Stereoizomerlik: Enantiomer, Diastereomer ve R-S Ayrımı

Aynı bağlanma düzeni neyi değiştirir?

Bir yapının stereoizomer sayılabilmesi için iki koşul birlikte aranır: Moleküler formül aynı olmalı ve atomların birbirine bağlanma düzeni aynı kalmalıdır. Fark, atomların üç boyutlu uzaydaki konumlarından kaynaklanır. Bu özellik stereoizomerleri, farklı bağlanma düzenine sahip konstitüsyonel izomerlerden ayırır.

Bu ayrımı uygularken şu sırayı izlemek gerekir:

1. Moleküler formülleri karşılaştırın.
2. Karbon iskeletinin ve fonksiyonel grupların bağlanma sırasını inceleyin.
3. Bağlanma sırası aynıysa, atomların uzaysal yönlenmesini değerlendirin.

Bağlanma düzeni değişmişse konu stereoizomerlik değil, konstitüsyonel izomerliktir. Bağlanma düzeni aynı olduğu hâlde uzaysal konum değişmişse stereoizomerlik söz konusudur. Bu nedenle yalnızca çizimdeki genel benzerlik veya farklılık karar vermek için yeterli değildir.

Stereoizomerlik; kiral merkezlerin varlığı, molekülün geometrik yapısı ve bazı bağlar çevresindeki dönüş kısıtlamalarıyla ilişkilidir. Ancak her uzaysal farklılık aynı tür stereoizomerlik anlamına gelmez. Önce farkın ayna görüntüsü ilişkisi mi, yoksa başka bir uzaysal ilişki mi olduğunu belirlemek gerekir.

Kiral merkez ile kiral molekül aynı şey değildir

Kiralite, bir molekülün ayna görüntüsüyle üst üste getirilememesi özelliğidir. Sağ ve sol el benzetmesinde olduğu gibi, iki yapı aynı parçaları taşısa da uzayda birbirinin yerine tam olarak geçemez. Bir molekülün ayna görüntüsüyle üst üste getirilememesi, onun kiral olduğunu gösterir.

Organik kimyada kiralite çoğu kez dört farklı gruba bağlı bir karbon atomuyla ilişkilendirilir. Böyle bir karbon, kiral merkez veya stereojenik merkez olarak değerlendirilir. Kontrol için karbonun bağlı olduğu dört grubun aynı olup olmadığına bakılır. Dört grup birbirinden farklıysa bu karbon, giriş düzeyindeki sorularda kiral merkez adayıdır. Aynı iki grup varsa bu ölçüte göre kiral merkez kabul edilmez.

Bu kuralı dikkatli kullanmak gerekir: Dört farklı gruba bağlı karbon bulunması, birçok temel soruda kiral merkezi belirlemek için yeterli bir ölçüttür; fakat kiralite yalnızca bu karbon tipine indirgenemez. Molekülün bütünü de incelenmelidir. Simetri gibi yapısal özellikler, kiral merkezler bulunsa bile molekülün genel kiralitesini etkileyebilir. Bu yüzden önce merkezleri bulun, ardından tüm molekülün ayna görüntüsüyle üst üste gelip gelmediğini değerlendirin.

Kiral merkezler R veya S olarak adlandırılabilir. R-S etiketi, ışığın hangi yönde döndüğünü söylemez; yalnızca öncelik kurallarına göre üç boyutlu düzenin adını verir.

R-S adlandırmasında yön değil öncelik belirleyicidir

R-S adlandırması Cahn-Ingold-Prelog kurallarına dayanır. Amaç, kiral merkeze bağlı dört grubu öncelik sırasına koyup uzaysal düzeni adlandırmaktır.

Uygulama basamakları:

1. Kiral merkeze bağlı dört grubu belirleyin.
2. Önce doğrudan bağlı atomların atom numaralarını karşılaştırın; eşitlik varsa bağlı atom katmanlarını sırayla karşılaştırarak ilk farklılıkta daha yüksek atom numarasına sahip gruba öncelik verin. Gerekli durumlarda izotop kütleleri ve çoklu bağ kuralları uygulanmalıdır.
3. En düşük öncelikli grup 4 numaradır. Bu grup gözlemciden uzağa bakacak şekilde düşünülür.
4. 1, 2 ve 3 numaralı grupların izlediği yönü inceleyin. Saat yönü R, saat yönünün tersi S olarak adlandırılır.
5. Düşük öncelikli grup gözlemciye doğru bakıyorsa, görülen yön ters çevrilerek karar verilir.

Buradaki kritik nokta, R-S adının sağa veya sola çizilmiş bir şekle doğrudan bakılarak verilmemesidir. Öncelik sırası kurulmadan saat yönünü yorumlamak hatalıdır. Ayrıca R-S ile (+)-(-) işaretleri aynı bilgi değildir. R veya S, mutlak konfigürasyonu; (+) veya (-) ise polarize ışığın dönme yönünü belirtir. Bir molekülün R olması, onun mutlaka (+) olacağı anlamına gelmez.

Enantiomer ve diastereomer ayrımı nasıl yapılır?

Enantiomerler, birbirinin üst üste getirilemeyen ayna görüntüsü olan stereoizomerlerdir. İki yapı aynı bağlanma düzenine sahip olur; bütün ilgili kiral merkezlerin uzaysal düzeni birbirine karşılık gelecek biçimde terslenir. Tek stereojenik merkezli bileşiklerde enantiomer çifti genellikle R ve S olarak gösterilir. Birden fazla merkez varsa tüm karşılık gelen stereojenik merkezlerin konfigürasyonları karşılaştırılmalıdır; hepsi terslenmişse enantiomer, yalnızca bazıları farklıysa diastereomer değerlendirmesi yapılır.

Diastereomerler ise stereoizomer oldukları hâlde birbirinin ayna görüntüsü olmayan izomerlerdir. Birden fazla stereojenik merkez içeren yapılarda bazı merkezlerin düzeni farklı, bazıları aynı olabilir. Bu durumda yapılar ayna görüntüsü çifti oluşturmaz ve diastereomer olarak adlandırılır.

Karar kuralı şöyledir: Önce atomların bağlanma düzeninin aynı olduğunu doğrulayın. Ardından iki yapının ayna görüntüsü ilişkisini kontrol edin. Ayna görüntüsü ve üst üste getirilemezlik varsa enantiomer; ayna görüntüsü değilse diastereomer sonucuna gidilir.

Optik açıdan enantiomerlerin önemli bir özelliği, saf örneklerde polarize ışığı eşit miktarda fakat ters yönde döndürmeleridir. Bir enantiomerin dönmesi + ise diğeri aynı büyüklükte - yönde döndürür. Bu ifade, dönme büyüklüklerinin eşit olduğu ideal karşılaştırmayı anlatır; R-S etiketinden dönme yönü çıkarılamaz.

Eşit miktarda, yani 1:1 oranında enantiomer içeren karışıma rasemat denir. Bir enantiomerin döndürme etkisi diğerinin ters etkisiyle dengelendiği için rasemat net olarak optik açıdan inaktiftir. Bu, karışımdaki moleküllerin kiral olmadığı anlamına gelmez; dönmelerin birbirini dengelemesi anlamına gelir.

Çözümlü örnekler: 2-bütanol ve rasemat

Örnek 1: 2-bütanolde kiral merkez ve enantiomer çifti

Verilen: 2-bütanolde ikinci karbon atomuna hidroksil grubu, hidrojen, metil grubu ve etil grubu bağlıdır.

Çözüm adımları:

1. İncelenecek atomu belirleyin: ikinci karbon.
2. Bu karbona bağlı dört grubu listeleyin: OH, H, CH3 ve CH2CH3.
3. Bu dört grubun birbirinden farklı olup olmadığını kontrol edin. Dört grup farklı olduğundan ikinci karbon kiral merkezdir.
4. Bu merkez etrafındaki üç boyutlu düzenin ayna görüntüsünü düşünün. Ayna görüntüsüyle üst üste getirilemeyen iki yapı oluşur.
5. Bu iki yapı aynı bağlanma düzenine sahip ve birbirinin ayna görüntüsü olduğundan enantiomer çifti oluşturur.

Sonuç: 2-bütanolün bu iki stereoizomeri, kiral merkez nedeniyle oluşan enantiomerlerdir. Bir çizimdeki yapıya R veya S demek için önce grupların CIP öncelikleri belirlenmeli ve 4 numaralı grup uzak konuma alınmalıdır; yalnızca molekül adından veya +/− işaretinden R-S sonucu çıkarılamaz.

Örnek 2: 1:1 enantiomer karışımının optik etkisi

Verilen: Bir karışımda iki enantiomer eşit, yani 1:1 oranında bulunmaktadır. Bir enantiomer polarize ışığı belirli bir yönde döndürürken diğeri aynı büyüklükte ters yönde döndürmektedir.

Çözüm adımları:

1. Birinci enantiomerin dönmesini pozitif bir değer gibi düşünün: $+\alpha$.
2. İkinci enantiomerin dönmesi buna eşit ve ters yönlüdür: $-\alpha$.
3. Toplam dönmeyi yazın: $+\alpha + (-\alpha) = 0$.
4. Net dönme sıfır olduğundan karışım polarimetrede optik açıdan inaktif görünür.

Sonuç: Karışım rasemattır. Buradaki inaktivite, her molekülün kiralitesini kaybettiği anlamına gelmez; iki enantiomerin polarize ışık üzerindeki etkileri birbirini götürür.

Polarimetre verisi nasıl yorumlanır?

Optik aktivite, bir maddenin polarize ışığın düzlemini döndürme yeteneğidir. Kaynak metinde verilen özgül dönme bağıntısı şöyledir:

$[\alpha] = \frac{\alpha_{gözlenen}}{l \times c}$

Burada $[\alpha]$ özgül dönmeyi, $\alpha_{gözlenen}$ ölçülen dönme açısını, $l$ çözelti tüpünün uzunluğunu desimetre cinsinden ve $c$ derişimi g/mL cinsinden ifade eder.

Bağıntının karar kuralı şudur: Aynı madde için ölçüm koşulları karşılaştırılabilir olduğunda, gözlenen dönme açısı tüp uzunluğu ve derişimden etkilenebileceği için doğrudan farklı örnekleri karşılaştırmak yerine özgül dönme değeri kullanılır. Ölçülen değer pozitifse dönme bir yönde, negatifse ters yöndedir. Ancak bu işaret R veya S konfigürasyonunu göstermez.

Eşit miktarda iki enantiomer varsa net dönme sıfıra yaklaşır. Bu nedenle polarimetrede optik aktivite gözlenmemesi, tek başına örneğin akiral olduğunu kanıtlamaz; rasemat olasılığı da değerlendirilmelidir. Ayrıca optik aktivite değerlendirmesi yapılırken ölçüm koşulları, derişim ve tüp uzunluğu gibi bağıntıda yer alan değişkenler göz ardı edilmemelidir.

İlaçlarda ve biyolojik tanımada üç boyutlu uyum

Enzimler ve hücresel reseptörler belirli üç boyutlu yüzeylere sahip olduklarından, bir bileşiğin stereoizomeri biyolojik etkileşimi etkileyebilir. Bu nedenle bir enantiomer terapötik etki gösterirken diğer enantiomer daha düşük etkinlik gösterebilir, etkisiz kalabilir veya farklı bir yan etki profiline sahip olabilir. Talidomid örneği, stereoizomerliğin klinik sonuçlarının değerlendirilmesi gerektiğini gösteren tarihsel bir uyarı olarak anılır.

İbuprofen örneğinde mevcut metin, S-enantiomerin ağrı kesici olarak etkili olduğunu ve R-enantiomerin vücutta S-formuna dönüştürüldüğünü belirtir. Bu örnek, bir ilacın stereoizomerlerini yalnızca adlandırmanın değil, vücutta hangi biçimde bulunduğunu ve dönüştüğünü de değerlendirmenin önemli olduğunu gösterir.

Gıda ve koku örneklerinde de aynı yapısal ilke görülür. Limonen için R-(+)-limonen ve L-(-)-limonen adları, aynı kimyasal formüle sahip enantiomerik biçimleri ayırt eder. İki biçimin farklı kokularla ilişkilendirilmesi, moleküler biçimin duyusal özellikleri değiştirebileceğini gösterir. Bu örnekler, stereoizomerliğin yalnızca çizim ve adlandırma konusu olmadığını; biyolojik tanıma, ilaç etkisi ve koku gibi sonuçlara bağlanabildiğini ortaya koyar.