🪞 סטריאוכימיה ואיזומריה

סוגי איזומריה - המפה הכללית

איזומרים הם תרכובות בעלות אותה נוסחה מולקולרית אך מבנה שונה. החלוקה הראשונה והחשובה ביותר היא בין איזומרים מבניים לבין סטריאואיזומרים.

איזומרים מבניים (Constitutional isomers) נבדלים בסדר החיבור של האטומים - כלומר איזה אטום מחובר לאיזה. לדוגמה בוטן נורמלי לעומת איזובוטן, או אלכוהול לעומת אתר עם אותה נוסחה (: אתנול לעומת דימתיל אתר).

סטריאואיזומרים (Stereoisomers) הם מולקולות בעלות אותו מבנה (אותו סדר חיבור אטומים) אך סידור שונה של האטומים במרחב. כאן מתחלקים שוב לשתי תת-קטגוריות מהותיות: קונפורמציה וקונפיגורציה.

• קונפורמציה (Conformation) - סידור מרחבי הנוצר מסיבוב חופשי סביב קשר סיגמה בודד (σ), ללא שבירת אף קשר. קונפורמרים הם למעשה 'אותה מולקולה' ברגעים שונים - הם נמצאים בשיווי משקל דינמי ולא ניתן לבודד אותם בטמפרטורת החדר.
• קונפיגורציה (Configuration) - סידור מרחבי קבוע שאינו ניתן לשינוי ללא שבירת קשרים כימיים. שינוי קונפיגורציה = יצירת מולקולה שונה (אננטיומר או דיאסטראומר).
• כלל אצבע למבחן: אם אפשר לעבור בין שני מבנים רק על ידי סיבוב סביב קשר בודד - זו קונפורמציה. אם צריך לשבור ולבנות קשר מחדש - זו קונפיגורציה (סטריאואיזומריה אמיתית).

ניתוח קונפורמציוני - תחזיות Newman

תחזית Newman מציגה מולקולה במבט לאורך קשר C-C ספציפי: האטום הקדמי מיוצג כנקודה עם שלושה קווים היוצאים ממנה, והאטום האחורי כעיגול עם שלושה קווים היוצאים משוליו.

כאשר מסובבים סביב הקשר, מתקבלות שתי קבוצות עיקריות של קונפורמציות: staggered (מדורגת) - הקבוצות הקדמיות והאחוריות ב'זוויות מקסימליות' ביניהן (60°), ו-eclipsed (מוצללת/מקבילה) - הקבוצות הקדמיות והאחוריות ישירות מול זו, ללא הפרש זוויתי (0°/120° יחסית).

עבור אתאן: קונפורמציית staggered יציבה יותר מ-eclipsed בכ-3 קק״ל/מול, בשל מזעור דחיסת האלקטרונים בקשרי ה-C-H (torsional strain / eclipsing strain). לכן staggered היא מינימום אנרגיה ו-eclipsed הוא מקסימום מקומי בעקומת האנרגיה הפוטנציאלית מול זווית סיבוב.

עבור בוטאן (סיבוב סביב C2-C3): יש כעת שתי קבוצות מתיל גדולות בנוסף למימנים. בקונפורמציית staggered מבחינים בין anti (שתי קבוצות המתיל בזווית דו-היקפית 180°, הכי רחוקות אחת מהשנייה - היציבה ביותר) לבין gauche (זווית 60° בין קבוצות המתיל - פחות יציבה מ-anti בכ-0.9 קק״ל/מול בשל דחיסה סטרית (steric strain) בין קבוצות המתיל, אך עדיין יציבה יותר מכל eclipsed).

בין קונפורמציות ה-eclipsed של בוטאן - זו שבה שתי קבוצות המתיל חופפות ישירות זו לזו (totally eclipsed, 0°) היא הפחות יציבה מכולן (אנרגיה הגבוהה ביותר בכל העקומה).

• סדר יציבות (מהיציב לפחות יציב) בבוטאן: anti > gauche > eclipsed (עם מתיל-H) > eclipsed (מתיל-מתיל).
• מקור חוסר היציבות ב-eclipsed: מתח טורסיוני (torsional/eclipsing strain) - דחיסת ענני האלקטרונים של קשרי ה-C-H/C-C הסמוכים.
• מקור חוסר היציבות ב-gauche לעומת anti: מתח סטרי (steric strain / van der Waals strain) בין הקבוצות הגדולות.
• בטמפרטורת החדר הסיבוב סביב קשר σ מהיר מאוד (חסם אנרגיה נמוך, כמה קק״ל/מול בלבד) - ולכן קונפורמרים אינם ניתנים לבידוד; בכל רגע נתון רוב המולקולות נמצאות בקונפורמציית ה-anti (האנרגטית ביותר).

ציקלוהקסן: קונפורמציית הכיסא

טבעות ציקלואלקאן, בפרט ציקלוהקסן, אינן שטוחות - מבנה משושה שטוח היה כופה זוויות קשר של 120° על פחמנים sp3 (הזווית האידיאלית היא 109.5°), ובנוסף היה יוצר את כל קשרי ה-C-H הסמוכים ב-eclipsed. הטבעת 'מתקפלת' כדי למזער את שני סוגי המתח הללו.

הקונפורמציה היציבה ביותר של ציקלוהקסן היא קונפורמציית הכיסא (chair) - בה כל זוויות הקשר קרובות ל-109.5° וכל קשרי ה-C-H הסמוכים הם ב-staggered לחלוטין (ללא eclipsing strain כלל). קונפורמציות אחרות כמו הסירה (boat) והכיסא-פיתול (twist-boat) הן בעלות אנרגיה גבוהה יותר ומהוות בדרך כלל מצבי ביניים (transition states/high-energy conformers) במעבר בין שני כיסאות.

בקונפורמציית הכיסא, לכל פחמן יש שני מיקומים אפשריים לתחליף: אקסיאלי (axial) - מכוון בניצב (מקביל) לציר הטבעת, למעלה ולמטה לסירוגין; ואקוואטוריאלי (equatorial) - מכוון כלפי חוץ, בערך במישור 'המשווה' של הטבעת.

'היפוך טבעת' (Ring flip) הוא תהליך קונפורמציוני (ללא שבירת קשרים!) שבו הכיסא הופך לכיסא השני האפשרי דרך מצבי הביניים (סירה/twist-boat). בתהליך זה כל עמדה שהייתה אקסיאלית הופכת לאקוואטוריאלית ולהפך - אך העמדה היחסית (cis/trans) של תחליפים זה לזה על הטבעת אינה משתנה.

כאשר יש תחליף בודד על טבעת הציקלוהקסן, שני הכיסאות האפשריים אינם שווי-אנרגיה: הכיסא שבו התחליף הגדול נמצא באקוואטוריאלי יציב יותר, כי במיקום אקסיאלי התחליף סובל מדחיסות 1,3-דיאקסיאליות (1,3-diaxial interactions) עם שני אטומי המימן האקסיאליים הנוספים על אותו צד של הטבעת - סוג של מתח סטרי גאוש (gauche-like).

ערך A (A-value) הוא כמות אנרגטית (בקק״ל/מול) המבטאת כמה יותר יציב הכיסא שבו קבוצה נתונה נמצאת באקוואטוריאלי לעומת אקסיאלי - ככל שהקבוצה גדולה יותר (מבחינה סטרית), ערך ה-A שלה גדול יותר, וההעדפה שלה למיקום אקוואטוריאלי חזקה יותר. לדוגמה טרט-בוטיל (חסום מאוד סטרית) כמעט ואף פעם לא נמצא באקסיאלי.

• כיסא: כל זוויות הקשר ~109.5°, אין eclipsing strain - הקונפורמציה היציבה ביותר.
• סירה (boat) וטוויסט-בוט: אנרגיה גבוהה יותר - יש eclipsing strain (בסירה) ודחיסת 'תורן הדגל' (flagpole interactions); מהוות מצבי ביניים בדרך.
• אקסיאלי מול אקוואטוריאלי: כל פחמן בכיסא נושא אחד מכל סוג; ring flip הופך את כולם בבת אחת (אקסיאלי↔אקוואטוריאלי) בלי לשבור קשרים ובלי לשנות cis/trans.
• בטבעת עם שני תחליפים או יותר - הכיסא המועדף הוא זה שממקסם את מספר/גודל התחליפים באקוואטוריאלי (משקללים לפי ערכי A).

כיראליות ומרכזים סטריאוגניים

אובייקט כיראלי (Chiral) הוא אובייקט שאינו ניתן להלבשה על תמונת המראה שלו (non-superimposable mirror image) - כמו יד ימין ויד שמאל. אובייקט אכיראלי (Achiral) הוא אובייקט שכן ניתן להלבשה על תמונת המראה שלו, בדרך כלל בגלל שיש לו מישור סימטריה פנימי (plane of symmetry).

פחמן הקשור לארבע קבוצות שונות זו מזו נקרא מרכז סטריאוגני / פחמן כיראלי / פחמן אסימטרי (Stereocenter / Chiral carbon / Asymmetric carbon). מולקולה עם מרכז סטריאוגני אחד היא תמיד כיראלית; מולקולה עם שני מרכזים סטריאוגניים או יותר עשויה להיות כיראלית או אכיראלית (תלוי בסימטריה הכוללת - ראו מזו בהמשך).

קביעת קונפיגורציה R/S לפי כללי CIP (Cahn-Ingold-Prelog): (1) מדרגים את ארבע הקבוצות המחוברות למרכז הסטריאוגני לפי סדר עדיפות - קודם כל לפי המספר האטומי של האטום הראשון (ככל שגדול יותר - עדיפות גבוהה יותר), ובמקרה של שוויון בודקים את האטומים הבאים ('כדור' שלישי, רביעי וכו'). קשרים כפולים/משולשים 'מוכפלים' באטומים פנטומים (duplicate atoms) לצורך הדירוג. (2) מכוונים את המולקולה כך שהקבוצה בעדיפות הנמוכה ביותר (4) מצביעה הרחק מהצופה. (3) עוקבים אחרי הכיוון מקבוצה 1→2→3: אם עם כיוון השעון - קונפיגורציית R (Rectus); אם נגד כיוון השעון - קונפיגורציית S (Sinister).

אם קבוצה 4 (העדיפות הנמוכה) אינה מצביעה הרחק מהצופה, אפשר לתקן בשתי דרכים: לסובב את כל המולקולה במרחב (לא משנה קונפיגורציה, רק זווית צפייה), או להחליף בין שני תחליפים סמוכים - אך זכרו: החלפה בודדת של שני תחליפים הופכת את הקונפיגורציה האמיתית (R הופך ל-S ולהפך), ולכן אחרי כל החלפה יש להפוך את התוצאה שהתקבלה.

• תחזית Fischer (Fischer projection) - הצגה שטוחה שבה קווים אופקיים מייצגים קשרים המצביעים כלפי הצופה (יוצאים מהדף) וקווים אנכיים מייצגים קשרים המצביעים הרחק מהצופה (נכנסים לדף). השלד הפחמני מסודר אנכית עם הפחמן בעל מספר החמצון הגבוה ביותר (למשל אלדהיד/חומצה קרבוקסילית) למעלה.
• קביעת R/S בתחזית Fischer: אם קבוצה 4 נמצאת על קשר אנכי (מצביעה ממילא הרחק מהצופה) - עוקבים ישירות אחרי חץ 1→2→3 וקוראים את הכיוון כרגיל. אם קבוצה 4 נמצאת על קשר אופקי (מצביעה כלפי הצופה) - קוראים את הכיוון של החץ 1→2→3 והופכים אותו (כי אנחנו 'רואים' מהצד הלא נכון).
• כלל שימושי: תחזית Fischer מותר לסובב רק ב-180° במישור הדף מבלי לשנות את המשמעות הסטריאוכימית; כל סיבוב אחר (90°, הרמה מהדף וכו') עלול להפוך את הקונפיגורציה בטעות.
• אין שום קשר ישיר בין קונפיגורציית R/S לבין כיוון סיבוב האור המקוטב (+ או -) - אלו שני דברים בלתי תלויים שנקבעים בנפרד (חובה לזכור למבחן!).

סוגי סטריאואיזומרים: אננטיומרים, דיאסטראומרים ומזו

אננטיומרים (Enantiomers) הם זוג סטריאואיזומרים שהם תמונות ראי זו של זו ואינם ניתנים להלבשה זה על זה - בדיוק כמו יד ימין ושמאל. לזוג אננטיומרים יש בדיוק את אותן התכונות הפיזיקליות (נקודת רתיחה, התכה, צפיפות וכו') ואותה ריאקטיביות מול ריאגנטים אכיראליים - ההבדל היחיד הוא כיוון סיבוב האור המקוטב (סיבוב שווה בגודלו והפוך בכיוונו) והתנהגות שונה מול סביבה כיראלית אחרת (כמו אנזימים או ריאגנטים כיראליים אחרים).

דיאסטראומרים (Diastereomers) הם כל הסטריאואיזומרים שאינם אננטיומרים - כלומר סטריאואיזומרים שאינם תמונות ראי זה של זה (למשל נבדלים בקונפיגורציה של מרכז סטריאוגני אחד מתוך כמה, אבל לא בכולם). לדיאסטראומרים יש תכונות פיזיקליות שונות (נקודות רתיחה/התכה שונות, מסיסות שונה) וריאקטיביות שונה - הם למעשה חומרים שונים לחלוטין הניתנים להפרדה בשיטות רגילות (זיקוק, כרומטוגרפיה).

תרכובת מזו (Meso compound) היא מולקולה בעלת שני מרכזים סטריאוגניים (או יותר) שבכל זאת אכיראלית כמולקולה שלמה - בזכות מישור סימטריה פנימי (internal plane of symmetry) החוצה אותה. חצי אחד של המולקולה הוא 'תמונת הראי הפנימית' של החצי השני, כך שלמרות הכיראליות המקומית בכל מרכז, המולקולה כולה ניתנת להלבשה על תמונת הראי שלה. תרכובת מזו היא אופטית לא פעילה (אינה מסובבת אור מקוטב).

תרכובת מזו היא דיאסטראומר (לא אננטיומר!) של זוג האננטיומרים הכיראליים בעלי אותו מבנה - כלומר עבור מולקולה עם שני מרכזים סטריאוגניים זהים (כמו חומצה טרטרית), קיימים שלושה סטריאואיזומרים בסך הכול: זוג אננטיומרים כיראלי (R,R) ו-(S,S), ותרכובת המזו (R,S) שהיא אכיראלית ומהווה דיאסטראומר של שניהם.

תערובת רצמית (Racemic mixture / Racemate) היא תערובת של כמויות שוות (50:50) של שני אננטיומרים. מכיוון שכל אננטיומר מסובב את האור המקוטב באותה מידה אך בכיוון הפוך, הסיבובים מבטלים זה את זה ותוצאת המדידה נטו היא אפס - התערובת אופטית לא פעילה, למרות שכל מרכיב בה כיראלי לחלוטין.

• עודף אננטיומרי (Enantiomeric excess, ee%) = (סיבוב אופטי נמדד / סיבוב אופטי של האננטיומר הטהור) × 100 - מבטא כמה 'טהורה' אופטית התערובת מתוך תערובת רצמית מלאה.
• סיבוב סגולי [α] תלוי בטמפרטורה, אורך גל, ריכוז ואורך תא המדידה - הוא קבוע פיזיקלי אופייני לכל אננטיומר טהור.
• אם תגובה כימית אינה נוגעת כלל בקשרים למרכז הסטריאוגני - הסידור היחסי במרחב (הקונפיגורציה הפיזית) לא משתנה, אך שם ה-R/S עצמו (התווית) עדיין עלול להשתנות אם סדרי העדיפות של הקבוצות משתנים כתוצאה מהתגובה (למשל שינוי בקבוצה מרוחקת יותר שמשנה עדיפות CIP).
• אם תגובה כן שוברת קשר למרכז הסטריאוגני - התוצאה הסטריאוכימית (רטנציה, היפוך, או תערובת/רצמיזציה) תלויה לגמרי במנגנון התגובה (למשל SN2 גורם היפוך, SN1 גורם רצמיזציה חלקית).

מונחי סלקטיביות בתגובות אורגניות (למבחן)

שלושה מונחים חשובים מתארים כיצד תגובה 'בוחרת' תוצר מבין כמה אפשריים, וחשוב להבדיל ביניהם היטב.

• רגיוסלקטיביות (Regioselectivity) - תגובה שיוצרת יותר מאיזומר מבני אחד מאשר מאחר (למשל כלל מרקובניקוב בהוספת HX לאלקן).
• סטריאוסלקטיביות (Stereoselectivity) - תגובה שיוצרת יותר מסטריאואיזומר אחד מאשר מאחר, מבין כמה סטריאואיזומרים אפשריים (למשל עודף אחד מבין דיאסטראומרים בתגובת הוספה).
• סטריאוספציפיות (Stereospecificity) - תגובה שבה כל סטריאואיזומר של חומר המוצא נותן סטריאואיזומר שונה (או קבוצת תוצרים שונה) של התוצר - למשל SN2 הוא סטריאוספציפי כי (R)-חומר מוצא נותן תוצר אחד ו-(S)-חומר מוצא נותן את התוצר האחר (ההיפוך שלו).