المتماكب الهيكلي

تبدو هذه المقالة وكأنها كتاب مدرسي . يرجى تحسين هذه المقالة لجعلها محايدة في لهجتها وتلبي معايير الجودة في ويكيبيديا . ( أغسطس 2020 )

في الكيمياء ، المتماثل البنيوي (أو المتماثل الدستوري في تسمية الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية ^[1] ) لمركب هو مركب آخر يحتوي جزيئه على نفس عدد ذرات كل عنصر، ولكن مع وجود روابط منطقية مميزة ^{[ بحاجة لتوضيح ]} بينها. ^{[2] [3]} كان مصطلح المتزامِر يستخدم سابقًا لنفس المفهوم. ^[4]

على سبيل المثال، البيوتانول H ₃ C−(CH ₂ ) ₃ −OH ، وميثيل بروبيل إيثر H ₃ C−(CH ₂ ) ₂ −O−CH ₃ ، وثنائي إيثيل إيثر (H ₃ CCH ₂ −) ₂ O لها نفس الصيغة الجزيئية C ₄ H ₁₀ O ولكنها ثلاثة متزامرات هيكلية مميزة.

ينطبق المفهوم أيضًا على الأيونات متعددة الذرات التي لها نفس الشحنة الكلية. ومن الأمثلة الكلاسيكية أيون السيانات O=C=N − وأيون الفلمينات C − ^≡N + −O − ^. ويمتد ^أيضًا إلى ^{المركبات} الأيونية، بحيث (على سبيل المثال) تعتبر سيانات الأمونيوم [NH ₄ ] ⁺ [O=C=N] ⁻ واليوريا (H ₂ N−) _{2 C} =O متزامرات هيكلية، ^[4] وكذلك فورمات ميثيل الأمونيوم [H ₃ C−NH ₃ ] ⁺ [HCO 2 ] ⁻ وأسيتات الأمونيوم [NH ₄ ] ⁺ [H ₃ C−CO ₂ ] ⁻ .

التماكب البنيوي هو النوع الأكثر تطرفًا من التماكب . وهو يعارض التماكب الفراغي ، حيث تكون الذرات ونظام الترابط متماثلين، ولكن الترتيب المكاني النسبي للذرات فقط هو المختلف. ^{[5] [6]} ومن الأمثلة على الأخير المتماكب الفراغي ، حيث تكون جزيئاته عبارة عن صور معكوسة لبعضها البعض، والنسخ السيس والترانس من 2-بيوتين .

من بين المتزامرات البنيوية، يمكن للمرء أن يميز عدة فئات بما في ذلك المتزامرات الهيكلية ، والمتزامرات الموضعية (أو المتزامرات الإقليمية )، والمتزامرات الوظيفية ، والمتزامرات المتماثلة ، ^[7] والمتزامرات البنيوية . ^[8]

المتماثل الهيكلي للمركب هو متماثل هيكلي يختلف عنه في الذرات والروابط التي تعتبر بمثابة "الهيكل" للجزيء. بالنسبة للمركبات العضوية ، مثل الألكانات ، فإن هذا يعني عادةً ذرات الكربون والروابط بينها.

على سبيل المثال، هناك ثلاثة متزامرات هيكلية للبنتان : ن -بنتان (يُطلق عليه غالبًا ببساطة "بنتان")، وإيزوبنتان (2-ميثيل بوتان)، ونيوبنتان (ثنائي ميثيل بروبان). ^[9]

متزامرات هيكلية للبنتان

ن - بنتان	الأيزوبنتان	النيوبنتان

إذا كان الهيكل غير دوري ، كما في المثال أعلاه، فيمكن استخدام مصطلح تماثل السلسلة .

المتزامرات الموضعية (وتسمى أيضًا المتزامرات الموضعية أو المتزامرات الإقليمية ) هي متزامرات هيكلية يمكن اعتبارها مختلفة فقط في موضع المجموعة الوظيفية ، أو البديل ، أو بعض السمات الأخرى على نفس البنية "الأم". ^[10]

على سبيل المثال، استبدال إحدى ذرات الهيدروجين الاثنتي عشرة -H بمجموعة هيدروكسيل -OH على جزيء الوالد n -pentane يمكن أن يعطي أيًا من ثلاثة متزامرات موضعية مختلفة:

بنتان-1-أول	بنتان-2-أول	بنتان-3-أول

مثال آخر على المتماكبات الإقليمية هي أحماض ألفا لينولينيك وجاما لينولينيك ، وكلاهما من أحماض أوكتاديكاترينويك ، ولكل منهما ثلاث روابط مزدوجة، ولكن في مواضع مختلفة على طول السلسلة.

المتزامرات الوظيفية هي متزامرات هيكلية لها مجموعات وظيفية مختلفة ، مما يؤدي إلى خصائص كيميائية وفيزيائية مختلفة بشكل كبير. ^[11]

ومن الأمثلة على ذلك الزوج البروبانال H ₃ C–CH ₂ –C(=O)-H والأسيتون H ₃ C–C(=O)–CH ₃ : الأول يحتوي على مجموعة وظيفية –C(=O)H، مما يجعله ألدهيد ، بينما يحتوي الثاني على مجموعة C–C(=O)–C، مما يجعله كيتون .

مثال آخر هو زوج الإيثانول H ₃ C–CH ₂ –OH ( كحول ) وثنائي ميثيل الأثير H ₃ C–O–CH ₂ H ( أثير ). على النقيض من ذلك، فإن 1-بروبانول و2 -بروبانول عبارة عن متزامرات هيكلية، ولكنها ليست متزامرات وظيفية، حيث أن لديهما نفس المجموعة الوظيفية المهمة ( هيدروكسيل –OH) وكلاهما كحول.

بالإضافة إلى الكيمياء المختلفة، فإن المتزامرات الوظيفية لها عادةً أطياف تحت حمراء مختلفة جدًا . يتم تحديد طيف الأشعة تحت الحمراء إلى حد كبير من خلال أنماط اهتزاز الجزيء، والمجموعات الوظيفية مثل الهيدروكسيل والإسترات لها أنماط اهتزاز مختلفة جدًا. وبالتالي فإن 1-بروبانول و2-بروبانول لهما أطياف تحت حمراء متشابهة نسبيًا بسبب مجموعة الهيدروكسيل، والتي تختلف إلى حد كبير عن تلك الموجودة في ميثيل إيثيل إيثر. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

في الكيمياء، يتجاهل المرء عادةً التمييز بين نظائر العنصر نفسه. ومع ذلك، في بعض المواقف (على سبيل المثال في مطيافية رامان أو الرنين النووي المغناطيسي أو الموجات الدقيقة ) قد يعامل المرء نظائر مختلفة لنفس العنصر على أنها عناصر مختلفة. في الحالة الثانية، يُقال عن جزيئين بنفس عدد ذرات كل نظير ولكن مخططات الترابط المميزة أنهما نظائر بنيوية .

وهكذا، على سبيل المثال، لن يكون للإيثين أي متزامرات هيكلية بموجب التفسير الأول؛ ولكن استبدال ذرتين من الهيدروجين ( ^1H ) بذرتي ديوتيريوم ( ^2H ) قد ينتج عنه أي من نظيرين هيكليين (1,1- ديديوتروإيثين و1,2- ديديوتروإيثين)، إذا كانت ذرتا الكربون من نفس النظير. وإذا كانت ذرتا الكربون نظيرين مختلفين بالإضافة إلى ذلك (على سبيل المثال، ^12C و ¹³ C)، فسيكون هناك ثلاثة نظيرات هيكلية مميزة، لأن 1- ^13C -1,1- ديديوتروإيثين سيكون مختلفًا عن 1- ^13C -2,2- ديديوتروإيثين. وفي كلتا الحالتين، سيحدث النظير الهيكلي 1,2- ديديوترو على شكل نظيرين فراغيين ، سيس وترانس .

يكون لجزيئين (بما في ذلك الأيونات متعددة الذرات) A وB نفس البنية إذا كان من الممكن إقران كل ذرة من A بذرة من B من نفس العنصر، بطريقة واحد لواحد، بحيث يكون لكل رابطة في A رابطة في B، من نفس النوع، بين الذرات المقابلة؛ والعكس صحيح. ^[3] ينطبق هذا المطلب أيضًا على الروابط المعقدة التي تنطوي على ثلاث ذرات أو أكثر، مثل الرابطة غير الموضعية في جزيء البنزين والمركبات العطرية الأخرى.

اعتمادًا على السياق، قد يتطلب الأمر أن يقترن كل ذرة بذرة من نفس النظير، وليس فقط من نفس العنصر.

ومن ثم يمكن القول إن جزيئين هما متزامرات هيكلية (أو، إذا كانت النظائر مهمة، متزامرات هيكلية) إذا كان لهما نفس الصيغة الجزيئية ولكن ليس لهما نفس البنية.

يمكن تعريف التناظر البنيوي للجزيء رياضيًا بأنه تبديل للذرات يتبادل ذرتين على الأقل ولكنه لا يغير بنية الجزيء. ومن ثم يمكن القول إن ذرتين متكافئتين بنيويًا إذا كان هناك تناظر بنيوي يأخذ إحداهما إلى الأخرى. ^[12]

على سبيل المثال، جميع ذرات الهيدروجين الأربع في الميثان متكافئة بنيوياً، لأن أي تبديل لها سوف يحافظ على جميع روابط الجزيء.

وبالمثل، فإن جميع ذرات الهيدروجين الستة في الإيثان ( C
₂ح
₆) متكافئة هيكليًا مع بعضها البعض، كما هي الحال مع ذرتي الكربون؛ لأنه يمكن تبديل أي هيدروجين بأي ذرة أخرى، إما عن طريق تبديل يتبادل هاتين الذرتين فقط، أو عن طريق تبديل يتبادل ذرتي الكربون وكل هيدروجين في مجموعة ميثيل واحدة مع هيدروجين مختلف في مجموعة الميثيل الأخرى. تحافظ كلتا العمليتين على بنية الجزيء. وهذا هو الحال أيضًا بالنسبة لذرات الهيدروجين في السيكلوبنتان والألين و2 - بيوتين والهيكساميثيلين تيترامين والبريسمان والكوبان والدوديكاهدرين ، إلخ .

من ناحية أخرى، لا تكون ذرات الهيدروجين في البروبان متكافئة بنيويًا. فالست ذرات الهيدروجين المرتبطة بذرتي الكربون الأولى والثالثة متكافئة، كما هو الحال في الإيثان، والاثنتان المرتبطتان بذرة الكربون الوسطى متكافئتان مع بعضهما البعض؛ ولكن لا يوجد تكافؤ بين فئتي التكافؤ هاتين .

إن التكافؤات البنيوية بين ذرات الجزيء الأصلي تقلل من عدد المتزامرات الموضعية التي يمكن الحصول عليها عن طريق استبدال تلك الذرات بعنصر أو مجموعة مختلفة. على سبيل المثال، التكافؤ البنيوي بين ذرات الهيدروجين الستة في الإيثان C
₂ح
₆يعني أنه يوجد متزامِر هيكلي واحد فقط للإيثانول C
₂ح
₅أوه ، وليس 6. ثمانية ذرات هيدروجين من البروبان C
₃ح
₈تنقسم إلى فئتين من التكافؤ البنيوي (ستة على مجموعات الميثيل، واثنتان على الكربون المركزي)؛ وبالتالي، هناك فقط متزامران موضعيان للبروبانول ( 1-بروبانول و2 -بروبانول ). وبالمثل، هناك فقط متزامران موضعيان للبيوتانول ، وثلاثة من البنتانول أو الهكسانول .

بمجرد إجراء عملية استبدال على جزيء أصلي، عادة ما يتم تقليل تناسقه البنيوي، مما يعني أن الذرات التي كانت متكافئة سابقًا قد لا تكون كذلك بعد الآن. وبالتالي فإن استبدال ذرتين أو أكثر متكافئتين بنفس العنصر قد يؤدي إلى توليد أكثر من متزامر موضعي.

المثال الكلاسيكي هو مشتقات البنزين . ذرات الهيدروجين الستة فيه كلها متكافئة بنيوياً، وكذلك ذرات الكربون الستة؛ لأن البنية لا تتغير إذا تم تبديل الذرات بطرق تتوافق مع قلب الجزيء أو تدويره بمضاعفات 60 درجة. لذلك، فإن استبدال أي هيدروجين بالكلور ينتج عنه كلورو بنزين واحد فقط . ومع ذلك، مع هذا الاستبدال، لم تعد تبديلات الذرات التي حركت ذلك الهيدروجين صالحة. يبقى تبديل واحد فقط، يتوافق مع قلب الجزيء مع إبقاء الكلور ثابتًا. تنقسم ذرات الهيدروجين الخمس المتبقية بعد ذلك إلى ثلاث فئات تكافؤ مختلفة: الهيدروجين المقابل للكلور هو فئة في حد ذاته (يسمى موضع بارا )، والاثنتان الأقرب إلى الكلور تشكلان فئة أخرى ( أورثو )، والاثنتان المتبقيتان هما الفئة الثالثة ( ميتا ). وبالتالي فإن الاستبدال الثاني للهيدروجين بالكلور يمكن أن ينتج عنه ثلاثة متزامرات موضعية: 1,2- أو أورثو- ، و1,3- أو ميتا- ، و1,4- أو بارا - ديكلوروبنزين .

أورثو- ثنائي كلورو البنزين	ميتا -ديكلورو البنزين	بارا - ثنائي كلورو البنزين
1،2- ثنائي كلورو البنزين	1،3- ثنائي كلورو البنزين	1,4- ثنائي كلورو البنزين

ولنفس السبب، يوجد فينول واحد فقط (هيدروكسي بنزين)، ولكن ثلاثة بنزين ديول ؛ وتولوين واحد (ميثيل بنزين)، ولكن ثلاثة تولول ، وثلاثة زيلين .

من ناحية أخرى، قد يحافظ الاستبدال الثاني (بنفس البديل) على تناسق الجزيء أو يزيده، وبالتالي قد يحافظ على عدد فئات التكافؤ أو يقللها للاستبدال التالي. وبالتالي، فإن ذرات الهيدروجين الأربع المتبقية في ميتا ثنائي كلورو البنزين لا تزال تنقسم إلى ثلاث فئات، في حين أن ذرات الهيدروجين في أورثو تنقسم إلى فئتين، وتلك الموجودة في بارا متكافئة مرة أخرى. ومع ذلك، فإن بعض هذه الاستبدالات 3 + 2 + 1 = 6 تنتهي إلى نفس البنية، وبالتالي لا يوجد سوى ثلاثة مركبات ثلاثية كلورو البنزين متميزة بنيويًا : 1,2,3- و1,2,4- و1,3,5- .

1،2،3-ثلاثي كلورو البنزين	1،2،4-ثلاثي كلورو البنزين	1،3،5-ثلاثي كلورو البنزين

إذا كانت البدائل في كل خطوة مختلفة، فسيكون هناك عادةً المزيد من المتزامرات البنيوية. الزيلينول ، وهو عبارة عن بنزين به بديل هيدروكسيل واحد وبديلان ميثيليان، يحتوي على إجمالي 6 متزامرات:

2،3-زيلينول	2,4-زيلينول	2,5-زيلينول
2,6-زيلينول	3،4-زيلينول	3,5-زيلينول

إن تعداد أو حساب المتزامرات البنيوية بشكل عام يعد مشكلة صعبة، حيث يجب على المرء أن يأخذ في الاعتبار العديد من أنواع الروابط (بما في ذلك تلك غير الموضعية)، والهياكل الدورية، والهياكل التي لا يمكن تحقيقها بسبب القيود التكافؤية أو الهندسية، والتوتومرات غير القابلة للفصل.

على سبيل المثال، هناك تسعة متزامرات بنيوية لها الصيغة الجزيئية C ₃ H ₆ O ولها روابط رابطة مختلفة. سبعة منها مستقرة في الهواء عند درجة حرارة الغرفة، وهي موضحة في الجدول أدناه.

المركبات ذات الصيغة الجزيئية C ₃ H ₆ O

اسم	البنية الجزيئية	نقطة الانصهار (درجة مئوية)	نقطة الغليان (درجة مئوية)	تعليق
كحول الأليل		-129	97
سيكلوبروبانول			101-102
بروبيونالدهيد		-81	48	مترابط مع prop-1-en-1-ol، والذي يحتوي على أشكال متماثلة فراغية سيس وترانس
الأسيتون		-94.9	56.53	مترابط مع propen-2-ol
أوكسيتان		-97	48
أكسيد البروبيلين		-112	34	يحتوي على شكلين متماثلين ضوئيا
ميثيل فينيل إيثر		-122	6

هناك متزامران هيكليان هما متزامران إينول من متزامرات الكربونيل (بروبيونالدهيد وأسيتون)، لكنهما غير مستقرين. ^[13]

• تماثل التنسيق
• الوصف (الكيمياء)
• متماكب فراغي
• التماثل (توضيح)