دور المتشكلات الهندسية في عملية الرؤيا والتواصل بين الحشرات

دور المتشكلات الهندسية في عملية الرؤيا والتواصل بين الحشرات 

  

التشكل الهندسى و البصر في عملية الرؤيا والتواصل بين الحشرات  : يوجد فى قرنية العين ألدهيد اسمه سز - ريتينال  ينتج فى الجسم من أكسدة فيتامين .A- يتحد هذا الألدهيد مع بروتين أسمه أوبسين ليكون مركب يعرف بأسم رودوبسين و هذا الأخير حساس للضوء فأذا سقط عليه الضوء يتحول سز- ريتينال الى ترانس - ريتينال  و ينفصل الأوبسين و ينتج عن هذا أشارات عصبية تصل الى المخ فيحدث الأبصار .

          (1) التشكل الهندسى               (Geometric Isomerism)    

ينشأ التشكل الهندسى نتيجة عدم الدوران حول رابطة مزدوجة أو حلقة و لذلك تكتسبه الألكينات و السايكلوألكانات التى يكون فيهامجموعتين مختلفتين أو أكثر مرتبطة بذرتى الكربون مزدوجة الربط أو بذرتى كربون فىالحلقة. فمثلا 2,3- داى كلورو-2-بيوتبن يمكن أن يوجد له صيغتين فراغيتين هما (A) و (B) و يطلق عليهما صيغتى ) سز (و )ترا نس(على الترتيب وتسمى هذه الصيغ بالمتشكلات الهندسية .

أمثلة أخرى للمتشكلات الهندسية 

(A) سز - 1و2- داى ميثايل سايكلوبنتان

(B) ترانس - 1و2- داى ميثايل سايكلوبنتان

(C) سز – 1,2- داى فنل أيثلين

(D) ترانس – 1,2- داى فنل أيثلين

تصنيف المتشكلات الهندسية 

هناك طريقتان لتصنيف المتشكلات الهندسية لمركب ما هما:

)أ) الطريقة الأولى : تشمل الأشارة الى أحد المتشكلين بالمقطع    ) سز ( و الثانى بالمقطع ) ترانس ( . و هى طريقة خاصة تستخدم فقط عندما تكون أحدى ذرتى الكربون مزدوجتى الأرتباط (أوأحدى ذرتى كربون فى الحلقة) مرتبطة بمجموعتين مختلفتين و لكنهما تشبهان المجموعتين المرتبطتين بذرة الكربون الأخرى كما فى الأمثلة :

دور المتشكلات الهندسية في عملية الرؤيا والتواصل بين الحشرات 

الألكانات Alkanes 

المركبات التي تحتوي على عنصري الكربون + الهيدروجين فقط تسمى بالهيدروكربونات، والألكانات هي نوع من الهيدروكربونات ، تتميز عن غيرها بأن الروابط بين جميع ذرات الكربون في جزئياتها روابط أحادية، أي أن كل ذرة كربون في الجزيء ترتبط إلى الحد الأقصى من الذرات وهو أربع ذرات، تسمى بالهيدروكربونات المشبعة، وتصنف إلى ألكانات مفتوحة السلاسل (Cycloalkanes).

البناء الجزيئي في الأكانات 

إن البناء الجزئي للميثان (CH4) هو أبسط الألكانات، وما قيل عن الميثان من حيث عملية التهجين في ذرة الكربون وزوايا الربط وشكل الجزئي ينطبق على جميع الالكانات. فلكل ذرة كاربون تهجين sp3 وبالتالي فكل منها والذرات الأربع المرتبطة معها تمثل شكلاً رباعي السطوح منتظم وبزوايا ربط قيمة الواحدة منها (109.5o) تقريباً وفيما يلي صيغ لونيس والصيغ المجسمة لكل من الميثان والإيثان. 

أوليات المجموعات 

لتحديد التشكيل الهند سى أو الفراغى لمركب ما يجب تحديد ترتيب المجموعات المرتبطة بالرابطة المزدوجة أو ذرة الكربون الكيرالية .

يتم الترتيب بناء على أعطاء أولويات (1 و 2و 3و 4و …) للمجموعات .

يتم تحديد أولوية أى مجموعة بناء على العدد الذرى للذرة المرتبطة مباشرة بذرة الكربون مزدوجة الأرتباط أو ذرة الكربون الكيرالية . فالذرة التى لها عدد ذرى أكبر تكون لمجموعتها الأولية الأولى (1 ) و التى تليها (2) و هكذا.

أذا تساوت مجموعتان فى ذلك ننظر الى الذرات التى تليها فى كل مجموعة و نستمر فى ذلك الى أن نصل الى قرار أى المجموعات لها الأولوية الأولى (1) و أيها لها الأولوية الثانية  (2) و هكذا.

عندما تحتوى المجموعات تحت الأختبار على رابطة مزدوجة أو ثلاثية تعتبر الذرة متتعددة  الأرتباط و كأ نها متصلة برابطتين أو ثلاثة روابط أحادية مع ذرات من نفس النوع .

 

نظام (Z - E) 

وضع هذا النظام العلماء كان - أنجولد - بريلوج و تبعا له يصنف المتشكل الهنسى (Z) اذا كانت المجموعتان ذات الأولوية الأولى على جانب واحد من الرابطة المزدوجة  و أذا حدث العكس صنف المتشكل (E) .

                      

                    (2)  تشكل الهيئة                           (Conformational Isomerism)   

المركبات المفتوحة :

لما كان الدورا ن سهل الحدوث حول الرابطة الأحادية فأن المركب المفتوح يمكن أن يكتسب عدة هيئات يمكن تصنيف كل منها الى هيئة “مضادة” (anti) مثل (1) أو “منكسفة” (eclipsed) مثل (2, 4, 6) أو)مائلة( (staggared) مثل (3, 5 .(

أستقرارية الهيئات المختلفة   

تختلف هيئات الجزئ الواحد فى درجة أستقرا رها كالآتى :

الهيئة المضادة  >  الهيئة المائلة   >  الهيئة المنكسفة

السبب فى ذلك يرجع الى أزدياد التنافر بين المجموعات كلما أقتربت من بعضها

هيئات المركبات الحلقية 

كمثال لأيضاح ذلك سنتناول السايكلوهكسان كمثال.

حلقة السايكلوهكسان حلقة مرنة يمكن أن توجد فى هيئتين هما (أ)هيئة الكرسى (A) أو هيئة القارب (B) والأولى أكثر أستقرارا من الثانية و يتضح ذلك عند مقارنة صيغة نيومان لكل منهما .

 

الروابط الأستوائية و المحورية 

عند فحص هيئة الكرسى للسايكلوهكسان نجد الرابطتين عند كل ذرة كربون احداهما تكون عمودية على مستوى الحلقة و تسمى رابطة محورية  (a) أما الثانية فتقريبا تكون فىمستوى الحلقة و تسمى رابطة أستوائية (e).

هيئة المجموعات و التشكيل الهندسى لمشتقات السايكلوهكسان 

أذا أعتبرنا 1,2- داى ميثايل سايكلوهكسان كمثال لأحد مشتقات سايكلوهكسان ثنائية الأستبدال نجد ان :

كل مجموعة ميثايل يمكن أن تكون فى هيئة محورية أو أستوائية  و بالتالى يكون هناك أربعة أحتمالات هى : (a, a) و (e, e) و (a, e) و (e, a) .

نتيجة لعدم وجود دوران حر حول الروابط (C-C) فى السايكلوهكسان فأن مجموعتى الميثايل تأخذ تشكيلا هندسيا معينا سز أو ترانس حسب هيئتيهما .

هيئتا المجموعتين فى التشكيل سز تكون (a, e) أو (e, a)  و فى التشكيل ترانس تكون (a, a) و (e, e) .

ولما كانت المجموعة المحورية  تعانى تنافرا بينها و بين المجموعات المحورية الأخرى عند ذرتى الكربون 3 و 5 لقربها منها بالتالى يكون المتشكل ترانس (e, e)  أكثر أستقرارا من (a, a)  والمتشكل سز هو (a, e) أو (e, a) لأن حجم مجموعتى الميثايل متشابه.

و الآن أذا أعتبرنا 1,4- داى ميثايل سايكلوهكسان نجد أن نفس القواعد السابقة  التى ذكرناها فى حالة 1,2- داى ميثايل سايكلوهكسان تنطبق عليه و بالتالى فأن المتشكل ترانس الأكثر أستقرارا هو الذى تكون فيه مجموعتا الميثايل (e, e) و المتشكل سز تكون هيئتا المجموعتين (a, e) .

و أخيرا أذا أعتبرناالمتشكل  1,3- داى ميثايل سايكلوهكسان و طبقنا القواعد السابقة  التى ذكرناها فى حالة 1,2- داى ميثايل سايكلوهكسان و نظيره 1,3- نجد أ ن المتشكل سز الأكثر أستقرارا هو الذى تكون فيه مجموعتا الميثايل (e, e) و المتشكل ترانس تكون فيه هيئتا المجموعتين (a, e) .

               (3) التشكل الضوئى                 (Optical Isomerism) 

يكتسب هذا النوع من التشكل الفراغى المركبات الكيرالية             (Chiral). و المركب الكيرالى هو مركب غير متماثل التركيب. و ينتج عدم التماثل هذا نتيجة وجود ذرة أو أكثر من ذرات الكربون الكيرالية . و ذرة الكربون الكيرالية هى ذرة كربون مشبعة ترتبط بأربعة مجموعات أو ذرات مختلفة مثل ذرة الكربون رقم 2 فى جزئ 2-بيوتانول.

 دور المتشكلات الهندسية في عملية الرؤيا والتواصل بين الحشرات 

المتمارئات (Enantiomers) 

 أذا فحصنا أمكانية ترتيب المجموعات المختلفة حول ذرة الكربون الكيرالية نجد أن هناك تشكيلين فراغيين هما (A) و (B) العلاقة بينهما هى علاقة جسم و صورته فى المرآة و تسمى مثل هذه التشكيلات الفراغية للمركب الكيرالى بأسم “المتمارئات “ (Enantiomers) أو المتشكلات الضوئية .(Optical isomers) و متمارئى أى مركب لهما نفس الصفات الفيزيائية و الكيميائية و لا يختلفان الا فى نشاطهما الضوئى.

 

النشاط الضوئى (Optical activity) 

تمتاز المتمارئات بأن كل منها له القدرة على تدوير (أى تغيير أتجاه) شعاع الضوء المستقطب عندما يمر فى محلوله ناحية اليمين أو اليسارو تسمى هذه الظاهرة بأسم النشاط الضوئى . و يسمى المتمارئ الذى يحرف شعاع الضوء المستقطب نحو اليمين بأسم متشكل يمينى و يرمز له بالرمز +  أو (d) و المتمارئ الذى يحرف شعاع الضوء المستقطب نحو اليسار بأسم متشكل يسارى و يرمز له بالرمز -  أو (L)

القيمة المطلقة لزاوية الأنحرا ف واحدة لمتمارئى المركب الواحد.

قياس النشاط الضوئى 

يتم قياس النشاط الضوئى لمتمارئ ما باستخدام جهاز البولاريميتر  (Polarimeter) و أهم أجزائه هى (1) مصدر ضوء عادة يكون لمبة صوديوم  (2) منشور أستقطاب (3) أنبوبة تملأ بمحلول المتمارئ  (4) منشور التحليل لتعيين مقدار زاوية أنحراف شعاع الضوء المستقطب .

  زاوية التدوير النوعى   

زاوية التدوير(α)  تتوقف قيمتها على عدة عوامل منها :        (1) طبيعة المتمارئ (2) طول أنبوبة البولاريميتر                (3) درجة الحرارة (4) طول موجة الشعاع  المستقطب          (5) المذيب .                                                          ولمقارنة النشاط الضوئى للمتمارئات نستخدم ما يسمى بالتدوير النوعى: و يعرف بأنه زاوية التدوير التى يسببها المتمارئ عندما يكون تركيزه 1 جم / 1 ملليلتر فى أنبوبة طولها 10 سم عند أستخدام الشعاع الخطى (D) فى لمبة صوديوم و يوضح المذيب المستخدم و درجة الحرارة التى أجرى عندها القياس كالآتى :

  = [ ]tD

زاوية التدوير المقاسة باجهاز    α  

التركيز جم/مل * طول أنبوبة الجهاز (دسم)

 دور المتشكلات الهندسية في عملية الرؤيا والتواصل بين الحشرات 

التشكيل الفراغى المطلق للمتمارئات 

(نظام ( R-S 

أقترح هذا النظام كان - أنجولد - بريلوج و تبعا له تعطى المجموعات  المرتبطة بذرة الكربون الكيرالية أولويات 1و 2و 3و 4  وا لرقم 1 يعطى للمجموعة ذات الأولوية الأولى و رقم 4 للمجموعة ذات الأولوية الأخيرة أى الرابعة .

تحدد الأولوية للمجموعة أولا على أساس العدد الذرى للذرة المتصلة بذرة الكربون الكيرالية مباشرة. فالمجموعة ذات العدد الذرى الأكبر تكون هى ذات الأولوية الأولى يليها المجموعة ذات العدد الذرى الأقل و هكذا .

أذا حدث و تشابه العدد الذرى لمجموعتين ننظر الى الذرات التى تليها و نستمر فى ذلك حتى نصل الى قرار لتحديد أى المجموعتين تسبق الأخرى فى الأولوية .

 

لتحديد نوع التشكيل حول ذرة كربون كيرالية ( تذكر أولا أن الروابط الأربعة حول ذرة الكربون المشبعة كل أثنين منها توجد فى مستوى متعامد على المستوى الذى توجد فيه المجموعتان الأخريتان )

ننظر الى الجزئ من الجانب البعيد من المجموعة ذات الأولوية -4 ثم نحدد أتجاه ترتيب المجموعات الثلاثة الباقية ونبدأ من 1 ثم الى 2 ثم الى  3  فأذا كان أتجاه ترتيب  المجموعات هذه مع عقارب الساعة يصنف التشكيل  بأنه (R) أما اذا كان الترتيب ضد عقارب الساعة يصنف التشكيل بأنه (S) و الأمثلة التالية توضح ذلك.

تذكر عند فحص التشكيل الفراغى لمتمارئ ما و هو فى صيغة فيشر (A) أن المجموعة المقابلة للمجموعة ذات الأولوية 4 تقع فوقها فى الفراغ وكلاهما فى مستوى متعامد على الصفحة أما المجموعتان الأخريتان على اليمين و اليسار فتقعان فى مستوى الورقة .

 طريقة أزمرلى لأستنباط التشكيل الفراغى لأى متمارئ فى صيغة فيشر مباشرة . 

افحص الصيغة و عين أ ولويات المجموعات أولا .

أ ذا كانت المجموعة (4) أسفل عين التشكيل مباشرة بتعيين ترتيب المجموعات (1 - 2 - 3) فأذا كانت مع عقارب الساعة كان التشكيل (R) والعكس بالعكس .

أما أذا كانت المجموعة(4) فى مكان آخر (على اليمين أو أليسار أو فوق) عليك تبديل وضعها مع المجموعة السفلى و لكن فى هذه الحالة عليك تبديل موقعى المجموعتين الأخرتين لتحافظ على التشكيل الأصلى . بعد ذلك عين ترتيب المجموعات (1 - 2 - 3) كما سبق .

أمثلة

المركبات التى تحتوى على أكثر من ذرة كربون كيرالية 

عدد المتشكلات الفراغية = n 2حيث (n) تمثل عدد ذرات الكربون الكيرالية فمثلا عدد المتشكلات الفراغية للمركب (A) يساوى 4 و عدد المتشكلات الفراغية للمركب (B) يساوى 8  و هكذا .

الدياستريومران أرثرو و ثريو 

الدياستريومر(أرثرو) هو متشكل فراغى لمركب يحتوى على ذرتين كربون كيراليتين مختلفتين التشكيل الفراغى لهما أما (R, S) أو (S, R) أما الدياستريومر( ثريو) فهو متشكل لنفس المركب التشكيل الفراغى حول الذرتين الكيراليتين فيه (R, R) أو (S, S) .

المتشكلان يومران ميزو و dl 

المتشكلان (C) و (D)  عبارة عن متشكل واحدا  يطلق عليه ميزو (meso) دياستريومر وهوغير نشط ضوئيا (لماذ؟).أما المتشكلان (A) و (B) فهما متمارئان فأحدهما (A) يحرف الضوء ا لمستقطب الى اليمين  و الثانى (B)  يحرفه الى اليسار بنفس المقدار وكل منهما يسمى (dl) دياستريومر .

الأ نومرات (Anomers)  

الأ نومران هما متشكلان ضوئيان لمركب يحتوى على ثلاث ذرات كربون كيرالية أو أكثر مختلفة فمثلا المركبان  (A) و (B) لا يختلفان الا فى التشكيل الفراغى  حول ذرة كربون كيرالية واحدة و هى ذرة الكربون رقم 4 فى المثال التالى:

خواص المتمارئات و الد ياستريومرا ت و الأنومرات 

المتمارئان (d) و (l) لمركب ما لهما نفس الصفات الفيزيائية و الكيميائية و لا يختلفان الا فى النشاط الضوئى .

الدياستريومرا ن يختلفان فى الخواص الفيزيائية و الكيميائية و كذلك فى النشاط الضوئى .

الأنومرا ن لمركب ما أيضا يختلفان فى الخواص الفيزيائية و الكيميائية و كذلك فى النشاط الضوئى .

فصل المتمارئات 

يتم ذلك بتحويل خليط المتمارئين الى خليط من دياستريومرين و ذلك بتفاعلهمامع متمارئ لمركب آخرثم  يتم فصلهما بأحدى الطرق المناسبة .

وكمثال لذلك فصل متمارئى 1- فنل أيثانامين (RA)  و .(SA)

أهمية أنواع التشكل فى الحياة 

التشكل الضوئى و ضغط الدم فى الأنسان:

هرمون الأدرينالين يحتوى على مركب كيرالى يعرف بأسم أبينفراين (A) وهو كيرالى .المتمارئ اليسارى له أكثر فعالية من المتمارئ اليمينى فى رفع ضغط الدم فى الأنسان .

تشكل الهيئة و هضم الطعام : يتكون النشا الموجود فى البطاطس و الأرز و القمح ..الخ من تكاثف عدد كبير جدا من وحدات السكر الأحادى α - جلوكوز (A) أما السيليلوز الموجود فى الخشب و الورق فيتكون من تكاثف عدد كبير جدا من وحدات السكر الأحادى β - جلوكوز .(B) و لما كانت الانزيمات المعوية تستطيع كسر الروابط (α ) المحورية  بين جزيئات الجلوكوز فىالنشا و ليس لها تأثير على الروا بط (β) فى السيليلوز فأن الأنسان يستطيع هضم النشا .

التشكل الهندسى و البصر فى الأنسان : يوجد فى قرنية العين ألدهيد اسمه سز - ريتينال  ينتج فى الجسم من أكسدة فيتامين .A- يتحد هذا الألدهيد مع بروتين أسمه أوبسين ليكون مركب يعرف بأسم رودوبسين و هذا الأخير حساس للضوء فأذا سقط عليه الضوء يتحول سز- ريتينال الى ترانس - ريتينال  و ينفصل الأوبسين و ينتج عن هذا أشارات عصبية تصل الى المخ فيحدث الأبصار .