Ünite 7: Stereokimya

İzomer

Doğada aynı molekül (kapalı) formülüne sahip olan birçok bileşik vardır. Bunlar aynı molekül formülüne sahip olsa da farklı bileşiklerdir. Bu bileşiklere izomer adını verilir. İzomerler, yapı izomeri ve stereoizomer olmak üzere ikiye ayrılır.

Aynı molekül formülüne sahip oldukları hâlde, atomların farklı bir sıra ile bağlı olduğu bileşiklere yapı izomeri denir. Yapı izomerleri fiziksel ve kimyasal açıdan faklı özellik gösterirler.

Bir moleküldeki atomların bağlanma düzeni aynı fakat uzaydaki yönlenişleri farklı olan izomer türlerine stereoizomer denir. Stereoizomerler fiziksel ve kimyasal özellikleri bakımından farklı özellik gösterirler. Stereoizomerler, diastereomerler ve enantiyomerler olmak üzere iki alt gruba ayrılırlar.

Ayna görüntüsü ilişkisi olmayan stereoizomerlere diastereomer denir. Diastereomerlerin erime noktası, kaynama noktası, yoğunluk ve kırılma indisi gibi fiziksel özelllikleri birbirinden farklıdır. Enantiyomerler birbirlerinin ayna görüntüsü olan ancak üst üste koyulduğunda çakışmayan stereoizomerlerdir.

Enantiyomerler ve Kiral Moleküller

Doğadaki bütün nesnelerin ayna görüntüsü vardır. Bu nesnelerin bazıları kendi ayna görüntüleri ile çakışır iken bazıları da çakışmaz. Örneğin sağ elimizin aynadaki görüntüsü sol elimizdir. Sağ elimizi sol elimizin üstüne koyduğumuzda bunların çakışmadığını göreceğiz. Kendi ayna görüntüsü ile üst üste çakışmayan bir nesne veya bir moleküle kiral denir. Kiral kelimesi Yunanca “el” anlamına gelen “cheir” kelimesinden türetilmiştir. Kiral kelimesini enantiyomer olan molekülleri tanımlamak için kullanırız.

Bir molekülde herhangi iki grubun kendi aralarında yer değiştirmesi ile yeni bir stereoizomer oluşturacak özellikte gruplar taşıyan bir atom stereomerkez (Stereojenik merkez veya asimetrik atom) olarak tanımlanır. 2-Klorobütandaki 2 nolu karbon atomu bir düzgün dörtyüzlünün stereomerkez örneğidir. Ancak bütün stereomerkezler düzgün dörtyüzlü değildir. cis- ve trans-1,2- Dibromoetenlerin karbon atomları üçgen düzlemsel stereomerkezlere örnek olarak verilebilir.

Bir molekülde düzgün dörtyüzlü atoma bağlı olan grupların iki veya daha fazlası aynı ise bu molekül stereomerkeze sahip değildir. Dolayısıyla bu molekül ayna görüntüsü ile çakışır ve akiraldir.

Bir molekülün kiral olduğunu anlamanın üç farklı yolu vardır. Bunlar:

• Bir molekül kendi ayna görüntüsü ile çakışmıyorsa kiraldir.
• Düzgün dört yüzlü tek bir stereomerkeze sahip ise molekül kiraldir.
• Eğer bir molekül simetri düzlemine sahip değil ise o molekül kiraldir.

Kiral bir moleküldeki stereomerkezin hangi konfigürasyona sahip olduğunu belirlemek için bazı kurallar takip edilir.

Kural 1: Kiral bir moleküldeki stereomerkeze doğrudan bağlı dört farklı grubun atom numarasına bakılarak öncelik sıralaması belirlenir.

Kural 2: Eğer stereomerkeze doğrudan bağlı sübstitüentlerin ilk atomları aynı ise iki sübstitüent zincir boyunca farklı noktaya ulaşıncaya kadar ilerleriz.

Kural 3: En küçük olan grup bizden en uzak olacak şekilde yerleştirilir.

Kural 4: İkili ve üçlü bağlar tekli bağmış gibi işlem görür. Çoklu bağların iki ucunda bulunan atomlar ayrı ayrı iki veya üç kez tekrar yazılır.

Optikçe Aktiflik

Enantiyomerlerin fiziksel özellikleri aynı olacağı için fiziksel özelliklerine bakarak iki enantiyomer birbirinden ayırt edilemez. Enantiyomerler sadece farklı kiral moleküller ile etkileştiğinde farklı davranış gösterirler. Enantiyomerler, diğer kiral bir moleküldeki enantiyomerlere karşı farklı tepkime hızı gösterirler. Enantiyomerlerin farklılığını gözlemenin yolu, bu enantiyomerlerin herbirinin içinden düzlem polarize ışık geçtiğinde her bir enantiyomer farklı yönde fakat eşit miktarda düzlem polarize ışığı çevirirler. Enantiyomerlerin düzlem polarize ışığa karşı olan bu davranışlarından dolayı, enantiyomerlere optikçe aktif bileşik denir. Optikçe aktif bileşiklerin düzlem polarize ışığı ne kadar çevirdiği polarimetre cihazı ile ölçülür.

Normal ışık her düzlemde titreşim (salınım) hareketi yapan elektromanyetik dalga olarak tanımlanır. Böyle bir ışık polarizörden geçirilirse artık tek düzlemde titreşim hareketi yapar ve bu ışığa düzlem polarize ışık denir. Şekil Düzlem polarize ışık kiral bir molekülün içinden geçtiğinde, düzleminin değişmesine neden olur ve buna optik çevrilme denir.

Optikçe aktif bileşiklerin düzlem polarize ışığı ne ölçüde çevirdiğini ölçmek için kullanılan cihaza polarimetre denir. Polarimetre cihazı şu bileşenlerden oluşur. Bunlar:

• Işık kaynağı (sodyum sarı ışık)
• Polarizör (Polarlaştırıcı)
• Örnek tüpü
• Analizör

Enantiyomerlerin çevrilme açısı polarimetre cihazı yardımı ile ölçülür. Polarimetre cihazı yardımı ile ölçülen çevrilme açısına gözlenen çevrilme açısı (?) denir. Gözlenen çevrilme açısı kiral molekülün yapısına, derişimine, numunenin konduğu örnek tüpün uzunluğuna bağlıdır. Gözlenen çevrilme açılarını standart bir temele dayalı olarak vermek için kimyacılar, özgül çevrilme [?] denilen aşağıdaki eşitlik ile hesaplanan bir nicelik kullanır.

Enantiyomerler düzlem polarize ışığı eşit miktarda fakat zıt yönlerde çevirirler. Örneğin (R) laktik asit ve (S) laktik asiti eşit miktarda içeren bir çözeltinin içerisinden düzlem polarize ışık geçirilirse herhangi bir çevrilme açısı gözlenmeyecektir. Çünkü (R)-laktik asit düzlem polarize ışığı saat yelkovanın tersi yönde 3,8°’lik ile, (S)-laktik asit ise saat yelkovanının dönme yönünde 3,8°’lik açı ile çevirmektedir. Bu iki enatiyomer eşit miktarda (%50 oranında) içeren bir çözeltiden düzlem polarize ışığı geçirilirse herhangi bir çevrilme açısı gözlenmeyecektir. Bu nedenle bu karışım optikçe aktif değildir. Böylesi karışımlara rasemik karışım adı verilir.

İki enatiyomeri içeren optikçe aktif bir örneğin optikçe aktifliği, iki enantiyomerin yüzde oranına bağlı olarak değişir. Eğer optikçe aktif madde örneği yalnızca tek bir enantiyomeri içeriyorsa optikçe aktiflik maksimumdur. Optikçe aktif madde örneğinde iki enantiyomer eşit miktarda bulunuyorsa optikçe aktiflik sıfırdır. Optikçe aktif madde optikçe aktivite göstermediği için rasemik karışımdır. Enantiyomerlerden birinin miktarsal olarak fazla olduğu karışımlarda, enantiyomerik fazlalıktan (ef, ing ee) bahsedilir.

Kiral Moleküllerin Biyolojik Önemi

Doğada birçok kiral nesne, yapı, bitki ve hayvan bulunmaktadır. Bütün bunların dışında insan vücudu da simetri düzlemine sahip olmadığı için kiraldir. Sarmal deniz kabuklarının çoğu sağa dönen vidalar gibi spiralli oldukları için kiraldir. Lonicera sempervirens (hanım eli) sola dönen bir sarmal yapıya sahip olduğu için kiraldir. Ayrıca insan, hayvan ve bitkileri meydana getiren moleküllerin çoğu da kiraldir. Canlıların yapısındaki proteinleri oluşturan 20 amino asitten glisin hariç diğerleri kiraldir. DNA’nın kendisi de sağa doğru dönen sarmal yapıya sahip olduğundan kiraldir. Kirallik ile biyolojik yapı arasındaki ilişki her bir ayakkabının kendine ait olan ayağa özgü olmasına benzetilebilir.

Günümüzde ilaç endüstrisi başta olmak üzere birçok endüstri tek bir enantiyomeri içeren kiral bileşiklerin elde edilmesi için yoğun bir şekilde çalışmaktadır. İlaç endüstrisinin en çok ilgilendiği ve üzerinde çalıştığı konulardan biri rasemik karışımlardan ziyade, tek pozitif etkiye sahip ilaçların üretimi ve satışıdır.

Birden Fazla Stereomerkezli Moleküller

Organik ve biyolojik açıdan önemli moleküllerin çoğu birden fazla stereomerkez içerirler. Örneğin vücudumuzdaki aminoasitlerden biri olan izolösin iki stereomerkeze, bir monosakkarit olan glikoz dört stereomerkeze sahiptir.

Kiral bir molekülde iki veya daha fazla stereomerkez var ise bu stereomerkezlerin herbirinin ayrı ayrı (R) veya (S) konfigürasyonun olduğunun belirlenmesi gerekir. Daha sonra bileşik numaralandırılır ve stereomerkez hangi karbona ait ise sayı ile belirtilir.

Kiral moleküllerin yapıları gösterilirken üç boyutlu yapılar kullanıldı. Daha büyük moleküller incelenirken olayın daha basit bir şekilde anlaşılması için Fischer izdüşüm formülleri kullanılır. Fischer izdüşüm formülleri, kiral moleküllerdeki düzgün dört yüzlü merkezlere bağlı sübstitüentlerin iki boyutlu olarak basitçe gösterilmesidir. Fischer izdüşüm formülleri özellikle birden çok stereomerkezli bileşikler için yerden kazanım ve yazım kolaylığı sağlamak açısından kullanışlıdır. Halkalı olmayan açık zincirli karbonhidratların şekillerini göstermek için kullanılır. Bu formüllerin yazılması ve uygulanması dikkatlice yapılmalıdır. Aksi takdirde yanlış yapılmasına neden olur

Kiral bir moleküldeki stereomerkeze bağlı olan sübstitüentlerin uzaysal düzenlenmeleri onun mutlak konfigürasyonudur. Bir maddenin düzlem polarize ışığı sağa (+) veya sola (-) çevirmesi, veya çevirme açısının büyüklüğü tek başına mutlak konfigürasyon hakkında bilgi vermez. Örneğin laktik asit enantiyomerlerine ait olan aşağıdaki yapılardan biri (-)-laktik asit ve diğeri (+)- laktik asittir.

Enantiyomerlerin Yarılması (Ayrılması)

Enantiyomerlerin erime noktası, kaynama noktası, çözünürlük vs. gibi bütün fiziksel özellikleri aynı olduğundan bunları organik bileşiklerin ayrılmasında kullanılan damıtma, ekstraksiyon ve kristallendirme gibi basit ayırma yöntemleri kullanarak ayıramayız. “Rasemik bir karışımı veya enantiyomerlerden birinin fazla olduğu bir karışımı nasıl ayırırız?” sorusu akla gelebilir. Bu tür karışımları ayırmak için üç yöntem bulunmaktadır.

• Pasteur yöntemi
• Enantiyomerleri diastereomere çevirmek
• Kiral kramatografik yöntem

Pasteur bir kimyasal fabrikadan temin ettiği tartarik asittin rasemik karışımını incelemeye başlamıştır. Araştırmaları sırasında tartarik asittin rasemik karışımını, tartarik asittin sodyum amonyum tuzuna dönüştürür. Daha sonra tuzları incelerken iki farklı kristal yapısının olduğunu fark etti.

Rasemik karışım hâlinde bulunan enantiyomerler diastereomerlerine çevrilir. Bunun için de rasemik karışım hâlinde bulunan enantiyomerler, başka saf bir enantiyomer ile tepkimeye sokulur. Tepkime sonucu oluşan ürünler artık diastereomerlerdir. Diastereomerler erime noktası, kaynama noktası, çözünürlük vs. gibi fiziksel özelikleri farklı olduğundan kristallendirme, ekstraksiyon, vs. gibi basit ayırma yöntemleri ile birbirinden ayrılabilirler.

Kiral kramatografik yöntemde ise katı bir destek (Silika jel, SiO ₂ ya da alüminyum oksit Al ₂ O ₃ ) üzerine sabitlenmiş optikçe aktif bir yardımcı (+)-tartarik asit yada başka uygun optikçe aktif bileşik) kullanılır. Katı destek maddesi kolona doldurulur. Daha sonra rasemik karışım çözelti haline getirilerek kolona yavaşça boşaltılır. Uygun olan bir çözücü kolona aktarılarak rasemik karışımın yürümesi sağlanır. Rasemik karışımdaki enantiyomerlerin her birinin kolon dolgu maddesi ile olan etkileşim mekanizması ve süreleri farklıdır. Bu neden ile enantiyomerlerin kolonda yürüme süresi farklı olacak ve böylece etkin bir ayırma meydana gelecektir. Bu yöntem diğer iki yönteme göre daha uygun olan bir yöntemdir.