ II ). يمكن وصفها بالصيغ البنيوية المكثفة و .
المتماثل الثالث هو إيثر ميثوكسي إيثان (إيثيل-ميثيل-إيثر؛ III ). وعلى عكس المتماثلين الآخرين، فإن ذرة الأكسجين في هذا المتماثل مرتبطة بذرتي كربون، وكل ذرات الهيدروجين الثمانية مرتبطة مباشرة بذرتي كربون. ويمكن وصفه بالصيغة المكثفة .
إن الكحول "3-بروبانول" ليس متزامراً آخر، لأن الفارق بينه وبين 1-بروبانول ليس حقيقياً؛ بل هو مجرد نتيجة لاختيار عشوائي في اتجاه ترقيم ذرات الكربون على طول السلسلة. ولنفس السبب، فإن "إيثوكسي ميثان" هو نفس جزيء ميثوكسي إيثان، وليس متزامراً آخر.
1-بروبانول و2-بروبانول هما مثالان على متزامرات موضعية ، والتي تختلف حسب الموضع الذي تحدث فيه سمات معينة، مثل الروابط المزدوجة أو المجموعات الوظيفية ، على جزيء "الأب" (البروبان، في هذه الحالة).
مثال:ج
3ح
4
هناك أيضًا ثلاثة متزامرات هيكلية للهيدروكربون :
| أنا بروباديين | الثاني بروبين | سيكلوبروبين III |
في اثنين من المتزامرات تكون ذرات الكربون الثلاث متصلة في سلسلة مفتوحة، ولكن في أحدهما ( البروباديين أو الألين؛ I ) تكون ذرات الكربون متصلة برابطتين مزدوجتين ، بينما في الآخر ( البروبين أو الميثيل أسيتيلين؛ II ) تكون متصلة برابطة أحادية ورابطة ثلاثية . وفي المتزامرات الثالثة ( سيكلوبروبين ؛ III ) تكون ذرات الكربون الثلاث متصلة في حلقة برابطتين أحاديتين ورابطة مزدوجة. وفي الثلاثة، تكون التكافؤات المتبقية لذرات الكربون راضية بأربع ذرات هيدروجين.
مرة أخرى، لاحظ أنه يوجد متزامِر هيكلي واحد فقط به رابطة ثلاثية، لأن الوضع المحتمل الآخر لتلك الرابطة هو مجرد سحب ذرات الكربون الثلاث بترتيب مختلف. وللسبب نفسه، يوجد حلقي بروبيلين واحد فقط، وليس ثلاثة.
المتوترات
التوتومرات هي متزامرات بنيوية تتحول بسهولة، بحيث يتعايش نوعان أو أكثر في حالة توازن مثل
[6] .
ومن الأمثلة المهمة على ذلك تشابه كيتو-إينول والتوازن بين الأشكال المحايدة والزويتريونية للحمض الأميني .
أشكال الرنين
يُوصَف هيكل بعض الجزيئات أحيانًا بأنه رنين بين عدة متزامرات بنيوية مختلفة ظاهريًا. والمثال الكلاسيكي على ذلك هو 1,2-dimethylbenzene ( o -xylene)، والذي يُوصَف غالبًا بأنه مزيج من المتزامرين البنيويين المتميزين ظاهريًا:
ومع ذلك، لا يصف أي من هذين الهيكلين مركبًا حقيقيًا؛ فهما خيالان تم ابتكارهما كوسيلة لوصف (من خلال "متوسطهما" أو "رنينهما") الرابطة غير الموضعية الفعلية لـ o -xylene، وهو المتزامر الوحيد مع نواة البنزين ومجموعتي ميثيل في مواقع متجاورة.
المتماكبات الفراغية
تحتوي المتماكبات الفراغية على نفس الذرات أو النظائر المرتبطة بروابط من نفس النوع، ولكنها تختلف في أشكالها - المواضع النسبية لتلك الذرات في الفضاء - بصرف النظر عن الدوران والترجمات .
من الناحية النظرية، يمكن للمرء أن يتخيل أي ترتيب في الفضاء لذرات جزيء أو أيون يتغير تدريجيًا إلى أي ترتيب آخر بطرق لا نهائية، عن طريق تحريك كل ذرة على طول مسار مناسب. ومع ذلك، فإن التغييرات في مواضع الذرات ستغير عمومًا الطاقة الداخلية للجزيء ، والتي يتم تحديدها من خلال الزوايا بين الروابط في كل ذرة والمسافات بين الذرات (سواء كانت مرتبطة أم لا).
المتماكب التكويني هو ترتيب لذرات الجزيء أو الأيون حيث تكون الطاقة الداخلية حدًا أدنى محليًا ؛ أي ترتيب بحيث تؤدي أي تغييرات صغيرة في مواضع الذرات إلى زيادة الطاقة الداخلية، وبالتالي ينتج عنها قوى تميل إلى دفع الذرات إلى مواضعها الأصلية. وبالتالي فإن تغيير شكل الجزيء من حد أدنى للطاقة إلى حد أدنى آخر للطاقة سيتطلب المرور عبر تكوينات ذات طاقة أعلى من و . أي أن المتماكب التكويني منفصل عن أي متماكب آخر بواسطة حاجز طاقة : الكمية التي يجب إضافتها مؤقتًا إلى الطاقة الداخلية للجزيء من أجل المرور عبر جميع التكوينات الوسيطة على طول المسار "الأسهل" (الذي يقلل من تلك الكمية).

من الأمثلة الكلاسيكية على التماثل التكويني هو الهكسان الحلقي . عادةً ما يكون للألكانات الحد الأدنى من الطاقة عندما تكون الزوايا قريبة من 110 درجات. تتمتع تكوينات جزيء الهكسان الحلقي مع جميع ذرات الكربون الست على نفس المستوى بطاقة أعلى، لأن بعض أو كل الزوايا يجب أن تكون بعيدة عن تلك القيمة (120 درجة لسداسي منتظم). وبالتالي فإن التكوينات التي تمثل الحد الأدنى للطاقة المحلية لها حلقة ملتوية في الفضاء، وفقًا لأحد النمطين المعروفين باسم الكرسي (مع ذرات الكربون بالتناوب فوق وأسفل مستواها المتوسط) والقارب ( مع ذرتي كربون متقابلتين فوق المستوى، والأربع الأخرى أسفله).
إذا كان حاجز الطاقة بين متزامرين تكوينيين منخفضًا بدرجة كافية، فقد يتم التغلب عليه من خلال المدخلات العشوائية للطاقة الحرارية التي يحصل عليها الجزيء من التفاعلات مع البيئة أو من اهتزازاته الخاصة . في هذه الحالة، يمكن اعتبار المتزامرين متزامرين واحدين، اعتمادًا على درجة الحرارة والسياق. على سبيل المثال، يتحول تكوينا الهكسان الحلقي إلى بعضهما البعض بسرعة كبيرة في درجة حرارة الغرفة (في الحالة السائلة)، بحيث يتم التعامل معهما عادةً باعتبارهما متزامرين واحدين في الكيمياء. [7]
في بعض الحالات، يمكن عبور الحاجز عن طريق النفق الكمومي للذرات نفسها. تمنع هذه الظاهرة الأخيرة فصل المتماكبات الفراغية للفلوروكلورامين أو بيروكسيد الهيدروجين ، لأن التكوينين ذوي الطاقة الدنيا يتحولان إلى بعضهما البعض في بضع بيكو ثانية حتى في درجات الحرارة المنخفضة للغاية. [8]
وعلى العكس من ذلك، قد يكون حاجز الطاقة مرتفعًا للغاية بحيث تتطلب أسهل طريقة للتغلب عليه كسر رابطة واحدة أو أكثر من الجزيء مؤقتًا ثم إعادة تشكيلها. في هذه الحالة، يكون المتماثلان مستقرين عادةً بدرجة كافية لعزلهما ومعالجتهما كمواد منفصلة. يُقال بعد ذلك إن هذين المتماثلين هما متماثلان تكوينيان مختلفان أو "تكوينات" للجزيء، وليس مجرد تكوينين مختلفين. [9] (ومع ذلك، يجب أن ندرك أن مصطلحي "التكوين" و"التكوين" مترادفان إلى حد كبير خارج الكيمياء، وقد يكون التمييز بينهما مثيرًا للجدل حتى بين الكيميائيين. [7] )
يمكن للتفاعلات مع جزيئات أخرى من نفس المركبات أو مركبات مختلفة (على سبيل المثال، من خلال الروابط الهيدروجينية ) أن تغير بشكل كبير طاقة تكوينات الجزيء. لذلك، قد تكون المتزامرات المحتملة لمركب في المحلول أو في أطواره السائلة والصلبة مختلفة تمامًا عن تلك الخاصة بجزيء معزول في الفراغ. حتى في الطور الغازي، ستوجد بعض المركبات مثل حمض الأسيتيك في الغالب في شكل ثنائيات أو مجموعات أكبر من الجزيئات، والتي قد تختلف تكويناتها عن تكوينات الجزيء المعزول.
المتضادات الضوئية
يقال عن مركبين أنهما عبارة عن متماثلات ضوئية إذا كانت جزيئاتهما عبارة عن صور معكوسة لبعضهما البعض، ولا يمكن جعلهما يتطابقان فقط عن طريق الدوران أو الترجمات - مثل اليد اليسرى واليد اليمنى. يقال عن الشكلين أنهما كيراليان .
من الأمثلة الكلاسيكية على ذلك بروموكلورو فلورو الميثان ( ). يمكن التمييز بين المتماثلين الضوئيين، على سبيل المثال، من خلال ما إذا كان المسار يدور في اتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة كما يُرى من ذرة الهيدروجين. من أجل تغيير تكوين واحد إلى آخر، يجب أن تكون هذه الذرات الأربع في مرحلة ما على نفس المستوى - الأمر الذي يتطلب إجهادًا شديدًا أو كسر روابطها مع ذرة الكربون. حاجز الطاقة المقابل بين التكوينين مرتفع للغاية بحيث لا يوجد عمليًا أي تحويل بينهما في درجة حرارة الغرفة، ويمكن اعتبارهما تكوينات مختلفة.
على النقيض من ذلك، فإن مركب كلورو فلورو الميثان ليس كيراليًا: يتم الحصول على الصورة المرآة لجزيئه أيضًا عن طريق نصف دورة حول محور مناسب.
مثال آخر على مركب كيرالي هو 2،3-بنتاديين وهو هيدروكربون يحتوي على رابطتين مزدوجتين متداخلتين. تكون الروابط المزدوجة بحيث تكون ذرات الكربون الثلاث الوسطى في خط مستقيم، بينما تقع أول ثلاث ذرات كربون وأخير ثلاث ذرات كربون على مستويات عمودية. لا يمكن وضع الجزيء وصورته المرآتية فوق بعضها البعض، على الرغم من أن الجزيء له محور تناظر. يمكن التمييز بين المتماثلين الضوئيين، على سبيل المثال، من خلال قاعدة اليد اليمنى . يسمى هذا النوع من التماثل الضوئي التماثل المحوري.
يتصرف المتضادات الضوئية بنفس الطريقة في التفاعلات الكيميائية، إلا عندما تتفاعل مع مركبات كيرالية أو في وجود محفزات كيرالية ، مثل معظم الإنزيمات . لهذا السبب الأخير، عادةً ما يكون للمتضادات الضوئية لمعظم المركبات الكيرالية تأثيرات وأدوار مختلفة بشكل ملحوظ في الكائنات الحية. في الكيمياء الحيوية وعلوم الأغذية ، عادةً ما يتم تحديد المتضادات الضوئية لجزيء كيرالي - مثل الجلوكوز - ومعالجتها كمواد مختلفة تمامًا.
يدور كل متماكب ضوئي من مركب كيرالي عادةً حول مستوى الضوء المستقطب الذي يمر من خلاله. ويكون للدوران نفس المقدار ولكن معنيان متعاكسان بالنسبة للمتماكبين، ويمكن أن يكون وسيلة مفيدة للتمييز بينهما وقياس تركيزهما في المحلول. ولهذا السبب، كانت المتماكبات الضوئية تُسمى سابقًا "متماكبات ضوئية". [10] [11] ومع ذلك، فإن هذا المصطلح غامض ولا ينصح به الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية . [12] [13]
تسمى المتماكبات الفراغية التي ليست متماكبات فراغية متماكبات فراغية . قد تحتوي بعض المتماكبات الفراغية على مركز كيرالي ، بينما لا تحتوي بعضها الآخر. [14]
يمكن تحويل بعض أزواج المتماثلات الضوئية (مثل تلك الموجودة في الترانس سيكلوكتين ) إلى بعضها البعض عن طريق الحركات الداخلية التي تغير أطوال الروابط وزواياها بشكل طفيف فقط. لا يمكن تحويل أزواج أخرى (مثل CHFClBr) إلى بعضها البعض دون كسر الروابط، وبالتالي فهي تكوينات مختلفة.
تماثل سيس-ترانس
الرابطة المزدوجة بين ذرتي كربون تجبر الروابط الأربع المتبقية (إذا كانت مفردة) على الاستلقاء على نفس المستوى، عموديًا على مستوى الرابطة كما هو محدد بواسطة مدارها π . إذا كانت الرابطتان على كل ذرة كربون متصلتين بذرتين مختلفتين، فمن الممكن وجود تكوينين متميزين يختلفان عن بعضهما البعض من خلال التواء 180 درجة لإحدى ذرات الكربون حول الرابطة المزدوجة.
المثال الكلاسيكي هو ثنائي كلورو الإيثيلين ، وهو على وجه التحديد المتزامر الهيكلي الذي يرتبط فيه ذرة كلور واحدة بكل ذرة كربون. وله متزامران تكوينيان، حيث يكون الكلوران على نفس الجانب أو على جانبين متقابلين من مستوى الرابطة المزدوجة. ويطلق عليهما تقليديًا اسم cis (من اللاتينية التي تعني "على هذا الجانب") و trans ("على الجانب الآخر من") على التوالي؛ أو Z و E في تسمية الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية. ويتطلب التحويل بين هذين الشكلين عادةً كسر الروابط مؤقتًا (أو تحويل الرابطة المزدوجة إلى رابطة واحدة)، لذلك يُعتبر الاثنان تكوينين مختلفين للجزيء.
بشكل عام، يحدث التماثل السيس - الترانس (الذي كان يسمى سابقًا "التماثل الهندسي") في الجزيئات حيث يكون التوجه النسبي لمجموعتين وظيفيتين مميزتين مقيدًا بإطار صارم إلى حد ما من الذرات الأخرى. [15]
على سبيل المثال، في الكحول الحلقي إينوزيتول (كحول حلقي سداسي الأضلاع)، يمنع العمود الفقري الحلقي المكون من ستة كربون إلى حد كبير الهيدروكسيل والهيدروجين على كل كربون من تبديل الأماكن. لذلك، يكون لدى المرء متزامرات تكوينية مختلفة اعتمادًا على ما إذا كان كل هيدروكسيل على "هذا الجانب" أو "الجانب الآخر" من المستوى المتوسط للحلقة. باستثناء المتزامرات المكافئة تحت الدوران، يوجد تسعة متزامرات تختلف وفقًا لهذا المعيار، وتتصرف كمواد مستقرة مختلفة (اثنان منها عبارة عن متزامرات ضوئية لبعضهما البعض). أكثرها شيوعًا في الطبيعة ( ميو -إينوزيتول) يحتوي على الهيدروكسيل على الكربونات 1 و2 و3 و5 على نفس جانب هذا المستوى، وبالتالي يمكن تسميته سيس -1،2،3،5- ترانس -4،6- سيكلوهيكسانهيكسول. ويمكن أن يكون لكل من هذه المتزامرات cis - trans تكوينات مستقرة على شكل "كرسي" أو "قارب" (على الرغم من أن الحواجز بين هذه التكوينات أقل بشكل ملحوظ من تلك الموجودة بين متزامرات cis - trans المختلفة ).

توجد أيضًا متزامرات سيس و ترانس في المركبات التنسيقية غير العضوية ، مثلالمركبات المستوية المربعة والمجمعات الثمانية السطوح .
بالنسبة للجزيئات العضوية الأكثر تعقيدًا، تكون علامات cis و trans غامضة. توصي IUPAC بمخطط وسم أكثر دقة، استنادًا إلى أولويات CIP للروابط عند كل ذرة كربون. [16] [14]
المراكز ذات السندات غير المتكافئة
وبشكل عام، فإن الذرات أو مجموعات الذرات التي يمكنها تكوين ثلاث روابط أحادية غير متكافئة أو أكثر (مثل المعادن الانتقالية في المركبات التناسقية) قد تؤدي إلى ظهور متزامرات فراغية متعددة عندما ترتبط ذرات أو مجموعات مختلفة في تلك المواضع. وينطبق الأمر نفسه إذا كان المركز الذي يحتوي على ست روابط متكافئة أو أكثر يحتوي على بديلين أو أكثر.
على سبيل المثال، في المركب ، تكون الروابط من ذرة الفسفور إلى الهالوجينات الخمسة ذات هندسة هرمية ثنائية ثلاثية الزوايا تقريبًا . وبالتالي، من الممكن وجود متزامرين فراغيين بهذه الصيغة، اعتمادًا على ما إذا كانت ذرة الكلور تشغل أحد الموضعين "المحوريين" أو أحد المواضع "الاستوائية" الثلاثة.
بالنسبة للمركب ، من الممكن وجود ثلاثة متزامرات، مع صفر أو واحد أو اثنين من الكلور في المواضع المحورية.
كمثال آخر، مركب له صيغة مثل ، حيث تشكل الذرة المركزية M ستة روابط ذات هندسة ثماني السطوح ، يحتوي على اثنين على الأقل من المتزامرات الوجهية-الزوالية ، اعتمادًا على ما إذا كانت الروابط الثلاثة (وبالتالي أيضًا الروابط الثلاثة) موجهة نحو الزوايا الثلاث لوجه واحد من ثماني السطوح ( متزامرات fac )، أو تقع على نفس المستوى الاستوائي أو "خط الزوال" منه ( متزامرات mer ).
الروتامير والأتروبسومرات
يمكن لجزئين من الجزيء متصلين برابطة واحدة فقط أن يدورا حول تلك الرابطة. وفي حين أن الرابطة نفسها غير مبالية بهذا الدوران، فإن عوامل الجذب والتنافر بين الذرات في الجزأين تتسبب عادةً في تغير طاقة الجزيء بالكامل (وربما تشوه الجزأين أيضًا) اعتمادًا على زاوية الدوران النسبية φ بين الجزأين. بعد ذلك، ستكون هناك قيمة خاصة واحدة أو أكثر لـ φ حيث تكون الطاقة عند حد أدنى محلي. تسمى التكوينات المقابلة للجزيء متزامرات دورانية أو روتامر .
وهكذا، على سبيل المثال، في جزيء الإيثان ، تكون جميع زوايا الرابطة وطولها مقيدة بشكل ضيق، باستثناء أن مجموعتي الميثيل يمكنهما الدوران بشكل مستقل حول المحور. وبالتالي، حتى إذا افترضنا أن هذه الزوايا والمسافات ثابتة، فهناك عدد لا نهائي من التكوينات لجزيء الإيثان، والتي تختلف بزاوية φ النسبية للدوران بين المجموعتين. يتسبب التنافر الضعيف بين ذرات الهيدروجين في مجموعتي الميثيل في تقليل الطاقة إلى الحد الأدنى لثلاث قيم محددة لـ φ، بمسافة 120 درجة. في هذه التكوينات، تكون المستويات الستة أو متباعدة بمقدار 60 درجة. وباستبعاد دوران الجزيء بأكمله، فإن هذا التكوين هو متزامر واحد - ما يسمى بالتكوين المتدرج .
الدوران بين نصفي جزيء 1،2- ثنائي كلورو الإيثان ( له أيضًا ثلاثة حدود طاقة محلية دنيا، لكن لها طاقات مختلفة بسبب الاختلافات بين التفاعلات و و و . وبالتالي، هناك ثلاثة روتامير: أيزومر ترانس حيث يكون الكلوران على نفس مستوى ذرتي الكربون، ولكن بروابط ذات اتجاه متعاكس؛ وأيزومران غوشي ، صورتان مرآويتان لبعضهما البعض، حيث تدور المجموعتان حوالي 109 درجة من هذا الموضع. الفرق في الطاقة المحسوب بين الترانس والغوشي هو ~1.5 كيلو كالوري/ مول ، والحاجز للدوران ~109 درجة من الترانس إلى الغوشي هو ~5 كيلو كالوري/مول، والحاجز للدوران ~142 درجة من غوشي واحد إلى إينانتيوميره هو ~8 كيلو كالوري/مول. [17] والوضع بالنسبة للبوتان مشابه، ولكن مع طاقات وحواجز غوشي أقل قليلاً . [17]
إذا كان الجزءان من الجزيء المتصلان برابطة واحدة ضخمين أو مشحونين، فقد تكون حواجز الطاقة أعلى بكثير. على سبيل المثال، في مركب ثنائي الفينيل - مجموعتان فينيل متصلتان برابطة واحدة - فإن التنافر بين ذرات الهيدروجين الأقرب إلى الرابطة المفردة المركزية يعطي التكوين المستوي بالكامل، مع وجود الحلقتين على نفس المستوى، طاقة أعلى من التكوينات حيث تكون الحلقتان منحرفتين. في الطور الغازي، يحتوي الجزيء على اثنين على الأقل من الروتامرز، مع انحناء مستويات الحلقات بمقدار ±47 درجة، وهي صور معكوسة لبعضها البعض. الحاجز بينهما منخفض إلى حد ما (~8 كيلوجول / مول). [18] يكون تأثير العائق الفراغي هذا أكثر وضوحًا عندما يتم استبدال ذرات الهيدروجين الأربعة تلك بذرات أو مجموعات أكبر، مثل الكلور أو الكربوكسيل . إذا كان الحاجز مرتفعًا بما يكفي لفصل الروتامرز كمركبين مستقرين في درجة حرارة الغرفة، يطلق عليهما اسم الأتروبيسومرات .
التضاريس
قد تحتوي الجزيئات الكبيرة على متزامرات تختلف حسب طوبولوجيا ترتيبها الإجمالي في الفضاء، حتى لو لم يكن هناك قيد هندسي محدد يفصل بينها. على سبيل المثال، قد تلتف السلاسل الطويلة لتكوين عقد مميزة طوبولوجيًا ، مع منع التحويل المتبادل بواسطة البدائل الضخمة أو إغلاق الدورة (كما هو الحال في بلازميدات الحمض النووي الريبي والحمض النووي الريبي الدائرية ). قد تأتي بعض العقد في أزواج متزامرات ضوئية مرآوية. تسمى هذه الأشكال متزامرات طوبولوجية أو طوبوإيزومرات .
كما يمكن أن ترتبط جزيئين أو أكثر من هذه الجزيئات معًا في كاتينان بواسطة روابط طوبولوجية، حتى لو لم يكن هناك رابط كيميائي بينهما. إذا كانت الجزيئات كبيرة بما يكفي، فقد يحدث الارتباط بطرق متعددة متميزة طوبولوجياً، مما يشكل متزامرات مختلفة. المركبات القفصية ، مثل الهيليوم المحاط بالدوديكاهدرين (He@ C
20ح
20) وحبيبات الكربون ، هي نوع مماثل من التماثل الطوبولوجي الذي يتضمن جزيئات ذات فراغات داخلية كبيرة ذات فتحات مقيدة أو بدون فتحات. [19]
النظائر والدوران
نظائر متماثلة
يمكن اعتبار النظائر المختلفة لنفس العنصر أنواعًا مختلفة من الذرات عند تعداد متزامرات الجزيء أو الأيون. يمكن أن يؤدي استبدال ذرة واحدة أو أكثر بنظائرها إلى إنشاء متزامرات هيكلية متعددة و/أو متزامرات فراغية من متزامر واحد.
على سبيل المثال، يؤدي استبدال ذرتين من الهيدروجين الشائع ( ) بالديوتيريوم ( ، أو ) على جزيء الإيثان إلى إنتاج متزامرين هيكليين متميزين، اعتمادًا على ما إذا كانت الاستبدالات على نفس الكربون (1،1- ثنائي ديوتري إيثان، ) أو واحدة على كل كربون (1،2- ثنائي ديوتري إيثان، )؛ كما لو كان البديل هو الكلور بدلاً من الديوتيريوم. لا يتحول الجزيئين بسهولة ولديهما خصائص مختلفة، مثل طيف الميكروويف الخاص بهما . [20]
مثال آخر هو استبدال ذرة واحدة من الديوتيريوم بواحدة من ذرات الهيدروجين في كلورو فلورو الميثان ( ). في حين أن الجزيء الأصلي ليس كيراليًا وله متزامر واحد، فإن الاستبدال يخلق زوجًا من المتضادات الضوئية الكيرالية لـ ، والتي يمكن تمييزها (على الأقل من الناحية النظرية) من خلال نشاطها البصري. [21]
عندما يكون متزامران متماثلان إذا تم استبدال جميع نظائر كل عنصر بنظير واحد، يتم وصفهما على أنهما متزامران نظيريان أو متزامران نظيريان. [22] في المثالين أعلاه، إذا تم استبدال جميعهما بـ ، فإن كل من ثنائي الديوتيروايثان سيصبح إيثان وكل من ثنائي كلورو فلورو الميثان سيصبحان .
يختلف مفهوم النظائر المتماثلة عن النظائر المتماثلة أو المتماثلات النظيرية، والتي تختلف في تركيبها النظيري. [22] على سبيل المثال، و هي نظائر متماثلة وليست نظائر متماثلة، وبالتالي فهي ليست متزامرات لبعضها البعض.
متزامرات الدوران
نوع آخر من التماثلات القائمة على الخواص النووية هو التماثل الدوراني ، حيث تختلف الجزيئات فقط في الأعداد الكمومية المغناطيسية الدورانية النسبية م /ثانية للنوى الذرية المكونة. هذه الظاهرة مهمة للهيدروجين الجزيئي، والذي يمكن فصله جزئيًا إلى حالتين طويلتي العمر يوصفان باسم التماثلات الدورانية [23] أو التماثلات الدورانية النووية: [24] بارا هيدروجين، حيث تشير دورانات النواتين في اتجاهين متعاكسين، وأورثو هيدروجين، حيث تشير الدورانات في نفس الاتجاه.
التماثل
التزامر هو العملية التي يتم بها تحويل جزيء إلى جزيء آخر يحتوي على نفس الذرات تمامًا، ولكن يتم إعادة ترتيب الذرات. [25] في بعض الجزيئات وفي ظل بعض الظروف، يحدث التزامر تلقائيًا. العديد من المتزامرات متساوية أو متساوية تقريبًا في طاقة الرابطة ، وبالتالي توجد بكميات متساوية تقريبًا، بشرط أن تتمكن من التحول المتبادل بحرية نسبية، أي أن حاجز الطاقة بين المتزامرين ليس مرتفعًا جدًا. عندما يحدث التزامر داخل الجزيء ، يُعتبر تفاعل إعادة ترتيب .
من الأمثلة على الأيزومرات العضوية المعدنية إنتاج ديكافينيل فيروسين، [(η 5 -C 5 Ph 5 ) 2 Fe] من أيزومير الارتباط الخاص به . [26] [27]
- تخليق حمض الفوماريك
يتم التخليق الصناعي لحمض الفوماريك عن طريق تفاعل الأيزومرات السيس-ترانس لحمض الماليك :
إن التوبوإيزوميرازات هي إنزيمات يمكنها قطع وإعادة تشكيل الحمض النووي الدائري وبالتالي تغيير طوبولوجيته.
الكيمياء الطبية
تعتبر المتزامرات التي لها خصائص بيولوجية مميزة شائعة؛ على سبيل المثال، وضع مجموعات الميثيل . في الزانثينات المستبدلة ، يكون الثيوبرومين ، الموجود في الشوكولاتة، موسعًا للأوعية الدموية له بعض التأثيرات المشتركة مع الكافيين ؛ ولكن إذا تم نقل إحدى مجموعتي الميثيل إلى موضع مختلف على قلب الحلقتين، فإن المتزامرات هي الثيوفيلين ، الذي له مجموعة متنوعة من التأثيرات، بما في ذلك توسيع القصبات الهوائية والعمل المضاد للالتهابات . يحدث مثال آخر على ذلك في العقاقير المنشطة القائمة على الفينيثيلامين . فينترمين هو مركب غير كيرالي له تأثير أضعف من تأثير الأمفيتامين . يتم استخدامه كدواء لتقليل الشهية وله خصائص منشطة خفيفة أو معدومة. ومع ذلك، فإن الترتيب الذري البديل يعطي ديكستروميثامفيتامين ، وهو منبه أقوى من الأمفيتامين.
في الكيمياء الطبية والكيمياء الحيوية، تشكل المتضادات الضوئية اهتمامًا خاصًا لأنها قد تمتلك نشاطًا بيولوجيًا مميزًا . توفر العديد من الإجراءات التحضيرية مزيجًا من كميات متساوية من كلا الشكلين الضوئيين. في بعض الحالات، يتم فصل المتضادات الضوئية بالكروماتوغرافيا باستخدام أطوار ثابتة كيرالية. يمكن أيضًا فصلها من خلال تكوين أملاح دياستيروميرية . في حالات أخرى، تم تطوير التخليق الضوئي الانتقائي .
على سبيل المثال، يعد السيسبلاتين (انظر التركيب أعلاه) دواءً مهمًا يستخدم في العلاج الكيميائي للسرطان، في حين أن الأيزومر الترانس (الترانسبلاتين) ليس له نشاط دوائي مفيد.
تاريخ
لوحظت ظاهرة التماثل لأول مرة في عام 1827، عندما قام فريدريش فولر بإعداد سيانات الفضة واكتشف أنه على الرغم من أن تركيبها العنصري لـ كان مطابقًا لفلمنات الفضة (الذي أعده جاستوس فون ليبيج في العام السابق)، [28] فإن خصائصها كانت مميزة. تحدى هذا الاكتشاف الفهم الكيميائي السائد في ذلك الوقت، والذي كان يرى أن المركبات الكيميائية يمكن أن تكون مميزة فقط عندما تختلف تركيباتها العنصرية. (نحن نعلم الآن أن هياكل الرابطة للفلمينات والسيانات يمكن وصفها تقريبًا بأنها ≡ و ، على التوالي.)
تم العثور على أمثلة إضافية في السنوات اللاحقة، مثل اكتشاف فولر عام 1828 أن اليوريا لها نفس التركيب الذري ( ) مثل سيانات الأمونيوم المتميزة كيميائيًا . (من المعروف الآن أن هياكلها هي و ، على التوالي.) في عام 1830 قدم يونس جاكوب بيرزيليوس مصطلح التماثل لوصف الظاهرة. [4] [29] [30] [31]
في عام 1848، لاحظ لويس باستور أن بلورات حمض الطرطريك تأتي في نوعين من الأشكال التي هي صور طبق الأصل من بعضها البعض. وبفصل البلورات يدويًا، حصل على نسختين من حمض الطرطريك، كل منهما سوف يتبلور في شكل واحد فقط من الشكلين، وقام بتدوير مستوى الضوء المستقطب بنفس الدرجة ولكن في اتجاهين متعاكسين. [32] [33] في عام 1860، افترض باستور صراحةً أن جزيئات المتزامرات قد يكون لها نفس التركيب ولكن ترتيبات مختلفة لذراتها. [34]
انظر أيضا
مراجع
- ^ Petrucci, Ralph H.; Harwood, William S.; Herring, F. Geoffrey (2002). General chemistry: principles and modern applications (8th ed.). Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall. p. 91]. ISBN 978-0-13-014329-7. LCCN 2001032331. OCLC 46872308.
- ^ Merriam-Webster: "isomer" Archived 21 October 2020 at the Wayback Machine online dictionary entry. Accessed on 2020-08-26
- ^ Merriam-Webster: "isomeric" Archived 26 October 2020 at the Wayback Machine online dictionary entry. Accessed on 2020-08-26
- ^ أب جاك. بيرسيليوس (1830): "Om sammansättningen af vinsyra och drufsyra (John's säure aus den Voghesen)، om blyoxydens atomvigt، samt allmänna anmärkningar om sådana kroppar som hafva lika sammansättning، men kiljaktiga egenskaper" ("حول تكوين الجير حمض IC وحمض الراسيمي (حمض جون الفوج)، على الوزن الجزيئي لأكسيد الرصاص، بالإضافة إلى ملاحظات عامة عن تلك الأجسام التي لها نفس التركيب ولكن لها خصائص مميزة"). Kongliga Svenska Vetenskaps Academiens Handling ( معاملات الأكاديمية الملكية السويدية للعلوم )، المجلد 49، الصفحات 49-80
- ^ سميث، جانيس جورزينسكي (2010). الكيمياء العامة والعضوية والبيولوجية (الطبعة الأولى). ماكجرو هيل. ص 450. ISBN 978-0-07-302657-2.
- ^ "tautomerism". IUPAC Gold Book . IUPAC. 2014. doi : 10.1351/goldbook.T06252 . مؤرشف من الأصل في 6 أبريل 2019 . تم الاسترجاع في 21 أبريل 2019 .
- ^ من تأليف أناتولي م. بيلوستوتسكي (2015): "المطابق والتكوين المؤرشف في 18 أبريل 2023 على موقع واي باك مشين "، الفصل الثاني من مفهوم التكوين للاستخدام الكيميائي الاصطناعي: المبادئ والاستغلال في المختبر . 580 صفحة. رقم ISBN 9789814730235 .
- ^ روينا بول وجون بريندلي (2016): "قصة حياة بيروكسيد الهيدروجين الجزء الثالث: الكيرالية والتأثيرات الفيزيائية في فجر الحياة". أصول الحياة وتطور المحيطات الحيوية ، المجلد 46، الصفحات 81-93
- ^ Vallurupalli SR Rao (1998): "طرق التحليل التكويني محفوظ في 18 أبريل 2023 على موقع Wayback Machine ". الفصل 2 في تكوين الكربوهيدرات . 409 صفحة. ISBN 9789057023156
- ^ بيتروتشي، هارود وهيرينغ 2002، ص 996-997.
- ^ Whitten KW وGailey KD وDavis RE "General Chemistry" (الطبعة الرابعة، دار نشر Saunders College عام 1992)، ص 976-7 ISBN 978-0-03-072373-5
- ^ IUPAC ، Compendium of Chemical Terminology ، الطبعة الثانية ("الكتاب الذهبي") (1997). النسخة المصححة على الإنترنت: (2006–) "المتماثلات البصرية". doi :10.1351/goldbook.O04308
- ^ إرنست إل. إيليل وصامويل إتش. ويلين (1994). الكيمياء الفراغية للمركبات العضوية . وايلي إنترساينس. ص 1203.
- ^ من تأليف إرنست إل. إيليل وصامويل إتش. ويلين (1994). الكيمياء الفراغية للمركبات العضوية . مجلة وايلي إنترساينس. ص 52-53.
- ^ IUPAC ، Compendium of Chemical Terminology ، الطبعة الثانية ("الكتاب الذهبي") (1997). النسخة المصححة على الإنترنت: (2006–) "التزامر الهندسي". doi :10.1351/goldbook.G02620
- ^ IUPAC ، Compendium of Chemical Terminology ، الطبعة الثانية ("الكتاب الذهبي") (1997). النسخة المصححة على الإنترنت: (2006–) "cis, trans". doi :10.1351/goldbook.C01092
- ^ ab Kenneth B. Wiberg and Mark A. Murcko (1987): "Rotational barriers. 1. 1,2-Dihaloethanes". مجلة الكيمياء الفيزيائية ، المجلد 91، العدد 13، الصفحات 3616-3620. doi :10.1021/j100297a030
- ^ ATH Lenstra, C. Van Alsenoy, K. Verhulst and HJ Geise (1994): "Solids modeled by crystal field ab initio methods. 5. The phase transitions in biphenyl from a molecular point of view". Acta Crystallographica Section B , volume B50, pages 96-106. doi :10.1107/S0108768193007931
- ^ تاكاهيرو إيواموتو، يوشيكي واتانابي، تاتسويا ساداهيرو، تاكيهارو هاينو، وشيجيرو ياماجو (2011): “التغليف الانتقائي للحجم لـ C60 بواسطة [10] سيكلوبارافينيلين: تكوين أقصر فوليرين-بازلاء”. Angewandte Chemie الطبعة الدولية ، المجلد 50، العدد 36، الصفحات 8342-8344. دوى :10.1002/anie.201102302
- ^ إيزي هيروتا (2012): "التحليل الطيفي بالموجات الدقيقة للجزيئات غير القطبية المستبدلة بالنظائر". الفصل الخامس في التحليل الطيفي الجزيئي: البحث الحديث ، المجلد 3. 466 صفحة. ISBN 9780323149327
- ^ كاميرون، روبرت ب.؛ جوت، يورج ب.؛ بارنيت، ستيفن م. (8 سبتمبر 2016). "التحليل الطيفي الدوراني الكيرالي". المراجعة الفيزيائية أ . 94 (3): 032505. arXiv : 1511.04615 . Bibcode :2016PhRvA..94c2505C. doi : 10.1103/physreva.94.032505 . ISSN 2469-9926.
- ^ ab Seeman, Jeffrey I.; Paine, III, JB (7 December 1992). "Letter to the Editor: 'Isotopomers, Isotopologs'". Chemical & Engineering News . 70 (2). الجمعية الكيميائية الأمريكية. doi : 10.1021/cen-v070n049.p002 .
- ^ ماثيوز، إم جيه؛ بيتيتباس، جيه؛ أسيفز، إس إم (23 أغسطس 2011). "دراسة حركية تحويل أيزومر الدوران في الهيدروجين السائل فوق الحرج لتقنيات تخزين الوقود بالتبريد العميق". Appl. Phys. Lett . 99 (8): 081906. Bibcode :2011ApPhL..99h1906M. doi :10.1063/1.3628453. مؤرشف من الأصل في 2 مايو 2022. تم الاسترجاع في 1 مايو 2022 .
- ^ تشين ، جودي واي سي. لي، يونغ جون؛ فرونزي، مايكل. لي، شيويغونغ؛ موراتا، ياسوجيرو؛ لولر، رونالد G.؛ تورو نيكولاس (13 سبتمبر 2013). “أيزومرات الدوران النووي لجزيئات الضيف في H2@C60، H2O@C60 وغيرها من الاندوفوليرين”. المعاملات الفلسفية للجمعية الملكية أ . 371 (1998). بيب كود :2013RSPTA.37110628C. دوى : 10.1098/rsta.2011.0628 . بميد 23918710. S2CID 20443766.
- ^ IUPAC ، Compendium of Chemical Terminology ، الطبعة الثانية ("الكتاب الذهبي") (1997). النسخة المصححة على الإنترنت: (2006–) "isomerization". doi :10.1351/goldbook.I03295
- ^ براون، كيه إن؛ فيلد، إل دي؛ لاي، بي إيه؛ ليندال، سي إم؛ ماسترز، إيه إف (1990). "(η 5 -بنتافينيل سيكلوبنتادينيل){1-(η 6 -فينيل)-2,3,4,5-تيترافينيل سيكلوبنتادينيل}حديد (II)، [Fe(η 5 -C 5 Ph 5 ){(η 6 -C 6 H 5 )C 5 Ph 4 }]، متزامر ارتباطي لديكافينيل فيروسين". مجلة الكيمياء، مجتمع الكيمياء (5): 408-410. doi :10.1039/C39900000408.
- ^ Field, LD; Hambley, TW; Humphrey, PA; Lindall, CM; Gainsford, GJ; Masters, AF; Stpierre, TG; Webb, J. (1995). "Decaphenylferrocene". Aust. J. Chem . 48 (4): 851–860. doi :10.1071/CH9950851.
- ^ F. Kurzer (2000). "حمض الفولمينيك في تاريخ الكيمياء العضوية". J. Chem. Educ. 77 (7): 851–857. Bibcode :2000JChEd..77..851K. doi :10.1021/ed077p851. مؤرشف من الأصل في 18 فبراير 2009. تم الاسترجاع في 27 يوليو 2012 .
- ^ JJ Berzelius (1831): “Über die Zusammensetzung der Weinsäure und Traubensäure (John's säure aus den Voghesen)، über das Atomengewicht des Bleioxyds، nebst allgemeinen Bemerkungen über solche Körper، die gleiche Zusammensetzung، aber ungleiche Eigenschaften besitzen ". Annalen der Physik und Chemie ، المجلد 19، الصفحات 305-335
- ^ JJ Berzelius (1831): “تكوين حمض التارتاريك وحمض الراسيميك (traubensäure)؛ ذرات ذرية من أكسيد الحطام، وملاحظات عامة حول الجسم الذي يحتوي على التركيب نفسه، ويملك خصائص مختلفة ". Annales de Chimie et de Physique ، المجلد 46، الصفحات 113-147.
- ^ Esteban, Soledad (2008). "Liebig–Wöhler Controversy and the Concept of Isomerism". J. Chem. Educ . 85 (9): 1201. Bibcode :2008JChEd..85.1201E. doi :10.1021/ed085p1201. مؤرشف من الأصل في 23 أغسطس 2008. تم الاسترجاع في 9 سبتمبر 2008 .
- ^ L. Pasteur (1848) “Mémoire sur la Relation qui peut الوجود بين الشكل البلوري والتركيب الكيميائي، وآخرون حول سبب الاستقطاب الدوار” (مذكرات عن العلاقة التي يمكن أن توجد بين الشكل البلوري والتركيب الكيميائي، وما إلى ذلك) سبب الاستقطاب الدوار)،" Comptes rendus de l'Académie des Sciences (باريس)، المجلد 26، الصفحات 535-538.
- ^ L. Pasteur (1848) “Sur les communication qui peuvent exerer entre la forme crystalline, la complexion chimique et le sens de la Polarization rotatoire” (“حول العلاقات التي يمكن أن توجد بين الشكل البلوري، والتركيب الكيميائي، والإحساس بالدوارة” الاستقطاب")، Annales de Chimie et de Physique ، السلسلة الثالثة، المجلد 24، العدد 6، الصفحات 442-459.
- ^ بولمان (1998). الذرة في تاريخ الفكر الإنساني، ص 230.

