شیمی فضایی

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو
بیشترین کاربرد شیمی فضایی در مولکول‌های آلی است.(درپرونده: شکل فضایی مولکول اکستازی)

شیمی فضایی (به انگلیسی: Stereochemistry) شاخه‌ای از دانش پایه‌ی شیمی است که به بررسی و مطالعه آرایش فضایی اتم‌ها برای تشکیل مولکول می‌پردازد.

دو موضوع اساسی در شیمی فضایی، کایرالیته و تقارن مولکولی هستند. شیمی فضایی با عنوان شیمی سه‌بعدی (به انگلیسی: 3D Chemistry) نیز شناخته می‌شود. این شاخه از دانش، بر ایزومریِ فضایی و ارتباط آنها با طیف‌های ورودی در شیمی آلی، شیمی معدنی، زیست‌شیمی و به‌ویژه شیمی فراذره‌ای تمرکز دارد.


تاریخچه شيمي فضايي[ویرایش]

در سال 1848 لوئي¬پاستور، شيمي¬دان دانشسراي عالي پاريس، آزمايش¬هايي را انجام داد که چند سال بعد او را واداشت تا پيشنهادهايي در زمينه اساس شيمي فضايي ارائه دهد. پاستور در آن هنگام مرد جواني بود که با درجه دکتري در علوم از کالج سلطنتي بزانکن (جايي که موفق به اخذ ديپلم علوم با درجه متوسط در شيمي شده بود) به دانشسراي عالي آمد. براي به¬دست آوردن تجربه در زمينه بلورشناسي، وي کار قبلييک شيمي¬دان ديگر را بر روي نمک-هاي تارتاريک اسيد تکرار نموده و چيزي را مشاهده کرد که قبلاً به آن توجهي نشده بود. سديم¬آمونيم¬تارتارات غيرفعال نوري به¬صورت مخلوطي از دو نوع بلور متفاوت وجود دارد که تصوير آينه‌اي هم هستند. وي با استفاده از يک عدسي و يک پنس، با دقت و کوشش فراوان مخلوط را به دو توده کوچک مجزا کرد (يکي بلورهاي راست¬دست و ديگري چپ¬دست)، به¬همان صورتي که دستکش¬هاي دست راست و چپ را که در پيشخوان مغازه‌اي بر روي هم انباشته شده‌اند، از هم جدا مي‌نمائيم (شکل 3-1). اگرچه مخلوط اصلي از نظر نوري غيرفعال بود ولي هر قسمت از بلورها که در آب حل مي‌شدند از خود فعاليت نوري نشان مي‌دادند! به¬علاوه چرخش ويژه هر دو محلول دقيقاً با هم برابر اما با علامت مخالف بود، يعنييکي از محلول¬ها نور پلاريزه مسطح را به راست و محلول ديگر به¬همان مقدار به چپ مي‌چرخاند. اين دو ترکيب در ساير خصوصيت¬ها کاملاً مشابه هم بودند. از آنجا که اختلاف در چرخش نوري در محلول مشاهده شد، پاستور نتيجه گرفت که اين اختلاف به ساختار مولکول¬ها مربوط بوده و به بلور بستگي ندارد. وي پيشنهاد نمود که مولکول¬هايي که آن بلورها را تشکيل مي¬دهند مانند خود بلورها تصوير آينه‌اييکديگر هستند. او وجود ايزومرهايي را پيشنهاد کرد که ساختار آنها فقط از نظر تصوير آينه‌اي و خواص آنها فقط از نظر جهت چرخاندن نور پلاريزه متفاوت بود. ساختارهايي وجود دارند كه تصوير آينه¬اي آنها روي خودشان منطبق نيست، همان¬طوركه دست چپ و راست بر هم منطبق نمي¬شوند. برخي اجسام، تركيب¬ها و ساختارها وجود دارند كه تصوير آينه¬اي يکديگر بوده ولي قابل انطباق نيستند. بنابراين هر كدام خصوصيت¬هاي متفاوتي دارند و در مورد ترکيب¬هاي آلي، ممكن است به شكل¬هاي مختلف وارد واكنش شوند. چنين ترکيب¬هايي را اصطلاحاً دست¬واره نيز مي¬نامند. بسياري از ترکيب¬هاي طبيعي آلي مانند کربوهيدرات¬ها، ¬نوکلئيک¬اسيدها، ¬آمينه-اسيدها و... دست¬وار هستند.

مولكول¬هاي کايرال و اِنانتيومرها[ویرایش]

وقتي در مولکولي چهار گروه مختلف به يک اتم کربن متصل باشند، آن كربن، کايرال (مرکز فضايي يا مرکز کايرال) ناميده مي‌شود. به کربن موجود در اين نوع مولكول¬ها مرکز کايرال یا کربن نا¬متقارن نيز مي¬گويند. مركز كايرال را در متون علمي به طور قراردادي با ستاره (*) نشان مي¬دهند. رابطه¬ي بين انانتيومرها همانند رابطه¬ي دست چپ و راست است و در صورتي که چهار گروه مختلف به کربن چهار وجهي متصل باشند، به وجود مي¬آيد. مولكول-هايي که حداقل يک مرکز کايرال داشته باشند بر تصوير آينه¬اي خود قابل انطباق نيستند و به-صورت يک جفت انانتيومر وجود دارند. خصوصيت¬هاي فيزيکي همچون نقطه¬ي ذوب، جوش، ميزان حلاليت و چگالی يک جفت انانتيومر کاملاً شبيه هم است و به وسيله¬ي اين روش¬ها نمي توان دو ترکيب انانتيومر را از هم جدا کرد.

مولكول¬هاي کايرال و اِنانتيومرها[ویرایش]

تقارن درمولکول به تشخيص مولکول کايرال از غيرکايرال (ناکايرال) کمک مي¬کند. مولکول فوق صفحه تقارن دارد. صفحه تقارن صفحه¬اي فرضياست که از وسط جسم يا مولکول مي-گذرد (مانند يک آينه آن را از وسط نصف مي¬کند) و نيمي از جسم يا مولکول را به¬صورت تصوير آينه¬اي نيمه ديگر درمي¬آورد. در واقع صفحه تقارن يکي از عناصر تقارني است که اگر مولکولي داراي صفحه تفارن باشد، غيرکايرال خواهد بود، همانند مولکول متان. تعداد زيادي از مولكول¬ها رامي¬توان با تشخيص صفحه تقارن به مولكول¬هاي کايرال و غيرکايرال دسته¬بندي كرد. به طور مثال،يک دست فاقد تقارن است. نصف يک دست، تصوير آيينه¬اي"نيم" ديگر نيست. البته مولكول¬هايي نيز وجود دارند که صفحه تقارن و مرکز کايرال ندارند ولي کايرال هستند که در اينجا مورد بحث قرار نمي¬گيرند.


فعاليت نوري[ویرایش]

نورخواصي دارد که با در نظر گرفتن آن به¬عنوان يک پديده موجي به¬خوبي درک مي‌شود. تعداد سطح¬هايي که از خط مسير نور مي‌گذرند بي‌شمارند و نور معمولي در همه اين سطوح در حال ارتعاش است(در واقع نور معمولي داراي امواج الکترومغناطيسي است که در تمام صفحات عمود بر مسير تابش، ارتعاش مي‌کند). اگر مستقيماً به باريکه‌اي از نور يک لامپ بنگريم، نوع ارتعاش¬هايي که روي مي‌دهند و همگي عمود بر خط بين چشمان ما و منبع نور (لامپ) هستند را نشان مي‌دهد (شكل3-5). هنگامي¬که نور از داخل منشور نيکول، (نوعي بلور CaCO3) كه يك پلاريزه¬کننده مي‌باشد، عبور داده شود، فقط برخي از امواج در يک صفحه معين (امواجي كه در جهت عمود بر يک صفحه خاص نوسان کنند) عبور مي¬کنند. اين نور موسوم به نور پلاريزه مسطح (نورقطبيده) مي¬باشد. مولكول¬هايي که نور پلاريزه مسطح را مي¬چرخانند، فعال نوري ناميده مي¬شوند. انانتيومري که سطح نور را در جهت حرکت عقربه ساعت (با قرار گرفتن بيننده در مقابل منبع) بچرخاند بهايزومر راست-گرد (Dexter در لاتين، راست) معروف است و آنرا باعلامت (+) نشان مي¬دهند و انانتيومر ديگر که سطح نور را درخلاف جهت حرکت عقربه¬هاي ساعت بچرخاند به ايزومر چپ¬گرد (Laevus در لاتين، چپ) معروف است وآن¬را باعلامت (-) نشان مي¬دهند. اين اثر متقابل با نور را فعاليت نوري گويند و انانتيومرها را ايزومرهاي نوري مي¬نامند. ما نه¬تنها مي¬توانيم چرخيدن سطح و جهت آن را تشخيص دهيم، بلکه مقدار اين چرخش را هم مي¬توانيم تعيين کنيم. اين ميزان چرخش نور توسط دستگاهي به نام پلاريمتر اندازه¬گيري مي¬شود. در واقع دستگاهي كه براي تعيين فعاليت نوري ترکيب¬هاي کايرال مورد استفاده قرار مي‌گيرد، دستگاه پلاريمتر است كه قسمت‌هاي آن شامل منبع نور، منشور پلاريزه¬کننده، لوله نمونه و آناليزور مي‌باشد. جسم را مي¬توان به¬صورت مايع خالص يا محلول در حلال معيني در لوله نمونه قرار داد، سپس نور که اغلب نور تکفام لامپ سديم است (بعد از پلاريزه¬شدن توسط منشور نيکول) از ظرف عبور داده مي¬شود. ميزان چرخش¬نوري مشاهده شده به¬وسيلهα و برحسب درصد(%) بيان مي¬گردد. مقدار چرخش نوري به غلظت، ساختار مولکول فعال نوري، طول ظرف نمونه، حلال، دما و طول¬موج نور قطبيه بستگي دارد. براي رفع ابهام، طبق قرارداد براي هر ترکيب مقدار استاندارد α، يعني چرخش¬ويژه ]α[ تعريف مي¬گردد. چرخش¬ويژه (كه به حلال بستگي دارد) عبارت است از مقدار چرخشي که توسط يک ترکيبي با غلظت g/mL 1 در لوله اي به طول dm 1 و طول موج 589 نانومتر انجام مي‌شود. چرخش¬ويژه همانند نقطه¬ذوب، نقطه¬جوش، چگالي، ضريب¬شکست و غيره يکي از خواص فيزيکي ترکيب¬هاي فعال نوري مي‌باشد. انانتيومرهاييک ترکيب، خواص فيزيکي و شيميايي بسيار شبيه هم دارند ولي تأثير آنها بر نور قطبيده مسطح متفاوت است. از اين¬رو مي‌توان دو انانتيومر يک ترکيب را با استفاده از اين چرخش (جهت و ميزان آن) از يکديگر تشخيص داد.

ترکيب¬هاي مزو[ویرایش]

تركيبي كه دو يا حتي بيشتر از دو مركز فضايي قابل انطباق با تصوير آينه¬اي خود داشته باشد، تركيب مزو ناميده مي¬شود. يكي از ويژگي¬هاي مهم تركيب مزو اين است كه يك صفحه آينه-اي دارد كه مولكول را به دو نيم مي¬كند، به¬طوري¬كه يك نيمه تصوير آينه¬اي نيمه ديگر است. يک ترکيب مزو با وجود داشتن مراکزکايرال، بر روي نور قطبيده مسطح بي-اثر است چرا که فعاليت نورييک مرکز توسط فعاليت نوري مرکز مشابه خنثي مي‌شود، ولي چون داراي مراکز کايرال است ايزومر نوريناميده مي‌شود. ساختار مزو در مورد ترکيب¬هاي حلقوي نيز صادق است.











منابع[ویرایش]