ORGANİK BİLEŞİKLERDE İZOMERLİK

Transkript

1 ORGANİK BİLEŞİKLERDE İZOMERLİK İZOMERLİK : Kapalı formülleri aynı, açık (yapı) formülleri birbirinden farklı olan, aynı cins ve sayıda atom bulunduran; ancak atomların bağlanma şekilleri farklı olan ve birbirinden farklı fiziksel ve kimyasal özellik gösterilmesi durumuna izomerlik, bu gibi maddelere de birbirinin izomeri denir. Organik bileşiklerde izomerlik yapı izomerliği ve stereoizomerlik (üçboyut izomerliği) olmak üzere ikiye ayrılır. İzomerlik Yapı İzomerliği Stereoizomerlik Zincir (dallanma) izomerliği Konum izomerliği Geometrik İzomerlik Optik İzomerlik Fonksiyonel grup izomerliği Cis trans izomerlik Konformasyon izomerliği A ) YAPI İZOMERLİĞİ : Molekül formülleri aynı, açık (yapı) formülleri birbirinden farklı olan maddelere yapı izomeri denir. Yapı izomerliği atomların birbirine bağlanma durumlarına göre zincir (dallanma) izomerliği, konum izomerliği ve fonksiyonel grup izomerliği olmak üzere üç gruba ayrılır. a ) Zincir (Dallanma) İzomerliği : Zincir izomerliğinde, atomların farklı düzenlenmesi karbon zincirinde gerçekleşir. Bu izomerlik daha çok doymuş hidrokarbon olan alkanlarda görülür. Buna rağmen alkanların ilk üç üyesi olan metan (C 4 ), etan (C 2 6 ) ve propan (C 3 8 ) izomeri göstermezler. Alkanlarda izomerlik dört karbonlu alkan olan bütan (C 4 10 ) ile başlar. Bütanın, n bütan ve izobütan olmak üzere iki tane izomerisi vardır. C C 2 - C 2 - n-bütan bütanın izomerleri - C - izobütan Karbon sayısı arttıkça izomer sayısı da artar. Ancak bir molekülün kaç tane izomerinin olacağını veren bir formül yoktur. Buna göre beş karbonlu pentanın, n pentan, izopentan ve neopentan olmak üzere üç tane izomeri vardır. Pentanın izomerleri aşağıda gösterilmiştir.

2 C C 2 -C 2 -C 2 - n-pentan -C-C 2 - izopentaan Pentanın izomerleri -C - neopentan alkalı alkanlar da izomerlik gösterebilirler. Not : Kapalı formülleri aynı olduğu halde açık formülleri farklı gibi görülen moleküllerin izomer olmadığına dikkat edilmelidir. Örneğin aşağıdaki moleküller birbirinin izomeri değildirler. Kapalı formülleri aynı ancak bu moleküllerin açık formülleri de aynıdır. Bu nedenle bu moleküllerin hepsi aynı maddeye aittir. Bu moleküllerin hepsi 2 metilbütandır. Bu nedenle izomer değildirler.

3 b ) Konum İzomerliği : Maddenin fonksiyonel grup özelliği gösteren grubun farklı karbon (C) atomuna bağlanmasıyla oluşan izomerlere konum izomerisi denir. Örneğin 1 propanol bileşiği ile 2 propanol bileşiğinde ( O) fonksiyonel grubu farklı karbon atomlarına bağlanarak farklı iki konum izomerisi oluşturmuştur. Benzer şekilde 2 pentanon ile 3 pentanon bileşikleri de konum izomerisi oluşturur. Aromatik bileşiklerde de konum izomerliğinden söz edilebilir. Benzen halkasına iki atom ya da atom grubu üç farklı konumda bağlanabilir. Bu durumda üç çeşit konum izomerisi oluşur. Adlandırma yapılırken atom ya da atom grupları 1 ve 2 numaralı karbon atomlarına bağlanıyorsa orto (o ), 1 ve 3 numaralı karbon atomlarına bağlanıyorsa meta (m ), 1 ve 4 numaralı karbon atomlarına bağlanıyorsa para (p ) ön ekleri kullanılarak adlandırma yapılır ve bu şekilde orto, meta ve para izomerler oluşur. 3 C o-dimetilbenzen m-dimetilbenzen p-dimetilbenzen C 8 10 (konum izomerleri)

4 c ) Fonksiyonel Grup İzomerliği : Fonksiyonel grup farklılığından kaynaklanan izomerlik durumudur. Kapalı formülleri aynı fonksiyonel grupları farklı olan maddeler birbirinin fonksiyonel grup izomerisidir. Buna göre ; alkoller ile eterler, aldehitler ile ketonlar ve karboksilli asiler ile esterler birbirinin fonksiyonel grup izomerisidir. B ) STEREOİZOMERLİK (ÜÇ BOYUT İZOMERLİĞİ) : Birbirinin izomeri olan moleküllerde atomların birbirine bağlanma düzeyleri aynı, uzaydaki yönelişleri farklı olabilir. Bu tür izomerler stereoizomer denir. Stereoizomerlerde atomların uzaydaki yönelimleri farklı olduğu için moleküller uzayda döndürülseler bile birbirine dönüşemezler. Stereoizomerlik geometrik izomeri ve optik izomeri olmak üzere ikiye ayrılır. Geoemetrik İzomerlik : Geometrik izomerlik cis trans izomerlik ve konformasyon izomerliği olmak üzere iki grupta inelenebilir. a ) Cis trans İzomerliği : Bu izomerlik daha çok alken ve sikloalkanlarda görülür. Alkanlarda karbon (C) ile karbon (C) arasında tek bağ olduğundan tek bağ bir dönme ekseni olabileceğinden atom grupları bu eksen etrafında kolaylıkla dönebilirler. Alkenlerde ise karbonlar arasında ikili bağ, bağ etrafındaki dönmeleri engeller. Bu durum aklenlerde cistrans izomerliğinin ortaya çıkmasına neden olur. Cis trans izomerliğinin varlığı için molekülde farklı çift bağ karbonlarına bağlı iki benzer grubun olması gerekir. Bu iki benzer grup eğer çift bağın aynı tarafında yer alıyorsa cisizomer, eğer çapraz taraflarında yer alıyorsa trans izomer olarak tespit edilir. Örneğin ;

5 Not : Benzer gruplar aynı karbona bağlı olursa ya da benzer gruplar üç veya dört tane ise cis trans izomerlikten bahsedilemez. Örneğin ; molekülleri cis trans izomerlik göstermezler. Sikloalkan molekülleri düzlemseldir. Karbon atomlarına bağlı atom veya atom grupları bu düzlem dışında kalırlar. Bu durumda sikloalkanlarda da cis trans izomerlik durumu ortaya çıkabilir. Düzlem dışında kalan atom veya gruplar uzayda farklı yönelim göstermiş olurlar. Benzer gruplar aynı yönde ise cis izomer, farklı yönde ise trans izomer oluşur. Not : Cis izomer polar, trans izomer ise apolardır. Cis izomerlerde moleküller arası çekim kuvvetleri polar yapıda olduğu için daha fazladır. Bu nedenle cis izomerin erime ve kaynama noktası trans izomerlere göre daha yüksek olur.

6 b ) Konformasyon İzomerliği : Bir molekülde sigma bağı etrafında grupların serbestçe dönmesi, çok sayıda molekül şekillerinin elde edilmesini sağlar. Bu şekillere molekülün konformasyonları ve bu izomeriye konformasyon izomerisi denir. Tek bağ etrafındaki dönmeler sonucu oluşan bu yapılara konformer (veya rotomer) denir. Tek bağ etafında dönme gerçekleşebildiği için konformerler birbirine dönüşebilir. Bu nedenle konformerler aynı bileşiğin üç boyutlu düzlemde dizilişleri farklı şekilleridir. Buna göre bir molekülün bir çok konformeri olacaktır. Fakat bu konformerlerin enerjileri birbirnden farklıdır. En düşük enerjili konformer en kararlı olandır. Dolayısıyla yüksek enerjili diğer konformerler düşük enerjili konformere dönüşmeyi tercih ederler ve molekül enerjisi en düşük olan en kararlı konformer yapısında bulunmak ister. Konformerler farklı şekillerde gösterilirler. Bunlar; üç boyutlu gösterim, top çubuk modeli ile gösterim ve Newman izdüşüm formülü gösterimidir. Örneğin etan molekülünde, moleküldeki sigma bağı etrafındaki dönme izninden dolayı moleküle ait sonsuz sayıda konformer yazılabilir. Fakat molekül için en olası konformasyon en düşük enerjiye sahip olan konformerdir. Etan için en kararlı konformasyon çapraz konformasyon, en kararsız konformasyon ise çakışık konformasyondur. Aşağıda etan molekülü için çapraz ve çakışık konformasyonlar üç boyutlu formül ve Newman izdüşüm formülü ile gösterilmektedir. alkalı alkanlar da çeşitli konformer durumları gösterirler. Örneğin sikloheksan halkasının düşünülebilecek pek çok biçimi vardır. Bunlar ; koltuk, yarı koltuk, twist ve kayık konformerleridir. Bu konformerlerden en karlı olanı koltuk şeklidir. En kararsız olanı da yarı koltuk şeklidir. Optik İzomerlik (Optikçe Aktiflik) : Aynada görüntüsü oluşan bir cismin, kendisiyle aynadaki görüntüsü özdeştir. Örneğin bir güneş gözlüğünün kendisi ile aynadaki görüntüsü özdeş olacaktır. Güneş gözlüğü ile aynadaki görüntüsü üst üste getirildiğinde birebir örtüşecektir. Ancak gözlüğün camlarında biri çıkarılırsa, bu durumda bir farklılık oluşacaktır. Gözlükteki sağ cam çıkarıldığında görüntüdeki sol camın çıkmış olduğu görülecektir. Bu durumda görüntü ile cisim üst üste konulduklarında örtüşmeyeceklerdir. Bu şekilde aynadaki görüntüsü ile örtüşmeyen bu cisimlere asimetrik (kiral) cisimler denir. Bütün üç boyutlu cisimler simetrik veya asimetriktir. Benzer şekilde sol elimiz ile aynadaki görüntüsü de üst üste çakışmaz. Sol elimize giydiğimiz eldiveni sağ elimize giyemeyiz. Çünkü sol elimiz ve görüntüsü asimetriktir. Bu durum aşağıdaki şekillerle gösterilmiştir.

7 Aynadaki görüntüsüyle üst üste getirildiklerinde çakışmayan moleküllere asimetrik moleküller denir. Bir molekülün asimetrik olması için genellikle sp 3 hibritleşmesi yapmış karbon atomuna, dört farklı atom ya da atom grubu bağlanmış olmalıdır. Moleküldeki dört değişik atomun ya da grubun bağlı olduğu karbon atomuna asimerik karbon (veya kiral karbon) atomu denir ve üzerine (*) işareti konulur. Asimetrik karbon atomu içeren moleküllere de asimetrik veya kiral molekül denir. Bu şekilde asimetrik karbon atomu içeren ve görüntüsüyle birebir örtüşmeyen molekül çiftine de birbirinin optik izomeri veya enantiyomeri denir. Bir molekülde birden fazla kiral karbon atomu bulunabilir. Bu durumda optik izomer sayısı 2 n formülü ile bulunur. Enantiyomerlerin fiziksel ve kimyasal özellikleri büyük ölçüde aynıdır. Tek farkları polarize olmuş ışığı çevirme yönlerinin farklı olmasıdır. Bundan dolayı bu moleküller ayrıca optikçe aktif moleküller olarak da ifade edilirler. 3 metilkekzanın optik izomerleri (enantiyomerleri) aşağıda gösterilmiştir.

8 Enantiyomerlerin fiziksel ve kimyasal özellikleri büyük ölçüde aynıdır. Fakat enantiyomerler diğer asimetrik moleküllerle tepkimelerinde ve polarize ışık ile etkileşimlerinde farklılıklar gösterirler. Enantiyomerlerden birisi polarize ışığın düzlemini sağa çevirirken diğeri sola çevirir. Polarize ışığın titreşim düzlemini değiştiren maddelere optikçe aktif maddeler denir. Bu nedenle enantiyomerler birbirinin optik izomeridir. Optik izomerleri eşit miktarda içeren karışımlara da rasemik karışım denir. Polarize ışık rasemik karışımdan geçirildiğinde sağa veya sola çevrilme olmaz. Doğal ışık her doğrultuda titreşerek yayılır. Doğal ışık, kalsit (CaCO 3 ) kristalinden geçirildiğinde tek bir düzlem boyunca titreşen bir ışık elde edilir. Bir düzlem boyunca yayılan bu ışığa düzlem polarize ışık denir. Polarize ışık optikçe aktif bir maddenin bulunduğu bir çözeltiden geçirilirse ışığın yayılma düzlemi sağa ya da sola çevrilir. Polarize ışığın yayılma düzlemini sağa çeviren enentiyomer, adlandırmada (+) işareti ile, sola çeviren ( ) işareti ile ifade edilir. Emil Fischer, optikçe aktif bileşiklerin yapılarının belirlenmesinde (+) gliseraldehitin temel bileşik olarak alınmasını ve (+) gliseraldehitin D (dekstrorotatori),bunun enantiyomeri olan ( ) gliseraldehitin L (levorotatori) sembolüyle gösterilmesini önerdi, bu öneri kabul edildi ve böylece gliseraldehit enentiyomerleri D gliseraldehit ve L gliseraldehit olarak yazıldı. CO CO C * * O C 2 O D-gliseraldehit O C C 2 O L-gliseraldehit D L gösteriminin (+) ve ( ) ile ifade edilen çevirme açısıyla ilgisi yoktur. D L gösterimi bileşiğin yapısıyla ilgilidir. D yapısına sahip olup polarize ışığı sağa (+) çeviren bileşikler olduğu gibi sola ( ) çeviren bileşikler de vardır. Örneğin D (+) gliseraldehit polarize ışığı sağa çevirirken, D ( ) laktik asit sola çevirir. Optikçe aktif bir maddenin polarize ışığı sağa mı yoksa sola mı çevireceği molekül yapısına bakarak belirlenemez, deneysel olarak belirlenebilir. D ve L ifadeleri günümüzde pek kullanılmaktadır. Bir organik bileşiğin optik izomerlerinden birbirinin ayna görüntüsü olmayanlara diastereomerler denir. Diastereomerlerin fiziksel ve kimyasal özellikleri birbirinden farklıdır. Örneğin cis 2 büten ve trans 2 büten molekülleri diastereomerdirler. Kısaca enantiyomer olmayan izomerlere diastereomer denir. 3 C 3 C C 3 C C C C C 3 cis-2-büten trans-2-büten diastereomer

9 R S Adlandırma Sistemi : Optikçe aktif bileşiklerin bazılarının D ve L sembolleri ile gösterilişinde sorun olduğundan D ve L sembollerinin kullanımları pek yaygın değildir. Bu sorunu gidermek için Chan (çen), Ingold ve Prelog yeni bir sistem önermiştir. Bu sisteme R S sistemi denir. Bu sisteme göre kiral karbon etrafındaki atom veya atom gruplarına öncelik sırasına göre 1, 2, 3 ve 4 numaraları verilir. Atom veya atom gruplarına öncelik sırası verilirken şu kurallar uygulanır. Atom numarası en büyük olan atom en önceliklidir ve 1 numara ile gösterilir. Sonrakiler atom numaralarının azalışına göre 2, 3 ve 4 ile numaralandırılırlar. Örneğin organik bir bileşikte Br, Cl, O, C ve elementleri kiral karbona bağlı ise büyükten küçüğe doğru 35 Br > 17 Cl > 8 O > 6 C > 1 şeklinde sıralanırlar. Asimetrik karbon atomuna bağlı grupların ilk atomu aynı ise bağlı gruplardaki ikinci veya üçüncü atomların atom numaraları dikkate alınır. angisinin atom numarası büyük ise 1 numara ona verilir. Örneğin bağlı gruplar COO, CO ve ise 1 numara COO, 2 numara CO ve 3 numara grubuna verilir. Kiral karbon atomuna bağlı gruplarda ikili (C=C) ve üçlü (C C) bağ varsa üçlü bağ içeren grup ikili bağ içeren gruptan daha önceliklidir. Kiral karbona bağlı gruplara bu kurallar uygulanarak numaralar verildikten sonra 4 numaralı grup yok varsayılarak üstü kapatılır. Daha sonra kalan gruplar üzerlerindeki numaralara göre yönünde ok çizilerek takip edilir. Eğer okun yönü saat yönünde ise molekül R olarak, saat yönünün tersi yönde ise S olarak tespit edilir. Moleküllerin üç boyutlu formüller ile gösterilmesi durumunda eğer 4 numaralı en düşük öncelikli grup ( ) veya ( ) ile gösterilmiş ise bulunan yön, eğer ( ) ile gösterilmiş ise bulunan yönün tersi olarak ifade edilir O O O C C 3 C C 3 C 2 3 C C 2 C C S-2-bütanol R-2-bütanol R-2-bütanol

10 n bütan bileşiği aşağıdakilerden hangisi ile izomerdir. l. 2 metilpropan ile n bütan ll. metilsiklobütan ile 2 metilbütan lll. 2 metilbütan ile trimetilmetan yukarıda verilen bileşik çiftlerinden hangileri birbirinin izomeridir. A ) yalnız l B ) yalnız ll C ) yalnız lll D ) l ve ll E ) l ve lll Aşağıda verilen bileşiklerden hangisinin cis trans izomeri vardır. (2011 LYS) A ) 2 metil 2 büten B ) 2 metilpropen C ) 1 penten D) propen E ) 2 büten Aşağıda verilen bileşiklerden hangisinin cis trans izomeri yoktur Yukarıda verilen molekül ile ilgili olarak l.cis trans izomeri gösterir ll.apolar moleküldür lll. Trans 2 brom 2 büten olarak adlandırılır yargılarından hangileri yanlıştır. A ) yalnız ll B ) l ve ll C) l ve lll D ) ll ve lll E ) l, ll ve lll

11 C = C Yanda verilen organik bileşik ile ilgili olarak Cl l. cis trans izomeri gösterir ll. doymamış hidrokarbondur lll. sp 2 hibrit orbitali içeren 2 tane karbon atomu vardır lv. 1 klorpropen olarak adlandırılır V. Klorsiklopropan ile yapı izomeridir yargılarından kaç tanesi doğrudur A ) 1 B ) 2 C ) 3 D ) 4 E ) 5 l. cis 2 büten ile trans 2 büten ll. 1,3 bütadien ile 2 bütin lll. Metilsiklopropan ile trans 2 büten yukarıda verilen bileşik çiftlerinden hangileri birbirinin yapı izomeridir A ) yalnız l B ) yalnız ll C ) yalnız lll D ) l ve ll E ) ll ve lll Yukarıda verilen moleküllerden hangileri R izomerdir A ) yalnız ll B ) l ve ll C) l ve lll D ) ll ve lll E ) l, ll ve lll