انانتیومرها، ایزومر‌هایی با تصویرهای آینه‌ای غیرمنطبق یک ترکیب هستند. این بدان معنی است که این ترکیبات دارای ساختار مولکولی و فرمول یکسانی هستند. انانتیومرها نوع خاصی از ایزومر‌های ترکیبات آلی هستند که زیرمجموعه استریوایزومرها (ایزومرهای فضایی) به حساب می‌آیند. برای درک بهتر اینکه انانتیومر چیست، باید بدانیم ایزومرها در شیمی آلی، ترکیباتی هستند که تعداد برابری از اتم‌های یکسان دارند و به دلیل تفاوت در شکل ساختار مولکولی، برخی از ویژگی‌های آن‌ها با هم متفاوت است. در استریوایزومرها (ایزومرهای فضایی) نیز این یکسانی فرمول مولکولی و اتم‌ها برقرار است، اما شکل فضایی دو مولکول با یکدیگر متفاوت است. این پدیده باعث می‌شود در شرایط یکسان، این مولکول‌ها رفتارهایی متفاوت از خود نشان دهند. در این مطلب ازمجله فرادرس به بررسی ویژگی‌ها و کاربرد این ترکیبات می‌پردازیم.

در این مطلب، به بررسی و توضیح مفاهیم پایه‌ای در استریوشیمی و ایزومری فضایی می‌پردازیم. ابتدا، تعریف ایزومرها و به‌ویژه ایزومرهای فضایی (Stereo Isomers) را ارائه می‌دهیم و تفاوت بین انواع آن‌ها، شامل انانتیومرها و دیاسترومرها، را توضیح می‌دهیم. همچنین، مفهوم مرکز کایرال (Chiral Center) و نقش آن در تشکیل ایزومرها، همراه با پدیده فعالیت نوری (Optical Activity) را مورد بحث قرار می‌دهیم. برای فهم دقیق‌تر اینکه انانتیومر چیست، قانون CIP (Cahn-Ingold-Prelog) که برای تعیین جهت انانتیومرها استفاده می‌شود، را تشریح می‌کنیم. سپس، مباحث پیشرفته‌تری مانند استریوایزومرهای ترکیبات پیچیده‌تر و انانتیومرهای کانفورماسیونی (هم‌صورت) را بررسی می‌کنیم. در پایان، کاربردها و اهمیت انانتیومرها در صنایع مختلف، به‌ویژه در داروسازی و شیمی، و همچنین روش‌های شناسایی و اندازه‌گیری انانتیومرها را به‌صورت جامع توضیح می‌دهیم. این مطلب به‌طور کامل و دقیق تمام جنبه‌های مرتبط با انانتیومرها را پوشش می‌دهد. با مطالعه این مطلب تا انتها، با خواص و کاربرد‌های این ایزومرهای مهم آشنا شوید.

تعریف انانتیومر

هرگاه کربنی ۴ ترکیب مختلف به خود متصل داشته باشد، دو مولکول متفاوت می‌توانند تشکیل شوند. این دو مولکول، تصویر آینه‌ای غیرمنطبق یکدیگر هستند. این دو مولکول، ایزومرهای انانتیومر نام دارند. برای درک اینکه انانتیومر چیست، به ترکیب آلی آلانین توجه کنید. کربن مرکزی این مولکول به یک گروه کربوکسیل، یک گروه آمین، یک گروه متیل و یک اتم هیدروژن متصل است.

• انانتیومرها، ایزومرهایی با پیوندها و اتم‌های کاملا یکسان اما شکل سه‌بعدی مخالف یکدیگر هستند.
• انانتیومرها خصوصیات شیمیایی مشابهی ندارند و در برخی از صنایع مانند داروسازی کاربردهای متفاوتی دارند
• انانتیومر‌ها تصویر آینه‌ای یکدیگرند.

همان‌طور که در مثال آلانین اشاره شد، مولکول‌های دارای کربن مرکزی با ۴ گروه مختلف می‌توانند تصویرهای آینه‌ای غیرمنطبق ایجاد کنند. یک اتم با ۴ پیوند اطراف آن می‌تواند آرایش فضایی ۴ وجهی داشته باشد. این آرایش معمولا زمانی اتفاق می‌افتد که اتم مرکزی کوچک‌تر از باقی گروه‌ها باشد. آرایش ۴ وجهی این امکان را به اتم‌ها یا گروه‌های اطراف اتم مرکزی می‌دهد که از یکدیگر فاصله بگیرند. در ساختاری سه‌بعدی، ۴ پیوند کووالانسی اطراف یک اتم کربن، ۴ گوشه‌ی یک ۴ وجهی را تشکیل می‌دهند.

این بدان معناست که این ترکیبات دارای فرمول‌های مولکولی کاملا یکسان و ساختار فرمولی مشابه هم هستند، اما برهم منطبق نیستند. برای توضیح دقیق‌تر اینکه انانتیومر چیست، می‌توان به مثالی مانند مقایسه‌ی دست راست و چپ با یکدیگر است که هر دو از ۵ انگشت تشکیل شده و شبیه به هم هستند، اما تصویر آینه‌ای یکدیگرند.

در مقایسه با ایزومرهای سیس و ترانس که در آرایش‌های صفحه‌ای مشاهده می‌شود، آرایش‌های ۴ وجهی قادر به ایجاد چنین ایزومرهایی نیستند. برخلاف این آرایش‌های صفحه‌ای، دو گروه متصل به اتم مرکزی در ساختارهای ۴ وجهی نمی‌توانند به راحتی جابه‌جا شده و در کنار یکدیگر یا روبه‌روی یکدیگر قرار بگیرند. برای درک بهتر اینکه انانتیومر چیست، می‌توان به مثال مولکول دی‌کلرومتیل‌سیلان اشاره کرد. این مولکول برای تولید پلیمرهای سیلیکون مورد استفاده قرار می‌گیرد. این مولکول، از هر گروه مولکولی دو عدد در اطراف اتم مرکزی خود دارد، بنابراین تنها یک روش برای شکل‌گیری فضایی این مولکول وجود دارد.

به طور مشابه، برای درک مفهوم انانتیومر، می‌توان به نمونه‌ای از تفاوت بین تصاویر آینه‌ای منطبق و غیرمنطبق در ادامه پرداخت. در تعریف پرکاربردتر انانتیومرها، مانند دست راست و چپ، این مولکول‌ها تصاویر غیرمنطبق آینه‌ای یکدیگرند. ترکیباتی که دارای این خاصیت هستند و ایزومرهای انانتیومر دارند، کایرال نامیده می‌شوند. کایرال از واژه‌ای یونانی به معنی دست گرفته شده‌ است. بسیاری از اجسام در ابعاد ماکروسکوپیک نیز می‌توانند کایرال محسوب شوند.

برعکس ایزومر‌های سیس و ترانس، ایزومر‌های نوری انانتیومر، خواص فیزیکی یکسانی دارند. این خواص شامل مواردی مانند نقطه ذوب، حلالیت، و غیره است. این بدین دلیل است که این ترکیبات مولکولی از پیوند‌های کاملا یکسان و اتم‌های مانند هم تشکیل شده اند.

به مثال زیر توجه کنید. اگر هر یک از هیدروژن‌های ترکیب متان را با یک اتم متفاوت جایگزین کنیم، تریکبی آلی با یک اتم مرکزی خواهیم داشت که ۴ گروه متفاوت از اتم‌ها به آن متصل است و در فضا آرایشی ۴ وجهی به خود می‌گیرد. برای مثال اگر این ۴ اتم، ۴ هالوژن برم، کلر، فلوئور و ید باشند، ترکیب کایرالی تشکیل می‌شود که تصویرهای آینه ای آن بر هم منطبق نیستند.

در ادامه، برای توضیح اینکه انانتیومر چیست، باید به یکی از ویژگی‌های مهم این مولکول‌ها، یعنی چرخش نوری، بپردازیم. انانتیومرها نمونه‌ای از استریوایزومرها هستند. یکی از مهم‌ترین خاصیت‌های متفاوت مولکول‌های انانتیومر، چرخش نوری این ترکیبات است. چرخش نوری شامل برهم‌کنش نور قطبیده مسطح با مولکول است. اگر ترکیب متقارن نباشد، نوری که از آن عبور می‌کند دچار چرخش می‌شود. این بدان معناست که اگر امواج نور تابیده‌شده در یک جهت قطبیده باشند و به ترکیب تابیده شوند، جهت نور بازتابی از ماده متفاوت خواهد بود.

همان‌طور که در توضیحات قبلی درباره چرخش نوری مولکول‌های انانتیومر اشاره شد، برای درک اینکه انانتیومر چیست، لازم است به انواع مختلف آن‌ها بپردازیم. دو نوع انانتیومر وجود دارد. انانتیومرهای مثبت و منفی این دو نوع هستند. انانتیومرهای مثبت نور را در جهت عقربه‌های ساعت و انانتیومرهای منفی نور را در خلاف جهت عقربه‌های ساعت می‌چرخانند. اگر یک انانتیومر نور را به جهت عقربه‌های ساعت هدایت کند، انانتیومر دیگر عکس آن عمل می‌کند.برای مثال، در ترکیب کایرال سیلیکونی نشان داده شده در قسمت قبل، انانتیومر مثبت نور قطبی شده مسطح را در جهت عقربه‌های ساعت می‌چرخاند. این انانتیومر، چرخش نوری استانداردی برابر با +۱۲ درجه (±۲) دارد و انانتیومر منفی چرخش نوری استانداردی برابر با -۹.۹ درجه (±۲) دارد.

به طور کلی، علاوه بر ویژگی‌های فیزیکی انانتیومرها، ویژگی‌های شیمیایی آن‌ها نیز مشابه یکدیگر است. تفاوت واکنش‌های شیمیایی انانتیومرها به ماده‌ای که با آن‌ها واکنش می‌دهد بستگی دارد. اگر ترکیب واکنش‌دهنده دیگر کایرال باشد، انانتیومرها می‌توانند محصولات متفاوتی تولید کنند.

یادگیری شیمی آلی با فرادرس

تا اینجا با مفهوم کلی انانتیومرها و برخی اصطلاحات مرتبط آشنا شدیم. انانتیومرها نوعی ایزومرهای فضایی هستند که از اهمیت زیادی در شیمی آلی برخوردارند. شناخت این مفهوم به ما کمک می‌کند تا درک بهتری از ویژگی‌های نوری و ساختاری ترکیبات آلی به دست آوریم.

اگر به یادگیری عمیق‌تر شیمی آلی علاقه دارید، مجموعه فیلم‌های آموزشی دروس شیمی از دروس دانشگاهی تا کاربردی فرادرس، به‌ویژه فیلم آموزشی شیمی آلی ۱ در درس دوم با عنوان «استریوشیمی»، منبع بسیار خوبی برای شما خواهد بود. در این آموزش‌ها، مباحثی همچون ایزومرها، ایزومرهای فضایی، فعالیت نوری و چرخش نوری به‌صورت جامع پوشش داده شده است. همچنین مفاهیمی مانند کایرالیته، انانتیومرها و روش‌های تعیین مراکز فضایی نیز به‌صورت تصویری و با مثال‌های واضح توضیح داده می‌شود.

این بخش با معرفی دیاسترومرها و تفاوت آن‌ها با انانتیومرها تکمیل می‌شود. تماشای این فیلم‌های آموزشی به شما کمک می‌کند تا علاوه بر فهم بهتر این مفاهیم، بتوانید کاربردهای آن‌ها را در صنایع مختلف مانند داروسازی درک کنید و مهارت تحلیل ساختارهای مولکولی را تقویت کنید.

مفاهیم پایه در استریوشیمی

استریوشیمی شاخه‌ای از شیمی است که به مطالعه آرایش فضایی اتم‌ها و گروه‌ها در مولکول‌ها و تأثیر آن بر خواص شیمیایی و فیزیکی آن‌ها می‌پردازد. این شاخه از شیمی نقش مهمی در درک فعالیت بیولوژیکی و شیمی دارویی دارد. برای درک بهتر اینکه انانتیومر چیست و چگونه در استریوشیمی بررسی می‌شود، در ادامه، لیستی از تعاریف مفاهیم پایه‌ای این شاخه از شیمی آورده شده است. در قسمت‌های بعد، به تفصیل بیشتری به این مفاهیم خواهیم پرداخت.

تعریف ایزومر

ایزومر در شیمی آلی ترکیبی است که خصوصیات شیمیایی و تعداد و نوع اتم‌های آن با یک ترکیب شیمیایی دیگر برابر است، اما ساختار فضایی ترکیب و نوع اتصالات آن متفاوت است. در این زمینه، انانتیومرها نمونه‌ای از استریوایزومرها هستند. استریوایزومرها حتی در نوع اتصالات بین اتم‌ها نیز مشابه یکدیگر هستند، اما ترکیب فضایی آن‌ها با یکدیگر متفاوت است.

• استریوایزومرهای هم‌پیکر: در این ایزومرها، چرخش حول محور پیوند امکان‌پذیر نیست مگر اینکه پیوند شکسته شود.

• ایزومر‌های فضایی: ایزومرهای سیس-ترانس جزء این دسته از ایزومرها هستند. در این ایزومرها، محل قرارگیری گروه‌های اتمی متصل به یک اتم متفاوت است.

• ایزومر‌های نوری: انانتیومرها جزو دسته ایزومرهای نوری هستند. این ایزومرها در برهم‌کنش با نور تابیده‌شده، نتایج متفاوتی به دست می‌دهند. هر انانتیومر جهت نور را به گونه‌ای تغییر می‌دهد که مخالف جهت انانتیومر دیگر است.

ایزومری فضایی

ایزومرهای فضایی (Stereo Isomerism) ترکیباتی هستند که فرمول مولکولی و توالی اتصال یکسان دارند، اما آرایش فضایی متفاوتی دارند. دو نوع اصلی از ایزومری فضایی وجود دارد که انانتیومر‌ها و دیاسترومرها هستند.

انانتیومرها

انانتیومرها (Enantiomers) ایزومرهایی هستند که تصویر آینه‌ای یکدیگرند و منطبق نیستند. این نوع ایزومرها معمولا حداقل یک مرکز کایرال دارند.

دیاسترومرها

دیاسترومرها (Diasteromers) ایزومرهایی که تصویر آینه‌ای یکدیگر نیستند و از چندین مرکز کایرال برخوردارند دیاسترومر نام دارند. برخلاف انانتیومرها که تصاویر آینه‌ای غیرمنطبق یکدیگرند، دیاسترومرها تصویر آینه‌ای یکدیگر نیستند و منطبق نیز نمی‌باشند. دیاسترومرها می‌توانند خواص فیزیکی و واکنش‌پذیری متفاوتی داشته باشند. آن‌ها نقاط ذوب و جوش و چگالی‌های متفاوتی دارند و معمولا دارای دو یا چند مرکز کایرال (استریوسنتر) هستند.

مرکز کایرال

مرکز کایرال (Chiral Center) اتمی است که به چهار گروه مختلف متصل است و می‌تواند شکل‌های فضایی متفاوتی به خود بگیرد و استریوایزومرها را تشکیل دهد. مولکول‌هایی که یک مرکز کایرال دارند، کایرال هستند.

فعالیت نوری

ماده‌ای که می‌تواند نور قطبی مسطح را بچرخاند، فعالیت نوری (Optical Activity)‌ دارد. انانتیومرها فعالیت نوری مخالف دارند. یکی نور را به جهت عقربه‌های ساعت و دیگری به عکس آن می‌چرخاند.

قانون CIP

این قانون روشی برای تعیین اولویت گروه‌های متصل به یک مرکز کایرال برای تعیین پیکربندی R یا S است. این قانون‌ها بر اساس اعداد اتمی گروه‌ها عمل می‌کند.

مزو ایزومرها

ترکیبات مزو، ترکیباتی غیر کایرال هستند که چندین مرکز کایرال دارند. این ترکیبات با تصویر آینه‌ای خود منطبق بوده و علی‌رغم داشتن استریوسنتر، از نظر نوری غیرفعال هستند.

ویژگی‌های انانتیومر‌ها

جدا از تصویر آینه‌ای غیرمنطبق بودن انانتیومرها، مفهوم انانتیومر چیست و ویژگی‌های آن‌ها شامل چه خصوصیات دیگری می‌شود به این صورت است که این ترکیبات ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی مشابهی دارند، اما در محیطی کایرال به شیوه‌ای متفاوت عمل می‌کنند. همچنین، انانتیومرها جهت نور قطبی‌شده مسطح تابیده‌شده را در دو جهت مخالف تغییر می‌دهند. به این تغییر جهت نور، فعالیت نوری گفته می‌شود. اگر نور قطبی‌شده مسطح از یک ترکیب کایرال عبور داده شود، درجه چرخش آن از روش زیر به دست می‌آید.

$$text{Optical Activity} = [alpha] = frac{{alpha times 100}}{{l times c}}$$

در این معادله، آلفا درجه چرخش مشاهده شده، l طول مسیر بر حسب دسی‌متر، و c غلظت محلول بر حسب گرم بر میلی لیتر است. $$[alpha]$$ در این معادله چرخش خاص انانتیومر و  $$alpha$$ میزان چرخش مشاهده شده است.

یک ترکیب انانتیومر جهت نور قطبی تابیده‌شده را به راست (یا ساعت‌گرد) می‌چرخاند که قبل از آن علامت (+) می‌گذارند و انانتیومر دیگر به چپ (پادساعت‌گرد) می‌چرخاند که قبل از آن علامت (-) می‌گذارند. این تفاوت انانتیومرها، آن‌ها را در مواردی مانند فعالیت‌های دارویی بسیار مهم می‌سازد. در حالی که یک انانتیومر می‌تواند مسئولیت درمان یک مشکل بیولوژیکی را داشته باشد، انانتیومر دیگر ممکن است از لحاظ فعالیت دارویی غیرفعال یا حتی آسیب‌زننده باشد.

یکی از مهم‌ترین و معروف‌ترین مثال‌های ترکیبات انانتیومر، ترکیب تالیدومید است. این دارو که در سال‌های ۱۹۵۰ تا ۱۹۶۰ میلادی برای درمان مشکلات گوارشی بانوان باردار بسیار استفاده می‌شد، باعث بروز بسیاری از مشکلات در جنین‌های به دنیا آمده از مصرف‌کنندگان در سراسر دنیا شد. این دارو که به‌صورت مخلوط راسمیک به بیماران عرضه شده بود، هم باعث درمان تهوع صبحگاهی بانوان باردار می‌شد و هم انانتیومر دیگر آن باعث نارسایی جنین می‌شد.

چگونگی تشکیل انانتیومرها

انانتیومرها معمولا در مولکول‌هایی با یک یا چند مرکز کایرال ایجاد می‌شوند. با توجه به توضیحات قبلی درباره استریوشیمی و ویژگی‌های انانتیومرها، اگر یک اتم کربن به چهار گروه مختلف متصل باشد، آن کربن یک مرکز کایرال است. دو انانتیومر دارای آرایش فضایی متفاوتی در اطراف مرکز کایرال هستند. اگرچه ساختار شیمیایی و فرمول مولکولی یکسانی دارند، تفاوت در نحوه چیدمان فضایی گروه‌ها باعث می‌شود که تصویر آینه‌ای یکدیگر باشند و بر هم منطبق نشوند.

انانتیومرها می‌توانند در طی واکنش‌های شیمیایی خاصی که منجر به ایجاد مراکز کایرال می‌شوند، تشکیل شوند. به عنوان مثال، در سنتزهای آلی، زمانی که مولکول‌های اولیه به واسطه یک واکنش نامتقارن به محصول نهایی تبدیل می‌شوند، دو انانتیومر متفاوت شکل می‌گیرند.

روش تعیین جهت انانتیومر‌ چیست؟

یک پروتکل برای تعیین جهت چرخش انانتیومرها وجود دارد که توسط روبرت کان، کریستوفر اینگلد و ولادیمیر پرلوگ توسعه داده شده و به نام پروتکل (CIP) که از نام این سه نفر گرفته شده است، شناخته می‌شود. این پروتکل به ما کمک می‌کند تا بفهمیم انانتیومر چیست و چگونه جهت چرخش آن‌ها تعیین می‌شود. طبق این پروتکل، اتم‌های ترکیب مولکولی بر اساس عدد اتمی‌شان اولویت‌بندی می‌شوند. اتمی که کمترین عدد اتمی را دارد، پایین‌ترین اولویت و اتم با بالاترین عدد اتمی، بالاترین اولویت را دارد. برای مثال، در یک ترکیب، اولویت اتم‌ها به ترتیب از کم به زیاد، فلوئور (۴)، کلر (۳)، برم (۲) و ید (۱) است.

در قدم دوم این پروتکل، یک مسیر از اتم مرکزی به سمت اتم با کمترین اولویت در نظر گرفته می‌شود. در نهایت، یک مسیر هم اتم‌های باقی‌مانده را از اولویت بالا به پایین به یکدیگر متصل می‌کند. اگر جهت حرکت این مسیر از اتم‌ها در جهت عقربه‌های ساعت باشد، انانتیومر از نوع R و اگر خلاف آن باشد، انانتیومر از نوع S است. R از کلمه لاتین «rectus» به معنی راست و S از کلمه لاتین «sinister» به معنی چپ گرفته شده است.

مثال تعیین نوع انانتیومر

برای تمرین بیشتر تعیین نوع انانتیومرها با استفاده از پروتکل CIP ترکیب زیر را مدنظر بگیرید.

این ترکیب فلوئورواتانول نام دارد و به اتم مرکزی آن ۴ ترکیب متیل، الکل، هیدروژن و فلوئور متصل است. طبق این پروتکل، اتمی که کمترین عدد اتمی را دارد هیدروژن، بعد از آن گروه متیل (۳)، سپس گروه عاملی الکلی (۲) و بعد از آن فلوئور است.

قدم بعدی در تعیین جهت انانتیومر، رسم خطی از اتم مرکزی به کم‌اولویت‌ترین گروه (هیدروژن) و سپس تعیین جهت گروه‌های ۱، ۲ و ۳ است. با قرار دادن فلوئور و کربن مرکزی در یک محور، مشاهده می‌کنیم ترتیب قرارگیری سه اتم دیگر حول آن به صورت ساعتگرد است.

پس این انانتیومر از نوع R یا همان D است.

در ادامه این مطلب از مجله فرادرس چند مثال برای تمرین بیشتر این قانون آورده شده است.

در ترکیبات زیر، نوع انانتیومر را مشخص کنید.

این مولکول انانتیومر نوع S است.

I > Br > F > H
در اینجا H که کمترین اولویت را دارد، به سمت عقب قرار گرفته است. وقتی از I به Br به F حرکت می‌کنید، به سمت چپ می‌چرخید، بنابراین پیکربندی S است.

این مولکول انانتیومر نوع R است.

R: Br > Cl > CH3 > H
برای قرار دادن H که کمترین اولویت را دارد به سمت عقب، باید جای H و Br را عوض کنید. سپس از Br به Cl به CH3 حرکت کرده و به سمت راست می‌چرخید، بنابراین پیکربندی R است.

این مولکول کایرال نیست.

نه R و نه S: این مولکول کایرال نیست. فقط مولکول‌های کایرال را می‌توان R یا S نام‌گذاری کرد.

این مولکول انانتیومر نوع R است.

R: OH > CN > CH2NH2 > H
در اینجا H که کمترین اولویت را دارد، باید به عقب منتقل شود. سپس از OH به CN به CH2NH2 حرکت کرده و به سمت راست می‌چرخید، بنابراین پیکربندی R است.

این مولکول انانتیومر نوع S است.

S: −COOH > −CH2OH > C≡CH > H
در اینجا از −COOH به −CH2OH به C≡CH حرکت کرده و به سمت چپ می‌چرخید، بنابراین پیکربندی S است.

استریوایزومر ترکیبات پیچیده‌تر

تا اینجا استریوایزومرهایی را بررسی کردیم که تنها یک اتم مرکزی کایرال داشتند. برای درک بهتر اینکه انانتیومر چیست و چگونه در ترکیبات پیچیده‌تر عمل می‌کند، باید توجه داشته باشیم که در این ترکیبات پیچیده‌تر، یک مولکول می‌تواند دو تا چند اتم کایرال داشته باشد که نور را حول محور پیوند‌هایشان هدایت کنند.

یک مولکول با تنها یک اتم مرکزی کایرال، فقط دو استریو ایزومر (انانتیومرهای R و S) تولید می‌کند. اگر دو اتم کایرال در ترکیب یک مولکول باشد، هر یک از آن‌ها می‌تواند دو حالت R و S را داشته باشد. در نتیجه، چهار احتمال برای جهت‌گیری نور در این ترکیب به صورت RR، SS، SR و RS است. سه اتم کایرال در یک ترکیب، نه احتمال تشکیل استریو ایزومر را به وجود می‌آورند:

RRR, RRS, RSR, SRR, SSR, SRS, RSS, SSS

فرمول پیدا کردن بیشترین تعداد استریوایزومرهایی که یک ترکیب می‌تواند تشکیل دهد،  $$X = 2^{n}$$

برای مثال، در مولکول ۲و۳-دی‌کلروبوتان، دو انانتیومر SS و RR را داریم، اما دو انانتیومر RS و SR بر یکدیگر منطبق هستند. این بدان علت است که قسمتی از این مولکول در یک صفحه متقارن قرار می‌گیرد. بهترین روش تشخیص کایرالیته در این ترکیبات، رسم تصویر آینه‌ای آن‌ها و بررسی منطبق شدن آن‌ها است.

بسیاری از ترکیبات در طبیعت وجود دارند که به طور خاص چهار گروه متصل به اتم مرکزی ندارند، اما هنوز به دلیل ساختار خاص خود می‌توانند کایرال باشند. برای درک اینکه انانتیومر چیست و چگونه این ویژگی در ترکیبات غیرمعمول نیز قابل مشاهده است، به مثال مولکول هگزاهلیسن توجه کنید. این مولکول از شش حلقه بنزن متصل به هم تشکیل شده است و به شکل یک مارپیچ جمع می‌شود تا اتم‌های آخرین حلقه به اتم‌های اولین حلقه برخورد نکنند. نتیجه آن بدست آمدن ترکیبی کایرال است که تصویر آینه‌ای دو حالت آن بر هم منطبق نمی‌شود.

انانتیومرهای کانفورماسیونی (هم صورت)

انانتیومرهای کانفورماسیونی، نوعی از استریوایزومرها هستند که تصاویر آینه‌ای یکدیگر نبوده و نمی‌توان آن‌ها را بر روی هم منطبق کرد. این نوع انانتیومرها به دلیل چرخش حول یک پیوند تک به وجود می‌آیند. در ادامه توضیحاتی درباره اینکه انانتیومر چیست و چگونه انانتیومرهای کانفورماسیونی در مقایسه با سایر انواع انانتیومرها عمل می‌کنند، ارائه خواهیم داد. به طور کلی، انانتیومرهای کانفورماسیونی همانند سایر انانتیومرها، ویژگی‌های خاصی دارند که به تفاوت‌های فضایی و چرخش حول پیوندهای خاص بستگی دارد.

در دنیای شیمی فضایی، یک پدیده غیرمعمول که از درک متداول انانتیومرها به عنوان تصاویر آینه‌ای فراتر می‌رود وجود دارد. این مفهوم ساختار مولکولی و شیمی فضایی را به چالش می‌کشد و نیازمند درکی دقیق‌تر از حلقه‌های هیدروکربنی و چرخش حول پیوندهای تک است. برای تشخیص انانتیومرهای کانفورماسیونی، ابتدا باید از پیکربندی‌های ثابت مولکول‌ها صرف‌نظر کنید و به مولکول‌ها به عنوان موجودات پویا نگاه کنید که به طور مداوم در حال کاوش در آرایش‌های فضایی مختلف هستند. انانتیومرهای کانفورماسیونی که به نام‌های ایزومرهای کانفورماسیونی یا روتامرها نیز شناخته می‌شوند، از چرخش حول پیوندهای تک (معمولاً پیوندهای $$sigma$$) ایجاد می‌شوند و آرایش‌های فضایی متفاوتی به وجود می‌آورند که نمی‌توانند به راحتی در دمای اتاق به یکدیگر تبدیل شوند.

رایج‌ترین مثال‌هایی که مفهوم انانتیومریسم کانفورماسیونی را نشان می‌دهند، سیکلوهگزان و مشتقات آن هستند. کانفورماسیون‌های صندلی سیکلوهگزان که به دلیل شباهتشان به یک صندلی راحتی نام‌گذاری شده‌اند، به صورت دو آرایش مجزا و غیر منطبق در فضای سه‌بعدی وجود دارند. این دو کانفورماسیون براساس موقعیت محوری و استوایی جایگزین‌ها روی حلقه سیکلوهگزان تفاوت دارند و در انرژی پتانسیل نسبی‌شان نیز متفاوت هستند. تصور کنید مولکول سیکلوهگزان مانند یک نوار لاستیکی پیچ‌خورده است. با برگرداندن یک سمت نوار، آرایش جدیدی به دست می‌آورید که یک تصویر سه‌بعدی متفاوت است. نسخه اصلی و نسخه برگردانده‌شده نمایانگر دو کانفورماسیون صندلی سیکلوهگزان هستند.

مفهوم انانتیومریسم کانفورماسیونی نقش مهمی در فهم واکنش‌پذیری، پایداری و ویژگی‌های فیزیکی ترکیبات آلی دارد. برای درک بهتر اینکه انانتیومر چیست و چگونه انانتیومرهای کانفورماسیونی با دیگر انواع انانتیومرها تفاوت دارند، باید توجه کنیم که نوع کانفورماسیونی که یک مولکول انتخاب می‌کند به پایداری حالت‌های مختلف آن بستگی دارد و این پایداری بیشتر تحت تأثیر مزاحمت‌های فضایی و اثرات الکترونیکی قرار می‌گیرد. انانتیومرهای کانفورماسیونی به ما کمک می‌کنند تا تفاوت انرژی بین حالت‌های مختلف یک مولکول را ارزیابی کنیم و این تفاوت‌ها مستقیماً بر سرعت و مکانیسم واکنش‌های شیمیایی تأثیر می‌گذارد. آن‌ها همچنین درک بهتری از نتایج استریوشیمیایی واکنش‌ها ارائه می‌دهند، به‌ویژه در مولکول‌های کایرال. علاوه بر این، این انانتیومرها به درک ارتباط میان ساختار و خواص مولکول‌ها کمک کرده و بر ویژگی‌های فیزیکی مانند نقطه جوش، گرانروی و حلالیت اثر می‌گذارند. همچنین نقش مهمی در تاخوردگی پروتئین‌ها داشته و در تعاملات بیوشیمیایی، عملکرد آنزیم‌ها و اتصال داروها تأثیرگذار هستند.

برای آشنایی بیشتر با مبحث صورت‌بندی در شیمی پیشنهاد می‌کنیم مقاله زیر از مجله فرادرس را مطالعه کنید.

کاربرد انانتیومر چیست؟

کایرالیته، که به ویژه در بحث انانتیومرها مطرح می‌شود، تاثیرات قابل توجهی بر ویژگی‌های شیمیایی و بیولوژیکی مولکول‌ها دارد. در این زمینه، فهم اینکه انانتیومر چیست و چگونه بر تعاملات بیولوژیکی تاثیر می‌گذارد، به وضوح اهمیت دارد. انانتیومرها که تصاویر آینه‌ای غیر منطبق یکدیگر هستند، به دلیل ساختار کایرال خود، می‌توانند در سیستم‌های بیولوژیکی به طور خاص عمل کنند. به عنوان مثال، در بسیاری از سیستم‌های بیولوژیکی، تنها یکی از فرم‌های L یا D انانتیومر قادر به تعامل با گیرنده‌های خاص است. در حالی که در آزمایشگاه شیمی، هر دو نوع انانتیومر می‌توانند به میزان برابر تولید شوند و مخلوطی از این دو که به آن مخلوط راسمیک گفته می‌شود، کاربردهای مختلفی دارد. این موارد نشان‌دهنده اهمیت درک ویژگی‌های انانتیومرها و تأثیر آن‌ها بر خواص و واکنش‌های شیمیایی و بیولوژیکی است.

ترکیبات کایرال در بسیاری از فرآیندهای بیولوژیک کاربرد دارند. از ۲۰ آمینواسید استفاده‌شده برای سنتز پروتئین‌ها، ۱۹ عدد می‌توانند به دو فرم انانتیومر L و D وجود داشته باشند. تنها استثنا در این مورد گلایسین است که دو هیدروژن غیرقابل تمییز متصل به اتم مرکزی خود دارد. آمینواسیدهای فرم L کاربرد بسیاری در سنتز پروتئین‌ها در سیاره زمین دارند. برخی از آمینواسیدهای فرم D نیز برای دیگر کاربردها استفاده می‌شوند.

برای مثال، در داروی آلبوتامول که مخلوط راسمیک هر دو نوع انانتیومر مولکول است، تنها یک فرم انانتیومر مسئول کاهش احتمال بروز برونشیت در بیماران مبتلا به آسم است. انانتیومر دیگر باعث به وجود آمدن عوارض جانبی ناخوشایند می‌شود. به همین دلیل است که شناسایی ترکیبات کایرال و خالص‌سازی و جداسازی انانتیومر مورد نظر از اهمیت بالایی برخوردار است.

اهمیت انانتیومرها در صنایع

بسیاری از ترکیبات با بوی میوه‌ای یا گل معمولا نمونه‌های خوبی از انانتیومرها هستند. برای درک بهتر اینکه انانتیومر چیست و چرا اهمیت دارد، در ادامه چند نمونه از انانتیومرها در زندگی روزمره معرفی شده است. این نمونه‌ها که نشان‌دهنده تأثیرات متفاوت آن‌ها بر حواس و کاربردهای مختلف هستند. این مثال‌ها به وضوح نشان می‌دهند که چگونه تفاوت‌های ظاهری در انانتیومرها می‌توانند تأثیرات گسترده‌ای در کاربردهای عملی و ویژگی‌های شیمیایی داشته باشند.

آسپیرین، یک مسکن پرمصرف، در واقع یک ترکیب تک انانتیومری است و به صورت مخلوط راسمیک وجود ندارد. داروی S-امپرازول که برای مشکلات معده تجویز می‌شود، ترکیب انانتیومر S از امپرازول است و تنها فرم فعال این دارو است.

ترکیبات آروماتیک مانند لیمونن و کارون نیز از انانتیومرها تشکیل شده‌اند. R-لیمونن بوی پرتقال و S+ لیمونن بوی لیمو را به وجود می‌آورد.

یک مثال جالب دیگر از انانتیومرها در شیرین‌کننده مصنوعی آسپارتام مشاهده می‌شود. آسپارتام، که در خوراکی‌های بدون قند استفاده می‌شود، ترکیبی از دو انانتیومر است. L-آسپارتام شیرین است، در حالی که D-آسپارتام طعمی تلخ ندارد و به صورت جداگانه وجود ندارد.

کاربرد انانتیومرها در صنایع

انانتیومرها کاربردهای زیادی در شیمی و زندگی روزمره دارند. این ترکیبات نه تنها در تئوری بلکه در عمل، از داروها تا شیرین‌کننده‌های مصنوعی، اهمیت زیادی دارند.

• صنایع غذایی: انانتیومرها کاربردهای فراوانی در صنعت غذایی دارند. برخی از این ترکیبات دارای طعم شیرین هستند، در حالی که تصویر آینه‌ای آن‌ها ممکن است برعکس عمل کند یا بی‌مزه باشد. به عنوان مثال، آسپارتام که پیش‌تر به آن اشاره شد، نشان‌دهنده این اختلاف در طعم است. انانتیومرها در تولید طعم‌های بدون کالری که در رژیم‌های غذایی مورد استفاده قرار می‌گیرند، نقش مهمی دارند.
• صنایع عطر و ادکلن: انانتیومرها می‌توانند بوهای کاملاً متفاوتی ایجاد کنند. برای مثال، ترکیب L-کاروون بوی نعناع و اکالیپتوس دارد، در حالی که انانتیومر R-کاروون بویی شبیه به زیره سیاه ایجاد می‌کند. این تفاوت در بو ناشی از چیدمان فضایی متفاوت اتم‌ها در هر انانتیومر است، که منجر به واکنش متفاوت گیرنده‌های بویایی می‌شود.
• صنایع کشاورزی: در کشاورزی، ضد آفت‌های انانتیومری تولید شده‌اند که نسبت به سموم و ضد آفت‌های معمول، سازگاری بیشتری با محیط زیست دارند. به عنوان مثال، گاهی تنها یک انانتیومر از یک ترکیب دارای خاصیت ضدآفتی است و انانتیومر دیگر که ممکن است مضر یا غیرضروری باشد، حذف می‌شود. این روش باعث کاهش آسیب به محیط زیست و افزایش اثربخشی مواد ضد آفت می‌شود.
• صنایع دارویی: در قسمت‌های قبل نیز اشاره شد که مهم‌ترین کاربرد انانتیومرها در صنایع داروسازی است، جایی که یک انانتیومر ممکن است خواص درمانی داشته باشد، در حالی که انانتیومر دیگر می‌تواند عوارض جانبی ایجاد کند. حتی اگر هر دو انانتیومر یک ترکیب دارای اثرات درمانی باشند، ممکن است سرعت متابولیزه شدن یکی از آن‌ها بیشتر باشد. به همین دلیل، برای افزایش اثربخشی دارو، انانتیومر با عملکرد ضعیف‌تر حذف می‌شود. به عنوان مثال، در داروی دکسترومتروفان (برای درمان سرفه)، انانتیومر لوومتوفان نیز اثر ضد سرفه دارد، اما سرعت عملکرد آن متفاوت است.

با شناسایی تفاوت‌های میان انانتیومرها، دانشمندان توانسته‌اند بازده و عملکرد محصولات مختلف را در صنایع مختلف بهبود بخشند. برای درک بهتر اینکه انانتیومر چیست و چرا تفاوت‌های آن اهمیت دارد، باید توجه داشت که این شناسایی به کاهش عوارض جانبی، به‌ویژه در داروها، کمک کرده و باعث شده است که از منابع به شکل بهینه‌تری استفاده شود. این بهبود در بازده و کاهش عوارض جانبی نتیجه شناخت دقیق و کاربردی انانتیومرها و تاثیر آن‌ها بر ویژگی‌های شیمیایی و بیولوژیکی است.

شناسایی و اندازه‌گیری انانتیومرها

شناسایی و تحلیل انانتیومرها و تعیین خلوص آن‌ها یکی از مهم‌ترین چالش‌ها در صنایع دارویی، غذایی و دیگر صنایع است. با توجه به توضیحات قبلی در این مقاله از مجله فرادرس در مورد اینکه انانتیومرها چه ویژگی‌هایی دارند و چرا تفاوت‌های آنها اهمیت دارد، جداسازی دقیق این ترکیبات در کاربردهایی مانند داروهای خاص اهمیت ویژه‌ای دارد، زیرا می‌تواند به بهبود اثربخشی محصولات و کاهش عوارض جانبی ناشی از تفاوت‌های ساختاری آنها کمک کند.

سازمان FDA نیاز به آزمایش جداگانه مولکول‌های دارویی کایرال دارد، زیرا، همان‌طور که تجربه نشان داده است تفاوت‌های مهمی در رفتار انانتیومرها در بدن وجود دارد. برخی انانتیومرها تنها در قدرت اثر متفاوت هستند، اما برخی دیگر ممکن است حتی در مواردی مضر باشند.

در حال حاضر، برای تعیین خلوص انانتیومری، نیاز به جداسازی کامل انانتیومرها وجود دارد که فرآیندی زمان‌بر است. روش‌های تحلیلی مرسوم برای تحلیل انانتیومرها مانند کروماتوگرافی گازی و کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا، به دلیل نیاز به کارهای پرزحمت و زمان طولانی تحلیل، شناخته شده‌اند.

در چندین سال گذشته، روش‌های تازه‌ای برای تشخیص و جداسازی انانتیومر‌ها اختراع شده که برخی نیز دستگاه‌های جداسازی اختصاصی را برای این‌کار استفاده می‌کنند.

از این روش‌ها می‌توان به استفاده از بیوسنسورهای الکتروشیمیایی و نوری، طیف‌سنجی چرخشی باند وسیع، استفاده از آشکارساز دیکروئیسم دایره‌ای و استفاده از پالس‌های لیزر فمتوثانیه با قطبش بیضوی اشاره کرد.