שיעור 4

מבוא וחזרה כללית

הקורס מתחיל בהנחה שהסטודנטים כבר למדו כימיה כללית עם המרצה מסתאי, ולכן מכירים את מבנה האטום ומבינים קצת על קשרים. עם זאת, נעשתה חזרה כללית בהקשר של כימיה אורגנית כדי לבסס את הידע לקראת הנושאים המתקדמים יותר.

“התחלנו בעצם את השיעורים בהבנה שאתם כבר יודעים כימיה כללית… אתם יודעים על מבנה האטום אתם מבינים קצת קשרים אבל עשינו חזרה מאוד כללית בקונטקסט של כימיה אורגנית.”

סוגי קשרים עיקריים

בכימיה אורגנית עוסקים בשלושה סוגי קשרים עיקריים:

1. קשר קובלנטי - שיתוף אלקטרונים בין אטומים
2. קשר יוני - העברת אלקטרונים בין אטומים
3. קשרים חלשים יותר:
   • קשרי לונדון (כוחות ון דר ואלס) - הכי חלשים, קיימים בכל מולקולה
   • קשרי דיפול-דיפול - חזקים יותר מלונדון, קיימים במולקולות לא סימטריות לגמרי
   • קשרי מימן - מקרה ספציפי של קשרי דיפול-דיפול, קיימים כאשר יש מימן וגם N, O או F (נוף)

“דיברנו על זה בקצרה שלושה סוגי קשרים עיקריים מה שלושה סוגי קשרים? קובלנטי, יוני ואחרים… שהם לא קשרים יוניים ולא קשרים קובלנטיים… דיברנו על לונדון, דיפול דיפול וממן.”

כימיה אורגנית לעומת אי-אורגנית

ההבדל הבסיסי בין כימיה אורגנית לאי-אורגנית:

“בגדול מה ההבדל הגדול בין כימיה אורגנית לכימיה אי-אורגנית? מה ייתן לנו רמז… שחומר הוא שייך לכימיה אורגנית או אי-אורגנית? פחמן - ברגע שיש לנו פחמן מבחינתנו שייך לכימיה אורגנית.”

זהו כלל אצבע המתקיים ברוב המקרים, אם כי ישנם מקרים יוצאי דופן.

מטען פורמלי (Formal Charge)

המושג מטען פורמלי מתייחס למטען החשמלי המיוחס לאטום ספציפי במולקולה. חישוב המטען הפורמלי נלמד הן ברמת האטומים הבודדים והן ברמת המולקולות.

חישוב מטען פורמלי

ניתן לחשב את המטען הפורמלי באמצעות הנוסחה הבאה:

מטען פורמלי = מספר אלקטרוני הערכיות - (מספר האלקטרונים הלא-קושרים + 1/2 מספר האלקטרונים הקושרים)

“דיברנו על פורמארד צ’ארג’ ראינו איך מחשבים אותו גם לגבי ברמה של אטומים וגם אחרי זה נכנסנו ברמה של מולקולות איך מחשבים את זה.”

מבנה מולקולות

מבנה לואיס

מבנה לואיס הוא דרך לייצג את האלקטרונים בקשרים כימיים במולקולה. כדי לשרטט מבנה לואיס:

1. חישוב מספר האלקטרונים הכולל במולקולה
2. קביעת מספר הקשרים שכל אטום יוצר (הכלל הבסיסי):
   • פחמן: 4 קשרים
   • חנקן: 3 קשרים
   • חמצן: 2 קשרים

“התחלנו להציג את מבנה לואיס… אם נותנים לי את האטומים, במקרה הזה זה NLO3 ואני צריך לבנות מאין לו שלוש מולקולה… אני בעצם מחשב את מספר האלקטרונים, אני יודע כמה קשרים כל אטום רוצה ליצור, כמה קשרים פחמן נרצה ליצור? ארבע, חנקן שלוש, חמצן שתיים.”

חשוב לזכור: יש כללים ברורים לגבי כמות הקשרים שכל אטום יכול ליצור:

“חנקן לעולם לא יהיה עם חמישה קשרים, פחמן מבחינתכם גם כן מעולם לא יהיה עם חמישה קשרים, וחמצן נדיר שהוא יהיה עם שלושה קשרים.”

דוגמה שהוצגה בהרצאה כללה את מולקולת NLO3, שבה החנקן במצב לא טבעי עם ארבעה קשרים במקום שלושה, מה שמוביל למטען חיובי על החנקן.

אורביטלות מולקולריות והיברידיזציה

בהמשך למה שנלמד בכימיה כללית על אורביטלות של s ל-s או p ל-p, בכימיה אורגנית מדברים על היברידיזציה בין אורביטלות s לאורביטלות p.

“אנחנו מגיעים לכימיה אורגנית מדברים ניסויים מתצפיות ניסויות הבנו שבעצם יש אברידיזציה גם בין אורביטלות s לאורביטלות p.”

מהתצפיות הניסיוניות התברר שמולקולות כמו מתאן (CH4) מכילות אורביטלות מולקולריות (להבדיל מאורביטלות אטומיות). בפחמן, האלקטרונים ב-1s אינם משתתפים בקשרים כי הם ברמה נמוכה, אך האלקטרונים ב-2s וב-2p כן משתתפים.

סוגי היברידיזציה

“את זה אנחנו רואים בשקף המה יכול להיות לנו sp3, זאת אומרת שיש לנו מולקולה אחת של s או אורביטל אחת של s ושלוש אורביטלות של p. sp2 ואיזה מבנה יהיה לזה, לsp3 מבנה מרחבי תטראדר.”

חישוב היברידיזציה

לקביעת היברידיזציה של אטום יש לחשב:

1. מספר אלקטרוני הערכיות (ואלנס) המשתתפים בהיברידיזציה
2. מספר קשרי סיגמה שהאטום יוצר
3. מספר זוגות האלקטרונים הלא-קושרים

“אנחנו יודעים שרק לפחמן יהיה ארבעה וואלנס אלקטרון… וואלנס אלקטרון זה אלקטרונים שבעצם משתתפים בהיברידיזציה במולקולר אורביטל, הוא ייצור קשרי סיגמה ולא קשרי פיי כי הוא יכול יצור קשרי סיגמה, אז יהיה לו ארבעה קשרי סיגמה. לפחמן אין זוג אלקטרונים לא קושר.”

נוסחה לחישוב היברידיזציה:

“אז אנחנו יש איזושהי נוסחה מאוד מאוד פשוטה שלמדנו אותה, שזה ארבע סיגמה bonds פלוס לונפרז נותן סך הכל אפס לונפרז נותן סך הכל ארבע וארבע פחות אחד זה שלוש לכן זה אס פי שלוש.”

כלומר: סך הכל = מספר קשרי סיגמה + מספר זוגות אלקטרונים לא-קושרים.

לדוגמה, עבור פחמן ב-CH4:

• 4 קשרי סיגמה
• 0 זוגות אלקטרונים לא-קושרים
• סך הכל: 4
• היברידיזציה: $\text{sp}^3$ (4-1=3)

השפעה על זוויות קשר

זוויות הקשר בטטראדר הן 109.5°, אולם אם קיימים זוגות אלקטרונים לא-קושרים, הזווית תשתנה:

“זוויות של תטראדר, מה הן יהיו? בהכרח תמיד? לא, מתי אם לא היו אס פי שלוש? כשיש? …זוג אלקטרונים לא קושרים. התחייה שלו יותר חזקה ולכן הם יקמתו את המימנים והזווית יהיה יותר קטנה… תראה נגיד למאה ושבע או משהו כזה.”

זאת אומרת, אם יש זוג אלקטרונים לא-קושר, הדחייה שלו חזקה יותר מדחיית מימנים, ולכן זווית הקשר בין המימנים תהיה קטנה יותר מ-109.5° (בערך 107°).

חומצות ובסיסים בכימיה אורגנית

בשיעור השני נכנסנו לנושא של חומצות ובסיסים בהקשר של כימיה אורגנית, בניגוד לכימיה כללית שנלמדה קודם.

“בשיעור השני עברנו לדבר על חומצות ופסיסים, שוב בקונוטציה של כימיה אורגנית. למדתם אצל מסתאי חומצות ובסיסים, אנחנו יותר לוקחים את זה לכימיה אורגנית.”

עקרונות יסוד

חומר יכול להיות חומצה או בסיס בהתאם לחומר השני שהוא מגיב איתו:

“HCl הוא יהיה חומצה או בסיס? תלוי בחומר השני שהוא מגיב איתו. זה תמיד תלוי בחומר השני שהוא מגיב איתו. החומר היותר חומצי, אם הפיקה היה יותר גבוה, יהיה החומר החומצה בריאקציה שלנו.”

דוגמה קלאסית היא מים (H₂O):

“הדוגמה הכי טובה שבדרך כלל נותנים לזה זה מים. אם הם עובדים עם חומצה הם יהיו בסיס… ואם הם עובדים עם בסיס, אז הם יהיו חומצה באותה ריאקציה.”

חשוב להבין שחומר לא בהכרח רק חומצה או רק בסיס - הכל יחסי ותלוי בריאקציה הספציפית.

סוגי חומצות

חומצת ברונסטד

“חומצת ברונסטיין יודעת לתת פרוטון, וזה בדרך כלל ההגדרה שנשתמש בה בכימיה אורגנית. כשאנחנו מדברים בכימיה אורגנית, בניגוד לכימיה כללית, מבחינתנו החומר הוא חומצה ברגע שהוא נותן פרוטון.”

חומצת לואיס

“חומצת לואיס זה חומר שיודע לקבל אלקטרונים.”

חשוב להבין את היחס בין שני סוגי החומצות:

“כל חומר שהוא חומצת ברונסטיין בהגדרה הוא גם יהיה חומצת לואיס, אבל לא ההפך. לא כל חומר שמקבל אלקטרונים בהכרח גם יש לו פרוטון לתת.”

קביעת חומציות

גורמים המשפיעים על חומציות:

1. אלקטרונגטיביות - לאורך שורה בטבלה המחזורית:

   “ככל שהחומר יותר אלקטרונגטיבי הוא יהיה יותר חומצי… פלואור אני מזכיר לכם זה החומר הכי אלקטרונגטיבי בטבלה המחזורית… [המדד שלו] 3.98.”

2. גודל האטום - לאורך טור בטבלה המחזורית:

   “ככל שהחומר יותר גדול הוא יהיה יותר חומצי.”

העיקרון המנחה בקביעת חומציות:

“מה בסך הכל העיקרון שמנחה אותנו בקביעת חומציות? כמה הוא יכול להתמודד עם המטען השלילי עליו. ככל שחומר יותר גדול הוא יתמודד יותר טוב עם המטען השלילי עליו. ככל שחומר יותר אלקטרונגטיבי הוא יתמודד יותר טוב עם המטען השלילי עליו.”

“חומצה חזקה זה חומצה שמוותרת יחסית בקלות על הפרוטון. מוותרת על הפרוטון זאת אומרת שיודעת להסתדר עם המטען שנשאר איתו.”

אפקט אינדוקטיבי

אפקט אינדוקטיבי מתרחש כאשר ייצוב המטען השלילי אינו על האטום עצמו אלא ממרחק:

“כשהחומר הזה, לא משנה כרגע מה המתמיר פה, כשהחומר הזה יוותר על פרוטון, הפרוטון הולך מהמקום הזה… ואז בעצם הייצוף של המערכת הוא לא נעשה על האטום הזה, אלא הוא נעשה פה ואנחנו צריכים משהו שיעזור לייצב את המטען השלילי, אבל ממרחק.”

כאשר הייצוב הוא ממרחק:

“אפקט אלקטרונגטיבי הוא יותר חזק מאפקט של גודל האטום, ולכן כשיש לנו את הפלואור אנחנו מקבלים אפקט יותר חזק מאשר אפקט של ברון.”

עיקרון נוסף הוא מרחק האטום ממקום הפרוטון:

“ככל שהאטום שיכול לשאת עליו את המטען השלילי יהיה יותר קרוב למקום שבו צריך לעשות החלוקת מטען, אז החומר יהיה יותר חומצי.”

חומצות ובסיסים מצומדים

לכל חומצה יש בסיס מצומד ולכל בסיס יש חומצה מצומדת.

דוגמה: הבסיס המצומד של מתנול (CH₃OH):

“המצומד של מתנול CH3OH… אם יש לנו CH3OH מה יהיה הבסיס המצומד? בלי ה-H הזה. אוקיי הוא תמיד ייתן את הH שקרוב ל $\ce{O-}$ וזה יהיה הבסיס המצומד של החומר הזה.”

כלומר CH₃O⁻ הוא הבסיס המצומד של CH₃OH.

נומנקלטורה - שמות למולקולות אורגניות

בשיעור השלישי נכנסנו למשפחות של מולקולות בכימיה אורגנית ולשיטות הנומנקלטורה (מתן שמות).

“בשיעור השלישי בעצם נכנסנו למשפחות של המולקולות בכימיה אורגנית, התחלנו בללמוד לתת שמות למשפחות ואז נכנסנו קצת יותר למשפחות.”

הוזכרו מספר משפחות חשובות:

• אלכוהול: עם קבוצת הידרוקסיל (OH)
• אתרים: עם קבוצת R-O-R (אלכוהול יכול להיחשב כמקרה פרטי של אתר שבו אחד ה-R הוא H)

שלבים במתן שם למולקולה

“בגדול מה שאמרנו זה כשיש לי מולקולה מה הדבר הראשון שאני עושה? מחפש את השרשרת פחמנים הכי ארוכה, ממספר אותה לפי איפה שיש מתמירים, אני מחפש את המתמיר הכי קרוב לקצה ימין או שמאל ואז אני מתחיל למספר אותה ואז אני נותן שמות.”

1. זיהוי השרשרת הכי ארוכה:
   • סופרים את מספר אטומי הפחמן וקובעים את השם הבסיסי
   • למשל: 8 פחמנים = אוקטן
2. מספור השרשרת:
   • מתחילים למספר מהצד שיביא למספור הנמוך ביותר למתמירים
3. שמות מתמירים:
   • מציינים את מיקום ושם המתמירים

סוגי שמות סטנדרטיים

“אמרנו שיש ארבעה שמות שאנחנו רוצים לזכור אם יש לנו מולקולה.”

1. שרשרת ישרה: נגמרת ב”יל”

   “אם יש לנו שרשרת ישרה אז היא נגמרת ב״איל״, אז במקרה הזה בגלל שזה ארבעה פחמנים אז זה בוטיל.”

2. פחמן שלישוני (טרס):

   “שרשרת של הפחמן יש שלושה מתמירים, אני הולך לה אני מדבר על המולקולאי תרס, תרס זה בא במילה תרסי או טריטי וזה אומר של הפחמן יש שלושה פחמנים מתמירים.”

3. פחמן עם הסתעפות (ברנצ’):

   “יש לי מולקולה שיש לה גם פחמן ברנץ׳, ברנץ׳ זאת אומרת שהוא לא בשרשרת ישרה אלא הוא מסתעף מהשרשרת ישרה ויש לה מתמיר נוסף.”

   במקרה מיוחד, כאשר ההסתעפות היא על הפחמן האחד לפני האחרון:

   “המתמיר או על פחמן אחד… והברנץ׳ הפחמן שהוא תודה מסועף הוא על הפחמן האחד לפני אחרון… זאת אומרת אני מסתכל על קצה השרשרת מבחינת השרכב הישר של הפחמנים והפחמן האחד לפני אחרון יש לי פה סיעוף.”

4. פחמן משני (סק): פחמן שמחובר לשני פחמנים אחרים

   “פחמן שניוני, סק.”

דוגמה למתן שם

בדוגמה שנדונה, רואים מולקולה עם חמישה פחמנים והידרוקסיל:

    CH3
     |
H3C-C-CH2-CH2-OH
     |
    CH3

ניתן להשתמש בשתי גישות:

1. גישה ראשונה: להתייחס לשרשרת הישרה (4 פחמנים) עם מתמיר - “טרש-בוטנול”
2. גישה שנייה: להשתמש בקידומת “איזו” - “איזו-פנטנול”

“יש לי אופציות לתת שמות בכימיה… ואנחנו למדנו אתכם את שתי השיטות, אבל בגדול, אפשר ללכת לשרשרת הישרה, להגיד איזו מטיל, בוטיל, איזו מטיל, בוטנול, ואז זה אומר לך שיש לך את המטיל באיזו.”

המרצה מעדיף את הגישה הראשונה בגלל בהירות גדולה יותר במולקולות מורכבות:

“למה השם שנתנו פה יותר נכון? כי ברגע שאנחנו עוברים למולקולות יותר ארוכות, אז הספציפיות של השם היא יותר גדולה.”

דוגמה נוספת - אוקטן עם מתמיר

בדוגמה נוספת, זיהינו שרשרת של 8 פחמנים (אוקטן) עם מתמיר איזו-פרופיל על פחמן מספר 4:

“אז יש לנו אוקטן, אני יודע שיש לי אוקטן, ואני יודע שיש לי משהו על ארבע… מה יש לי פה? איך קוראים לה שרשרת הזאת? פרופיל, יש לי שלושה פחמנים, 1,2,3 פחמנים אז יהיה פרופיל. איזו? כי הם מפוצלים, הם לא שרשרת ישרה.”

התשובה הנכונה היא: 4-איזו-פרופיל אוקטן

כוחות בין-מולקולריים

בכימיה אורגנית, מדברים על שלושה סוגי כוחות בין-מולקולריים (מהחלש לחזק):

1. קשרי לונדון:

   “לונדון יהיו בכל מולקולה, קשרים מאוד חלשים.”

2. קשרי דיפול-דיפול:

   “דיפול-דיפול יהיו בהרבה מולקולות, כל מולקולות שהן לא לגמרי סימטריות לרוב יציגו קשרי דיפול-דיפול, והן יותר חזקים מלונדון.”

3. קשרי מימן:

   “וקשרי מימן שזה המקרה ספציפי של קשרי דיפול-דיפול, שיש לי מולקולה שיש לה גם מימן וגם נוף, ניטרוג’ן, אוקסג’ן ופלואור.”

מדדים לחוזק הקשרים

אנו משתמשים בשני מדדים בכימיה אורגנית:

“דיברנו על שני מדדים שאנחנו מסתכלים עליהם בכימיה אורגנית, על נקודת רתיחה ועל מסיסות.”

1. נקודת רתיחה - ככל שנקודת הרתיחה גבוהה יותר, הקשרים בין המולקולות חזקים יותר

   “ככל שמולקולת טמפרטורת רתיחה שלה תעלה או המסיסות שלה תרד לצורך העניין, היא תהיה ככל שהנקודת רתיחה תעלה יותר, מה זה אומר על הקשרים בין המולקולות? חזקים יותר, זה העיקרון שמנחה.”

2. מסיסות - ככל שהמסיסות יורדת, הקשרים בין המולקולות חזקים יותר

חשוב לציין גורמים שמשפיעים על נקודת רתיחה:

“ככל שיש לי שרשרת יותר ארוכה של פחמנים, נקודת הרתיחה עולה בגלל איזה קשרים? לונדון, קשרי לונדון יותר משמעותיים ככל שהמולקולה יותר ארוכה, וככל שהאטום יותר גדול הוא יותר פולרי ולכן הנקודת רתיחה שלו עולה.”

היטלי ניומן (Newman Projections)

היטלי ניומן הם דרך לייצג את המבנה המרחבי של מולקולות, במיוחד סביב קשרי סיגמה.

“היטלי ניומן… אנחנו רוצים לצייר מולקולה בצורה שתיתן לנו איזושהי אינדיקציה על המבנה שלה במרחר.”

עקרונות בסיסיים

כאשר מציירים היטלי ניומן:

• הפחמן הקדמי מיוצג כנקודה
• הפחמן האחורי מיוצג כעיגול
• המתמירים מסודרים סביב הפחמנים

“אחד הפחמנים יהיה בתור נקודה ואחד הפחמנים יהיה בתור עיגול… אז יש לי פה את פחמן 1 ופחמן 2, זה יהיה פחמן 1 וזה יהיה פחמן 2. עכשיו אני מסתכל על פחמן 1 לצורך העניין, יש לו שלושה מתמירים שהם שלושה מאמנים, מצייר 1, 2 ו-3, ואז אני מסתכל על פחמן 2, ויש לו גם שלושה מאמנים.”

דוגמה: אתאן (CH₃-CH₃)

בהיטלי ניומן של אתאן, ניתן לייצג את המולקולה בשתי קונפורמציות עיקריות:

1. סטאגרד (Staggered) - המימנים רחוקים זה מזה

   “במקרה שזה האדום, שפחמן שתיים יש לו את המימנים האדומים, יהיה יותר דחייה, פחות דחייה, יותר יציב, פחות יציב? יותר יציב, פחות תחייה… כי המימנים הם רחוקים אחד מהשני. אז יהיה מולקולה יותר יציבה, נתנו לזה שם, זוכרים? סטאגר.”

2. אקליפסט (Eclipsed) - המימנים אחד מול השני

   “אם זה יהיה במבנה הירוק, זה יהיה פחות יציב כי המימנים דוחים אחד את השני וקראנו לזה אקליפסט.”

חשוב להבין שהמולקולה בתנועה מתמדת סביב הקשר:

“כמובן שזה לא רק או האדום או הירוק. זאת אומרת יש לנו פה סיבוב חופשי סביב קשר סיגמה. כל הזמן יש את הסיבוב והאטומים יכולים להיות בכל נקודה.”

דוגמה: בוטאן (CH₃-CH₂-CH₂-CH₃)

כאשר בוחנים את הקשר בין פחמן 2 לפחמן 3 בבוטאן:

CH₃-CH₂-CH₂-CH₃
 1   2   3   4

יש מספר קונפורמציות אפשריות:

“אנחנו נצייר את זה מ-C1 ל-C2 אז אם אני מסתכל מ-C1 ל-C2 אז זה העין שלי. אני מסתכל מהכיוון הזה, נכון? מעולה. אני מצייר את C1 ואת C2, ל-C1 איזה מתמירים יש?… [ל-C2] מה יש?…”

קונפורמציות נוספות שזוהו בבוטאן:

1. פול אקליפסט (Full Eclipsed) - קבוצות CH₃ אחת מול השנייה (הכי פחות יציב)

   “ברגע ששתי הקבוצות הנבחיות הן באקליפסט אז קוראים לזה פול אקליפסט, אקליפסט מלא בעצם.”

2. אקליפסט (Eclipsed) - CH₃ מול H

   “ברגע ששתי הקבוצות הנבחיות הן באקליפסט אבל לא אחת מול השנייה אז קוראים לזה אקליפסט.”

3. גוש (Gauche) - CH₃ במצב סטאגרד אך לא הכי רחוק

   “וברגע שהן רחוקות אחת מהשנייה אבל לא הכי רחוקות אחת מהשנייה קוראים לזה גוש.”

4. אנטי (Anti) - קבוצות CH₃ במצב סטאגרד והכי רחוקות (הכי יציב)

   “כשיש לנו שהקבוצות הנבחיות הן במצב שהן הכי רחוקות אחת מהשנייה קוראים לזה אנטי… וזה הצורון זה הקונפורמציה שתהיה הכי יציבה באנרגיה.”

כללים להערכת יציבות:

“איזה מצב יהיה הכי יציב מבחינה אנרגטית? D [אנטי]… המצב הכי יציב מבחינה אנרגטית, ששתי הקבוצות הכי נפחיות או הכי טעונות, יהיו הכי רחוקות אחת מהשנייה.”

מולקולות ציקליות

בהמשך עברנו למולקולות ציקליות, במיוחד ציקלוהקסאן.

“עכשיו אנחנו נכנסים לעולם של מולקולות שאנחנו רוצים לצייר אותן בהטלים בהטל ניומן… אבל זה מולקולות ציקליות.”

“דיברנו בגדול שיכול להיות לנו מולקולה ציקלית שמורכבת משלושה פחמנים מארבעה פחמנים חמישה שישה ויותר. איזה מולקולות יהיו יציבות יחסית… חמש ושש זה המולקולות שהן יחסית יותר יציבות.”

ציקלוהקסאן

ציקלוהקסאן הוא מולקולה ציקלית עם שישה פחמנים. היא יכולה להופיע בשתי קונפורמציות עיקריות:

1. כיסא (Chair) - היציבה יותר

   “בסדר? מצאנו את השרשרת פחמנים ארוכה? מעולה… אז פה אנחנו רואים באמת את הסירה ממש סירה ופה אנחנו נותנים לנו רמז שכנראה בסירה המתמירים יכולים לעבות איזושהי דחייה ולכן זה יהיה פחות יציב.”

2. סירה (Boat) - פחות יציבה

   “ואפשר לצייר אותה בצורה כזאת וזה מזכיר לכם סירה.”

עמדות במבנה כיסא

במבנה כיסא יש שני סוגי עמדות למתמירים:

1. עמדה אקסיאלית (Axial):

   “עמדה אקסיאלית זאת אומרת שהם ניצבים למישור המולקולה פחות או יותר, המולקולה היא לא פלנארית לגמרי אז זה לא ממש ניצבים אבל יחסית ניצבים למישור המולקולה.”

2. עמדה אקווטוריאלית (Equatorial):

   “או במילה או בעמדה אקווטוריאלית שהם אקווטוריאלי זה בא מלשון קו המשווה שהם כאילו בהמשך הם ישרים, הם ממשיכים.”

בהשוואה בין השתיים:

“מה יהיה יותר יציב אקסיאלי או אקווטוריאלי?… אקווטוריאלי יהיה יותר יציב למה?… כלל אצבע אקווטוריאלי יותר יציב. ככל שהמתמיר פה יהיה יותר גדול תהיה העדפה לאקווטוריאלי.”

חשוב לציין שככל שהמתמיר גדול יותר, כך ההעדפה לעמדה אקווטוריאלית משמעותית יותר:

“זאת אומרת אם זה מימנים אז העדפה לאקווטוריאלי לא תהיה מאוד מאוד דרמטית לא תהיה דרסטית. אבל אם יהיה לי שם איזה קבוצה אלוגנית מאוד מאוד גדולה כמו ברום כלור יוד… אז העדפה לאקווטוריאלי תהיה הרבה יותר גדולה.”

הפיכת כיסא (Chair Flip)

מולקולת ציקלוהקסאן יכולה לעבור מקונפורמציית כיסא אחת לשנייה:

“המולקולה הזאת שציירתי אותה פה שהיא כיסא אני יכול לצייר אותה גם הפוך… כל מה שעשיתי זה לקחתי את הכיסא וכאילו הפכתי אותו תמונת מראה לצורך העניין.”

כאשר יש מתמירים על המולקולה, הפיכת הכיסא משנה את העמדה שלהם:

“ברגע שיש לי מתמירים שהם שונים על המולקולה הזאת… המתמירים שלו משנים עמדה… אם פה הוא היה באיזה עמדה הזאת אקווטוריאלית ברגע שעשיתי את הסיבוב הזה הוא הופך לאקסיאלית.”

זה גורם לשינוי ביציבות המולקולה:

“ברגע שפה יש לי מתמירים, המתמירים האלה יכולים לגרום לדחייה מסוימת ולכן תהיה העדפה לצורה או אקסיאלית או אקווטוריאלית.”

דחייה בעמדה אקסיאלית

במצב אקסיאלי, יש פוטנציאל לדחייה בין מתמירים:

“ברגע שהוא בעמדה אקסיאלית המטיל פה באמתה אקסיאלית יהיה לו דחייה עם המימנים שיושבים פה… יהיה לו דחייה… אם זה עמדה אחת אז יהיה על שלוש וזה יהיה על חמש.”

אם במקום מימנים יש מתמירים גדולים, הדחייה משמעותית יותר:

“אם אני מסתכל על הפחמן הזה… על שלוש אין לי מימן אלא יש לי עוד קבוצת ציית שלוש, אז עכשיו התחייה היא הרבה יותר גדולה.”

“ברגע שיש לנו אקסיאלית יהיה לנו תחייה או יש פוטנציה לתחייה בין עמדות אחד, שלוש וחמש. ולכן אם באחד שלוש או חמש יהיה לי מתמירים אני אעדיף לעבור למצב שהם בעמדה אקווטוריאלית.”

טבלת העדפות קונפורמציוניות

המרצה הציג טבלה המראה את היחס בין העדפת עמדה אקווטוריאלית לעמדה אקסיאלית:

“כמה מהמולקולה תהיה בעמדה אקווטוריאלית וכמה תהיה בעמדה אקסיאלית… אם המתמיר שלי הוא מימן אז המעבר הוא חופשי וגדול. אוקיי אין באמת הבדל ואין הבדל בין אקסיאלי לאקווטוריאלי. אם אני שם מטיל, אם אני משתמש במטיל כבר זה בערך פי 20 עדיפות לעמדה אקווטוריאלית ואם אני שם טרץ בוטיל… אז זה כבר כמעט חמשת אלפים.”

“ככל שהקבוצה יותר נפחית, ככל שהקבוצה יותר גדולה תהיה לנו עדיפות לעבור לעמדה.”

ציס וטראנס - מאפיינים ותכונות

המקרה הקלאסי: קשר כפול

במקרה הקלאסי של ציס וטראנס מדובר במולקולות עם קשר כפול:

“המקרה הקלאסי של ציס וטראנס… יש לנו שתי מולקולות יש לנו שתי מולקולות שיש קשר כפול ביניהן זאת אומרת שאין לי פה סיבוב חופשי סביב הקשר כזה כי זה לא קשר יחיד זה קשר כפול.”

• ציס: שתי קבוצות נפחיות באותו צד של הקשר הכפול

  “שני המתמירים הנבחיים בחר תחלור ויוד אבל זה לא משנה שני המתמירים הנבחיים הם באותו צד של הקשר הכפול.”

• טראנס: שתי קבוצות נפחיות בצדדים מנוגדים של הקשר הכפול

  “ופה הם בצד רחוק של הקשר הכפול.”

בהשוואה בין השניים:

“מי היותר יציב? הימני [טראנס]… לזה קוראים ציס ולזה קוראים טראנס… טראנס כשרוקדים טראנס היה מתפזרים עם כל הגוף אז זה היה רחוק אחד מהשני וטראנס תמיד יהיה יותר יציב.”

השוואת תכונות ציס וטראנס

נעשתה השוואה בין איזומרים ציס וטראנס של בוטן-2:

1. נקודת רתיחה

• ציס: ~4°C
• טראנס: ~1°C

“אנחנו מסתכלים על המולקולה של הציס ואנחנו מסתכלים ה boiling point אקספרמנטלית היא בערך ארבע מעלות לעומת הטראנס וה boiling point היא בערך מעלה אחת.”

הערה (דור): נראה שלמדנו דברים סותרים לגבי נקודת רתיחה, כי לכאורה הטראנס היציב יותר היה לדעתי צריך לרתוח בטמפרטורה גבוהה יותר.

2. מומנט דיפול

• טראנס: מומנט דיפול = 0 (המומנטים מבטלים זה את זה)

  “כשיש לי טראנס המומנט דיפול של סך הכל המולקולה יהיה אפס כי יש לי שתי קבוצות נבחיות… שלמרות שלכל אחת מהם יש מומנט דיפול יחסית למולקולה הן מבטלות אחת את השנייה.”

• ציס: יש מומנט דיפול

  “בעוד שיש לי מולקולה של ציס שני המומנט דיפול מהם מאותו כיוון ולכן יהיה איזה שהוא מומנט דיפול לכיוון הנפחי של המולקולה.”

3. כוחות בין-מולקולריים

תכונות אלו משפיעות על האינטראקציות בין המולקולות:

“אז עכשיו מבחינת… כוחות בין המולקולות… בטראנס אמרנו שיש שלושה סוגי קשרים שהם לא הקשרים היונים וקשרים קובלנטים, יש לנו קשרי לונדון, קשרי דיפול דיפול וקשרי מימן.”

• בשתי המולקולות יש קשרי לונדון
• בציס יש גם קשרי דיפול-דיפול בגלל המומנט הדיפולי
• בטראנס אין קשרי דיפול-דיפול בגלל המומנט הדיפולי האפסי

חשוב להבין שמדובר בכוחות בין מולקולות ולא בתוך המולקולה:

“כשאנחנו מדברים על תכונות כמו בוילינג פונט או סולביליטי אני לא מדבר על בתוך המולקולה אני מדבר על בין מולקולות.”

E/Z כהרחבה של ציס/טראנס

כאשר יש ארבעה מתמירים שונים סביב קשר כפול, משתמשים במערכת E/Z במקום ציס/טראנס:

“ואז אנחנו קצת מסבכים את העניין… יש לי ארבעה מתמירים שונים… אבל אני לא יכול לקרוא לזה יותר ציס וטראנס, למה אני לא יכול לקרוא לזה יותר ציס וטראנס? כי אין לי שני מימנים… ציס וטראנס זה בעצם מקרה ספציפי של E ו-Z.”

קביעת E/Z:

1. יש לדרג את המתמירים לפי סדר עדיפות (על פי המספר האטומי):

   “מה שאנחנו נצטרך לעשות זה לתת עדיפות לכל מתמיר, זאת אומרת לדרג את כל המתמירים לפי סדר העדיפות שלהם.”

2. בדיקת סידור המתמירים בעלי העדיפות הגבוהה:

   “ואחרי שדירגנו אותם לראות אם שני המתמירים הכבדים הם באותו צד ואז יהיה Z. אם שני המתמירים בעדיפות גבוהה זה יהיה Z שזה אומר ביחד ואם שני המתמירים בעדיפות גבוהה הם רחוקים אחד מהשני זה יהיה E מלשון Opposite.”

E ו-Z באים מגרמנית:

• Z = Zusammen (יחד)
• E = Entgegen (מנוגד)

דוגמה שהוצגה כללה:

• ברום (Br) = 35 (מספר אטומי)
• כלור (Cl) = 17
• CH₃ = 6 (מספר אטומי של פחמן)
• H = 1

ציס וטראנס במולקולות ציקליות

גם במולקולות ציקליות ניתן להבחין בין ציס וטראנס:

“הוא יכול להיות גם בציקלו אקסן, אותו דבר. מה הרעיון שלנו להבין אם קרובים, אם המתמירים קרובים אחד לשני או רחוקים אחד מהשני. זה מה שחשוב לנו להבין.”

בבחינת מולקולות ציקליות:

“פה באיזה עמדה המתמיר הזה? אקסיאלית וזה? פה איזה עמדה זה? אז פה יש לי אקסיאלי ואקווטוריאלי ופה יש לי אקווטוריאלי ואקווטוריאלי. אקווטוריאלי ואקווטוריאלי יהיה יותר יציב מאקסיאלי ואקווטוריאלי.”

יתרה מכך, ההתייחסות לציס וטראנס במולקולות ציקליות משפיעה על היציבות:

“בתוך טראנס יהיה לי יותר יציב כי הם יכולים להיות… אקווטוריאלי רחוק אחד מהשני והם יכולים להיות אקסיאלי רחוק אחד מהשני. בטראנס האקווטוריאלי יהיה יותר יציב.”

איזומריה

איזומרים הם מולקולות שיש להן את אותו מבנה כימי מבחינת הרכב האטומים, אך לא בהכרח אותו מבנה מרחבי.

מהם איזומרים?

“כשאנחנו מדברים על מולקולות שיש להן את אותו מבנה כימי, כשאני אומר אותו מבנה כימי כרגע אני מתכוון למולקולות שיש להן את אותו מספר פחמנים, אותו מספר מימנים ואותו מספר חמצנים, חנקנים וכן הלאה בדיוק אותו מבנה כימי, אנחנו נקרא להם איזומרים.”

סוגי איזומרים

1. איזומרים מבניים (Structural Isomers)

“הדוגמה הכי קלה להבנה ושאיתה נתחיל זה כמובן איזומרים מבנים… יש לי מולקולה, יש לי מולקולה שיש לה את אותו מספר פחמנים, מימנים וכן הלאה אבל הם לא מחוברים באותה דרך.”

דוגמה:

• אתנול (CH₃CH₂OH)
• אתר דימתילי (CH₃OCH₃)

“אתם מסכימים איתי שמבחינת פחמנים מימנים וחמצנים יש לי אותו מספר… יש לי שישה פחמנים שני פחמנים שישה מימנים וחמצן אחד גם במולקולה הזאת וגם במולקולה הזאת. זה לא אותה מולקולה אבל כולנו בתכונות לגמרי שונות גם פיזיקליות וגם כימיות וכן הלאה.”

2. סטריאואיזומרים (Stereoisomers)

“סטריו איזומרים זה קבוצות, זה חומרים שהמתמירים או האטומים מחוברים באותה דרך… החיבור, הקשר בין האטומים הוא אותו קשר.”

סטריאואיזומרים נחלקים לשני סוגים עיקריים:

א. סטריאואיזומרים קונפורמציוניים

“סטריו איזומרים קונפורמציונים זה בעצם חומרים שהמבנה שלהם הוא לא בדיוק אותו דבר, האטומים כן מחוברים אותו דבר, אבל המבנה שלהם הוא לא אותו דבר, אבל אני יכול לעבור ממבנה אחד למבנה שני בלי לשבור אף קשר.”

דוגמה:

“הדוגמה הכי קלאסית בדיוק מה שלמדנו בשיעור הקודם, כיסא וסירה אנחנו ראינו, למדנו. הם להם אותה יציבות, כיסא יותר יציב, שתי מולקולות שיש להן מבחינת יציבות אנרגטית תכונות שונות ראינו את זה, אבל המעבר ביניהם הוא בלי שבירה של אף קשר.”

ב. סטריאואיזומרים קונפיגורציוניים

“יש לנו מה שנקרא סטריו איזומרים קונפורציה שונה. והדוגמה הכי טובה לזה זה בדיוק הדוגמה שדיברתי עליה, השיעור שעבר, ציס וטאנס.”

במקרה זה המעבר בין האיזומרים דורש שבירת קשר:

“המעבר ביניהם הוא לא יכול להיות אלא אם אני שובר קשר, למה? כי הקשר פה כדי לעבור ביניהם אני צריך שתהיה לי רוטציה סביב הקשר הזה, אבל זה קשר כפול, אני יודע לעשות רוטציה סביב קשר כפול. אתם תלמדו את זה, אבל זה אומר שאני שובר קשר.”

כללים לסיבוב סביב קשרים

1. קשר יחיד: יש סיבוב חופשי

   “קשר יחיד יש לי סיבוב חופשי.”

2. קשר כפול: אין סיבוב חופשי

   “קשר כפול אין לי סיבוב חופשי.”

חריג: במולקולות ציקליות אין סיבוב חופשי גם סביב קשר יחיד:

“מתי לא יהיה סיבוב חופשי סביב קשר יחיד… בציקלו אם יש לי ציקלי יש פה איזה אילוץ שאני עושה על המולקולה ולכן ברגע שיש לי מולקולה ציקלית אין לי סיבוב חופשי סביב קשר יחיד אבל זה המקרה היחיד.”

כיראליות

הגדרת כיראליות

כיראליות מתייחסת למולקולות שאינן זהות לתמונת המראה שלהן, כמו ידיים ימין ושמאל.

“קיראליות זה אומר שיש לי אטום, כמעט תמיד שנדבר על כיראליות נדבר על פחמן, ונדבר על פחמן שיש לו ארבעה מתמירים שונים… וזה מתחבר לשאלה ששאלנו מקודם למה הם שונים או דומים שתי המולקולות שהראיתי לכם.”

מרכז כיראלי (פחמן אסימטרי)

פחמן כיראלי (פחמן אסימטרי) הוא פחמן המחובר לארבעה מתמירים שונים:

“יסוד כיראלי זה יסוד שיש לו בהכרח ארבעה מתמירים שונים. אם אנחנו מסתכלים על הפחמן הזה אז יש לו שני מימנים אז אין לו ארבעה מתמירים שונים אז הוא לא יהיה כיראלי. אם אני מסתכל על הפחמן הזה פה יש לו CH3, פה יש לו BROM, פה יש לו TAGE ופה יש לו CH2 CH3, יש לו ארבעה מתמירים שונים לכן הוא יהיה כיראלי.”

פחמן כיראלי מסומן בכוכבית:

“בדרך כלל קיראלי מסמנים בכוכבית, זה הסימן המוסכם לסמן פחמן כיראלי.”

אננטיומרים

אננטיומרים הם סטריאואיזומרים שהם תמונות מראה זה של זה:

“אננטיומרים איזה אומרים שהם תמונת מראה אחת של השני עם אננטיומרים.”

הם בעלי אותו מבנה כימי אך תכונות פיזיקליות שונות, במיוחד בשבירת אור:

“יש להם תכונה פיזיקלית שמאוד עוזרת להבדיל ביניהם, זה שבירת אור. שבירת האור שלהם יש מכשיר מיוחד, היום כבר הוא מאוד מתוחכם, אבל גם לפני מאה שנה יכלו לשים את זה תחת אותו מכשיר ולראות אם האור עושה שבירה ימינה או שבירה שמאלה.”

חשיבות ההבדל בין אננטיומרים:

“זאת אומרת שהחומרים האלה יש להם הבדל גם ברמה הפיזיקלית, הם שוברים אור בדרך שונה… ראינו את התרופה, ראינו את הלומאית, יש להם תמונת מראה אחד של השני, אותו הרכב מולקולרי, ובכל זאת היא מגיבה שונה, היא עובדת שונה.”

דוגמה ביולוגית משמעותית: תלידומיד

תלידומיד היא דוגמה קלאסית לחשיבות הכיראליות בתרופות:

“תרופה שפותחה בשנות הארבעים של המאה שעברה… תחילו לפתח אותנו אני זוכר טוב ב1928 משהו כזה, משוק באזור 1935-1940 מיועדת נגד הרגשה של בחילות פותחה בגרמניה… למי בעיקר מה זה מיועד? נשים ביריון… ולתרופה הזאת… יש לה פחמן כיראלי, בסדר?”

התוצאות הטרגיות של אי-הבחנה בין אננטיומרים:

“לקחו את זה הרבה נשים בהיריון, כי זה נגד בחילות והקאות, זו התוצאה הייתה, נולדו בעשרות אלפים תינוקות עם פגמים בגפיים, בידיים, ברגליים וכן הלאה.”

ההבנה המאוחרת:

“יש אננטיומר אחד, שתי המולקולות האלה, הן לא זהות, אבל הן תמונת מראה אחת של השנייה, אננטיומר אחד הוא באמת עובד ומרפא, ואננטיומר אחר הוא בעצם זה שגורם את הנזק.”

תרומת המקרה לבטיחות תרופות:

“מאז זה המקרה הזה, אתם תשמעו עליו, אני מעריך עוד הרבה לאורך הלימודים שלכם, זה הייתה איזה מקרה study case, שמאז הבדיקות של ה-Safety של תרופות הפכו להיות הרבה יותר חמורות.”

מקרים מיוחדים של כיראליות

מזו (Meso) תרכובות

מולקולות עם פחמנים כיראליים שאינן כיראליות בגלל מישור סימטריה:

“המולקולה הזאת כיראלית? יש לי מישור שיקוף. המולקולה לא קיראלית, הפחמן כיראלי… זה נקרא מזו.”

במקרה של מזו:

“הפחמן הזה כיראלי? למה לא? יש לו ארבעה מתמירים שונים? כיראלי, סגרנו? עכשיו אני עושה את הדבר הזה. המולקולה הזאת כיראלית? יש לי מישור שיקוף. המולקולה לא כיראלית, הפחמן כיראלי.”

זהו מקרה חריג:

“זה מקרה מאוד מאוד חריג… זה היוצא דופן.”

מולקולות כיראליות ללא פחמן אסימטרי

ישנם מקרים בהם מולקולות כיראליות למרות שאין בהן פחמן עם ארבעה מתמירים שונים:

“באופן כללית למדו אותי בשיעור, שבשביל שיהיה אסימטרי או כיראלי, אני צריך ארבעה מתמירים שונים. אין לי ארבעה מתמירים שונים, לכן בהגדרה המולקולה הזאת היא לא כיראלית, ואז אנחנו רואים שהיא כן כיראלית.”

הסיבה לכיראליות במקרה זה:

“הקשר הכפול הזה יהיה במישור של הלוח, והקשר הכפול הזה… הוא יהיה תשעים מעלות בגלל דחיית אלקטרונים… ולכן המימנים האלה לא יוזיעים לגמרי למימנים האלה, כי הם יהיה במקום אחר במרחב בגלל התשעים מעלות.”

קביעת קונפיגורציה R/S

שיטת קביעת קונפיגורציה R/S

לקביעת הקונפיגורציה של פחמן כיראלי, משתמשים בשיטה המבוססת על דירוג המתמירים:

“אנחנו רוצים לקחת את הפחמן ודבר ראשון לתת פריורטיז… בדיוק לפי אותו עיקרון. ככל שהמספר האטומי יותר כבד הוא יקבל יותר high priority.”

שלב 1: קביעת סדר עדיפויות למתמירים

מדרגים את המתמירים לפי המספר האטומי:

“אז במקרה הזה ברומי יהיה 1, מטיל יהיה 2, מטיל יהיה 3 ומימן יהיה 4.”

שלב 2: בחינת כיוון הסיבוב

1. מתבוננים בכיוון הסיבוב מהעדיפות הגבוהה (1) לבינונית (2) לנמוכה (3):

   “אנחנו בעצם מציירים איזשהו חצה, אומר לנו שאנחנו הולכים מהhigh priority להכי low priority, עכשיו ארבע לא מעניין אותנו, אנחנו תמיד הולכים מאחד עד שלוש.”

2. קביעת הכיוון:

   “אנחנו הולכים נגד כאילו כיוון השעון ובמקרה הזה של המולקולה יש לנו 1,2,3 אנחנו הולכים עם כיוון השעון את זה כולם רואים?”

3. מתן שם R או S:

   “ועכשיו יש לזה רק שמות קוראים לזה R וS… כשאמרנו R וS זה זה הפחמן המתמירים סביב הפחמן הכירלי היו עם כיוון השעון או נגד כיוון השעון.”

חשיבות הקביעה:

“R וS זה כמובן זה רק סימן מוסכם בשבילנו בשביל שנדבר באותה שפה זה אומר מה שחשוב מבחינתנו שאומר שלחומר יש תכונות מסוימות, תכונות פיזיקליות מסוימות שגורמות לו לשבור אור בצורה אחרת ותכונות ביולוגיות שונות כמו שראינו בתרופה.”

טכניקת הציור בדו-ממד

כדי לפשט את תהליך הציור בדו-ממד, משתמשים בטכניקה שמטרתה להציב את המתמיר בעדיפות הנמוכה ביותר מאחור:

“בדרך כלל מה שנעשה זה נרצה לשים את האטום את המתמיר שהוא בעדיפות הכי נמוכה… במקום הכי נמוך כשאנחנו עוברים לדו מימד… בשביל שיהיה לנו נוח להפוך את זה לדו מימד אנחנו רוצים שהיסוד עם העדיפות הנמוכה ביותר יהיה בעמדה מאחורה, ילך כאילו לתוך הלוח.”

אם המתמיר אינו בעמדה זו:

“אבל במקרה הזה מה אנחנו רואים שהוא יוצא הוא יוצא מהלוח אז מה אנחנו עושים? אנחנו מגדירים שאנחנו מחליפים בין מתמיר שלוש למתמיר ארבע.”

חשוב: כאשר עושים החלפה, יש להפוך את התוצאה שהתקבלה:

“ברגע שעשיתי החלפה מה עשיתי בעצם? שיניתי את המבנה של המולקולה, אז עשיתי לי את החיים נוחים, אבל שיניתי גם את המולקולה. אז אם אני עושה את החלפה הזאת בין שני מתמירים אני מוצא מה הקונפיגורציה… ואז אני בעצם צריך להפוך את זה, למה אני צריך להפוך את זה? כי שיניתי החלפתי את המקום של שני מתמירים.”

שיטות הייצוג המרחבי של מולקולות

ייצוג מרחבי של פחמן טטראדרי

כאשר מציירים פחמן טטראדרי, משתמשים במוסכמות הבאות:

“אז כשאני מסתכל על מולקולה של פחמן שיש לו ארבעה מתמירים, באיזה מבנה זה יהיה? תטראדר… וכשיהיה לי תטרא אדר… יהיה לי שניים לכיוון כזה ושניים לכיוון כזה, זאת אומרת שניים יהיו במישור של הלוח מבחינתי, אחד נכנס למישור הלוח ואחד יוצא ממישור הלוח.”

המוסכמות לייצוג:

1. קווים ישרים - מתמירים במישור הלוח/הדף

   “אלה שהם במישור הלוח, אנחנו מציירים אותם עם קו רגיל, קו ישר וזה אומר לי שהם במישור הלוח.”

2. קו מקווקו - מתמיר נכנס אל תוך הלוח/הדף

   “אלה, היסוד או המתמיר שנכנס לתוך הלוח, מצמנים אותו בקו מקופקה.”

3. משולש מלא/טריז - מתמיר יוצא מהלוח/הדף

   “וזה שיוצא מתוך הלוח זה משולש מלא.”

“זה סימן מוסכם, אין פה שום דבר שאנחנו לא, אבנה כימית, זה פשוט סימנים מוסכמים שאתם צריכים להכיר.”

במבנה טטראדרי טיפוסי:

• שני מתמירים נמצאים במישור הדף
• מתמיר אחד נכנס לתוך הדף
• מתמיר אחד יוצא מהדף