مشكلات الهيدروكربونات

4-4

مشكلات الهيدروكربونات

Hydrocarbon Isomers

الأهداف

• تميز بين التمثيل الرئيس للمشكلات البنائية والفراغية.
• تفرق بين المشكلات الهندسية ذات البادئة سيس والبادئة ترانس.
• تصف الاختلاف البنائي في الجزيئات التي تنتج عن المشكلات الضوئية.

مراجعة المفردات

الإشعاع الكهرومغناطيسي: أمواج متعامدة تحمل الطاقة خلال الفراغ.

المفردات الجديدة

• المتشكلات
• المتشكلات البنائية
• المتشكلات الفراغية
• المتشكلات الهندسية
• الكيرالية
• ذرة الكربون غير المتماثلة
• المتشكلات الضوئية
• الدوران الضوئي

الفكرة الرئيسية

لبعض الهيدروكربونات الصيغة الجزيئية نفسها، لكنها تختلف في صيغها البنائية.

الربط مع الحياة

هل قابلت يومًا توأمين متماثلين؟ للتوائم المتماثلين التكوين الجيني نفسه، ومع ذلك فهم أفراد مستقلون لكل منهم شخصيته. والمتشكلات شبيهة بالتوائم؛ إذ لها الصيغة الجزيئية نفسها، ولكنها تختلف في شكلها البنائي وخصائصها.

المتشكلات البنائية

Structural Isomers

تفحص نماذج الألكانات الثلاثة في الشكل 4-17 لتحديد أوجه التشابه والاختلاف؛ إذ يحتوي كل من النماذج الثلاثة على 5 ذرات كربون و12 ذرة هيدروجين، لذا فإن لها الصيغة الجزيئية C5H12. ومع ذلك تمثل هذه النماذج ثلاثة مركبات، وتسمى 2-ميثيل بيوتان، و2،2-ثنائي ميثيل بروبان، وبنتان. إن هذه المركبات الثلاثة هي متشكلات isomers. والمتشكلات عبارة عن اثنين أو أكثر من المركبات، لها الصيغة الجزيئية نفسها، إلا أنها تختلف في صيغها البنائية. لاحظ أن البنتان الحلقي والبنتان العادي ليسا متشكلين؛ لأن الصيغة الجزيئية للأول هي C5H10.

هناك نوعان رئيسان من المتشكلات. ويبين الشكل 4-17 مركبات عدة أمثلة على المتشكلات البنائية. وللمتشكلات البنائية الصيغة الجزيئية نفسها إلا أن مواقع ترتيب الذرات فيها تختلف. وعلى الرغم من اشتراك المتشكلات البنائية في الصيغة الجزيئية نفسها إلا أنها تختلف في خصائصها الكيميائية والفيزيائية. وتدعم هذه الملاحظة أحد أهم مبادئ الكيمياء الذي ينص على أن: "بناء المادة يحدد خصائصها". كيف يرتبط نمط تغير درجات غليان متشكلات C5H12 بصيغها البنائية؟

كما أن زيادة عدد ذرات الكربون في الهيدروكربون يزيد عدد المتشكلات البنائية المحتملة. فعلى سبيل المثال، هناك 9 ألكانات ذات الصيغة الجزيئية C7H16، وهناك أكثر من 300000 متشكل بنائي يحمل الصيغة الجزيئية C20H42.

تجربة عملية

التشكل

ارجع إلى دليل التجارب العملية على منصة عين الإثرائية.

الشكل 4-17

إن هذه المركبات تشترك في الصيغة الجزيئية نفسها لكنها متشكلات بنائية. لاحظ الاختلاف في درجات غليانها.

• بنتان: درجة الغليان = 36°C.
• 2-ميثيل بيوتان: درجة الغليان = 28°C.
• 2،2-ثنائي ميثيل بروبان: درجة الغليان = 9°C.

============================================================
==========

صور الصفحة:

• الشكل_4-18_حرية_الدوران_في_الإيثان_ومقاومة_الدوران_في_الإيثين.png
• الشكل_4-19_متشكلا_سيس_وترانس_2-بيوتين.png

الشكل 4-18

تكون ذرتا الكربون المرتبطتان برابطة تساهمية أحادية في الإيثان حرة الدوران حول الرابطة، في حين تقاوم ذرتا الكربون الثنائيتا الربط في الإيثين عملية الدوران.

فسر: كيف يؤثر اختلاف القدرة على الدوران في الذرات أو مجموعات الذرات المرتبطة بذرات الكربون ذات الربط الأحادي أو الثنائي؟

المتشكلات الفراغية

Stereoisomers

تختلف الفئة الثانية من المتشكلات بتمايز خفي ودقيق جدًا في الروابط؛ فالمتشكلات الفراغية متشكلات ترتبط فيها الذرات بالترتيب نفسه، ولكنها تختلف في ترتيبها الفراغي (الاتجاهات في الفراغ). وهناك نوعان من المتشكلات: أحدهما في الألكانات التي تحتوي على روابط أحادية، حيث تكون ذرتا الكربون المرتبطتان برابطة أحادية قادرتين على الدوران بسهولة إحداهما حول الأخرى، والثانية في الألكينات عند وجود رابطة تساهمية ثنائية، حيث لا يسمح للذرات بالدوران، وتبقى ثابتة في مكانها، كما في الشكل 4-18.

قارن بين الصيغتين البنائيتين المختلفتين لـ 2-بيوتين في الشكل 4-19. أما التركيب الذي تكون فيه مجموعتا الميثيل في الجهة نفسها من الجزيء فيشار إليه بالبادئة سيس (cis)، في حين يشار إلى التركيب الذي تكون فيه مجموعتا الميثيل على جهتين متقابلتين من الجزيء بالبادئة ترانس (trans). وهذه مصطلحات مشتقة من اللغة اللاتينية؛ سيس تعني الجهة نفسها، وترانس تعني الجهة الأخرى. ولأن ذرات الكربون الثنائية الربط غير قادرة على الدوران فإن التركيب سيس لا يستطيع التحول بسهولة إلى التركيب ترانس.

الشكل 4-19

يختلف هذان المتشكلان لـ 2-بيوتين في الترتيب الفراغي لمجموعتي الميثيل على الأطراف؛ لا تستطيع ذرات الكربون الثنائية الربط الدوران بعضها حول بعض، فتبقى مجموعتا الميثيل ثابتتين في أحد هذه الترتيبات.

• سيس-2-بيوتين (C4H8): درجة الانصهار = -139°C، درجة الغليان = 3.7°C.
• ترانس-2-بيوتين (C4H8): درجة الانصهار = -106°C، درجة الغليان = 0.8°C.

============================================================
==========

صور الصفحة:

• واقع_الكيمياء_في_الحياة_الدهون_غير_المشبعة.png
• الشكل_4-20_الكيرالية_واليد_وصورتها_في_المرآة.png
• الشكل_4-21_النماذج_الفراغية_لحمض_الطرطريك_D_L.png

واقع الكيمياء في الحياة

الدهون غير المشبعة

المتشكلات في الغذاء: تسمى الدهون ذات متشكلات ترانس بالدهون ترانس. وتحصر الكثير من الأطعمة المغلفة كمية الدهون ترانس في كل قطعة، وتعطيها فترة حفظ أطول. وتشير الدلائل إلى أن هذه الدهون تزيد من نوع الكولسترول الضار، وتقلل من النوع النافع، مما يزيد من احتمالية الإصابة بأمراض القلب.

الشكل 4-20

إن تشابك يدك اليمنى في المرآة يبدو تمامًا مثل يدك اليسرى.

وتسمى المتشكلات الناتجة عن اختلاف ترتيب المجموعات واتجاهها حول الرابطة الثنائية بالمتشكلات الهندسية. لاحظ أن اختلاف الترتيب الهندسي يؤثر في الخصائص الفيزيائية للمتشكلات الهندسية، ومنها درجات الانصهار والغليان، وكثافة السوائل، وذائبيتها النسبية أيضًا في بعض المذيبات. وإذا كان المركب نشطًا بيولوجيًا كما هي الحال في مركبات الأدوية، كان لمتشكلات سيس وترانس عادة تأثيرات مختلفة وواضحة جدًا.

ماذا قرأت؟ فسر كيف تختلف المتشكلات البنائية عن المتشكلات الهندسية؟

الكيرالية

Chirality

الربط مع علم الأحياء

أعلن الكيميائي الفرنسي الشاب لويس باستور (1822-1895م) في عام 1848م عن اكتشاف وجود بلورات المركب العضوي حمض الطرطريك في صورتين، العلاقة بينهما كعلاقة جسم وصورته في المرآة. ولأن يد الإنسان كل منها صورة للأخرى في المرآة، كما في الشكل 4-20، لذا سميت أشكال البلورات بنموذج اليد اليمنى ونموذج اليد اليسرى. فلكل شكل من أشكال حمض الطرطريك الخصائص الكيميائية نفسها، وكذلك له درجة الانصهار، والكثافة، والذائبية في الماء نفسها، غير أن شكل اليد اليسرى نتج عن عملية التخمير، وبسبب تكاثر البكتيريا بعد تغذيتها عليه.

يظهر الشكلان البلوريان لحمض الطرطريك في التركيبين في الشكل 4-21. ويطلق اليوم على هذين الشكلين D-حمض الطرطريك، وL-حمض الطرطريك. ويرمز الحرفان D و L إلى البادئتين اللاتينيتين: dextro وتعني جهة اليمين، وlevo وتعني جهة اليسار.

الشكل 4-21

تمثل هذه النماذج شكلي حمض الطرطريك اللذين درسهما باستور. إذا انعكس نموذج D-حمض الطرطريك في المرآة فسينتج نموذجًا لصورة حمض الطرطريك الآخر L-حمض الطرطريك.

============================================================
==========

صور الصفحة:

• مطويات_قسم_مشكلات_الهيدروكربونات.png
• الشكل_4-22_تبديل_مواقع_المجموعات_حول_ذرة_كربون_غير_متماثلة.png

وتسمى الخاصية التي يوجد فيها الجزيء في صورتين إحداهما تشبه صورة المرآة للأخرى - وتشبه صورة اليد اليمنى وصورة اليد اليسرى - الكيرالية. وتتمتع الكثير من المواد الموجودة في المخلوقات الحية - ومنها الحموض الأمينية المكونة للبروتينات - بهذه الكيرالية.

وتستفيد المخلوقات الحية عمومًا من تركيب كيرالي واحد فقط من المادة؛ لأن هذا الشكل وحده يتلاءم مع الموقع النشط في الإنزيم.

المتشكلات الضوئية

Optical Isomers

أدرك الكيميائيون في العقد السادس من القرن التاسع عشر 1860م وجود خاصية الكيرالية في المركب الذي يحتوي على ذرة كربون غير متماثلة. ذرة الكربون غير المتماثلة هي تلك التي ترتبط بأربع ذرات أو مجموعات ذرات مختلفة. إذ يمكن دائمًا ترتيب المجموعات الأربع بطريقتين مختلفتين. فمثلًا، افترض أن المجموعات W وX وY وZ مرتبطة مع ذرة الكربون نفسها في التركيبين المبينين في الشكل 4-22. فستلاحظ أن سبب الاختلاف بين التركيبين هو تبديل مواقع المجموعتين X وY. ولا تستطيع تدوير الشكلين بأي طريقة ليصبحا متطابقين تمامًا.

والآن افترض أنك بنيت نماذج لهذين الشكلين، فهل توجد أي طريقة تستطيع بها تحويل أحد هذين الشكلين ليبدو مثل الآخر تمامًا؟ بغض النظر عن رموز الأحرف إلى الأمام أو الخلف. ستكتشف أنه ليس هناك طريقة لإنجاز هذه المهمة دون إزالة X أو Y من ذرة الكربون وتبديل موقعهما. لذا فإن الجزيئين مختلفان حتى لو كانا يبدوان متشابهين كثيرًا.

المتشكلات الضوئية متشكلات فراغية ناتجة عن الترتيبات المختلفة للمجموعات الأربع المختلفة والموجودة على ذرة الكربون غير المتماثلة. لها الخصائص الفيزيائية والكيميائية نفسها إلا أن تفاعلاتها الكيميائية تعتمد على الكيرالية، ما عدا التفاعلات الكيميائية التي تكون فيها الكيرالية مهمة، ومنها التفاعلات المحفزة بالإنزيمات في الأنظمة البيولوجية.

المطويات

أدخل معلومات من هذا القسم في مطويتك.

الشكل 4-22

تمثل هذه النماذج جزيئين مختلفين. جرى تبديل مواقع المجموعتين Y وX فيهما.

============================================================
==========

صور الصفحة:

• الشكل_4-23_الدوران_الضوئي_والضوء_المستقطب.png

الشكل 4-23

ينتج الضوء المستقطب بتمرير الضوء العادي من خلال مرشح، بحيث يسمح فقط للموجات الضوئية التي تقع في مستوى واحد بالعبور. تصبح الموجات الضوئية متجهة في مستوى واحد قبل أن تمر خلال العينة، ويؤدي المتشكلان إلى دوران الضوء في اتجاهين مختلفين.

فالخلايا البشرية مثلًا تسمح بدخول الحموض الأمينية من نوع L فقط في بناء البروتينات. كما أن النوع L من حمض الأسكوربيك فعال بوصفه فيتامين C. وتعد الكيرالية في جزيء الدواء مهمة أيضًا، فمثلًا يكون متشكل واحد فقط في بعض الأدوية فعالًا في حين قد يكون الآخر ضارًا.

الدوران الضوئي

إن المتشكلات التي يكون كل منها صورة مرآة للآخر تسمى المتشكلات الضوئية؛ لأنها تؤثر في الضوء المار خلالها. عادة تتحرك الأمواج الضوئية في حزمة الضوء الصادرة من الشمس أو المصباح في المستويات المحتملة جميعها. ولكن يمكن تصفية الضوء أو عكسه بطريقة تجعل الأمواج الناتجة جميعها تقع في المستوى نفسه. ويسمى هذا النوع من الضوء الناتج الضوء المستقطب.

عندما يمر الضوء المستقطب خلال محلول يحتوي على متشكل ضوئي فإن مستوى الاستقطاب يدور إلى اليمين، مع عقارب الساعة، عندما تنظر إلى مصدر الضوء، بتأثير متشكل D، أو إلى اليسار، عكس عقارب الساعة، بتأثير متشكل L. ويسمى التأثير الدوران الضوئي. ويظهر هذا التأثير في الشكل 4-23.

قد يكون رائحة متشكلي أحد المتشكلات الضوئية التي تستخدمها في حياتك. وهذا المتشكل الطبيعي نكهة النعناع الحادة، وله تأثير منعش أيضًا. أما المتشكل الآخر، صاحب صورة المرآة D-مينثول، فليس له التأثير المنعش الخاص L-مينثول نفسه.

============================================================
==========

صور الصفحة:

• تقويم_4-4_مشكلات_الهيدروكربونات.png

التقويم 4-4

الخلاصة

• المتشكلات مركبان أو أكثر لها الصيغة الجزيئية نفسها، ولكنها تختلف في صيغها البنائية.
• تختلف المتشكلات البنائية في الترتيب الذي ترتبط به الذرات معًا.
• ترتبط الذرات جميعها في المتشكلات الفراغية بالترتيب نفسه، ولكنها تختلف في تركيبها الفراغي، أي الاتجاهات في الفراغ.

• الفكرة الرئيسية: اكتب المتشكلات البنائية المحتملة للألكان ذي الصيغة الجزيئية C6H14 جميعها، على أن تظهر فقط سلاسل الكربون.

• فسر الفرق بين المتشكلات البنائية والمتشكلات الفراغية.

• ارسم أشكال كل من سيس-3-هكسين وترانس-3-هكسين.

• استنتج لماذا تستفيد المخلوقات الحية من شكل كيرالي واحد فقط من المادة؟

• قوم: ينتج تفاعل معين 80% ترانس-2-بيوتين و20% سيس-2-بيوتين. ارسم شكل هذين المتشكلين الهندسيين، وكون فرضية لتفسير سبب تكون هذين المتشكلين بهذه النسبة.

• اعمل نماذج ابتداءً بذرة كربون واحدة، ارسم متشكلين ضوئيين بربط الذرات أو المجموعات الآتية مع ذرة الكربون:

-H، -CH3، -CH2CH3، -CH2CH2CH3.