İzomerlik · Fonksiyonel Tıp Akademisi

Açılış sahnesi

Üçüncü haftanın perşembesi, öğleden sonra dört buçuk. Isparta'daki fakültenin ikinci katında Nilüfer Hanım'ın odasının kapısı görüşme saati boyunca açık duruyor. Mete içeri girdiğinde masada bir kilitli poşet bekliyor: içinde dört siyah top, on beyaz top ve bir avuç gri çubuk. Nilüfer Hanım poşetin üstüne yapışkan bir kâğıda yalnız "C₄H₁₀" yazmış ve bütün topların kullanılmasını istiyor.

Mete dört siyah topu bir sıraya diziyor, boşta kalan deliklere beyazları takıyor ve zikzak bir zincir elde ediyor. Nilüfer Hanım modeli alıp söküyor, aynı on dört topla bu kez ortada bir karbon, çevresinde üç karbon olan kısa, tıknaz bir yapı kuruyor. İkisini yan yana koyuyor: "Top eksilmedi, formül aynı. Sence bunlar aynı madde mi?" Mete ikinci modeli elinde ne kadar çevirse de birinciye benzetemiyor.

Bu derste ne olacak

Aynı molekül formülünü taşıyan ama farklı madde olan bileşiklere ad verecek, onları önce atomların bağlanma sırasına, sonra uzaydaki dizilişe göre iki büyük aileye ayıracağız. Bağ dönerek birbirine geçen biçimleri izomerlerden ayırmayı öğrenecek, çift bağın dönmezliğinin cis ve trans biçimlerini nasıl kalıcı kıldığını göreceğiz. Sonunda gözün retinasında ışığın bir izomeri ötekine çevirdiği anı hesapla okuyacağız.

Metin

Aynı toplar, farklı madde

Karbon İskeletleri dersinde dallı neopentanın düz pentandan çok daha düşük sıcaklıkta kaynadığını görmüş, ama iki molekülü aynı formülü paylaşmalarına rağmen ayrı maddeler olarak ele almıştık. Bu ilişkinin bir adı vardır ve kimya tarihinin erken bir sorunundan doğmuştur. Friedrich Wöhler 1828'de üreyi elde ettiğinde Berzelius'a, amonyum siyanatın üre olduğunu yazmıştı; oysa iki madde aynı CH₄N₂O bileşimini taşıyan, özellikleri farklı iki ayrı bileşikti. Jöns Jacob Berzelius 1830'da bu olguya Yunanca "eşit paylı" anlamındaki sözcükten türettiği izomerlik adını verdi.

Düzen iki ayrı biçimde farklılaşabilir ve izomerler buna göre iki aileye ayrılır: birinde atomlar birbirine farklı sırayla bağlanır, ötekinde bağlanma sırası tıpatıp aynı kalır ama atomların uzaydaki yeri değişir.

Bağlanma sırası değişince

Mete'nin iki modeli zincir izomerlerine örnektir: n-bütanda dört karbon düz bir sıra kurar, izobütanda ise bir karbon üç karbona birden bağlanır. Bütanın formülüyle başka bir iskelet kurulamaz; C₄H₁₀ için yalnız iki yapı izomeri vardır. Beş karbonda dallanma seçenekleri üçe çıkar: pentan, izopentan ve neopentan. Sayı karbon eklendikçe hızla büyür; altı karbonda beş, yedi karbonda dokuz, on karbonda yetmiş beş yapı izomeri vardır. Beşten ona uzanan beş karbonluk artış, izomer sayısını 75 ÷ 3 = 25 katına çıkarır.

Zincirin dallanması fiziksel özelliği değiştirir. NIST WebBook n-bütanın kaynama noktasını ortalama 273 K verir, Wikipedia 272 ile 274 K arasında yazar; izobütan için Wikipedia 261,37 K, NIST 262 K verir. Kelvin ölçeğinde oran 273 ÷ 261,37 ≈ 1,04, fark on bir buçuk derece kadardır. Dallı molekül daha küçük bir yüzeyle temas eder ve dağılma kuvvetleri daha zayıf kalır; pentan ile neopentan için yapılmış açıklama (L02-P06-M02-D05) burada da geçerlidir.

Konum izomerlerinde iskelet sabit kalır, bir fonksiyonel grubun yeri değişir. 1-propanolde hidroksil zincirin ucundaki karbona, 2-propanolde ortadaki karbona bağlıdır; ikisi de C₃H₈O'dur. NIST'in derlediği ortalamalara göre 1-propanol 370,3 K'de, 2-propanol 355,5 K'de kaynar; Wikipedia birincisine 370 ile 371 K arasını, ikincisine 355,8 K'i yazar. Fark 370,3 − 355,5 = 14,8 derece eder. Ortadaki karbona takılan hidroksil iki metil grubunun arasında kalır; molekül daha küresel olur ve hidroksil komşularına daha zor ulaşır.

Fonksiyonel grup izomerlerinde ise aynı atomlar bambaşka bir grup kurar. Fonksiyonel Gruplar dersinin köprüsünde, etanol ile dimetil eterin aynı C₂H₆O formülünü taşıdığını ve eterin çok daha soğukta kaynadığını görmüştük. Etanolde oksijen bir karbon ile bir hidrojene bağlıdır ve hidroksil grubu kurar; dimetil eterde iki karbonun arasında durur. Etanol hidrojen bağında hem proton hem ortaklanmamış çift sunabilir; dimetil eter yalnız oksijenindeki çiftleri sunar. Aynı ilişki şekerlerde de görülür: glukoz ile fruktoz aynı C₆H₁₂O₆ formülünü paylaşır, ama açık zincirli glukozun karbonili birinci karbonda aldehit, fruktozunki ikinci karbonda ketondur.

Sıra aynı, dizilim farklı

Karbon İskeletleri dersinde ikili bağın σ bağının yanında bir π bağı taşıdığını, π bağının da çekirdekleri birleştiren eksenin üstünde ve altında paralel duran p orbitallerinin örtüşmesinden doğduğunu görmüştük. Bu örtüşme bağın dönmesine izin vermez: bir ucu doksan derece çevirmek p orbitallerini birbirine dik getirir ve π bağını koparır. Çift bağın her iki karbonuna iki farklı grup bağlıysa, gruplar aynı tarafta ya da karşı taraflarda durabilir ve bu iki düzen kendiliğinden birbirine dönmez. Aynı taraftaki düzene cis, karşı taraftakine trans denir. Çift bağın karbonlarında üç ya da dört farklı grup bulunduğunda bu önekler belirsizleşir; IUPAC bu durumda grupları öncelik sırasına dizen E/Z adlandırmasını kullanır. Z harfi Almanca "birlikte" anlamındaki zusammen, E ise "karşı" anlamındaki entgegen sözcüğünden gelir.

Oleik asidin on sekiz karbonlu zincirinin ortasındaki cis çift bağda dirsek yaptığını ve bu dirseğin zincirlerin sıkı dizilmesini engellediğini dağılma kuvvetlerinin işlendiği derste görmüştük. Aynı on sekiz karbonlu zincir o bağda trans düzen taşıdığında elaidik asit adını alır. Molekül formülü de bağlanma sırası da aynıdır; değişen yalnız bağın iki yanındaki zincir parçalarının yönüdür. Trans bağ zinciri bükmez, zincir neredeyse düz uzanır ve komşularla doymuş bir yağ asidi gibi yan yana yatabilir.

Erime noktaları bu farkı ölçer. Aynı laboratuvarın iki ölçümünü karşılaştırmak, kaynaklar arasındaki yöntem farkını dışarıda bırakır. NIST WebBook, Mod, Magne ve arkadaşlarının 1960 tarihli ölçümlerinden elaidik asit için 316,95 K, oleik asit için 289,45 K aktarır. Fark 316,95 − 289,45 = 27,5 derecedir ve oran 316,95 ÷ 289,45 ≈ 1,10 çıkar. Wikipedia elaidik asidi 45 °C'de, yani 318 K'de eritir; iki kaynak bir derece içinde uyuşur.

Trans bağ, aynı zincirde cis bağdan termodinamik olarak daha kararlıdır; gruplar karşı taraflarda daha az birbirine sıkışır. Bitkisel yağların sanayide kısmen hidrojenlenmesi sırasında bir yan tepkime, doymamış zincirlerin bir bölümünü bu yüzden trans düzene çevirir. Wikipedia'nın elaidik asit ve trans yağ maddeleri, bu yolla oluşan başlıca trans yağ asidinin elaidik asit olduğunu kaydeder. Bu cümle yalnız bir yapının nasıl oluştuğunu söyler; bir beslenme sonucu taşımaz.

Dönen bağ, dönmeyen bağ

Tekli bağın durumu farklıdır. Etanda bir metil grubu ötekine göre dönerken hidrojenler kimi zaman karşı karşıya gelir, kimi zaman aralarına girer. Bu dönmenin önündeki engeli OpenStax'ın ders kitabı da Wikipedia da aynı değerle, mol başına 12 kJ olarak verir. Oda sıcaklığındaki ısıl çarpışmalar bu engeli sürekli aşar ve biçimler saniyenin çok küçük kesirlerinde birbirine geçer.

Bazı ders kitapları konformasyonlara "konformasyon izomeri" de der, ama bu derste izomer sözcüğünü ayrı ayrı şişelenebilen bileşiklere ayırıyoruz. Sikloheksan bunun en bilinen örneğidir. Karbon İskeletleri dersinde halkanın sandalye biçimine kıvrılarak açı gerginliğinden kurtulduğunu görmüştük. Bu sandalye tek bir biçimde donmuş durmaz; oda sıcaklığında durmadan ters çevrilir, halkadaki hidrojenler eksen yönündeki (aksiyal) konumla ekvator yönündeki (ekvatoryal) konum arasında yer değiştirir. Hiçbir bağ kırılmadığı için bu iki sandalye iki madde değil, aynı maddenin iki anlık görüntüsüdür.

Yaygın yanlış"Bütanı kâğıda bir kez düz, bir kez ucu kıvrık çizdim; bunlar iki ayrı izomerdir."

Doğrusu

Tekli bağ etrafında dönen bir zincirin çizimdeki kıvrımı yalnız bir konformasyonu gösterir. Bağlanma sırası değişmemiş ve hiçbir bağ kırılmadan bir biçimden ötekine geçilebiliyorsa, iki çizim aynı molekülü anlatır. İzomer sayarken önce atomların kime bağlı olduğuna, sonra çift bağ ya da halka gibi dönmeyi engelleyen bir yapının olup olmadığına bakılır.

Işığın çevirdiği bağ

Gözün retinasındaki çubuk hücrelerinde rodopsin adı verilen bir pigment bulunur. Pigmentin ışığı yakalayan parçası retinaldir ve karanlıkta on birinci ile on ikinci karbonu arasındaki çift bağda cis düzen taşır. Bir foton soğurulduğunda o bağ trans düzene döner ve molekül 11-cis biçiminden tamamen trans biçime geçer. Zincirin şekli değişince çevresindeki protein de biçim değiştirir ve görme sinyali başlar. George Wald, görmenin birincil fizyolojik ve kimyasal süreçlerine ilişkin keşifleri için 1967 Nobel Fizyoloji veya Tıp Ödülü'nü Ragnar Granit ve Haldan Keffer Hartline ile paylaştı; rodopsinin ışıkla nasıl dönüştüğünü aydınlatan çalışmalar onun laboratuvarından çıkmıştı.

λ = hc ÷ E bağıntısını hidrojenin kırmızı tayf çizgisini bulurken kullanmıştık (L02-P06-M01-D04); hangi fotonun bu işi yaptığını aynı bağıntı söyler. Wikipedia rodopsinin en güçlü soğurduğu ışığı yaklaşık 500 nm'de, mavi–yeşil bölgede verir; sığır rodopsininde ölçülen tepe 498 nm'dir. Bu dalga boyundaki bir fotonun enerjisi 1239,84 ÷ 498 ≈ 2,49 eV eder. Faraday sabitiyle mole çevrildiğinde 2,49 × 96,485 ≈ 240 kJ bulunur. Bu, etanın dönme engelinin 240 ÷ 12 = 20 katı büyüklüğünde bir enerji paketidir.

Foton çift bağı koparmaz. Işığı soğuran molekül uyarılmış bir hâle geçer; o hâlde π bağı geçici olarak zayıflar ve bağ, karanlıkta neredeyse hiç aşamayacağı dönmeyi yapabilir. Molekül temel hâle dönerken trans düzende kalır. Bu yüzden ısı değil ışık, retinalde cis düzeni trans düzene çeviren etkendir; kimyacılar bu olaya ışıkla izomerleşme (fotoizomerleşme) der.

Aynı formül, üç şeker

Glukoz, fruktoz ve galaktoz aynı C₆H₁₂O₆ formülünü taşır. Glukoz ile fruktoz arasındaki fark bir yapı farkıdır: karbonilin yeri ve türü değişir. Galaktoz ise glukozla aynı bağlanma sırasına sahiptir; bütün grupları aynı karbonlara bağlıdır. İki şekeri ayıran tek şey, dördüncü karbondaki hidroksilin uzaydaki yönüdür. Bu fark bir çift bağdan kaynaklanmaz ve dönerek de ortadan kalkmaz; galaktoz glukozun bir stereoizomeridir, ama cis–trans ailesinden değildir.

Masaya dönen iki model

Mete poşetten iki uzun, esnek çubuk çıkarıp iki karbonu birbirine çift bağla takıyor. Her karbona birer metil topu ekleyip iki metili aynı tarafa getiriyor, sonra bağın bir ucunu çevirmeye çalışıyor. Esnek çubuklar birbirine sarılıp gerginleşiyor ve model eski düzenine geri sıçrıyor. Nilüfer Hanım gülümsüyor: "Karşı tarafa geçirmek istiyorsan bir çubuğu sökmen gerek".

Mete düz bütanı alıp ortadaki tekli bağ etrafında rahatça çeviriyor, ucu kıvrık zikzakı yeniden düzleştiriyor. Yapışkan kâğıdın altına iki satır yazıyor: "dönüyorsa aynı madde", "sökmeden dönmüyorsa başka madde". Sonra glukoz ve galaktozun çizimlerini yan yana koyuyor, iki çizimde de dördüncü karbonun hidroksilini okla gösterip kenara «hangisi hangi yöne?» diye yazıyor.

Kendini sına

C₆H₁₄ için beş yapı izomerinin iskelet formülünü çiz.
1-bütanol ile 2-bütanol hangi tür yapı izomeridir? Dietil eterle bu ikisinin ilişkisini adlandır.
1-büten neden cis ve trans biçimlerde bulunamaz, 2-büten neden bulunabilir? Çift bağın her karbonuna bağlı grupları yazarak açıkla.
Soğurma tepesi 420 nm olan bir pigmentin yakaladığı fotonun enerjisini eV ve mol başına kJ olarak hesapla. 498 nm'lik fotonla karşılaştır.

Bir sonraki derse köprü

Glukoz ile galaktozu ayıran dördüncü karbon, dört farklı gruba bağlı bir karbondur ve bu karbonun etrafındaki düzen ne bir bağın dönmesiyle ne de bir çift bağın yönüyle açıklanır. Kiralite dersi buradan başlayacak: dört farklı grup taşıyan bir karbon neden birbirinin ayna görüntüsü olan ve üst üste çakıştırılamayan iki biçimde bulunur, bu enantiyomerler polarize ışığın düzlemini çevirmelerinden nasıl ayırt edilir ve kiral karbon sayısı bir molekülün kaç stereoizomeri olabileceğini nasıl belirler?