Fonksiyonel Gruplar

Açılış sahnesi

Isparta'daki fakültede organik kimya uygulamasının ikinci haftası sürüyor. Tezgâhın ucunda, Mete'nin önünde dört deney tüpü bir tahta rafta duruyor; her birine önce üç parmak su konmuş. En soldakine eklenen etanol suyla hemen karışmış, ayrım çizgisi bile kalmamış. Yanındaki tüpte heksan suyun üstünde yağ gibi ayrı bir tabaka olmuş. Ondan sonrakinde bir spatül ucu benzoik asit tozu çalkalandıkça dibe çöküyor. Mete sağ baştaki tüpe aynı tozdan koyup üstüne sodyum bikarbonat çözeltisi ekliyor; tüp kabarcıklanıyor ve toz birkaç saniyede kayboluyor.

Nilüfer Hanım deftere bakmadan soruyor: "Sağdaki iki tüpte aynı molekül var. Birinde çözünmedi, ötekinde çözündü. Ne değişti?" Mete omuz silkiyor: "Molekül değişmediyse suyun içindeki bir şey değişti." Nilüfer Hanım geçen haftanın prospektüsünü çantasından çıkarıp raftaki tüplerin yanına açıyor. "Geçen hafta karbonları saydın, oksijenleri bıraktın. Bu hafta tersini yapacağız; tüplerdeki farkı da iskelet değil, ucuna takılmış birkaç atom açıklıyor".

Bu derste ne olacak

Bir molekülü davranış bakımından tanımlayan atom kümesine ad verecek, onu karbon iskeletinden ayıracağız. Biyolojide en sık karşılaşılan grupları bir haritaya dizecek, her birinin polaritesini, hidrojen bağındaki rolünü ve vücut sıvılarının pH'ında yük taşıyıp taşımadığını okuyacağız. Sonra aynı hesapla dört tüpün sırrını çözecek ve prospektüsteki beş oksijeni adlandıracağız.

Metin

İskelet ile ucundaki grup

Geçen derste bir karbon iskeletini harfsiz çizmeyi ve köşelerini saymayı öğrenmiştik. Yalnız karbon ile hidrojenden kurulu bir iskelet kimyaca sessizdir: karbon–hidrojen bağında elektronegatiflik farkı 0,35'tir ve molekülün yüzeyinde kayda değer kısmi yük oluşmaz. Heksan bu yüzden suya bir şey söylemez ve üstünde ayrı durur. İskelete bir oksijen, bir azot ya da bir kükürt takıldığında tablo değişir. Bu atomların karbondan farklı elektronegatifliği ve ortaklanmamış çiftleri, molekülün geri kalanından çok daha fazla iş gören küçük bir bölge kurar.

Tanımın gücü, bağımsızlık iddiasındadır. İki karbonlu etanoldeki O–H ile on sekiz karbonlu bir yağ alkolündeki O–H aynı biçimde hidrojen bağı kurar ve benzer tepkimelere girer; kimyacı milyonlarca molekülü tek tek ezberlemek yerine birkaç düzine grubun davranışını öğrenir. Bağımsızlık yine de tam değildir: laktik asitte karboksile komşu hidroksilin asitliği artırdığını pKa dersinde görmüştük.

Harita

Polarite konusunu açtığımız derste (L02-P06-M02-D03) oksijen ile hidrojen arasındaki elektronegatiflik farkını 3,44 − 2,20 = 1,24 bulmuştuk; azot ile hidrojen arasında aynı hesap 0,84 verir. Kükürt Pauling ölçeğinde 2,58'dedir ve S–H bağındaki fark 0,38'e iner, yani karbon–hidrojen bağına yakındır. Hidrojen bağının işlendiği derste (L02-P06-M02-D04) de vericinin elektronegatif bir atoma bağlı hidrojen, alıcının ortaklanmamış çift taşıyan elektronegatif atom olduğunu kurmuştuk. Bu iki bilgiyle aşağıdaki tablo neredeyse kendiliğinden dolar.

Tablonun yük sütunu tek bir karşılaştırmaya dayanır: grubun pKa'sı ile ortamın pH'ı. Küçük moleküllerde karboksilin pKa'sı birkaç birimlik dar bir bantta durur: asetik asitte 4,76, laktik asitte 3,86 kullanmıştık. pH 7,4 bu eşiklerin üç birim kadar üstünde olduğu için karboksil neredeyse tamamen proton vermiş durur. Aminlerde bakılan sayı, protonlanmış amonyum formunun pKa'sıdır. Metilamin için PubChem ile Wikipedia aynı değeri, 10,66'yı verir. pH bu eşiğin üç birimden fazla altındadır ve Henderson–Hasselbalch satırıyla (L02-P06-M04-D05) yüksüz formun protonlu forma oranı 10^(7,40 − 10,66) = 10^−3,26 çıkar, yani yaklaşık 1 ÷ 1.820 ≈ 0,00055. Kabaca iki bin metilaminden yalnız biri yüksüzdür. Amid grubunun azotu ise aynı hesaba girmez: komşu karbonil onun ortaklanmamış çiftini kendine çeker ve azot proton almaya yatkın olmaktan çıkar; bu ayrımın ayrıntısı Amin ve Amid dersinde açılacak.

Alkollerin hidroksili ise asit gibi davranmaz. Etanolün pKa'sı iki kaynakta da 15,9'dur ve pH 7,4'ün 8,5 birim üstündedir; kan pH'ında her yüz milyon etanol molekülünden birinin bile protonunu vermesi beklenmez. Aynı O–H görünümü, karbonil karbonuna bağlandığında karboksil olur ve pKa 11 birim kadar düşer. Aradaki farkın nedeni, proton gittikten sonra geriye kalan eksi yükün karboksilatta iki oksijene yayılabilmesi, alkoksitte ise tek oksijende kalmasıdır.

Tiyol, haritanın ara bölgesindedir. Serbest sisteinin tiyol pKa'sı Wikipedia ile PubChem'de 8,33, kısa bir peptidin ortasına yerleştirilmiş sistein kalıntısında ölçülen değer 8,55'tir. pH 7,4'te 10^(7,40 − 8,33) ≈ 0,118 oranı, tiyolların kabaca onda birinin eksi yüklü tiyolat hâlinde bulunduğunu söyler. Antioksidan Savunma dersinde glutatyonun kükürdünü elektron verici olarak tanımıştık; iki tiyol yükseltgenip birbirine bağlandığında disülfit oluşur ve Kovalent Bağ dersinde insülinin iki zincirini bir arada tutan köprü tam olarak buydu.

Fosfat grubu tablonun en yüklü üyesidir. Fosforik asidin ilk protonunu pKa'sı 2,14 olan bir basamakta verdiğini, ikinci basamağın 7,20 ile hücre içi pH'a yakın durduğunu tampon derslerinde görmüştük. Bir alkole ester bağıyla takılan fosfat da vücut sıvılarında eksi yüklüdür; ATP'nin fosfat zinciri ile DNA'nın omurgası bu yükü dizi hâlinde taşır.

Grupların suyla ilişkisi

Soldaki iki tüp, grubun suyla konuşmasının sonucudur. Etanolün hidroksili suyla hem verici hem alıcı olarak hidrojen bağı kurar; PubChem ile Wikipedia etanolü suyla her oranda karışabilen bir sıvı olarak kaydeder. Heksanın sunacak bir grubu yoktur ve suyun kendi hidrojen bağı ağını bozmaktan başka bir etki yaratmaz; Hidrofobik Etki dersinde bu bozulmanın entropi bedelini görmüştük.

Kaynama noktası aynı ayrımı ölçülebilir hâle getirir. Molar kütleleri birbirine çok yakın iki molekül seçelim: etanol 46,07, propan 44,10 gram/mol'dür ve oran 46,07 ÷ 44,10 ≈ 1,04 eder. Van der Waals çekimi kütle ve yüzeyle büyüdüğü için yalnız bu çekime bakan biri iki molekülün yakın sıcaklıklarda kaynamasını bekler. Propan 231,1 K'de, etanol 351,4 K'de kaynar; iki değer NIST WebBook ile Wikipedia'da birbirini tutar. Kelvin ölçeğinde oran 351,4 ÷ 231,1 ≈ 1,52'dir.

Kütledeki küçük fark, kaynama sıcaklığındaki bu büyük sıçramayı açıklayamaz. Farkı taşıyan, etanolün hidroksili üzerinden kendi türüyle kurduğu hidrojen bağı ağıdır. Aynı kütle sınıfındaki asetaldehit (44,05 gram/mol) karbonil grubu taşır, ama grubun kendi hidrojeni olmadığı için yalnız alıcıdır; iki kaynak onu 293 ile 294 K arasında, oda sıcaklığına yakın bir yerde kaynatır. Ara konumunu karbonilin kalıcı dipolü açıklar.

Kabaran tüpte ne oldu

Benzoik asit, altı karbonlu bir halkaya takılı tek bir karboksil grubundan ibarettir. Wikipedia ile PubChem pKa'sını 4,20 verir. Katı hâlde ve saf suda molekül çoğunlukla yüksüz kalır; halkanın büyük hidrokarbon yüzeyi grubun sağladığı hidrojen bağlarından ağır basar ve toz dibe çöker. Karboksil protonunu bikarbonata verir, oluşan karbonik asit karbon dioksit ve suya ayrışır ve kabarcıklar bunun görüntüsüdür.

Proton gittiğinde molekül bir iyona dönüşür. Eksi yüklü karboksilat, su moleküllerini dipolleriyle çevresine dizer ve iyon–dipol çekimi, yüksüz grubun kurabildiği hidrojen bağlarından çok daha güçlüdür. Mete'nin tüplerinde molekülün iskeleti değişmemiş, yalnız fonksiyonel grubun protonlanma durumu değişmişti. Organik laboratuvarlarda bilinmeyen bir maddenin grubunu tanımak için yapılan çözünürlük sınamaları bu ilkeye dayanır: suda çözünmeyen ama bikarbonatta çözünen madde büyük olasılıkla karboksilik asittir.

Biyomoleküllerde gruplar

Glisinin bir ucundaki karboksili ve öbür ucundaki amino grubunu Asit ve Baz Tanımları dersinde görmüş, suda molekülün kendi içinde bir proton aktardığını not etmiştik. Bu hâlin adı konulabilir.

İki pKa ile hesap açıktır. Glisinde PubChem ile Wikipedia karboksil için 2,34, amino grubu için 9,60 verir. pH 7,40'ta amino grubunun protonlu formunun oranı 10^(9,60 − 7,40) = 10^2,20 ≈ 158,5'tir ve protonlu pay 158,5 ÷ 159,5 ≈ 0,994 eder. Karboksil tarafında oran 10^(7,40 − 2,34) = 10^5,06, yaklaşık 115.000'dir; protonunu tutan karboksil yüz binde birin altında kalır.

Şekerler haritanın öbür köşesidir. Glukozun açık zincirinde bir aldehit karbonili ve beş hidroksil bulunur; fruktozda karbonil zincirin ikinci karbonunda durur ve grup ketondur. Karbon İskeletleri dersinde glukozun suda neredeyse tamamen halka hâlinde durduğunu görmüştük; halkayı kapatan tepkime tam olarak bir hidroksilin karbonile eklenmesidir. Her karbona bir hidroksil düştüğü için şeker, küçük bir kütlede çok sayıda hidrojen bağı vericisi ve alıcısı toplar ve suda kolay çözünür.

Beş oksijenin adı

Hidrokortizonun PubChem kaydındaki IUPAC adı ve Wikipedia'nın maddesi aynı dağılımı verir: on birinci, on yedinci ve yirmi birinci karbonlarda birer hidroksil, üçüncü ve yirminci karbonlarda birer keton. Beş oksijen, üç hidroksil ile iki karbonil eder. PubChem bu yapıya üç hidrojen bağı vericisi ve beş alıcı sayar.

Kortizon aynı dört halkalı çekirdeği ve aynı yan zinciri taşır. Tek fark on birinci karbondadır: hidroksilin yerinde bir keton durur. Formül C₂₁H₃₀O₅'ten C₂₁H₂₈O₅'e iner ve standart atom ağırlıklarıyla molar kütleler 362,47 ile 360,45 gram/mol çıkar. Fark 362,47 − 360,45 = 2,02'dir ve iki hidrojenin kütlesine, 2 × 1,008 = 2,016'ya denk gelir. PubChem'in sayımında bir hidrojen bağı vericisi eksilir, alıcılar beşte kalır. Oksidasyon ve İndirgenme dersindeki basamak kurallarıyla bakıldığında on birinci karbonun basamağı 0'dan +2'ye çıkar: iki molekül birbirinin redoks eşidir.

Kortikosteron ise on yedinci karbondaki hidroksili taşımaz. Formülü C₂₁H₃₀O₄'tür, molar kütlesi 346,47 gram/mol'dür ve hidrokortizondan tam bir oksijen atomu kadar, 362,47 − 346,47 = 16,00 birim hafiftir. Üç molekülün iskeleti aynıdır; onları ayıran, geçen hafta sayılmayan oksijenlerin yeri ve biçimidir.

Rafa yazılan etiketler

Mete dört tüpün önüne birer kâğıt şerit yapıştırıyor. Etanolün önüne "hidroksil, verici ve alıcı", heksanınkine "grup yok" yazıyor. Dipte toz bekleyen tüpe "karboksil, yüksüz", kabarcıkları sönmüş olanına "karboksilat, eksi" yazarken kalemi duruyor ve iki şeridi yan yana getiriyor: aynı molekülün iki adı olmuş.

Nilüfer Hanım prospektüsü tüplerin arkasına dayıyor. Mete on birinci karbondaki hidroksili daire içine alıp yanına "kortizonda burası C=O" diye not düşüyor. Sonra etanol tüpünü eline alıp çalkalıyor; hâlâ tek faz.

Kendini sına

1. Metanol (32,04 gram/mol) ile etan (30,07 gram/mol) için kütle oranını hesapla. Metanolün 337,8 K'de, etanın 184,6 K'de kaynadığını kullanarak Kelvin oranını bul ve farkı fonksiyonel grupla açıkla.
2. pKa'sı 4,76 olan bir karboksil grubunun pH 7,40'ta proton taşıyan payını hesapla. Aynı grup pH 2,0'deki bir ortamda hangi formda ağır basar?
3. Glisinin iki pKa'sını kullanarak pH 1,0'de ve pH 12,0'de molekülün toplam yükünü bul.
4. Hidrokortizon ile kortikosteronun hidrojen bağı vericisi ve alıcısı sayılarını yapıdan say ve PubChem'in verdiği sayılarla karşılaştır.

Bir sonraki derse köprü

Kaynama karşılaştırmasına dimetil eter de eklenebilirdi. Etanolle aynı C₂H₆O formülünü taşıyor, ama oksijeni iki karbonun arasında durduğu için hidroksil yerine eter grubu taşıyor ve NIST kayıtlarında 248 K dolayında kaynıyor. İzomerlik dersi bunu soracak: aynı molekül formülünden atomların farklı sırayla bağlanmasıyla kaç yapı izomeri çıkar, bağlanma sırası aynı kalıp uzaydaki dizilişi değişen stereoizomerler bunlardan nasıl ayrılır?