التشكل في الألكانات Isomerism in alkanes

التشكل في الألكانات Isomerism in alkanes

التشكل البنائي في الألكانات  Structural isomerism in alkanes

أن التشكل البنائي ظاهرة واسعة الانتشار في المركبات العضوية وتعنى وجود اكثر من صيغة بنائية لصيغة جزيئية واحدة.

ينقسم التشكل البنائي عموماً إلى ثلاث أنواع:

(1) متشكلات السلسلة Chain isomerism

(2) المتشكلات الموضعية Positional Isomerism

(3) متشكلات المجموعة الوظيفية Functional Isomerism

ولكن في الألكانات يوجد نوعين فقط هما متشكلات السلسلة أو المتشكلات الموضعية.

أولاً: المتشكلات الهيكلية Skeletal isomers

تعرف إيضاً باسم متشكلات السلسلة Chain isomerism
 
المتشكلات الهيكلية هى متشكلات لها نفس الصيغة الجزيئية ولكن تختلف في الهيكل الكربوني
 
مثال: الصيغة الجزيئية C4H10 يكون لها الصيغتين البنائيتين التاليتين:
 

مثال (1): ماهي المتشكلات الهيكلية للصيغة الجزيئية C5H12 ؟

لإيجاد المتشكلات يجب تحديد نوع الألكانات أولاً خلال التعويض في القانون العام للألكانات الحلقية وغير الحلقية. من الصيغة الجزيئية n= 5


ينطبق عليها القانون العام للألكانات غير الحلقية وهذا يعنى أن جميع المتشكلات غير حلقية.

 
التشكل في الألكانات Isomerism in alkanes
 
مثال (2): ماهي المتشكلات المتوقعة للصيغة الجزيئية C5H10 ؟


لا ينطبق عليها القانون العام للألكانات غير الحلقية.

 

ينطبق عليها القانون العام للألكانات الحلقية أي أن جميع المتشكلات تكون حلقية.
 
التشكل في الألكانات Isomerism in alkanes
 
ملاحظات هامة:
 
** يطلق على المتشكلات اسم isomers المشتق من اللغة اليونانية isos+meros وتعنى “تتكون من نفس الأجزاء”.
 
** يزداد عدد المتشكلات بزيادة عدد ذرات الكربون في الصيغة الجزيئية والجدول التالي يوضح عند متشكلات الألكانات الممكنة لبعض الصيغ الجزيئية.
 
 
مثال (3): ماهي كل المتشكلات المتوقعة للصيغة الجزيئية C7H16 ؟
 
ينطبق عليها القانون العام للألكانات غير الحلقية ويكون المتشكل الأول هو سلسلة غير متفرعة.
 
 
من المتشكل الأول نوجد المتشكل الثاني بتغيير موقع احدى مجموعات CH3 الطرفية حيث تستبعد ذرة الكربون المجاورة لها والطرفية فيكون هناك أربع مواقع يمكن استبدال المجموعة عليها كما يلي:
 
التشكل في الألكانات Isomerism in alkanes
 
ولإيجاد المتشكل الثالث ننقل مجموعة CH3 على ذرة الكربون رقم (2) بنفس الطريقة.
 
 
وعند وضع المجموعة في الموقع رقم (3) يكون هو نفس المتشكل الثالث ولكن مع اتجاه معاكس وكذلك عند وضعها على ذرة الكربون رقم (4) يكون نفس المتشكل الثاني لذا يجب إيجاد باقي المتشكلات الأخرى من أحد المتشكلين الثاني أو الثالث فمثلاً من المتشكل الثاني وبنفس الطريقة نستبدل مجموعة CH3 البعيدة عن التفرع:
 
التشكل في الألكانات Isomerism in alkanes
 
 
من المتشكل السادس نوجد المتشكل السابع والثامن بنفس الطريقة:-
 
 
ومن المتشكل الثامن نحصل على المتشكل التاسع كما يلي:-
 

الفرق بين النظائر و المتشكلات

النظير Isotopes: هي ذرات لأي عنصر لها نفس العدد الذري ولكنها تختلف في عدد النيوترونات.
 
المتشكل Isomerism: هو جزئ له نفس الصيغة الجزيئية لجزئ أخر يختلف عنه في الصيغة البنائية.

ثانياً: المتشكلات الموضعية  Positional isomerism

المتشكلات الموضعية هي متشكلات تختلف في موضع المجموعة غير الكربونية أو في موضع المجموعة الوظيفية من دون تغيير في الهيكل الكربوني.
 
مثال (4): ماهي متشكلات الصيغة الجزيئية C4H9Br ؟ ثم وضح أى منها تمثل متشكلات موضعية وأي منها تمثل متشكلات هيكلية؟
 
التشكل في الألكانات Isomerism in alkanes
 
مثال (5): ماهي جميع المتشكلات الموضعية للصيغة الجزيئية C2H3Br2Cl ؟
 
التشكل في الألكانات Isomerism in alkanes

التشكل الفراغي في الألكانات Stereochemistry of Alkanes

التشكل الفراغي عموماً هو فرع من فروع الكيمياء الذي يهتم بدراسة الشكل ثلاثي الأبعاد للجزيئات Three-dimensional الناتج عن وضع الجزيء في الفراغ . 
 
ينقسم التشكل الفراغي عموماً إلى نوعين:
(1) التشكل الهندسي Geometric isomerism
(2) التشكل الضوئي Optical isomerism
 
ولكن في الألكانات يوجد نوع واحد فقط وهو التشكل الهندسي

هيئات الألكانات Conformations of Alkanes

 توجد في الألكانات غير الحلقية حيث يكون الدوران حول الروابط C-C دوران حر أي غير مقيد free rotation بمعنى أن ذرات الهيدروجين أو المجموعات المتصلة بذرات الكربون تكون في حالة تبادل مستمر بين الهيئات الممكنة بسرعة كبيرة.

 لا تمثل هذه الهيئات متشكلات وذلك بسبب صعوبة فصلها.

هيئات الإيثان Conformation of ethane

 
يعرف هذا التمثيل للهيئات بهيئة الحصان Sawhorse representations وفية تظهر الرابطة C-C بزاوية منحرفة وروابط C-H بوضوح كبير على ذرتي الكربون.
 
 أن هذه الهيئات الناتجة من الدوران حول الرابطة C-C لا حصر لها وهى غير متساوية في الطاقة وبالتالي غير متساوية في الثبات وتسمى كل واحدة منها Conformer  والتى اشتقت من كلمتى Conformational isomer وهناك هيئتان رئيسيتان هما:
 
(1) هيئة الخسوف Eclipsed conformation
 
 وهي أقل الهيئات ثباتاً وأعلاها طاقة لأن التنافر بين أزواج الإلكترونات الرابطة يكون أعلى ما يمكن بسبب أعلى ما يمكن بسبب قرب روابط C-H من بعضها.
 
 التمثيل التالي يعرف بإسقاط نيومان Newman projections نسبة للعالم Melvin s.Newman وفيه تظهر الرابطة C-C مباشر من نهايتها وتمثل ذرتي الكربون بدائرة Circle
 
(2) هيئة الانفراج Staggered conformation
 
 هي أكثر الهيئات ثباتا لأنها أقل طاقة بسبب بعد الذرات أو المجموعات عن بعضها
 
 يوجد بين هاتين الهيئتين عدد لا حصر له من الهيئات تسمى Skew conformation

تحليل الهيئة Conformational analysis

هو عبارة عن دراسة تغيرات الطاقة المرافقة لدوران المجموعات حول رابطة احادية.

تحليل هيئة البيوتان  Conformational analysis of Butane

تحليل هيئة البيوتان (الدوران حول الرابطة C2 – C3) : CH3-CH2-CH2-CH3
 

التشكل في الألكانات Isomerism in alkanes

(1) الهيئة المتعاكسة conformation Anti:

 هي الهيئة التي تكون فيها مجموعتي الميثيل متعاكستين تماماً وبناءاً علية تكون هي الهيئة الأكثر استقراراً.
 
(2) الهيئة المائلة  Gauche conformation:
 
هي الهيئة التي تكون فيها مجموعتي الميثيل متقاربتان من بعضهما أكثر من أنصاف أقطار فاندرفال مما يجعل قوى فاندرفال قوة تنافر (بسبب قرب السحب الإلكترونية في المجموعتين) وبالتالي تكون هذه الهيئة أعلى في الطاقة من الهيئة المتعاكسة وأقل ثباتاً.
 
إن الهيئتين المتعاكسة والمائلة لا تحتويان على إجهاد التوائي Torsion strain وذلك لأن المجموعات تكون في وضع متبادل فتصبح أقل الهيئات في الطاقة و أآثرها استقرارا.
 
 (3)هيئة الخسوف Eclipsed conformation
 
هي الهيئة التي تكون فيها المجموعات أو الذرات في وضع متطابق أو متقابل ويوجد بها إجهاد التوائي بالإضافة إلى قوة التنافر بين المجموعات أو الذرات وبالتالي تكون الهيئة (IV) أعلى الهيئات طاقة وأقلها ثباتا.

ملاحظات هامة

أنصاف أقطار فاندرفال Van der Waals Radii
 
هي نصف المسافة بين النواتين عند الاتزان وتمثل نصف قطر الذرة
 
الأجهاد الالتوائي Torsion strain
 
 كان يعرف سابقاً بإجهاد بيترز Pitzer strain
 
 ينشأ هذا الإجهاد عند وجود مجموعتين X , Y مستبدلتين على ذرتين كربون متجاورتين C1 , C2 وتكون كل منهما على زاوية الدوران أو الالتواء  Dihedral angle بحيث تكون قيمة الزاوية 60 < <0 
 
يكون الإجهاد الإلتوائي أعلى ما يمكن عند الزاوية صفر.
 
مثال محلول: ارسم اسقاط نيومان هيئات المركب للدوران حول الرابطة C2-C3؟ وهل محصلة العزم القطبي لها تساوي صفراً أم لا ؟ ثم وضح أي الهيئات تكون الأكثر ثباتا ؟
الحل:
 
 
الهيئة الأكثر استقرارا هي رقم (I) ومحصلة العزم القطبي لها لا تساوي صفراً.

التشكل الهندسي Geometric isomerism

في الألكانات الحلقية يكون الدوران حول روابط C-C مقيد فيكون للجزيئات ذات الصيغة الجزيئية الواحدة والربط الداخلي الواحد توزيع مختلف للذر ات أو المجموعات في الفراغ فإذا كانت المجموعتين على نفس الجانب من الحلقة يسمى بالمتشكل الجانبي Cis وإذا كانت على جانبين متعاكسين يسمي بالمتشكل القطري Trans
 
 
المراجع: أسس الكيمياء العضوية / وائل غالب محمد – وليد محمد السعيطي / الطبعة الأولى (2008) / دار الكتب الوطنية – بنغازي – لبيبا
 

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *