عدد الايزومرات والكربون رباعي الوجوه Isomer number and tetrahedral carbon

لنبدأ دراستنا للكيمياء الفراغية بدراسة الميتان وبعض منتجات الستبداله البسيطة. يمكن أن يعد أي مركب يحتوي على كربون مرتبط بأربع ذرات أخرى، مهما كان معقداً، مشتقاً من الميتان، ويمكن تطبيق ما تعلمناه عن شكل جزيء الميتان على أشكال من الجزيئات أكثر تعقيداً.

أظهرت الدراسات التي استخدم فيها الانعراج الإلكتروني، وأشعة X والمطيافيات أن الكربون مرتبط بأربع ذرات، تتجه روابطها نحو رؤوس رباعي وجوه. وفي أوائل عام 1874 وقبل سنين عديدة من معرفة تعيين البنية الجزيئية، اقترح كل من ج.هـ. فانتهوف J. H. van't Hoff (سيما عندما كان طالباً في جامعة أوترخت) وج. أ. لوبل J. A. LeBel، مستقلاً أحدهما عن الآخر البنية الهرمية لذرة الكربون. وكان اقتراحهما مبنياً على مفهوم عدد الايزومرات.

من المعروف، من أجل أي ذرة Y، أنه لا يوجد سوى مادة واحدة فقط صيغتها CH₃Y. تعطي كلورة الميتان مركباً واحداً صيغته CH₃CI؛ وتعطي برومته مركباً واحداً صيغته CH₃Br. وبصورة مشابهة فقد يعرف مركب واحد صيغته CH₃F، ومركب واحد صيغته CH₃I. والأمر هو نفسه، إذا لم تكن ذرة، بل مجموعة من الذرات (ما لم تكن الزمرة من التعقيد بحيث تبدي هي نفسها ايزومراتاً)، فهنا كمركب واحد فقط صيغته CH₃OH وواحد فقط صيغته CH₃COOH، وواحد فقط صيغته CH₃SO₃H.

ماذا يعني هذا الاقتراح بشأن ترتيب الذرات في الميتان؟ أنه يعني أن كل ذرة هيدروجين في الميتان مكافئة لأي ذرة هيدروجين أخرى فيه، بحيث أن استبدال أي منها يعطي المنتج نفسه. أما إذا لم تكن ذرات الهيدروجين في الميتان متكافئة، فإن استبدال كل واحدة منها سيعطي مركباً مختلفاً عن المركب الناتج من استبدال هيدروجين آخر ويتكون نتيجة لذلك منتجات استبدال مايزومراتة.

ما هي الطرائق التي يمكن وفقها ترتيب ذرات الميتان، بحيث تكون ذرات الهيدروجين الأربع فيه متكافئة؟ توجد ثلاثة نماذج للترتيب: (أ) ترتيب مستوى (I) يشغل الكربون فيه مركز مستطيل (أو مربع)، وتتوضع فيه ذرة هيدروجين عند كل رأس من رؤوسه؛ (ب) ترتيب هرمي (II) يشغر الكربون فيه قمة الهرم، بينما ذرات الهيدروجين تقع على رؤوس القاعدة المثلثية (جـ) ترتيب رباعي الوجوه III وفيه يشغل الكربون مركز رباعي الوجوه، بينما تتوضع ذرة هيدروجين عند كل رأس من رؤوسه.

كيف نعرف أن كل ترتيب من هذه الترتيبات يمكن أن يعطي مادة واحدة صيغتها CH₃Y؟ من المعروف في مسائل كهذه أنه يمكن التوصل الى الجواب باستعمال النماذج الجزيئية (يمكن استعمال قطع شمعية ونكاشات أسنان في صنع نماذج جزيئية (مثل I وII لأن الزوايا الرابطية في النماذج الجزيئية العادية لا تكون مناسبة). فيمكننا مثلاً صنع نموذجين متشابهين من I، يمكننا في أحدهما استبدال ذرة مختلفة Y بذرة الهيدروجين العليا اليمينية، يمكن تمثيل Y بكرة أو قطعة شمعية مختلفة اللون؛ بينما نبدل في النموذج الآخر، وبصورة مشابهة، ذرة الهيدروجين السفلى اليمينية. ثم ننظر بعد ذلك هل النموذجان الناتجان متطابقين أم لا. أو نرى هل يمكن بالعمل اليدوي، دون تشكيل روابط أو تحطيمها، صنع نماذج تتطابق في جميع أجزائها. إذا كان النموذجا قابلين للانطباق فإنهما يمثلان ببساطة جزيئين للمركب نفسه؛ أما إذا كانا غير قابلين للانطباق فإنهما يمثلان جزيئين من مركبين مختلفين هما بالتعريف مماكبان يملكان الصيغة الجزيئية نفسها. وأي هيدروجين نبدله في I (أو II أو III) يؤدي الى البنية نفسها، يمكن أن نحصل من أي ترتيب آخر غير التراتيب الثلاثة المذكورة على أكثر من بنية واحدة.

وطالما أن الأمر يتعلق بمركبات صيغتها CH₃Y، فإن عدد الايزومرات يحدد بنية الميتان بواحدة من هذه الإمكانيات الثلاث.

مسألة 1.4 ما هو المماكبات الممكنة ذات الصيغة CH₃Y إذا كان الميتان هرماً ذا قاعدة مستطيلة؟ ما هي هذه المماكبات؟. ويوجد مركب واحد صيغته CH₂YZ لأي ذرة Y، ولأي ذرة Z، تعطي هلجنة الميتان، مثلاً، مركباً واحداً صيغته CH₂CI₂ ومركباً واحداً صيغته CH₂Br₂ ومركباً واحداً صيغته CH₂CIBr. من بين هذه البنى الثلاث الممكنة للميتان تتوافق، فقط، البنية الرباعية الوجوه مع هذا الدليل.

وهكذا تتوافق البنية رباعية الوجوه للميتان، وحدها فقط، مع دليل عدد الايزومرات. صحيح أنه دليل سلبي إذ يمكن للمرء أن يجادل ويفترض حتى بوجود ممكبات لم تعزل قبلاً، ولم يكشف عنها، بسبب عدم كفاءة التقنيات المخبرية. ولكن، كما قلنا سابقاً فإن أي مركب يحتوي على كربون مرتبط الى أربع ذرات يمكن أن يكون مشتقاً من الميتان؛ وقد وجد في تحضير المئات والآلاف من هذا النوع من المركبات أن عدد المماكبات الناتج يتوافق دائما مع مفهوم ذرة الكربون رباعية الوجوه.

يوجد دليل إضافي إيجابي يتعلق بالكربون رباعي الوجوه: هو وجود نوع من المماكبات (المتخايلات) التي يمكن التنبؤ عنها لمركبات صيغتها CWXYZ وقد أقنع وجود المتخايلات فانتهوف ولوبل بأن ذرة الكربون هي رباعية الوجوه. ولكن لفهم ما هي هذه المتخايلات، علينا أولاً أن نتعرف خاصية تدعى الفعميكانيكية الضوئية.