תרגול 4

מבוא וחזרה על נומנקלטורה

כפי שציינתי לפני החופש, העליתי לכם סיכום של נומנקלטורה, כולל ראשי תיבות ודגשים חשובים. כמובן שאני פתוחה לשאלות אם יש משהו שאינו מובן או כתוב לא נכון. העליתי את הקובץ בפורמט Word ולא PDF כדי שתוכלו לערוך אותו ולהוסיף הערות לפי הצורך.

בואו נתרגל מספר שאלות של נומנקלטורה כדי לראות שאתם זוכרים את החומר מלפני החופש, וזה יוביל אותנו לנושאים הבאים.

תרגול שאלה 1

נמספר את הפחמנים: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8

מהם המתמירים?

• כלורו
• מתיל

לכן השם יהיה: 2-כלורו-3-מתיל-אוקטאן

תרגול שאלה 2

במולקולה השנייה יש שתי קבוצות פונקציונליות: קשר כפול ואלקן.

כשיש קשר כפול, הוא מקבל עדיפות בנומנקלטורה ומופיע ראשון בפחמן מספר 2.

השם הנכון: 2-מתיל-6-אוקטן-2-אול

הערה: בנומנקלטורה של הלוגנים, הם מקבלים סיומת “ו”. לדוגמה:

• יוד ← יודו
• כלור ← כלורו
• ברום ← ברומו

דוגמה נוספת לנומנקלטורה

כאשר יש לנו מולקולה עם מספר קבוצות מתמירות, אנו נותנים שם לפי הכללים הבאים

• 4-כלורו-3-אתיל-2-אתיל-הקסאן

חשוב לזכור שבנומנקלטורה אנו מחפשים את השרשרת הארוכה ביותר עם מספר רב של מתמירים. כאשר בוחנים את המרחביות של קשר כפול, מסתכלים רק על הקשר הכפול עצמו ומשווים בין הקבוצות המחוברות אליו.

איזומריה מרחבית: ציס/טרנס ו-E/Z

כעת נעבור לנושא שלא נגענו בו בשיעור הקודם - האיזומריה המרחבית בקשרים כפולים.

קשרים כפולים במרחב

כשאנחנו מדברים על קשרים כפולים, להבדיל מקשרים יחידים, אין להם סיבוב חופשי במרחב.

לדוגמה, אם ניקח את האלקאן בוטאן ($\ce{C4H10}$), הוא יכול להסתובב חופשי במרחב סביב קשרי $\ce{C-C}$ (קשרי סיגמא). כלומר, המתמירים על פחמנים שכנים יכולים להשתנות דרך סיבוב, מבלי לשנות את המולקולה עצמה.

לעומת זאת, בקשר כפול ($\ce{C=C}$), קשר הפאי הוא מקובע ולא מאפשר סיבוב. זה לא רק במודל - זו המציאות. כתוצאה מכך, יש משמעות למיקום המרחבי של המתמירים על הפחמנים של הקשר הכפול.

ציס וטרנס

כאשר יש שני מתמירים (אחד על כל פחמן של הקשר הכפול):

• טרנס: המתמירים נמצאים בכיוונים מנוגדים
• ציס: המתמירים נמצאים באותו צד של הקשר הכפול

חשוב להבין שציס וטרנס הם שני איזומרים מרחביים שונים לחלוטין. הם מולקולות שונות עם תכונות שונות.

הטרנס הוא לרוב היציב יותר, כי המתמירים רחוקים זה מזה ולא מפריעים אחד לשני.

E/Z נומנקלטורה

כשיש יותר משני מתמירים (שלושה או ארבעה מתמירים שונים) על הקשר הכפול, ההגדרות ציס וטרנס לא מספיקות. במקרה כזה אנחנו משתמשים במערכת $\ce{E/Z}$.

איך קובעים $\ce{E}$ או $\ce{Z}$?

1. עבור כל פחמן בקשר הכפול, מזהים מי הקבוצה בעלת העדיפות הגבוהה יותר (לפי כללי CIP - Cahn-Ingold-Prelog).
2. אם שתי הקבוצות בעלות העדיפות הגבוהה נמצאות באותו צד של הקשר הכפול - זהו איזומר $\ce{Z}$ (מגרמנית “Zusammen” שפירושו “יחד”).
3. אם הן נמצאות בצדדים מנוגדים - זהו איזומר $\ce{E}$ (מגרמנית “Entgegen” שפירושו “מנוגד”).

דוגמה:

במולקולה עם מתיל, אתיל וברום, נקבע:

• בפחמן הימני: אתיל גדול ממתיל (מקבל עדיפות 1)
• בפחמן השמאלי: ברום גדול ממתיל (מקבל עדיפות 1)
• אם שני המתמירים בעלי עדיפות 1 נמצאים באותו צד = $\ce{Z}$
• אם הם בצדדים מנוגדים = $\ce{E}$

כללי קביעת עדיפות (CIP)

• העדיפות נקבעת לפי המסה האטומית של האטום הראשון בקבוצה.
• אם האטומים הראשונים זהים, ממשיכים לאטום הבא.
• הלוגנים (ברום, כלור, יוד) בדרך כלל בעלי עדיפות גבוהה יותר מפחמנים.
• קבוצת אתיל ($\ce{C2H5}$) בעלת עדיפות גבוהה יותר מקבוצת מתיל ($\ce{CH3}$).
• מימן תמיד בעל העדיפות הנמוכה ביותר.

מקרים מיוחדים

• כאשר יש את אותו מתמיר על אותו פחמן (למשל, שני מתילים), אי אפשר להגדיר $\ce{E/Z}$.
• בקשר כפול טרמינלי (בקצה השרשרת), אין משמעות לאיזומריה מרחבית.

סימון בנומנקלטורה

בשם המולקולה, מציינים את האיזומריה המרחבית בהתחלה, בסוגריים לפני השם. לדוגמה:

• $(E)$-2-פנטן
• $(Z)$-3-הקסן

כאשר יש מספר קשרים כפולים במולקולה, אפשר לציין את המרחביות של כל אחד עם מספר הפחמן הראשון. לדוגמה:

• $(2E,4Z)$-2,4-הקסדיאן

ציקלואלקאנים ומתח טבעתי

בציקלואלקאנים, בנוסף לקשרים כפולים, יש לנו מערכות שמקובעות במרחב ולכן יש משמעות לכיוון המתמירים.

מתח טבעתי

ציקלואלקאנים קטנים נמצאים במתח עקב זוויות הקשר הלא אופטימליות:

• ציקלופרופאן: הטבעת הקטנה ביותר, זווית של 60° (במקום 109.5° האופטימלית לקשרי $\ce{C-C}$). חומר לא יציב עקב מתח זוויתי גבוה.

• ציקלובוטאן: זווית של 90°, עדיין במתח זוויתי משמעותי.

• ציקלופנטאן: יותר יציב מהקודמים אך עדיין לא אופטימלי.

• ציקלוהקסאן: הטבעת היציבה ביותר, שישה פחמנים, יכולה לקבל קונפורמציה שמפחיתה את המתח הזוויתי.

קונפורמציית כיסא בציקלוהקסאן

ציקלוהקסאן אינו שטוח במרחב אלא מקבל צורת “כיסא”:

• פחמן אחד מתרומם כלפי מעלה
• הפחמן הנגדי יורד כלפי מטה
• כך מתקבלת הצורה הנקראת “כיסא” (chair)

ישנן גם קונפורמציות אחרות:

• ספינה (boat) - פחות יציבה מכיסא
• צורה מישורית - הכי פחות יציבה

עמדות אקסיאליות ואקווטוריאליות

בקונפורמציית הכיסא של ציקלוהקסאן, לכל פחמן יש שתי עמדות למתמירים:

עמדה אקסיאלית

• מתמירים אקסיאליים מכוונים מאונך לטבעת (למעלה או למטה)
• אם מתמיר אקסיאלי אחד פונה כלפי מעלה, המתמיר האקסיאלי בפחמן הנגדי פונה כלפי מטה
• מתמירים אקסיאליים על פחמנים 1,3 יכולים להיות קרובים מאוד במרחב, מה שגורם ל”הפרעה 1,3-דיאקסיאלית”
• פחות יציבה עבור מתמירים גדולים

עמדה אקווטוריאלית

• מתמירים אקווטוריאליים נמצאים במישך הטבעת (לכיוון החוץ)
• יותר יציבה בד”כ כי אין הפרעות סטריות משמעותיות
• מועדפת עבור מתמירים גדולים

עמדה אקסיאלית = למעלה/למטה -> פחות יציבה עמדה אקווטוריאלית = החוצה -> יותר יציבה

סימון בציורים

• מתמירים אקסיאליים מסומנים בדרך כלל באדום
• מתמירים אקווטוריאליים מסומנים בדרך כלל בכחול

יחסי ציס/טרנס בטבעות

בטבעות, כשמדברים על יחסי ציס וטרנס, אנו מתייחסים למיקום המתמירים ביחס למישור הטבעת:

• ציס: שני מתמירים נמצאים באותו צד של מישור הטבעת (שניהם מעל או שניהם מתחת)
• טרנס: שני מתמירים נמצאים בצדדים מנוגדים של מישור הטבעת (אחד מעל ואחד מתחת)

חשוב להבין: ציס וטרנס בטבעות מתייחסים אך ורק לכיוון של המתמירים ביחס למישור הטבעת (למעלה/למטה), ולא לעמדות האקסיאליות/אקווטוריאליות.

הדגמה של יחסי ציס/טרנס בטבעת

• אם נסתכל על מישור הטבעת, מתמירים שנמצאים באותו צד (שניהם מעל או שניהם מתחת למישור) הם ציס אחד לשני
• מתמירים שנמצאים בצדדים מנוגדים (אחד מעל ואחד מתחת למישור) הם טרנס אחד לשני
• מתמירים שנמצאים בזווית של 180° זה מזה נחשבים אנטי אחד לשני

יחסי ציס/טרנס נשמרים גם במעבר מקונפורמציה מישורית לקונפורמציית כיסא.

היפוך כיסא (Chair Flip)

ציקלוהקסאן אינו נשאר קבוע בקונפורמציית כיסא אחת. הוא יכול לעבור “היפוך כיסא”:

1. הפחמן העליון יורד למטה
2. הפחמן התחתון עולה למעלה
3. תוצאת ההיפוך:
   • כל מתמיר אקסיאלי הופך להיות אקווטוריאלי
   • כל מתמיר אקווטוריאלי הופך להיות אקסיאלי
   • כיוון המתמירים (למעלה/למטה) נשמר במהלך ההיפוך

דוגמה

• מתמיר שהיה אקסיאלי כלפי מעלה יהפוך לאקווטוריאלי כלפי מעלה
• מתמיר שהיה אקווטוריאלי כלפי מעלה יהפוך לאקסיאלי כלפי מעלה

חשוב להבין: הגדרת ציס/טרנס בטבעות מתייחסת לכיוון המתמירים (למעלה/למטה) ביחס למישור הטבעת, ולא לעמדתם האקסיאלית/אקווטוריאלית. לכן, אם שני מתמירים היו טרנס לפני היפוך הכיסא, הם יישארו טרנס גם אחרי ההיפוך.

המרת מתמירים ממולקולה מישורית לקונפורמציית כיסא

חוק חשוב לזכירה:

• מתמיר שמסומן בקו מקווקו (מתחת למישור) תמיד יהיה כלפי מטה בקונפורמציית כיסא
• מתמיר שמסומן בטריז מלא (מעל המישור) תמיד יהיה כלפי מעלה בקונפורמציית כיסא

צעדים להמרה:

1. בחר פחמן כהתחלה (לדוגמה, פחמן שיש עליו מתמיר)
2. קבע אם המתמיר יהיה אקסיאלי או אקווטוריאלי (תלוי במיקום בטבעת)
3. עקוב סביב הטבעת בכיוון עקבי כדי למקם את שאר המתמירים
4. שמור על דפוס אקסיאלי-אקווטוריאלי עקבי לכל פחמן

יציבות קונפורמרים

קונפורמר הוא צורה של אותה מולקולה הנוצרת על ידי סיבוב סביב קשרים סיגמא (ללא שבירת קשרים).

יציבות הקונפורמר נקבעת על פי:

1. מספר המתמירים האקווטוריאליים (יותר אקווטוריאלי = יותר יציב)
2. גודל המתמירים (מתמירים גדולים מעדיפים להיות אקווטוריאליים)

יציבות בכימיה מתייחסת לאנרגיה של המערכת:

• מולקולה יציבה = אנרגיה נמוכה
• מולקולה לא יציבה = אנרגיה גבוהה
• חומרים לא יציבים (גבוהים באנרגיה) נוטים לעבור שינויים מהר יותר

מקרים מיוחדים - קיבוע קונפורמציה

קבוצות גדולות מאוד, כמו:

• טרט-בוטיל ($\ce{C(CH3)3}$)
• איזופרופיל ($\ce{CH(CH3)2}$)

עשויות לקבע את הכיסא בקונפורמציה ספציפית, שבה הן חייבות להיות בעמדה אקווטוריאלית. זאת מכיוון שהעמדה האקסיאלית תיצור הפרעה סטרית משמעותית מדי.

במקרה זה:

• הקבוצה הגדולה תמיד תהיה אקווטוריאלית
• היפוך הכיסא עשוי להיות מוגבל או בלתי אפשרי
• שאר המתמירים יותאמו ביחס למיקום הקבוצה הגדולה

סיכום מושגים חשובים בסטריאוכימיה

בחלק זה של הקורס למדנו מספר מושגים חשובים הקשורים לסטריאוכימיה (כימיה מרחבית):

1. איזומרים מבניים - מולקולות עם אותה נוסחה מולקולרית אך קשרים שונים בין האטומים

2. איזומרים מרחביים - מולקולות עם אותה נוסחה מולקולרית ואותם קשרים, אך סידור שונה במרחב:
   • איזומרים גיאומטריים (ציס/טרנס או $\ce{E/Z}$) בקשרים כפולים
   • איזומרים גיאומטריים (ציס/טרנס) בטבעות
   • איזומרים כיראליים (שנלמד בהרחבה בשיעור הבא)
3. קונפורמרים - צורות שונות של אותה מולקולה, הנוצרות עקב סיבוב חופשי סביב קשרים יחידים:
   • קונפורמציות מסוככת ומוסטת בקשרים יחידים (מבט ניומן)
   • קונפורמציית כיסא, סירה וספינה בציקלוהקסאן

סיכום הכללים העיקריים

1. ציס/טרנס בציקלואלקאנים: מתייחס למיקום המתמירים ביחס למישור הטבעת (מעל/מתחת)
2. אקסיאלי/אקווטוריאלי: מתייחס לכיוון המתמיר ביחס לטבעת (מאונך/במקביל)
3. היפוך כיסא: משנה את עמדות המתמירים מאקסיאלי לאקווטוריאלי ולהיפך, אך אינו משנה את הגדרת ציס/טרנס
4. יציבות: עמדות אקווטוריאליות יציבות יותר, במיוחד למתמירים גדולים

הבנת האיזומריה המרחבית חשובה מאוד בכימיה אורגנית, שכן איזומרים שונים עשויים להציג תכונות כימיות ופיזיקליות שונות לחלוטין. הכימיה המרחבית משפיעה על התכונות הפיזיקליות והכימיות של חומרים אורגניים, והיא בעלת חשיבות רבה בתחומים כמו פיתוח תרופות וחומרים חדשים.