المتماثل البنيوي

📅 آخر تحديث: ٢٧ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٧ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 25 صور
الموسوعة الحرة

في الكيمياء ، يُعرف المتماثل البنيوي (أو المتماثل البنائي وفقًا لتسمية الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية [ 1 ] ) لمركب ما بأنه مركب يحتوي على نفس عدد ونوع الذرات، ولكن مع اختلاف في ترتيب الروابط بينها. [ 2 ] [ 3 ] وكان مصطلح "الميتامر" يُستخدم سابقًا لنفس المفهوم. [ 4 ]

على سبيل المثال، فإن البيوتانول H 3 C−(CH 2 ) 3 −OH ، وميثيل بروبيل إيثر H 3 C−(CH 2 ) 2 −O−CH 3 ، وثنائي إيثيل إيثر (H 3 CCH 2 −) 2 O لها نفس الصيغة الجزيئية C 4 H 10 O ولكنها ثلاثة متماكبات هيكلية متميزة.

ينطبق هذا المفهوم أيضًا على الأيونات متعددة الذرات ذات الشحنة الكلية نفسها. ومن الأمثلة الكلاسيكية على ذلك أيون السيانات O=C=N⁻ وأيون الفولمينات C⁻ ≡N⁺⁻O⁻ . كما يُعمم هذا المفهوم على المركبات الأيونية، بحيث يُعتبر (على سبيل المثال) سيانات الأمونيوم [ NH₄ ] ⁺ [ O =C= N ] ⁻ واليوريا ( H₂N⁻ ) ₂C = O متصاوغين بنيويين ، [ 4 ] وكذلك فورمات ميثيل الأمونيوم [ H₃C⁻NH₃ ] ⁺ [ HCO₂ ] ⁻ وأسيتات الأمونيوم [ NH₄ ] ⁺ [ H₃C⁻CO₂ ] ⁻ .

يُعدّ التماثل البنيوي أكثر أنواع التماثل جذرية . وهو نقيض التماثل الفراغي ، حيث تتشابه الذرات ونظام الروابط، ولكن يختلف فقط الترتيب الفراغي النسبي للذرات. [ 5 ] [ 6 ] ومن أمثلة الأخير المتماثلات المرآتية ، التي تُشكّل جزيئاتها صورًا معكوسة لبعضها البعض، والنسختين cis و trans من 2-بيوتين .

من بين المتصاوغات البنيوية، يمكن تمييز عدة فئات تشمل المتصاوغات الهيكلية ، والمتصاوغات الموضعية (أو المتصاوغات الإقليمية )، والمتصاوغات الوظيفية ، والمتصاوغات التوتوميرية ، [ 7 ] والمتصاوغات النظيرية البنيوية . [ 8 ]

التماثل الهيكلي

المتصاوغ الهيكلي لمركب ما هو متصاوغ بنيوي يختلف عنه في الذرات والروابط التي تُعتبر مُكوِّنة "هيكل" الجزيء. بالنسبة للمركبات العضوية ، مثل الألكانات ، فإن ذلك يعني عادةً ذرات الكربون والروابط بينها.

على سبيل المثال، هناك ثلاثة متصاوغات هيكلية للبنتان : ن -بنتان (يُطلق عليه غالبًا ببساطة "بنتان")، وإيزوبنتان (2-ميثيل بيوتان)، ونيوبنتان (ثنائي ميثيل بروبان). [ 9 ]

المتصاوغات الهيكلية للبنتان
ن - البنتانأيزوبنتاننيوبنتان

إذا كان الهيكل غير حلقي ، كما في المثال أعلاه، فيمكن استخدام مصطلح التماثل السلسلي .

التماثل الموضعي (التماثل الإقليمي)

المتصاوغات الموضعية (وتسمى أيضاً المتصاوغات الموضعية أو المتصاوغات الإقليمية ) هي متصاوغات هيكلية يمكن اعتبارها مختلفة فقط في موضع مجموعة وظيفية أو بديل أو سمة أخرى على نفس البنية "الأصلية". [ 10 ]

على سبيل المثال، استبدال إحدى ذرات الهيدروجين الـ 12 –H بمجموعة هيدروكسيل –OH على جزيء البنتان العادي يمكن أن يعطي أيًا من ثلاثة متصاوغات موضعية مختلفة:

بنتان-1-أولبنتان-2-أولبنتان-3-أول

ومن الأمثلة الأخرى على المتصاوغات الموضعية حمض ألفا لينولينيك وحمض جاما لينولينيك ، وكلاهما من أحماض الأوكتاديكاتريينويك ، ولكل منهما ثلاث روابط مزدوجة، ولكن في مواقع مختلفة على طول السلسلة.

التماثل الوظيفي

المتصاوغات الوظيفية هي متصاوغات هيكلية لها مجموعات وظيفية مختلفة ، مما يؤدي إلى خصائص كيميائية وفيزيائية مختلفة بشكل كبير. [ 11 ]

ومن الأمثلة على ذلك زوج البروبانال H 3 C–CH 2 –C(=O)-H والأسيتون H 3 C–C(=O)–CH 3 : الأول يحتوي على مجموعة وظيفية –C(=O)H، مما يجعله ألدهيدًا ، بينما الثاني يحتوي على مجموعة C–C(=O)–C، مما يجعله كيتونًا .

مثال آخر هو زوج الإيثانول H₃C –CH₂ – OH ( كحول ) وثنائي ميثيل الإيثر H₃C –O–CH₂H ( إيثر ) . في المقابل، يُعدّ كل من 1-بروبانول و2 -بروبانول متصاوغين بنيويين، لكنهما ليسا متصاوغين وظيفيين، إذ يمتلكان نفس المجموعة الوظيفية المهمة (مجموعة الهيدروكسيل –OH) وكلاهما كحولان.

إلى جانب الاختلافات الكيميائية، تتميز المتصاوغات الوظيفية عادةً بأطياف الأشعة تحت الحمراء المختلفة اختلافًا كبيرًا . يتحدد طيف الأشعة تحت الحمراء إلى حد كبير بأنماط اهتزاز الجزيء، وتختلف أنماط اهتزاز المجموعات الوظيفية، مثل الهيدروكسيل والإسترات، اختلافًا كبيرًا. لذا، فإن أطياف الأشعة تحت الحمراء لـ 1-بروبانول و2-بروبانول متشابهة نسبيًا بسبب مجموعة الهيدروكسيل، والتي تختلف اختلافًا كبيرًا عن طيف ميثيل إيثيل إيثر.

النظائر البنيوية

في الكيمياء، يُتجاهل عادةً التمييز بين نظائر العنصر نفسه. مع ذلك، في بعض الحالات (مثل مطيافية رامان ، أو الرنين النووي المغناطيسي ، أو مطيافية الموجات الميكروية )، يُمكن اعتبار نظائر العنصر نفسه المختلفة عناصر مختلفة. في هذه الحالة، يُطلق على جزيئين لهما نفس عدد ذرات كل نظير، ولكن بروابط مختلفة، اسم النظائر البنيوية .

على سبيل المثال، لن يكون للإيثين أي متصاوغات بنيوية وفقًا للتفسير الأول؛ ولكن استبدال ذرتي هيدروجين ( 1H ) بذرتي ديوتيريوم ( 2H ) قد ينتج عنه أحد متصاوغين بنيويين (1,1-ثنائي ديوتيريوم الإيثين و1,2-ثنائي ديوتيريوم الإيثين)، إذا كانت ذرتا الكربون من نفس النظير. أما إذا كانت ذرتا الكربون من نظيرين مختلفين (مثلاً، 12C و 13 C)، فسيكون هناك ثلاثة متصاوغات بنيوية متميزة، لأن 1-13C - 1,1-ثنائي ديوتيريوم الإيثين يختلف عن 1-13C - 2,2-ثنائي ديوتيريوم الإيثين. وفي كلتا الحالتين، سيظهر المتصاوغ البنيوي 1,2-ثنائي ديوتيريوم على هيئة متصاوغين فراغيين، هما سيس وترانس .

التكافؤ الهيكلي والتناظر

التكافؤ الهيكلي

تتشابه بنية جزيئين (بما في ذلك الأيونات متعددة الذرات) A وB إذا أمكن إقران كل ذرة من A بذرة من B من نفس العنصر، بنسبة واحد إلى واحد، بحيث يكون لكل رابطة في A رابطة في B من نفس النوع بين الذرات المتناظرة؛ والعكس صحيح. [ 3 ] ينطبق هذا الشرط أيضًا على الروابط المعقدة التي تشمل ثلاث ذرات أو أكثر، مثل الرابطة غير المتمركزة في جزيء البنزين والمركبات العطرية الأخرى.

بحسب السياق، قد يشترط المرء أن يتم إقران كل ذرة بذرة من نفس النظير، وليس فقط من نفس العنصر.

يمكن القول إذن أن جزيئين متماثلان بنيوياً (أو، إذا كانت النظائر مهمة، متماثلان بنيوياً) إذا كان لهما نفس الصيغة الجزيئية ولكن ليس لهما نفس البنية.

التناظر الهيكلي والذرات المتكافئة

يمكن تعريف التناظر البنيوي للجزيء رياضياً بأنه تبديل للذرات يؤدي إلى تبادل ذرتين على الأقل دون تغيير بنية الجزيء. ويمكن القول إن ذرتين متكافئتان بنيوياً إذا كان هناك تناظر بنيوي يحول إحداهما إلى الأخرى. [ 12 ]

وهكذا، على سبيل المثال، فإن جميع ذرات الهيدروجين الأربعة في الميثان متكافئة هيكليًا، لأن أي تبديل لها سيحافظ على جميع روابط الجزيء.

وبالمثل، فإن جميع ذرات الهيدروجين الست في الإيثان ( C2 ساعة٦ ) متكافئة بنيويًا، وكذلك ذرتا الكربون؛ إذ يمكن استبدال أي هيدروجين بأي هيدروجين آخر، إما بتبديل هاتين الذرتين فقط، أو بتبديل ذرتي الكربون وكل هيدروجين في مجموعة ميثيل واحدة مع هيدروجين مختلف في مجموعة الميثيل الأخرى. تحافظ كلتا العمليتين على بنية الجزيء. وينطبق هذا أيضًا على ذرات الهيدروجين فيالسيكلوبنتان،والألين،و2-بيوتين،والهيكساميثيلين رباعي،والبريسمان،والكوبان،والدوديكاهيدران، وغيرها.

من ناحية أخرى، لا تتكافئ جميع ذرات الهيدروجين في البروبان بنيوياً. فذرات الهيدروجين الست المرتبطة بذرتي الكربون الأولى والثالثة متكافئة، كما هو الحال في الإيثان، وذرتا الهيدروجين المرتبطتان بذرة الكربون الوسطى متكافئتان أيضاً؛ ولكن لا يوجد تكافؤ بين هاتين الفئتين من التكافؤ .

التناظر والتماثل الموضعي

يؤدي التكافؤ البنيوي بين ذرات الجزيء الأصلي إلى تقليل عدد المتصاوغات الموضعية التي يمكن الحصول عليها باستبدال تلك الذرات بعنصر أو مجموعة مختلفة. فعلى سبيل المثال، التكافؤ البنيوي بين ذرات الهيدروجين الست في الإيثان C2 ساعةالرقم 6 يعني أن هناك متصاوغًا بنيويًا واحدًا فقط منالإيثانولC2 ساعة5 OH، وليس 6. ذرات الهيدروجين الثمانية فيالبروبانC3 ساعاتتُقسّم المركبات الثمانية إلى فئتين من حيث التكافؤ البنيوي (الستة الموجودة على مجموعات الميثيل، والاثنان على ذرة الكربون المركزية)؛ ولذلك يوجد متصاوغان موضعيان فقط للبروبانول (1-بروبانولو2-بروبانول). وبالمثل، يوجد متصاوغان موضعيان فقطللبيوتانول، وثلاثةللبنتانولأوالهكسانول.

كسر التناظر عن طريق الاستبدالات

بمجرد إجراء استبدال في الجزيء الأصلي، عادةً ما يقل تناظره البنيوي، مما يعني أن الذرات التي كانت متكافئة سابقًا قد لا تعود كذلك. وبالتالي، فإن استبدال ذرتين أو أكثر متكافئتين بنفس العنصر قد يُنتج أكثر من متصاوغ موضعي واحد.

المثال الكلاسيكي هو مشتقات البنزين . ذرات الهيدروجين الست فيه متكافئة بنيويًا، وكذلك ذرات الكربون الست؛ لأن البنية لا تتغير إذا تم تبديل مواقع الذرات بطرق تُقابل قلب الجزيء أو تدويره بمضاعفات 60 درجة. لذلك، فإن استبدال أي هيدروجين بالكلور ينتج عنه كلوروبنزين واحد فقط . مع ذلك، مع هذا الاستبدال، تصبح تبديلات الذرات التي حركت ذلك الهيدروجين غير صالحة. يبقى تبديل واحد فقط، وهو ما يُقابل قلب الجزيء مع تثبيت الكلور. تنقسم ذرات الهيدروجين الخمس المتبقية إلى ثلاث فئات تكافؤ مختلفة: الذرة المقابلة للكلور تُشكل فئة مستقلة (تُسمى الوضع بارا )، والذرتان الأقرب إلى الكلور تُشكلان فئة أخرى ( أورثو )، والذرتان المتبقيتان تُشكلان الفئة الثالثة ( ميتا ). وبالتالي فإن الاستبدال الثاني للهيدروجين بالكلور يمكن أن ينتج عنه ثلاثة متصاوغات موضعية: 1,2- أو أورثو - ، 1,3- أو ميتا - ، و 1,4- أو بارا - ثنائي كلورو بنزين .

أورثو -ثنائي كلورو بنزينميتا -ثنائي كلوروبنزينبارا -ثنائي كلورو بنزين
1،2-ثنائي كلورو بنزين1،3-ثنائي كلورو بنزين1،4-ثنائي كلورو بنزين

وللسبب نفسه، يوجد فينول واحد فقط (هيدروكسي بنزين)، ولكن ثلاثة بنزين ديولات ؛ وتولوين واحد (ميثيل بنزين)، ولكن ثلاثة تولويلات ، وثلاثة زيلينات .

من جهة أخرى، قد يحافظ الاستبدال الثاني (بنفس البديل) على تناظر الجزيء أو حتى يزيده، وبالتالي قد يحافظ على عدد فئات التكافؤ للاستبدال التالي أو يقلله. وهكذا، فإن ذرات الهيدروجين الأربع المتبقية في ميتا -ثنائي كلورو بنزين لا تزال تندرج ضمن ثلاث فئات، بينما تندرج ذرات الهيدروجين في أورثو ضمن فئتين، أما ذرات الهيدروجين في بارا فجميعها متكافئة. ومع ذلك، فإن بعض هذه الاستبدالات الستة (3 + 2 + 1) تُنتج في النهاية نفس البنية، لذا لا يوجد سوى ثلاثة أنواع مختلفة بنيويًا من ثلاثي كلورو بنزين : 1،2،3- ، و1،2،4- ، و1،3،5- .

1،2،3-ثلاثي كلوروبنزين1،2،4-ثلاثي كلوروبنزين1،3،5-ثلاثي كلوروبنزين

إذا كانت البدائل في كل خطوة مختلفة، فعادةً ما يكون هناك المزيد من المتصاوغات البنائية. يحتوي الزيلينول ، وهو بنزين مع بديل هيدروكسيل واحد وبديلين ميثيل، على 6 متصاوغات إجمالاً:

2,3-زيلينول2,4-زيلينول2,5-زيلينول
2,6-زيلينول3,4-زيلينول3,5-زيلينول

تعداد وحساب المتماكبات

إن تعداد أو حساب المتصاوغات الهيكلية بشكل عام يمثل مشكلة صعبة، حيث يجب على المرء أن يأخذ في الاعتبار عدة أنواع من الروابط (بما في ذلك الروابط غير المتمركزة)، والهياكل الحلقية، والهياكل التي لا يمكن تحقيقها بسبب قيود التكافؤ أو القيود الهندسية، والمتصاوغات غير القابلة للفصل.

على سبيل المثال، هناك تسعة متصاوغات بنيوية لها الصيغة الجزيئية C3H6O، وتختلف في روابطها . سبعة منها مستقرة في الهواء عند درجة حرارة الغرفة، وهي موضحة في الجدول أدناه.

مركبات ذات الصيغة الجزيئية C3H6O
اسمالتركيب الجزيئينقطة الانصهار (°م)نقطة الغليان (°م)تعليق
كحول الأليل-12997
سيكلوبروبانول101–102
بروبيونالدهيد–8148متماثل مع بروب-1-إين-1-أول، والذي له أشكال متماثلة فراغية من نوعي سيس وترانس
الأسيتون-94.956.53متماثل مع بروبين-2-أول
أوكسيتان–9748
أكسيد البروبيلين-11234له شكلان متماثلان ضوئيا
ميثيل فينيل إيثر-1226

يُعدّ كلٌّ من المتصاوغين البنيويين متصاوغات الإينول لمتصاوغات الكربونيل (البروبيونالدهيد والأسيتون)، لكنهما غير مستقرين. [ 13 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ "التماثل البنيوي" . الكتاب الذهبي للاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية . الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية. 2014. doi : 10.1351/goldbook.C01285 . تاريخ الاسترجاع: 19 يوليو 2018 .
  2. ↑ فريدريك أ. بيتلهايم، ويليام هـ. براون، ماري ك. كامبل، شون أو. فاريل (2009): مقدمة في الكيمياء العضوية والكيمياء الحيوية . 752 صفحة. ISBN 9780495391166
  3. 1 2 بيتر ب. مومبا (2018): مبادئ مفيدة في الكيمياء لطلاب الزراعة والتمريض ، الطبعة الثانية. 281 صفحة. ISBN 9781618965288
  4. 1 2 ويليام ف. باينوم، إي. جانيت براون، روي بورتر (2014): قاموس تاريخ العلوم . صفحة 218. ISBN 9781400853410
  5. ↑ جيم كلارك (2000). "التصاوغ البنيوي" في Chemguide ، هولندا
  6. ↑ بوب، لازلو؛ ناجي، جوزيف؛ هورنيانسكي، غابور؛ بوروس، زولتان؛ ميهالي، نوغرادي (2016). الكيمياء الفراغية والتخليق الانتقائي الفراغي: مقدمة . فاينهايم، ألمانيا: وايلي-في سي إتش. الصفحات 26-27 . ISBN  978-3-527-33901-3.
  7. ↑ د. برين هيبرت، أ.م. جيمس (1987): قاموس ماكميلان للكيمياء . صفحة 263. ISBN 9781349188178
  8. ↑ "النظير". موسوعة المصطلحات الكيميائية الصادرة عن الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية ( الطبعة الثالثة). 2006. doi : 10.1351/goldbook.I03352 . الإصدار الإلكتروني 3.0.1 2019.
  9. ↑ زدينيك سلانينا (1986): النظرية المعاصرة للتصاوغ الكيميائي . 254 صفحة. ISBN 9789027717078
  10. ↑ هـ. ستيفن ستوكر (2015): الكيمياء العامة والعضوية والبيولوجية ، الطبعة السابعة. 1232 صفحة. ISBN 9781305686182
  11. ↑ باري ج. هينوود (1997): كتابٌ في العلوم للمهن الصحية . 489 صفحة. ISBN 9780748733774
  12. ↑ جان لوب فولون، أندرياس بيندر (2010): دليل خوارزميات المعلوماتية الكيميائية . 454 صفحة. ISBN 9781420082999
  13. ↑ دليل CRC للكيمياء والفيزياء، الطبعة 65.