İzomerlik: Aynı Formülden Farklı Moleküller Nasıl Oluşur?

Moleküler formül aynıyken bağlanma sırası nasıl değişir?

Yapısal izomerlikte atomların birbirine bağlanma düzeni farklıdır. Bu nedenle aynı moleküler formüle sahip iki bileşiğin iskeleti veya fonksiyonel grubu değişebilir. Yapısal izomerleri ayırt etmek için moleküler formüle bakmak yetmez; açık ya da kısaltılmış yapısal formül çizilmelidir.

Zincir izomerliğinde karbon iskeletinin biçimi değişir. $C_4H_{10}$ için bir yapı düz zincirli n-bütan, diğer yapı dallanmış 2-metilpropandır. Her ikisinde de dört karbon ve on hidrojen bulunur; fakat karbonların bağlantı düzeni farklıdır. Dallanma, molekülün yüzey alanını ve moleküller arası temasını değiştirebildiği için fiziksel özellikler de farklılaşabilir. Verilen örnekte n-bütanın kaynama noktası yaklaşık $-0{,}5\ ^\circ C$, 2-metilpropanınki yaklaşık $-12\ ^\circ C$ olarak belirtilmiştir.

Konum izomerliğinde karbon iskeleti aynı kalırken çift bağın veya fonksiyonel grubun yeri değişir. 1-propanol ile 2-propanol aynı karbon, hidrojen ve oksijen sayılarına sahiptir; hidroksil grubunun zincirdeki konumu farklıdır. Benzer biçimde bir alken zincirinde çift bağın 1. veya 2. karbonlar arasında bulunması farklı bir konum izomeri oluşturabilir.

Fonksiyonel grup izomerliğinde aynı moleküler formül farklı fonksiyonel gruplara karşılık gelir. Etanol ve dimetil eter bunun temel örneğidir: ikisinin formülü $C_2H_6O$ olsa da etanolde $-OH$ grubu, dimetil eterde ise oksijen iki karbon arasındadır. Farklı fonksiyonel grup, bileşiklerin tepkimelerini ve fiziksel davranışını belirgin biçimde değiştirebilir. Fonksiyonel grubu saptamak için ilgili bağlantının yapısal formülde açıkça gösterilmesi gerekir.

C5H12 için izomer sayısı nasıl sistematik bulunur?

$C_5H_{12}$, doymuş ve açık zincirli bir alkanın moleküler formülüdür. Alkanlar için genel formül $C_nH_{2n+2}$ olduğundan $n=5$ için hidrojen sayısı $2(5)+2=12$ olur. Bu formüle sahip üç yapısal izomer bulunur: n-pentan, 2-metilbütan ve 2,2-dimetilpropan.

İzomerleri bulurken güvenli yöntem, önce en uzun düz zinciri yazmak, sonra zinciri dallandırmaktır. Birinci yapı beş karbonlu düz zincirdir: n-pentan. İkinci yapı dört karbonlu ana zincir ve bir metil dalından oluşur: 2-metilbütan. Üçüncü yapı üç karbonlu merkezî zincir üzerinde iki metil dalı içeren, yaygın adı neopentan olan 2,2-dimetilpropandır.

Bu üç yapının hiçbiri yalnızca çizimin yönünü değiştirerek elde edilmiş bir tekrar değildir. Molekülü kâğıtta çevirmek aynı bileşiği verir; bir metil grubunu farklı bir karbon üzerine bağlamak ise bağlanma sırasını değiştirir. İzomer sayısı karbon sayısı arttıkça genellikle artar; ancak bu artış için tek bir basit çarpan kuralı kullanılamaz. Bu nedenle sınavda her olası karbon iskeleti ve dallanma, tekrar edilmeyecek şekilde ayrı ayrı kontrol edilmelidir.

Çift bağda cis-trans izomerliği hangi koşulda oluşur?

Geometrik izomerlik, bağlanma sırası aynı olan moleküllerde grupların uzaydaki yönlerinin farklı olmasıdır. Alkenlerde bunun temel nedeni karbon-karbon çift bağının serbest dönmeyi kısıtlamasıdır. Çift bağın dönmesi, pi bağının etkilenmesini gerektirdiğinden cis ve trans düzenleri birbirine kolayca dönüşen iki çizim gibi değerlendirilmez.

Ancak her çift bağ cis-trans izomerliği göstermez. Bunun için çift bağdaki karbon atomlarının her birine iki farklı grup bağlı olmalıdır. Örneğin 2-büten için her çift bağ karbonunda hidrojen ve metil grubu bulunduğundan aynı grupların aynı tarafta olduğu cis-2-büten ile zıt tarafta olduğu trans-2-büten ayırt edilebilir. Çift bağ karbonlarından birine iki aynı grup bağlıysa bu koşul sağlanmaz; bu durumda cis-trans çifti kurulamaz.

Halka bileşiklerinde de halkanın geometrik kısıtlaması nedeniyle cis-trans düzenleri görülebilir. Aynı tarafta bulunan gruplar cis, zıt tarafta bulunan gruplar trans olarak adlandırılır. Buradaki cis-trans ifadesi, grupların birbirine göre konumunu anlatır; molekülün çizimde sayfanın üstünde veya altında görünmesi tek başına yeterli değildir.

Cis ve trans izomerler farklı erime noktası, kaynama noktası veya çözünürlük değerlerine sahip olabilir. Bunun nedeni yalnızca formül değil, molekülün şekli ve dipol dağılımıdır. Bu nedenle bir soruda fiziksel özellik karşılaştırması istenirse önce izomerlerin geometrisi, ardından moleküller arası etkileşimleri değerlendirilmelidir.

Çözümlü örnekler: formülden izomer türünü belirleme

Örnek 1 — Verilenler: $C_4H_{10}$ moleküler formülü ve iki yapı: düz zincirli dört karbonlu yapı ile merkezî karbon çevresinde üç metil grubu ve bir hidrojen bulunan dallanmış yapı.

Çözüm adımları:

1. İki yapıda da karbon sayısının 4, hidrojen sayısının 10 olduğunu doğrula.
2. Atomların bağlanma sırasını karşılaştır. İlk yapıda karbonlar kesintisiz bir zincir oluşturur; ikinci yapıda karbon iskeleti dallanmıştır.
3. Bağlanma sırası değiştiği için bunun stereoisomerlik değil, zincir yapısal izomerliği olduğunu belirt.
4. Bileşikleri n-bütan ve 2-metilpropan olarak adlandır.
5. Kaynama noktası karşılaştırmasında verilen değerlere göre n-bütanın yaklaşık $-0{,}5\ ^\circ C$, 2-metilpropanın yaklaşık $-12\ ^\circ C$ olduğunu kullan. Daha düşük kaynama noktası, bu örnekte dallanmış yapıya aittir.

Sonuç: Aynı moleküler formüle sahip iki bileşik zincir izomeridir. Formül eşitliği, fiziksel özelliklerin de eşit olacağı anlamına gelmez.

Örnek 2 — Verilenler: 2-bütenin iki çizimi; bir çizimde iki metil grubu çift bağın aynı tarafında, diğerinde zıt tarafındadır.

Çözüm adımları:

1. Çift bağın her iki karbonuna bağlı grupları yaz. Her iki karbonun da hidrojen ve metil grubu taşıdığı görülür.
2. Her çift bağ karbonunda iki farklı grup bulunduğu için geometrik izomerlik koşulunun sağlandığını kontrol et.
3. Metil grupları aynı taraftaysa cis-2-büten, zıt taraftaysa trans-2-büten adını kullan.
4. Bağlanma sırasının iki çizimde de aynı olduğunu fark et. Fark yalnızca uzaysal yerleşimdedir.

Sonuç: İki yapı cis-trans stereoisomeridir. Bu örnekte yeni bir zincir veya yeni bir fonksiyonel grup oluşmadığı için yapısal izomerlik denmez.

Kiral merkez, enantiomer ve diastereomer ayrımı

Bir karbon atomuna dört farklı grup bağlandığında bu karbon kiral merkez olabilir. Böyle bir merkez, molekülün üst üste çakışmayan iki ayna görüntüsünün oluşmasına yol açabilir. Bu iki stereoisomer enantiomer olarak adlandırılır. Enantiomerler achiral bir ortamda birçok fiziksel özellik bakımından aynı davranabilir; ayırt edici özellikleri düzlem polarize ışığı zıt yönlerde döndürmeleri ve kiral biyolojik ortamlarla farklı etkileşebilmeleridir.

Enantiomer tanımı, yalnızca molekülün iki farklı çizimde gösterilmesine dayanmaz. Çizimlerden biri diğerinin basitçe döndürülmüş hâliyse yeni bir enantiomer oluşmaz. Ayna görüntülerinin üst üste çakışıp çakışmadığı değerlendirilmelidir.

Diastereomerler, birbirinin ayna görüntüsü olmayan stereoisomerlerdir. Birden fazla kiral merkez içeren sistemler bunun yaygın bir örneğidir; ancak diastereomerlik geometrik izomerlerde ve başka stereojenik unsurlar içeren sistemlerde de görülebilir. Diastereomerlerin erime noktası, kaynama noktası ve çözünürlüğü gibi fiziksel özellikleri birbirinden daha belirgin biçimde farklı olabilir. Örneğin (2R,3R)-tartarik asit ile (2S,3S)-tartarik asit enantiomer çiftidir; (2R,3R)-tartarik asit ile (2R,3S)-tartarik asit diastereomer olarak sınıflandırılır.

$n$ kiral merkez için teorik maksimum stereoisomer sayısı $2^n$ olarak verilebilir; fakat bu sayı yalnızca yapıdaki simetri ve meso durumları gibi azaltıcı etkenler yoksa doğrudan kullanılabilir. Bu nedenle $2^n$ bir üst sınırdır, her molekül için gerçekleşen kesin sayı değildir. Stereoisomerleri sayarken molekülün simetrisini ayrıca kontrol etmek gerekir.

L-dopa ve D-dopa örneği, kirallığın biyolojik önemini gösterir. L-dopa Parkinson hastalığının tedavisinde kullanılırken D-dopa aynı terapötik etkiyi göstermez. Bunun temelinde biyolojik hedeflerin üç boyutlu ve kiral yapılarıyla molekülün uzaysal uyumunun farklı olması bulunur.

Sık yapılan hatalar ve sınır durumları

1. Aynı moleküler formülü aynı bileşik sanmak: Moleküler formül yalnızca atom türü ve sayısını verir. Yapısal izomerlik için bağlanma sırası ayrıca incelenmelidir.

2. Her çift bağda cis-trans bulunduğunu düşünmek: Çift bağın her iki karbonunda da iki farklı grup bulunması gerekir. Bir karbon iki aynı gruba bağlıysa cis-trans çifti kurulamaz.

3. Cis-trans ile enantiomeri karıştırmak: Cis-trans farkı grupların aynı veya zıt tarafta bulunmasıyla ilgilidir. Enantiomerlik ise üst üste çakışmayan ayna görüntülerinin oluşmasıdır.

4. Molekülü döndürmeyi izomerlik sanmak: Bir yapının sayfadaki yönünü çevirmek atomlar arası bağları değiştirmez. Bu işlem yeni bir izomer oluşturmaz.

5. $2^n$ hesabını kesin sonuç kabul etmek: Bu ifade kiral merkez sayısından türetilen teorik maksimumdur. Molekül simetrisi veya meso yapı varsa gerçek sayı daha düşük olabilir.

6. Enantiomerlerin bütün özelliklerini farklı kabul etmek: Enantiomerler achiral koşullarda birçok fiziksel özellik bakımından aynı olabilir; ancak kiral maddelerle etkileşimleri ve biyolojik etkileri farklılaşabilir.

7. Dallanmanın etkisini mutlak kural gibi kullanmak: Dallanma çoğu benzer alkan karşılaştırmasında temas yüzeyini azaltarak kaynama noktasını düşürme eğilimindedir; fakat karşılaştırma yapılırken molekül kütlesi, şekli ve etkileşim türü birlikte değerlendirilmelidir.