ایزومرهای کنفورماسیونی

(Conformational isomers)

دیدیم که چندی کنفورماسیون نپوشیده مختلف برای –n بوتان وجود دارد که هر یک از آنها در پائین دره انرژی و یا حداقل انرژی قرار می‌گیرند و به وسیله تپه‌های انرژی از کنفورماسیونهای دیگر جدا می‌شوند. کنفورماسیونهای مختلف مربوط به حداقل انرژی به نام ایزومرهای اتمها در فضا تفاوت دارند آنها نیز ایزومر فضایی می‌باشند. مانند هر نوع ایزومر فضایی یکی از زوج‌ کنفورمرها می‌تواند تصویر آینه‌ای دیگری باشد یا نباشد.

-n بوتان به شکل سه ایزومر کنفورماسیونی وجود دارد، یکی آنتی و دو گوش ، کنفورمرهای گوش II و III تصاویر آینه‌ای یکدیگر بوده و از این رو انانتیومر (کنفورماسیونی) می باشند. کنفورمرهای I و II (یا I و II) تصاویر آینه‌ای یکدیگر نبوده، بنابراین دیاسترئومر (کنفورماسیونی) هستند.

اگر چه سد انرژی چرخشی در –n بوتان کمی بالاتر از اتان است ولکین هنوز به اندازه کافی پایین است – حداقل در دماهای معمولی – تا تبدیل کنفورمرها به یکدیگر به آسانی و به سرعت انجام پذیرد. حالت تعاونی وجود دارد که جهت آن به سمت تشکیل کنفورمرها آنتی پایدارتر است؛ البته دو کنفورمر گوش – تصاویر آینه‌ای هستند و از این رو پایداری دقیقاً یکسانی دارند – مساوی می‌باشد.
به عبارت دیگر هر مولکول زمان بیشتری را به صورت کنفورمر آنتی به سر می‌برد و زمان کمتری را به طور مساوی بین دو کنفورمر گوش صرف می‌نماید. این ایزومرها را نمی‌توان به علت تبدیل سریع‌شان به یکدیگر جدا کرد.

سهولت در تبدیل متقابل تقریباً از ویژگی هر سری از ایزومرهای کنفورماسیون است و کیفیتی است که این ایزومرها را از سایر انواع ایزومرهای فضایی که تاکنون در این فصل مورد مطالعه قرار گرفته‌اند متمایز می‌کند. این اختلاف در قابلیت تبدیل متقابل به علت اختلاف در ارتفاع سد انرژی و همچنین در اثر اختلاف در طبیعت این سد است که ایزومرهای فضایی را از یکدیگر متمایز می‌نماید.
طبق تعریف، تبدیل متقابل ایزومرهای کنفورماسیونی در اثر چرخش در حول پیوندهای ساده ایجاد می‌شود؛ در بیشتر موارد سد چرخشی خیلی پایین بوده و تبدیل متقابل راحت و سریع انجام می‌گیرد. نوع دیگری از ایزومرهای فضایی ایزومرهای کنفیگوراسیونی یا ایزومرهای وارونه هستند که از نظر آرایش در حول مرکز کایرال با یکدیگر تفاوت دراند. تبدیل متقابل بر اثر شکستن پیوند کووالانس که سد انرژی بالایی در حدود 50 کیلوکالری بر مول یا بیشتر دارد، حادث می‌شود. تبدیل متقابل شکل بوده و بجز در مواردی که شرایط آن فراهم شود آن قدر کند است که می‌تواند از آن صرفنظر نمود.

قابلیت تبدیل متقابل ایزومرهای فضایی از نظر عملی بسیار مهم است زیرا قابلیت جداسازی آنها را از یکدیگر محدود می‌نماید. ایزومرهای فضایی را که به سختی متحمل تبدیل متقابل می‌شوند، می‌توان از یکدیگر جدا نمود (البته با روشهای خاص برای تفکیک انانتیومرها) و مورد مطالعه قرار داد؛ از جمله می‌توان فعالیت نوری آنها را اندازه‌گیری نمود. ایزومرهایی را که به آسانی متحمل تبدیل متقابل می‌شوند نمی توان جداسازی نمود و آنها را مورد مطالعه قرار داد؛ فعالیت نوری ملاحظه نمی‌شود زیرا هر مولکول کایرال فقط به شکل مخلوط راسمیک غیرقابل تفکیک وجود دارد.

روش عمومی برای مواجهه با ایزومرهای فضایی شامل دو مرحله است؛ در مرحله اول، قابلیت انطباق ساختمانهای ایزومری ممکن مورد آزمایش قرار می‌گیرد و در مرحله دوم قابلیت تبدیل متقابل آنها به هم آزمایش می‌شود. هر دو آزمایش را می‌توان به وسیله مدل به نحو مطلوبی انجام داد. مدلهایی از دو مولکول ساخته و سپس بدون آن که اجازه دهیم چرخش در حول پیوندهای ساده انجام شود باید سعی کنیم تا آنها را بر یکدیگر منطبق سازیم| اگر بر هم قابل انطباق نباشند نسبت به هم ایزومر هستند.
در مرحله بعد باید به مدلها اجازه داد تا کلیه چرخشهای ممکن در حول پیوندهای ساده را انجام داده و هر بار کوشش نمائیم تا آنها را بر هم منطبق نمائیم| اگر هنوز هم نتوانند بر هم منطبق شوند، قابلیت تبدیل متقابل را نداشته و از دسته ایزومرهای کنفیگوراسیونی هستند؛ اما چنانچه بعد از چرخش بر یکدیگر منطبق شوند، قابلیت تبدیل متقابل را داشته و از نوع ایزومرهای کنفورماسیونی هستند.

وقتی با آن قسمت از شیمی فضایی که به جدا کردن ایزومرهای فضایی مربوط می‌شود برخورد می‌نمائیم – به عنوان مثال تعداد ایزومر یا فعالیت نوری یا مطالعه واکنشهای یک ایزومر فضایی واحد – می‌توانیم از ایزومرهایی که به آسانی متحمل تبدیل متقابل می‌شوند صرفنظر نمائیم که معنای این گفته اکثر ایزومرهای کنفورماسیونی است. برای سهولت از «قواعد پایه» زیر در بحثها و مسائل این کتاب استفاده می‌شود| به جز در مواردی که خصوصاً ذکر می‌شود، واژه‌های، «ایزومر فضایی»، «انانتیومر» و «دیاسترئومر» به ایزومرهای کنفیگوراسیونی منجمله ایزومرهای هندسی اطلاق می‌شود و ایزومرهای کنفورماسیونی راشامل نمی‌شود. ایزومرهای آخری به عنوان «ایزومرهای کنفورماسیونی» ، «کنفورمرها» « انانتیومرهای کنفورماسیونی» و «دیاسترئومرهای کنفورماسیونی» خوانده می شود.

هیچ مرز معینی بین ایزومرهای فضایی که از تبدیل متقابل آسان و تبدیل متقابل مشکل ایجاد می‌شوند وجود ندارد. اگر چه می‌توان مطمئن بود که تبدیل متقابل ایزومرهای کنفیگوراسیونی مشکل خواهد بود. ولیکن نمی‌توان از ساده بودن تبدیل متقابل ایزومرهای کنفورماسیونی مطمئن بود.
سد چرخشی با توجه به اندازه و نوع استخلافات در اطراف پیوندهای ساده می‌تواند هر ارتفاعی را داشته باشد، از ارتفاع کم برای اتان تا اندازه‌ای که قابل مقایسه برای شکستن یک پیوند کووالانس باشد. بعضی از ایزومرهای کنفورماسیونی وجود دارند که به سادگی قابل جداسازی و حفظ برای مطالعه هستند؛ در واقع مطالعة چنین ایزومرهایی (آتروپایزومرها) قسمت عمده و بسیار مهمی از شیمی فضایی را تشکیل می‌دهند که ما نمی‌توانیم در این کتاب مقدماتی وارد جزئیات مربوط به آن گردیم.
ایزومرهای کنفورماسیونی دیگری وجود دارند که در دماهای معمولی نمی‌توان آنها را جداسازی نمود ولیکن در دماهای پائین‌تر که میانگین انرژی برخورد کمتر است قابل جداشدن می‌باشند. به هر حال ایزومرهای کنفورماسیونی که در این کتاب مورد بررسی قرار می‌گیرند سدهای چرخشی پائین دارند و می‌توان تصور کرد وقتی ایزومرهای فضایی را به صورت ایزومرهای کنفیگوراسیونی یا کنفورماسیونی دسته‌بندی می‌کنیم، همزمان با آن آنها را به صورت ایزومرهای تبدیل متقابل سخت یا تبدیل ساده طبقه‌بندی کرده‌ایم.