التماكب البنيوي في المركبات العضوية لكيمياء HSC

يمكن لصيغة جزيئية واحدة أن تخفي الكثير. لنفترض أن لدينا مركبين صيغتهما الجزيئية \(\ce{C4H10}\). هل تتوقع أن تكون لهما البنية نفسها تمامًا؟

ليست كذلك. يمكن أن يكون أحدهما سلسلة مستقيمة، \(\ce{CH3CH2CH2CH3}\)، بينما يكون الآخر متفرعًا، \(\ce{CH3CH(CH3)CH3}\). الذرات نفسها. والعدد نفسه من كل نوع من الذرات. لكن الروابط بينها مختلفة.

وهذه هي المسألة التي يفسرها التماكب البنيوي: فالصيغة الجزيئية تخبرك بالذرات الموجودة، لكنها لا تخبرك بكيفية اتصال تلك الذرات بعضها ببعض.

قبل أن نتابع، حاول أن تتنبأ. إذا كان لمركبين الصيغة الجزيئية نفسها لكن لهما اسمان مختلفان، فهل يجب أن يكونا متماكبين بنيويين؟

لا. اختلاف الاسمين وحده لا يكفي. يجب أن تتحقق من الاتصال الفعلي بين الذرات. فقد يُرسَم الجزيء نفسه أحيانًا باتجاهات مختلفة، كما يمكن أن تكون للمتماكبات الفراغية أسماء مختلفة مع بقاء الاتصال بين الذرات نفسه.

01ما الذي يجعل مركبين متماكبين بنيويين؟

يكون المركبان متماكبين بنيويين، ويُسمَّيان أيضًا متماكبين دستوريين، عندما يكون لهما:

• الصيغة الجزيئية نفسها، ولكن
• اتصال مختلف بين ذراتهما.

الشرط الثاني هو الأهم.

تخيّل الصيغة الجزيئية كأنها قائمة ضيوف لعشاء يبعث قليلًا على الحرج. يمكن للأشخاص الخمسة أنفسهم حضور العشاءين، لكن من يجلس بجانب من يمكن أن يتغير. للمتماكبات البنيوية «قائمة الضيوف» نفسها من الذرات، لكن ترتيب الروابط بينها مختلف.

لكن هذا التشبيه لا ينطبق بالكامل لأن الذرات ليست حرة في الارتباط بأي طريقة تريدها. فالكربون يُكوِّن عادةً أربع روابط، والأكسجين رابطتين، والهيدروجين رابطة واحدة، وتظل قواعد الترابط الأخرى سارية أيضًا.

في كيمياء HSC، توجد ثلاثة أنواع مفيدة بصورة خاصة من التماكب البنيوي: تماكب السلسلة، وتماكب الموضع، وتماكب المجموعة الوظيفية.

تنبيه واحد قبل استخدام الجدول: تصف هذه التسميات علاقة بين مركبين. فلا يوصف الجزيء منفردًا بأنه «متماكب سلسلة» فحسب؛ بل هو متماكب سلسلة بالنسبة إلى جزيء معيّن آخر.

02تماكب السلسلة: غيّر الهيكل الكربوني

ابدأ بـ \(\ce{C4H10}\).

البنية الواضحة هي:

\[ \ce{CH3CH2CH2CH3} \]

وهذا هو البيوتان.

هل يمكنك إعادة ترتيب ذرات الكربون الأربع مع إبقاء كل ذرة كربون بأربع روابط، والمحافظة على الصيغة الجزيئية \(\ce{C4H10}\)؟

نعم:

\[ \ce{CH3CH(CH3)CH3} \]

وهذا هو 2-ميثيل بروبان.

للمركبين الصيغة نفسها، وكلاهما من الألكانات. ما تغيّر هو الهيكل الكربوني: أحدهما غير متفرع، والآخر متفرع. ولذلك فهما متماكبا سلسلة.

يمكن أن يحدث ذلك أيضًا في المركبات غير المشبعة. على سبيل المثال:

• \(\ce{CH2=CHCH2CH2CH3}\)، بنت-1-ين
• \(\ce{CH2=CHCH(CH3)CH3}\)، 3-ميثيل بيوت-1-ين

لكليهما الصيغة الجزيئية \(\ce{C5H10}\)، وكلاهما يحتوي على رابطة كربون-كربون مزدوجة. لكن الهيكل الكربوني مختلف، ولذلك فهما متماكبا سلسلة.

03تماكب الموضع: أبقِ الهيكل كما هو وحرّك الجزء المهم

قارن الآن بين:

\[ \ce{CH2=CHCH2CH3} \]

و

\[ \ce{CH3CH=CHCH3} \]

وهما بيوت-1-ين وبيوت-2-ين.

كلا المركبين:

• له الصيغة الجزيئية \(\ce{C4H8}\)،
• وله الهيكل نفسه غير المتفرع المكوَّن من أربع ذرات كربون، و
• يحتوي على المجموعة الوظيفية نفسها، وهي رابطة كربون-كربون مزدوجة.

الذي يتغير فقط هو موضع الرابطة المزدوجة.

ولذلك فهما متماكبا موضع.

يحدث تماكب الموضع أيضًا عندما تتحرك مجموعة وظيفية أو مستبدَل. على سبيل المثال:

\[ \ce{CH3CH2CH2OH} \]

بروبان-1-ول، و

\[ \ce{CH3CH(OH)CH3} \]

بروبان-2-ول متماكبا موضع. فالهيكل المكوَّن من ثلاث ذرات كربون لم يتغير، وكلاهما كحول. الذي يتغير فقط هو موضع مجموعة \(\ce{-OH}\).

ينطبق المنطق نفسه على الهالوألكانات مثل 1-كلورو بروبان و2-كلورو بروبان.

إذا كانت تسمية هذه البنى هي الجزء الذي يبطئك، فراجع تسمية IUPAC للمركبات العضوية حتى C8 بالتوازي مع دراسة التماكب. فالتسمية الصحيحة مفيدة هنا لأنها تساعد على كشف التكرارات.

04تماكب المجموعة الوظيفية: يصبح تغير الترابط أكثر أهمية

انظر إلى هذين المركبين:

\[ \ce{CH3CH2CHO} \]

بروبانال، و

\[ \ce{CH3COCH3} \]

بروبانون.

عدّ الذرات. لكليهما الصيغة الجزيئية \(\ce{C3H6O}\).

للوهلة الأولى، قد تقول: «لقد انتقلت رابطة \(\ce{C=O}\) فقط».

هذا التوقع مغرٍ، لكنه يغفل أمرًا مهمًا.

في البروبانال، تقع ذرة كربون مجموعة الكربونيل عند نهاية السلسلة وترتبط بذرة هيدروجين. والمجموعة الوظيفية هي ألدهيد.

أما في البروبانون، فذرة كربون مجموعة الكربونيل مرتبطة بمجموعتين كربونيتين. والمجموعة الوظيفية هي كيتون.

لقد تغيرت هوية المجموعة الوظيفية. لذلك فهذان المركبان متماكبا مجموعة وظيفية، وليس مجرد متماكبي موضع.

هذا التمييز مهم لأن المجموعات الوظيفية تتحكم في التفاعلات المميزة للمركبات. فتغيير ترتيب الذرات بطريقة تحوّل ألدهيدًا إلى كيتون ليس مجرد تغيير رقم في الاسم.

ومن الأمثلة الأخرى ذات الصلة بـ HSC حمض كربوكسيلي وإستر. فحمض الإيثانويك، \(\ce{CH3COOH}\)، وميثانوات الميثيل، \(\ce{HCOOCH3}\)، لهما الصيغة الجزيئية نفسها \(\ce{C2H4O2}\)، لكنهما يحتويان على مجموعتين وظيفيتين مختلفتين.

للمزيد من التدريب على تمييز هذه المجموعات من الأسماء والبنى، راجع تسمية IUPAC للأحماض والأمينات والأميدات ومركبات الهالو.

05يمكن للمركبات المشبعة وغير المشبعة أن تُظهر تماكبًا بنيويًا

الهيدروكربون المشبع يحتوي فقط على روابط أحادية بين ذرات الكربون. أما الهيدروكربون غير المشبع فيحتوي على رابطة مزدوجة أو ثلاثية واحدة على الأقل بين ذرتي كربون.

يحدث التماكب البنيوي في كليهما.

في الهيدروكربونات المشبعة، يؤدي التفرع إلى تكوين متماكبات سلسلة:

\[ \ce{C4H10} \]

يمكن أن يكون بيوتان أو 2-ميثيل بروبان.

أما في الهيدروكربونات غير المشبعة، فتوجد احتمالات أكثر لأنك تستطيع تغيير كل من الهيكل الكربوني وموضع الرابطة المتعددة:

\[ \ce{CH2=CHCH2CH3} \]

و

\[ \ce{CH3CH=CHCH3} \]

متماكبا موضع، بينما

\[ \ce{CH2=CHCH2CH3} \]

و

\[ \ce{CH2=C(CH3)2} \]

متماكبا سلسلة.

انتبه عند استخدام الاختصارات القائمة على الصيغة الجزيئية. فالألكين غير الحلقي الذي يحتوي على رابطة مزدوجة واحدة له الصيغة العامة \(\ce{C_nH\_{2n}}\)، لكن الصيغة وحدها لا تخبرك بالموضع الدقيق للرابطة المزدوجة، ولا تحدد حتى الفئة البنيوية تحديدًا فريدًا في كل جزيء عضوي ممكن.

يجب تحديد البنية من خلال الاتصال بين الذرات، لا تخمينها من نمط صيغة واحد.

06كيف ترسم المتماكبات البنيوية من دون أن تفوّت بعضها أو تكررها

تحريك الفروع عشوائيًا طريقة غير موثوقة. والطريقة المنهجية أكثر أمانًا بكثير.

1. تحقّق أولًا من الصيغة الجزيئية

يجب أن تكون للمتماكبات البنيوية صيغ جزيئية متطابقة.

إذا كانت إحدى البنيتين \(\ce{C5H12}\) والأخرى \(\ce{C5H10}\)، فتوقف. فهما ليستا متماكبتين.

2. حدِّد القيود التي يعطيك إياها السؤال

قد يطلب السؤال:

• جميع المتماكبات البنيوية،
• الألكينات فقط،
• الكحولات فقط،
• الألدهيدات والكيتونات فقط، أو
• المركبات ذات هيكل كربوني معين فقط.

هذه القيود مهمة. فمهمة «جميع الألكينات ذات الصيغة \(\ce{C5H10}\)» تختلف عن مهمة «جميع المتماكبات البنيوية ذات الصيغة \(\ce{C5H10}\)».

3. ولِّد الهياكل الكربونية بصورة منهجية

ابدأ بأطول هيكل غير متفرع. ثم أدخل التفرع.

فعلى سبيل المثال، لذرات الكربون الخمس، تعتمد هياكل الألكانات الثلاثة على:

• بنتان،
• 2-ميثيل بيوتان، و
• 2,2-ثنائي ميثيل بروبان.

4. ضع المجموعة الوظيفية أو الرابطة المتعددة في مواضع مختلفة فعلًا

بعد تثبيت الهيكل، اسأل عن مواضع الكربون المتميزة كيميائيًا.

للتماثل دور مهم. فقد يبدو موضعان مختلفين على الصفحة، لكنهما يصبحان متماثلين عند تدوير الجزيء أو ترقيمه من الطرف الآخر.

5. تحقّق من التكافؤات المعتادة

بالنسبة إلى البنى المستخدمة هنا:

• يحتاج الكربون إلى أربع روابط،
• ويحتاج الأكسجين عادةً إلى رابطتين،
• ويحتاج الهيدروجين إلى رابطة واحدة، و
• يحتاج الهالوجين مثل الكلور عادةً إلى رابطة واحدة.

يسمح لك ذلك باستبعاد بعض الرسومات الجذابة بصريًا لكنها مستحيلة كيميائيًا بسرعة.

6. سمِّ كل بنية

التسمية ليست مجرد خطوة تجميلية في النهاية. بل هي وسيلة لكشف التكرار.

إذا حصل رسمان على اسم IUPAC الصحيح نفسه، فمن شبه المؤكد أنك رسمت الاتصال نفسه بين الذرات مرتين.

07الخطأ الأكثر شيوعًا: عدّ الرسومات بدلًا من البنى

لنفترض أن طالبًا يرسم البنتان أفقيًا، ثم يرسم السلسلة نفسها المكوَّنة من خمس ذرات كربون في شكل متعرج.

هاتان ليستا متماكبين بنيويين.

يمكن رسم الذرات في أماكن مختلفة على الصفحة دون تغيير الذرات المرتبطة بعضها ببعض.

وتظهر المشكلة نفسها مع الترقيم. «3-ميثيل بيوتان» ليس متماكبًا جديدًا لـ 2-ميثيل بيوتان. فعند ترقيم السلسلة من الطرف الصحيح، يصف كلا الرسمين 2-ميثيل بيوتان.

ومن الأسئلة المفيدة:

هل أصبح لإحدى الذرات جار مختلف؟

إذا كانت الإجابة لا، فلم يتغير الاتصال بين الذرات.

08سلسلة أم موضع أم مجموعة وظيفية؟ استخدم هذا التسلسل

عند مقارنة زوج من المركبات، اعمل بهذا الترتيب.

أولًا، تأكد من أن الصيغ الجزيئية متطابقة. فإذا لم تكن كذلك، فالمركبان ليسا متماكبين.

ثم اسأل ما الذي تغير بالفعل:

• إذا تغير نوع المجموعة الوظيفية، فعادةً يكون تماكب المجموعة الوظيفية هو التصنيف المهم.
• إذا بقيت المجموعة الوظيفية نفسها لكن تغيّر الهيكل الكربوني، فلديك تماكب سلسلة.
• إذا بقي الهيكل ونوع المجموعة الوظيفية كما هما لكن تغيّر موضعها، فلديك تماكب موضع.
• إذا لم يتغير الاتصال بين الذرات إطلاقًا، فلا تسمِّ المركبين متماكبين بنيويين.

يمنع هذا الفحص الأخير كثيرًا من الأخطاء المتعلقة بالمتماكبات الهندسية وبالبنية نفسها عندما تُرسم في الاتجاه المعاكس.

09أسئلة وحلول

السؤال 1

لـ 1-كلورو بروبان الصيغة البنائية المكثفة \(\ce{CH3CH2CH2Cl}\). ويوجد مركب آخر صيغته \(\ce{CH3CHClCH3}\).

بيّن أن المركبين متماكبان بنيويان، وسمِّ المركب الثاني، وحدد نوع التماكب البنيوي.

الحل 1

المركبان متماكبا موضع، والمركب الثاني هو 2-كلورو بروبان.

يحتوي كلا المركبين على ثلاث ذرات كربون وسبع ذرات هيدروجين وذرة كلور واحدة، ولذلك فكلاهما له الصيغة الجزيئية \(\ce{C3H7Cl}\).

كما أن هيكلهما الكربوني واحد: سلسلة غير متفرعة مكوَّنة من ثلاث ذرات كربون. وترتبط ذرة الكلور بالكربون 1 في 1-كلورو بروبان، وبالكربون 2 في 2-كلورو بروبان.

لم يتغير نوع المجموعة الوظيفية، ولم يتغير الهيكل. الذي تغير فقط هو موضع مستبدَل الكلور، ولذلك فهذا تماكب موضع.

والخطأ المغري هو تسميتهما متماكبي سلسلة لمجرد أن رسميهما يبدوان مختلفين. فمتماكبا السلسلة يجب أن يكون لهما هيكلان كربونيان مختلفان.

السؤال 2

انظر فقط إلى الألكينات ذات السلسلة المفتوحة والصيغة الجزيئية \(\ce{C5H10}\)، وتجاهل التماكب الفراغي.

ارسم وسمِّ كل متماكب بنيوي في هذه المجموعة. ثم حدد:

• زوجًا واحدًا من متماكبات الموضع، و
• زوجًا واحدًا من متماكبات السلسلة.

واشرح لماذا لا تضيف الأشكال الهندسية لإحدى بنياتك متماكبًا بنيويًا آخر.

الحل 2

توجد خمسة متماكبات بنيوية ألكينية ذات سلسلة مفتوحة لـ \(\ce{C5H10}\):

\[ \begin{aligned} &\ce{CH2=CHCH2CH2CH3} &&\text{بنت-1-ين}\\ &\ce{CH3CH=CHCH2CH3} &&\text{بنت-2-ين}\\ &\ce{CH2=C(CH3)CH2CH3} &&\text{2-ميثيل بيوت-1-ين}\\ &\ce{CH2=CHCH(CH3)CH3} &&\text{3-ميثيل بيوت-1-ين}\\ &\ce{CH3C(CH3)=CHCH3} &&\text{2-ميثيل بيوت-2-ين} \end{aligned} \]

من أزواج متماكبات الموضع الواضحة بنت-1-ين وبنت-2-ين. فالهيكل المكوَّن من خمس ذرات كربون لم يتغير، وكلاهما ألكين. الذي يتغير فقط هو موضع رابطة \(\ce{C=C}\).

ومن أزواج متماكبات السلسلة الواضحة بنت-1-ين و3-ميثيل بيوت-1-ين. فكلاهما يحتوي على رابطة كربون-كربون مزدوجة واحدة، لكن أحد الهيكلين الكربونيين غير متفرع والآخر متفرع.

الطريقة المنهجية هي ما يمنع تفويت بعض البنى. استخدم أولًا الهيكل المستقيم المكوَّن من خمس ذرات كربون، وضع الرابطة المزدوجة في مواضعها المتميزة. ثم استخدم الهيكل الكربوني المتفرع لـ 2-ميثيل بيوتان، وضع الرابطة المزدوجة على كل رابطة متميزة كيميائيًا يمكن أن يتكون عندها ألكين صالح.

يمكن أن يكون لبنت-2-ين ترتيبات هندسية مختلفة حول رابطته المزدوجة. ولا تضيف هذه الترتيبات متماكبات بنيوية جديدة لأن ذرات الكربون نفسها تظل مرتبطة بالجيران أنفسهم. فالتماكب الهندسي يغير الترتيب الفراغي، لا الاتصال بين الذرات.

والطريق المغري هو عدّ كل رسم يبدو مختلفًا. لكن الشرط المهم هو اختلاف الاتصال بين الذرات.

السؤال 3

ثلاثة مركبات \(X\) و\(Y\) و\(Z\) لها جميعًا الصيغة الجزيئية \(\ce{C4H8O2}\).

• \(X\) حمض كربوكسيلي غير متفرع.
• \(Y\) حمض كربوكسيلي متفرع.
• \(Z\) إستر. تحتوي مجموعة الألكيل \(\ce{-O-}\) فيه على ذرة كربون واحدة، بينما يحتوي الجزء المشتق من الحمض على ثلاث ذرات كربون إجمالًا.

ارسم وسمِّ \(X\) و\(Y\) و\(Z\). وصنِّف العلاقة بين \(X\) و\(Y\)، وبين \(X\) و\(Z\).

وأخيرًا، اشرح ما إذا كان نقل مجموعة \(\ce{-COOH}\) من نهاية السلسلة الكربونية إلى ذرة كربون داخلية يمكن أن ينتج متماكب موضع يظل حمضًا كربوكسيليًا.

الحل 3

\(X\) هو حمض البيوتانويك، و\(Y\) هو حمض 2-ميثيل بروبانويك، و\(Z\) هو بروبانوات الميثيل. \(X\) و\(Y\) متماكبا سلسلة، بينما \(X\) و\(Z\) متماكبا مجموعة وظيفية.

البنى هي:

\[ \ce{CH3CH2CH2COOH} \]

لحمض البيوتانويك،

\[ \ce{(CH3)2CHCOOH} \]

لحمض 2-ميثيل بروبانويك، و

\[ \ce{CH3CH2COOCH3} \]

لبروبانوات الميثيل.

تحتوي المركبات الثلاثة جميعها على أربع ذرات كربون وثماني ذرات هيدروجين وذرتي أكسجين.

بالنسبة إلى \(X\) و\(Y\)، تظل المجموعة الوظيفية \(\ce{-COOH}\) مجموعة حمض كربوكسيلي. الذي يتغير هو الهيكل الكربوني: \(X\) غير متفرع و\(Y\) متفرع. ولذلك فهما متماكبا سلسلة.

أما بالنسبة إلى \(X\) و\(Z\)، فتتغير المجموعة الوظيفية من حمض كربوكسيلي إلى إستر، ولذلك فهما متماكبا مجموعة وظيفية.

لا يمكن للحمض الكربوكسيلي أن يكون له متماكب موضع بسيط يتكون بنقل مجموعة \(\ce{-COOH}\) كاملة إلى ذرة كربون داخلية مع إبقاء الهيكل الكربوني نفسه بالطريقة التي يمكن بها نقل مجموعة \(\ce{-OH}\) في الكحول. فذرة كربون مجموعة الكربوكسيل هي نفسها جزء من السلسلة الكربونية الأم، ويجب أن تكون طرفية بسبب نمط الترابط \(\ce{-C(=O)OH}\).

والفكرة المغرية هي التعامل مع كل مجموعة وظيفية كأنها ملصق قابل للنقل من الكربون 1 إلى الكربون 2. لكن متطلبات الترابط الدقيقة للمجموعة الوظيفية تمنع ذلك هنا.

السؤال 4

حدِّد كل المتماكبات البنيوية الكحولية ذات الصيغة الجزيئية \(\ce{C5H12O}\).

نظّم استدلالك بحسب الهيكل الكربوني بدلًا من تخمين الأسماء. ولكل هيكل كربوني، اشرح عدد المواضع المتميزة كيميائيًا التي يمكن أن تحمل مجموعة \(\ce{-OH}\).

ثم:

• حدِّد زوجًا واحدًا من متماكبات السلسلة،
• وحدِّد زوجًا واحدًا من متماكبات الموضع، و
• اشرح لماذا تكون البنية المقترحة «2,2-ثنائي ميثيل بروبان-2-ول» مستحيلة.

الحل 4

توجد ثمانية متماكبات بنيوية كحولية لـ \(\ce{C5H12O}\).

الطريق الأكثر أمانًا هو البدء بالهياكل الثلاثة الممكنة لألكانات تحتوي على خمس ذرات كربون، ثم وضع مجموعة \(\ce{-OH}\) فقط عند مواضع الكربون المتميزة كيميائيًا.

بالنسبة إلى هيكل البنتان، توجد ثلاثة مواضع متميزة:

\[ \ce{CH3CH2CH2CH2CH2OH} \]

بنتان-1-ول،

\[ \ce{CH3CH(OH)CH2CH2CH3} \]

بنتان-2-ول، و

\[ \ce{CH3CH2CH(OH)CH2CH3} \]

بنتان-3-ول.

الموضعان 4 و5 لا ينتجان مركبات جديدة، لأن الترقيم من الطرف المقابل يعطي الموضعين 2 و1.

بالنسبة إلى هيكل 2-ميثيل بيوتان، توجد أربع بيئات كربونية متميزة يمكنها حمل مجموعة \(\ce{-OH}\):

\[ \ce{HOCH2CH(CH3)CH2CH3} \]

2-ميثيل بيوتان-1-ول،

\[ \ce{HOCH2CH2CH(CH3)CH3} \]

3-ميثيل بيوتان-1-ول،

\[ \ce{CH3CH(OH)CH(CH3)CH3} \]

3-ميثيل بيوتان-2-ول، و

\[ \ce{CH3C(OH)(CH3)CH2CH3} \]

2-ميثيل بيوتان-2-ول.

قد يكون الانطباع الأول أن جميع ذرات الكربون الطرفية متكافئة. لكنها ليست كذلك. ففي هذا الهيكل غير المتماثل، تختلف بيئة الترابط لذرة الكربون الطرفية المجاورة لذرة الكربون المتفرعة عن بيئة ذرة الكربون الطرفية عند الطرف الآخر. ووضع \(\ce{-OH}\) عليهما يعطي اتصالًا مختلفًا بين الذرات.

بالنسبة إلى هيكل 2,2-ثنائي ميثيل بروبان، تكون ذرات الكربون الخارجية الأربع جميعها متكافئة بفعل التماثل. لذلك يمكن تكوين كحول واحد فقط:

\[ \ce{(CH3)3CCH2OH} \]

2,2-ثنائي ميثيل بروبان-1-ول.

إذن العدد الكلي هو:

\[ 3+4+1=8 \]

من أزواج متماكبات السلسلة بنتان-1-ول و2-ميثيل بيوتان-1-ول. فكلاهما كحول وله الصيغة \(\ce{C5H12O}\)، لكن هيكليهما الكربونيين مختلفان.

ومن أزواج متماكبات الموضع بنتان-1-ول وبنتان-2-ول. يظل الهيكل الكربوني ونوع المجموعة الوظيفية كما هما، لكن مجموعة \(\ce{-OH}\) تغير موضعها.

«2,2-ثنائي ميثيل بروبان-2-ول» مستحيل لأن ذرة الكربون 2 في هيكل 2,2-ثنائي ميثيل بروبان مرتبطة بالفعل بأربع ذرات كربون. ولا يملك الكربون قدرة ترابط خامسة متاحة لمجموعة \(\ce{-OH}\).

من السهل أن يفوتك هذا القيد الأخير إذا تعاملت مع رسم المتماكبات كأنه مجرد نقل لتسميات من مكان إلى آخر. فالتكافؤ هو الذي يحدد المواضع الممكنة فعلًا.

السؤال 5

يطلب سؤال إيجاد كل مركب ذي سلسلة مفتوحة وصيغة جزيئية \(\ce{C5H10O}\) يحتوي على مجموعة كربونيل واحدة بالضبط، \(\ce{C=O}\)، ولا يحتوي على أي رابطة متعددة أخرى. ولا يُسمح إلا بالألدهيدات والكيتونات.

يقترح طالب ثماني بنى:

• بنتانال
• 2-ميثيل بيوتانال
• 3-ميثيل بيوتانال
• 2,2-ثنائي ميثيل بروبانال
• بنتان-2-ون
• بنتان-3-ون
• 3-ميثيل بيوتان-2-ون
• 2-ميثيل بيوتان-2-ون

يلاحظ طالب آخر وجود مشكلة ويستبدل الاسم الأخير بـ «4-ميثيل بيوتانال»، مدعيًا أن ذلك يعطي المتماكب الثامن المفقود.

حدِّد المجموعة الكاملة من المتماكبات البنيوية الصحيحة. واشرح لماذا تفشل البنية الثامنة التي اقترحها كل طالب، وبرهن على سبب عدم إمكانية وجود بنية ثامنة تحت الشروط المذكورة.

وأخيرًا، حدِّد زوجًا يوضح كلًا من تماكب السلسلة، وتماكب الموضع، وتماكب المجموعة الوظيفية ضمن المجموعة الصحيحة.

الحل 5

توجد بالضبط سبعة متماكبات بنيوية صحيحة تحت القيود المذكورة: أربعة ألدهيدات وثلاثة كيتونات. ولا تمثل أي من البنيتين الثامنتين المقترحتين بنية جديدة صحيحة.

الألدهيدات الأربعة هي:

\[ \ce{CH3CH2CH2CH2CHO} \]

بنتانال،

\[ \ce{CH3CH2CH(CH3)CHO} \]

2-ميثيل بيوتانال،

\[ \ce{CH3CH(CH3)CH2CHO} \]

3-ميثيل بيوتانال، و

\[ \ce{(CH3)3CCHO} \]

2,2-ثنائي ميثيل بروبانال.

لماذا أربعة بالضبط؟

يمتلك الألدهيد المجموعة الطرفية \(\ce{-CHO}\). وبعد تثبيت ذرة الكربون تلك عند النهاية، تُكوِّن ذرات الكربون الأربع المتبقية ترتيبًا ألكيليًا مرتبطًا بها. ويؤدي التوليد المنهجي للهياكل الكربونية الممكنة إلى البنى الأربع أعلاه.

أما الكيتونات الثلاثة فهي:

\[ \ce{CH3COCH2CH2CH3} \]

بنتان-2-ون،

\[ \ce{CH3CH2COCH2CH3} \]

بنتان-3-ون، و

\[ \ce{CH3COCH(CH3)CH3} \]

3-ميثيل بيوتان-2-ون.

يجب أن تكون ذرة كربون مجموعة الكربونيل في الكيتون مرتبطة بمجموعتين كربونيتين. وهذا يعني أن مجموعة الكربونيل لا يمكن أن تكون طرفية.

المركب الإضافي لدى الطالب الأول، «2-ميثيل بيوتان-2-ون»، يفشل لأن هذا الاسم سيتطلب من ذرة كربون مجموعة الكربونيل أن تحمل عددًا أكبر من اللازم من روابط كربون-كربون.

فعند الكربون 2، سيحاول المركب المفترض 2-ميثيل بيوتان-2-ون جعل ذرة كربون الكربونيل في الوقت نفسه:

• مرتبطة برابطة مزدوجة مع الأكسجين،
• ومرتبطة على امتداد السلسلة في اتجاه،
• ومرتبطة على امتداد السلسلة في الاتجاه الآخر، و
• ومرتبطة بمستبدَل ميثيل إضافي.

عند حساب رتب الروابط، سيتجاوز ذلك تكافؤ الكربون البالغ أربعة. ولذلك فالبنية مستحيلة كيميائيًا.

أما اقتراح الطالب الثاني البديل، «4-ميثيل بيوتانال»، فيفشل أيضًا، ولكن لسبب مختلف.

في الألدهيد، تكون ذرة كربون الألدهيد هي الكربون 1. ويمكن تتبع بنية يُطلق عليها بصورة غير دقيقة «4-ميثيل بيوتانال» عبر سلسلة كربونية متصلة أطول. وبعد اختيار أطول سلسلة صحيحة تحتوي على ذرة كربون الألدهيد، يتبين أنها ليست بنية متميزة بهذا الاسم. فالرسم المقترح يتحول إلى إحدى البنى التي عُدّت بالفعل بدلًا من إنتاج اتصال جديد بين الذرات.

إذن لا يمكن إصلاح أي من الخطأين بمجرد اختراع اسم آخر.

وحجة الاكتمال هي الجزء المهم. بالنسبة إلى الألدهيدات، يؤدي التوليد المنهجي لجميع الهياكل الكربونية المتوافقة مع مجموعة \(\ce{-CHO}\) طرفية إلى أربع بنى. وبالنسبة إلى الكيتونات، يؤدي وضع مجموعة كربونيل داخلية في كل بيئة كربونية صحيحة وغير متكافئة إلى ثلاث بنى. يزيل التماثل التكرارات، ويستبعد التكافؤ المرشحات المستحيلة.

لذلك:

\[ 4+3=7 \]

من أزواج متماكبات السلسلة بنتانال و2-ميثيل بيوتانال. فكلاهما ألدهيد، لكن هيكليهما الكربونيين مختلفان.

ومن أزواج متماكبات الموضع بنتان-2-ون وبنتان-3-ون. فلهما الهيكل نفسه غير المتفرع المكوَّن من خمس ذرات كربون، وكلاهما كيتون، لكن مجموعة الكربونيل تقع في موضع مختلف.

ومن أزواج متماكبات المجموعة الوظيفية بنتانال وبنتان-2-ون. فكلاهما له الصيغة الجزيئية \(\ce{C5H10O}\)، لكن البنتانال ألدهيد والبنتان-2-ون كيتون.

الاختصار المغري في هذه المسألة كلها هو افتراض أن أي تغيير يبدو معقولًا في رقم الموضع يؤدي إلى متماكب جديد. لكنه لا يفعل ذلك. فالمتماكب البنيوي الصحيح يجب أن يجتاز ثلاثة اختبارات منفصلة: صيغة جزيئية متطابقة، واتصال مختلف فعلًا بين الذرات، وترابط صحيح كيميائيًا.

وبمجرد أن تتمكن من توليد المتماكبات بصورة منهجية بدلًا من التخمين البصري، تصبح تسمية IUPAC أكثر فائدة بكثير. فالاسم لا يعود مجرد شيء تضيفه بعد الانتهاء من الكيمياء؛ بل يصبح وسيلة لاختبار ما إذا كان رسمان مختلفين فعلًا، وما إذا كانت البنية التي رسمتها ممكنة أصلًا.