İzomerlik Türleri: Yapısal İzomerler ve Stereozomerler

İzomerlik tanımı ve temel koşulları

İzomerler, aynı moleküler formüle sahip oldukları hâlde farklı yapılara sahip bileşiklerdir. Moleküler formül, molekülde hangi elementlerden kaç atom bulunduğunu gösterir; ancak bu atomların birbirine nasıl bağlandığını veya uzayda nasıl yöneldiğini tek başına belirtmez. İzomerlik oluşabilmesi için önce aynı moleküler formül koşulu sağlanmalıdır. Bunun yanında moleküller ya farklı bağlanma düzenine ya da aynı bağlanma düzeni içinde farklı uzaysal düzene sahip olmalıdır.

İki molekülün formülü aynı olsa bile atomlar arasındaki bağların sırası değişirse yapısal izomerlik, bağların sırası aynı kalıp grupların uzaydaki yönelimi değişirse stereozomerlik söz konusu olur. Örneğin C4H8 moleküler formülüne sahip 1-büten ve 2-büten, karbon atomlarının birbirine bağlanma düzeni farklı olduğu için yapısal izomerdir. 2-bütenin aynı bağlanma düzenine sahip iki farklı uzaysal biçimi ise geometrik stereozomer örneğidir. Böylece moleküler formül, izomerleri araştırmak için başlangıç noktasıdır; kesin ayrım için yapı ve uzaysal düzen de incelenir.

Yapısal izomerlik ve bağlanma düzeni

Yapısal izomerlikte atomların birbirine bağlanma biçimi farklıdır. Başka bir deyişle, moleküller aynı atom sayılarına sahip olsa da yapısal formüllerindeki bağ bağlantıları aynı değildir. Bu farklılık, molekülün şeklinin yanı sıra fiziksel ve kimyasal özelliklerini de etkileyebilir; çünkü atomların hangi komşularla bağ kurduğu, fonksiyonel grupların ve karbon iskeletinin konumunu belirler.

C4H8 formüllü 1-büten ve 2-büten bu durumu gösterir. 1-bütende çift bağ zincirin uç kısmındadır: CH2=CH-CH2-CH3. 2-bütende çift bağ zincirin ortasındadır: CH3-CH=CH-CH3. İki bileşiğin moleküler formülü aynı olsa da çift bağın bulunduğu karbonların hidrojen ve karbon komşulukları değişmiştir. Bu nedenle aralarındaki fark yalnızca çizimdeki bir konum farkı değil, atomların bağlanma düzenindeki gerçek bir değişikliktir. Yapısal izomerleri ayırt ederken moleküler formülden sonra bağların hangi atomları birbirine bağladığı kontrol edilir.

Yapısal izomerlik türleri

Yapısal izomerlik organik bileşiklerde başlıca zincir, konum ve fonksiyonel grup izomerliği şeklinde görülür. Zincir izomerliğinde karbon iskeletinin düz veya dallanmış olması değişir; konum izomerliğinde çift bağ, üçlü bağ ya da bir substitüentin zincirdeki yeri değişir; fonksiyonel grup izomerliğinde ise aynı moleküler formüle sahip bileşiklerde fonksiyonel grubun türü farklıdır. Örneğin 1-büten ile 2-büten aynı karbon iskeletinde çift bağın farklı konumda bulunması nedeniyle konum izomerliğine örnektir. Bu üç durumda ortak nokta, atomların uzaydaki yöneliminden önce bağlanma bağlantılarının farklı olmasıdır.

Stereozomerlik ve uzaysal düzen

Stereozomerler, atomların birbirine bağlanma sırası aynı kaldığı hâlde atomların veya atom gruplarının uzaydaki göreli yönelimleri farklı olan izomerlerdir. Bu nedenle stereozomerleri ayırt etmek için yalnızca yapısal formüle bakmak yeterli olmaz; molekülün üç boyutlu düzeni de değerlendirilir. Yapısal izomerlikte bağın hangi atomlar arasında kurulduğu değişirken stereozomerlikte bu bağlantı korunur.

Bu farkı anlamak için 2-büten örneği kullanılabilir. Her iki biçimde de karbon-karbon çift bağı ve karbon zincirindeki bağlantılar aynıdır. Ancak çift bağın iki yanındaki metil grupları bir biçimde aynı tarafta, diğer biçimde karşı tarafta bulunur. Çift bağ çevresindeki düzenin sabit kalması bu iki biçimin kolayca birbirine dönüşmesini engeller ve ayrı geometrik izomerlerin ortaya çıkmasına yol açar. Stereozomerlik böylece bağlanma düzeni aynı moleküllerde uzaysal yerleşimin kimyasal sınıflandırmadaki önemini gösterir.

Geometrik izomerlik ve cis-trans koşulları

Geometrik izomerlik, aynı bağlanma düzenine sahip moleküllerde grupların bir bağın çevresinde farklı yönlerde bulunmasıdır. Özellikle karbon-karbon çift bağında dönme serbest değildir; çift bağ rijit bir yapı oluşturur. Tek bağ çevresinde dönme mümkünken çift bağ çevresindeki dönmenin kısıtlanması, grupların aynı veya karşı tarafta sabitlenmesine neden olur. Geometrik izomerlik için çift bağın her iki karbonunda karşılaştırılabilir iki farklı grubun bulunması gerekir; bir çift bağ karbonuna iki özdeş grup bağlıysa cis-trans ayrımı yapılamaz.

2-bütenin iki biçiminde metil grupları aynı tarafta veya zıt tarafta bulunabilir. Metil gruplarının aynı tarafta olduğu biçim cis, karşı tarafta olduğu biçim trans olarak adlandırılır. Bu farklı geometriler, kaynama noktası gibi fiziksel özelliklerin değişmesine ve izomerlerin fiziksel yöntemlerle birbirinden ayrılabilmesine yol açabilir.

Enantiomer, diastereomer ve kiral merkez ayrımı

Enantiomerler, birbirinin çakışmayan ayna görüntüsü olan stereozomer çiftleridir. Sağ ve sol el benzetmesi bu ilişkiyi açıklar: Eller ayna görüntüsü olsa da üst üste getirildiğinde bütün bölümleri aynı konuma gelemez. Enantiomer çiftleri genel fiziksel özellikleri bakımından aynı davranabilir; ancak başka bir enantiomerle etkileştiklerinde farklı davranış gösterebilirler. Kiralite, bir yapı ile ayna görüntüsünün üst üste çakışmaması anlamına gelir ve bu özellik molekülün üç boyutlu düzeniyle ilgilidir.

Kiral merkez, çoğunlukla dört farklı gruba bağlı bir atomun, molekülün iki farklı ayna görüntüsünü oluşturmasına yol açan merkezdir. Birbirinin ayna görüntüsü olmayan stereozomer çiftleri diastereomer olarak adlandırılır; bu ilişki birden fazla stereojenik merkez içeren bileşiklerde görülebileceği gibi cis-trans geometrik izomerlerde de görülür. Enantiomerler birbirinin ayna görüntüsüyken diastereomerler birbirinin ayna görüntüsü değildir. Bu nedenle bir stereozomer çiftini sınıflandırırken önce bağlanma düzeninin aynı olup olmadığı, ardından iki yapının ayna görüntüsü ilişkisi taşıyıp taşımadığı incelenir.

Bir bileşiğin izomerlik türünü belirleme ölçütleri

Bir bileşiğin izomerlik türünü belirlemek için üç aşamalı bir karşılaştırma yapılabilir. İlk olarak moleküler formüller karşılaştırılır; formüller aynı değilse izomerlikten söz edilmez. Aynıysa ikinci aşamada atomların bağlanma düzeni incelenir. Bağlantılar farklıysa bileşikler yapısal izomer, bağlantılar aynıysa stereozomer adayıdır. Üçüncü aşamada uzaysal düzen değerlendirilir: çift bağ veya halka nedeniyle grupların aynı ya da karşı tarafta bulunması geometrik izomerliği; çakışmayan ayna görüntüsü ilişkisi enantiomerliği; ayna görüntüsü olmayan farklı uzaysal düzen ise diastereomerliği gösterir.

Örneğin C4H8 formüllü iki yapıdan biri 1-büten, diğeri 2-büten ise bağlanma düzeni farklı olduğundan sınıflandırma yapısal izomerliktir. İki yapı da 2-büten ise bağlantılar aynıdır; metil gruplarının aynı tarafta veya karşı tarafta bulunması cis-trans geometrik izomerliğini gösterir. Bir soruda yalnızca moleküler formül verilirse olası izomerlerin araştırılabileceği anlaşılır, fakat türü kesin belirlemek için yapısal formül veya uzaysal gösterim gerekir. Moleküler formüllerden olası izomerleri fark etmeye yardımcı karşılaştırmalar için toplam-fark formülleri konusundan yararlanılabilir.