روش های شناسایی ایزومر ها

روش های شناسایی ایزومر های هیدروکربن ها

در تعریف، ایزومری به ترکیباتی گفته می شود که فرمول مولکولی یکسان و فرمول ساختاری مختلفی داشته باشند.

برای نمونه پنتان(C5H12) دارای سه ایزومر است که در جدول زیر که از ویکیپدیا گرفته شده است شکل ساختاری و خواص فیزیکی هر ایزومر را می توانید ببینید:

تشخیص ایزومرهای مختلف یک هیدروکربن می تواند چالش برانگیز باشد، زیرا آنها اغلب خواص شیمیایی بسیار مشابهی دارند. در اینجا خلاصه ای از تکنیک ها و روش های رایجی که استفاده می شوند را معرفی می کنیم:

1. تکنیک های طیف سنجی:

• طیف سنجی تشدید مغناطیسی هسته ای (NMR):
– پایه و اساس: طیف سنجی NMR خواص مغناطیسی هسته اتم را اندازه گیری می کند. ایزومرهای مختلف آرایش منحصر به فردی از اتم ها دارند که منجر به تغییرات شیمیایی مشخص در طیف NMR آنها می شود.
– نقاط قوت: بسیار حساس به تفاوت های ساختاری ظریف بین ایزومرها. می تواند بین انواع مختلف اتم های هیدروژن (پروتون) در یک مولکول تمایز قائل شود.
– محدودیت ها: می تواند برای تفسیر پیچیده باشد، به ویژه برای مولکول های بزرگتر یا پیچیده تر.

برای مثال به طیف H-NMR سه ایزومر پنتان(C5H12) که با این شبیه ساز ان ام آر ساخته شده توجه کنید:

پنتان نرمال:

۲- متیل بوتان:

دی متیل پروپان:

• طیف سنجی مادون قرمز (IR):
– پایه و اساس: طیف سنجی IR میزان جذب تابش مادون قرمز توسط مولکول ها را اندازه گیری می کند. ایزومرهای مختلف فرکانس های ارتعاشی متفاوتی دارند که در نتیجه طیف های IR منحصر به فردی ایجاد می شود.
– نقاط قوت: برای شناسایی گروه های عاملی در یک مولکول و برای تمایز بین ایزومرها با گروه های عاملی مختلف مفید است.
– محدودیت ها: ممکن است به اندازه کافی حساس نباشد تا بین ایزومرهای با فرکانس های ارتعاشی بسیار مشابه تمایز قائل شود.

همان طور که اشاره شد طیف بینی فروسرخ بیشتر برای گروه های عاملی مناسب است.

برای نمونه طیف فروسرخ ایزومرهای اسیدی و استری(C2H4O2)به ترتیب به نام های استیک اسید(CH3COOH) و متیل فورمات(HCOOCH3) را ببینید، همان طور که ملاحظه می شود در طیف فروسرخ تفاوت ایزومرهای اسیدی و استری کاملآ آشکار است.

استیک اسید:

متیل فرمات:

• طیف سنجی جرمی:
– پایه و اساس: طیف سنجی جرمی یون ها را با نسبت جرم به بار جدا می کند. ایزومرها اغلب وزن مولکولی یکسانی دارند، اما ممکن است در طیف سنج جرمی به طور متفاوتی تکه تکه شوند و الگوهای تکه تکه شدن منحصر به فردی ایجاد کنند.
– نقاط قوت: می تواند برای تعیین وزن مولکولی یک ترکیب و شناسایی ایزومرها بر اساس الگوهای تکه تکه شدن آنها استفاده شود.
– محدودیت ها: ممکن است برای تمایز بین ایزومرهای با الگوهای تکه تکه شدن بسیار مشابه کافی نباشد.

در تصویر زیر دو طیف جرمی ۲-پنتانون و ۳-پنتانون را می توانید با هم مقایسه کنید برای اطلاعات بیشتر اینجا را ببینید

2. تکنیک های کروماتوگرافی:

• کروماتوگرافی گازی (GC):
– پایه و اساس: GC ترکیبات فرار را بر اساس نقطه جوش و برهمکنش آنها با فاز ساکن جدا می کند. ایزومرها اغلب نقاط جوش متفاوتی دارند که منجر به جدا شدن در یک ستون GC می شود.
– نقاط قوت: برای جداسازی ایزومرهای هیدروکربن های فرار بسیار موثر است.
– محدودیت ها: برای ترکیبات غیر فرار مناسب نیست.

طیف کروماتوگرافی گازی GC در تأیید یا رد خلوص نمونه ها بسیار خوب است و اغلب می تواند مقادیر کمی از ناخالصی را تشخیص دهد. در شکل زیر، طیف کروماتوگرافی گازی “n-هگزان” (a) و “ایزومرهای هگزان ” (c) نشان داده شده است، دو معرف که اغلب در انبار مواد شیمیایی یافت می شوند. طیف کروماتوگرافی گازی n-هگزان (b) یک قله برجسته را نشان می دهد، اگرچه سه قله کوچک دیگر در خط پایه وجود دارد. بطری n-هگزان ادعا می کند که 95٪ خالص است که با آنچه در طیف GC آن دیده می شود مطابقت دارد. با این حال، “ایزومر های هگزان” یک مخلوط واقعی است، زیرا چندین پیک قابل توجه در طیف GC آن (d) وجود دارد . هگزان ها حاوی n-هگزان به عنوان جزء اصلی هستند، اما همچنین حاوی ایزومرهای نزدیک به هم هستند (2-متیل پنتان، 3-متیل پنتان، و متیل سیکلوپنتان). ارزان تر از n-هگزان خالص

• کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا (HPLC):
– پایه و اساس: HPLC ترکیبات را بر اساس برهمکنش آنها با فاز ساکن و فاز متحرک جدا می کند. ایزومرهای مختلف می توانند به طور متفاوتی با فاز ساکن برهمکنش داشته باشند و منجر به جدایی شوند.
– نقاط قوت: تکنیک همه کاره ای که می تواند برای جداسازی طیف وسیعی از ایزومرها، از جمله آنهایی که فرار نیستند، استفاده شود.
– محدودیت ها: ممکن است نیاز به بهینه سازی دقیق فاز متحرک و فاز ثابت برای جداسازی موثر داشته باشد.

3. سایر تکنیک ها:

• پراش اشعه ایکس: برای تعیین ساختار سه بعدی یک مولکول استفاده می شود. می تواند بین ایزومرها با آرایش فضایی متفاوت تمایز قائل شود.
• کروماتوگرافی کایرال: برای جداسازی انانتیومرها (ایزومرهای آینه ای) بر اساس برهمکنش های مختلف آنها با فازهای ثابت کایرال استفاده می شود.

ملاحظات کلیدی:

• انتخاب تکنیک: انتخاب تکنیک به ایزومرهای خاص مورد مطالعه، خواص آنها (فراریت، قطبیت)، و سطح جزئیات مورد نظر بستگی دارد.
• تفسیر داده ها: تفسیر دقیق داده ها از روش های طیف سنجی و کروماتوگرافی برای شناسایی دقیق ایزومرهای مختلف ضروری است.
• ترکیبی از تکنیک ها: استفاده از تکنیک های متعدد می تواند اطلاعات تکمیلی را ارائه دهد و اعتماد به شناسایی ایزومر را افزایش دهد.

به یاد داشته باشید که شناسایی ایزومرها می تواند چالش برانگیز باشد، اما با تکنیک های مناسب و تجزیه و تحلیل دقیق، اغلب می توان بین ساختارهای مختلف در یک مولکول تمایز قائل شد.