Μια και ξόδεψα αρκετό από το περασμένο μου εξάμηνο στο να μελετώ Οργανική Χημεία, αποφάσισα να ξεκινήσω μια σειρά από ποστ που θα καλύπτουν διάφορα σημαντικά θέματα της Οργανικής, ελπίζοντας να βοηθήσω οποιονδήποτε διαβάζει το μπλογκ και τα βρίσκει σκούρα σε αυτά.. Αν όχι, τουλάχιστον θα έχω κάνει μια καλή επανάληψη!😛

Αποφάσισα να ξεκινήσω από την στερεοχημεία οργανικών ενώσεων, μιας και είναι ένα μέρος της Οργανικής που η γνώση του είναι απαραίτητη σε κάθε περίπτωση. Η στερεοχημεία μελετά την τρισδιάστατη δομή των μορίων. Η γνώση της είναι πολύ σημαντική καθώς συμβάλλει στην πιο ολοκληρωμένη κατανόηση της Οργανικής Χημείας, της Βιοχημείας και της Βιολογίας.

Για παράδειγμα, η ροδοψίνη είναι μια χρωστική που διευκολύνει την όραση στο σκοτάδι. Η ένωση αυτή περιέχει έναν διπλό δεσμό. Όταν το φως φθάνει στο μάτι μας, γίνεται μετατροπή του cis ισομερούς της ροδοψίνης στο trans. Μόνο με αυτόν τον τρόπο μια νευρική διέγερση ταξιδεύει στον εγκέφαλο και τελικά μπορούμε να δούμε την πηγή του φωτός.

Οι cis και trans μορφές της ροδοψίνης. (taken from here)

Η ανακάλυψη της Στερεοχημείας ήταν σημαντική, καθώς εξήγησε την ύπαρξη πάρα πολλών οργανικών ισομερών. Καθιερώθηκε η έννοια της στερεοϊσομέρειας, την οποία εμφανίζουν ενώσεις, στις οποίες τα άτομα ενώνονται με τον ίδιο τρόπο, όμως διαφέρουν ως προς τη διευθέτησή τους στο χώρο. Η παραπάνω διαφορά μπορεί να ακούγεται ασήμαντη, ωστόσο η στερεοϊσομέρεια οδηγεί πολλές φορές σε διαφορετικές (φυσικές, χημικές και βιολογικές) ιδιότητες μεταξύ των ισομερών. Χαρακτηριστικό παράδειγμα η ροδοψίνη, που αναφέρθηκε παραπάνω.

Γεωμετρία οργανικών ενώσεων – Υβριδοποιημένα τροχιακά

Μια και η στερεοχημεία μελετά την τρισδιάστατη δομή των μορίων, για να την κατανοήσουμε καλύτερα καλό είναι να αναφέρουμε κάποια πράγματα για τη γεωμετρία των οργανικών ενώσεων.

Όπως είναι γνωστό, οι δεσμοί που δημιουργούνται στις χημικές ενώσεις προκύπτουν λόγω υβριδοποιημένων τροχιακών, τα οποία σχηματίζονται από τα άτομα που συμμετέχουν στον εκάστοτε δεσμό. Τα υβριδοποιημένα τροχιακά εχουν συγκεκριμένη γεωμετρία, από την οποία και μπορούμε να εντοπίσουμε στη συνέχεια τη γεωμετρία του αντίστοιχου ατόμου.

Όπως ξέρουμε:

Υβριδοποίηση sp = γραμμική γεωμετρία

Υβριδοποίηση sp2 = επίπεδη γεωμετρία

Υβριδοποίηση sp3 = τετραεδρική γεωμετρία

Ένας απλός τρόπος για να βρίσκουμε την υβριδοποίηση ενός ατόμου σε μια ένωση, είναι να μετράμε τον αριθμό των υποκαταστατών με τους οποίους ενώνεται. Ο αριθμός αυτός θα ισούται με το άθροισμα των υβριδοποιημένων τροχιακών.

Αφού βρούμε την υβριδοποίηση του κάθε ατόμου, μπορούμε να βρούμε και την αντίστοιχη γεωμετρία του μορίου, δηλαδή τη δομή της ένωσης.

Παραδείγματα:

Στο ακετυλένιο C2H4, το κάθε άτομο C ενώνεται με 3 υποκαταστάτες (ένα άτομο C, δύο άτομα Η), επομένως η υβριδοποίησή τους θα είναι sp2.

Εδώ λοιπόν θα εμφανίζεται γραμμική γεωμετρία.

Δομή του ακετυλενίου στο χώρο.

Στο μεθάνιο CH4: το άτομο C ενώνεται με 4 υποκαταστάτες (τα άτομα Η). Άρα θα έχει υβριδοποίηση sp3 (1s και 3p τροχιακά = 4).

Άρα σύμφωνα με τα παραπάνω, η ένωση θα έχει τετραεδρική γεωμετρία.

Δομή του μεθανίου στο χώρο.

Όπως είδαμε και στο σχήμα, οι ενώσεις με τετραεδρική γεωμετρία είναι δύσκολο να παρισταθούν σωστά στο χαρτί (ή στην οθόνη του pc!), λόγω της θέσης των υποκαταστατών: όπως βλέπουμε, οι δυο από τους τέσσερις υποκαταστάτες θα είναι στο ίδιο επίπεδο με τον άνθρακα. Αυτό συμβολίζεται με μια κανονική γραμμή-δεσμό. Ο τρίτος υποκαταστάτης θα είναι πίσω από αυτό το επίπεδο, και συμβολίζεται με διακεκομμένη γραμμή. Τέλος, ο τέταρτος υποκαταστάτης είναι μπροστά από αυτό το επίπεδο και συμβολίζεται με σφηνοειδή γραμμή. Για να καταλάβει κανείς πλήρως αυτές τις έννοιες, αρκεί να δει την πολύ βοηθητική παρακάτω εικόνα:

Εξηγώ προτού ακούσω σχόλια για το πόσο μεθυσμένος ήμουν όταν έγραφα το ποστ: Φανταστείτε ότι το κοριτσάκι αυτό είναι η ένωση που μελετάμε, και συγκεκριμένα το άτομο άνθρακα που ενώνεται με τους 4 υποκαταστάτες βρίσκεται περίπου στην κοιλιά της. Τα δυο χέρια βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο με το σώμα, ενώ το δεξί της πόδι είναι μπροστά από το επίπεδο και το αριστερό της πίσω..! Έτσι, (αγνοώντας χάριν απλότητας ότι τα άκρα της δεν είναι σε σωστές γωνίες τετραέδρου:mrgreen: ), το sp3 κοριτσάκι (:P) μπορεί να παρασταθεί ως εξής:

Ναι ξέρω, τραγικό παράδειγμα.:mrgreen: Αλλά αφου βοήθησε εμένα να σκέφτομαι τρισδιάστατα, ελπίζω να βοηθά και κάποιον άλλον..  (χικ!)

Ασύμμετρα άτομα άνθρακα – Χειρόμορφες ενώσεις

Σε κάποιες ενώσεις παρατηρούμε ότι ένα άτομο άνθρακα ενώνεται με 4 υποκαταστάτες διαφορετικούς μεταξύ τους. Το άτομο αυτό θα λέγεται τότε ασύμμετρο ή στερεογονικό. Επίσης, η ένωση θα λέγεται χειρόμορφη. Χαρακτηριστικό παράδειγμα, το γαλακτικό οξύ (2-υδροξυπροπανικό οξύ):

Το γαλακτικό οξύ. Με αστερίσκο συμβολίζεται το ασύμμετρο άτομο άνθρακα.

Στην ένωση αυτή, το ασύμμετρο άτομο είναι ο C2, που ενώνεται με μια μεθυλομάδα, ένα άτομο υδρογόνου, μια υδροξυλομάδα, και μια καρβοξυλομάδα.

Οι χειρόμορφες ενώσεις μπορούν να παρουσιαστούν στο χώρο με δυο διαφορετικές διευθετήσεις. Αυτές οι διευθετήσεις δεν μπορούν να ταυτιστούν μεταξύ τους. Αντιθέτως, μπορούμε να φανταστούμε ότι η μια διευθέτηση «κοιτάζεται» σε ένα καθρέφτη, και το είδωλό της είναι η άλλη διευθέτηση. Γι’αυτό και λέμε ότι έχουν σχέση «ειδώλου-αντικειμένου».

Εκτός από τη μούντζα, μπορούμε επίσης να δούμε ότι τα χέρια μας δεν πρόκειται ποτέ να ταυτιστούν μεταξύ τους, εάν τα βάλουμε το ένα πάνω στο άλλο (υπέρθεση). Οι ενώσεις στις οποίες συμβαίνει το ίδιο ονομάστηκαν χειρόμορφες ακριβώς λόγω αυτής τους της ομοιότητας!

Όπως καταλαβαίνουμε, αφού οι ενώσεις με στερεογονικά άτομα έχουν δυο διαφορετικές διευθετήσεις, είναι απαραίτητο να βρούμε τρόπο να τις διαχωρίζουμε κατά την ονομασία τους. Οι τρόποι αυτοί (R/S και D/L ονοματολογία, προβολές Fischer) θα αναλυθούν περισσότερο στο επόμενο μέρος!

Βιβλιογραφία:

L.G.Wade Jr., «Οργανική Χημεία (7η έκδοση)», Εκδόσεις Τζιόλα, 2012

Διονύσης Α. Παπαϊωάννου, Σημειώσεις του μαθήματος ‘Δομή, Δραστικότητα και Μηχανισμοί στην Οργανική Χημεία’, Πάτρα, 2011

J. McMurry, «Οργανική Χημεία, τόμος Ι (4η έκδοση)», Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, 2004