ไอโซเมอร์ (Isomer) MO Memoir : Monday 25 August 2557

ในยุคเริ่มต้นของเคมีนั้น นักเคมีเชื่อว่าสารประกอบใดก็ตามที่ประกอบด้วยธาตุชนิดเดียวกันในสัดส่วนที่เหมือนกัน (เช่นประกอบด้วยธาตุ C H และ O) คือสารประกอบเดียวกัน จนกระทั่งช่วงต้นศตวรรษที่ ๑๙ มีการพบว่าสารประกอบบางชนิดนั้นแม้ว่าจะประกอบด้วยธาตุชนิดเดียวกันในสัดส่วนที่เหมือนกัน แต่กลับมีคุณสมบัติทางเคมีและกายภาพที่แตกต่างกันได้ จึงทำให้เกิดแนวความคิดเรื่อง "ไอโซเมอร์ (Isomer)" ของสารประกอบ
  

โดยนิยามแล้ว ไอโซเมอร์คือสารประกอบที่ประกอบด้วยธาตุชนิดเดียวกันในสัดส่วนที่เหมือนกัน แต่มีการจัดเรียงของธาตุ (หรือกลุ่มอะตอมที่เรียกว่าหมู่ฟังก์ชัน (functional group)) ที่แตกต่างกัน และด้วยรูปแบบการจัดเรียงที่แตกต่างกันทำให้มีการจำแนกประเภทของไอโซเมอร์ออกเป็นประเภทต่าง ๆ ดังแสดงในรูปที่ ๑ (ในหน้าถัดไป)
  

เกณฑ์การจำแนกไอโซเมอร์นั้นในแต่ละตำราก็มีมุมมองที่แตกต่างกันไปได้ แล้วแต่มุมมองของผู้เขียน แต่ในที่นี้จะขอใช้เกณฑ์การแยกที่นำมาแสดงในรูปที่ ๑ ในการอธิบาย

๑. Structural หรือ Constitutional isomers

Structural (ชื่อเดิม) หรือ Constitutional (ชื่อใหม่) isomers คือไอโซเมอร์ที่เกิดจากสารมีรูปแบบการเชื่อมต่อที่แตกต่างกัน ทำให้รูปทรงโมเลกุลในสามมิติแตกต่างกัน ไอโซเมอร์ในกลุ่มนี้ยังอาจแบ่งออกได้เป็น Skeletal isomer และ Functional isomer

๑.๑ Skeletal หรือ Chain isomers

ตัวอย่างของ Skeletal หรือ Chain isomerที่เห็นได้ชัดคือไอโซเมอร์ของสารประกอบไฮโดรคาร์บอนดังแสดงในรูปที่ ๒ ข้างล่าง ตัวอย่างของสารประกอบ C₆H₁₄ ที่นำมาแสดงนั้นแม้ว่าจะมีรูปร่างโมเลกุลในสามมิติที่แตกต่างกัน แต่ก็เป็นสารประกอบในตระกูลเดียวกันคืออัลเคน (alkane)

รูปที่ ๒ ตัวอย่างของ Skeletal isomerism ของสารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่มีสูตรเคมี C₆H₁₄ (สารในกลุ่ม hexanes)

รูปที่ ๑ ตัวอย่างการจำแนกประเภทไอโซเมอร์ การจำแนกประเภทนี้อาจแตกต่างกันไปตามมุมมองของแต่ละคน
  

๑.๒ Positional isomers

Positional isomers เป็นไอโซเมอร์ที่เกิดจากการที่ตำแหน่งการเชื่อมต่อของหมู่ฟังก์ชัน (functional group) นั้นแตกต่างกัน

รูปที่ ๓ Positional isomers ของ (บน) Butanol ขึ้นอยู่กับตำแหน่งการเกาะของหมู่ -OH ว่าอยู่ที่อะตอม C ปลายโซ่หรืออยู่ตรงกลางสายโซ่ โดยที่สายโซ่คาร์บอนนั้นยังคงมีรูปร่างเหมือนเดิม และของ (ล่าง) Dichloroethane ที่ขึ้นอยู่กับตำแหน่งการเกาะของอะตอม Cl ทั้งสองอะตอม

รูปที่ ๔ Positional isomers ของ Xylene ขึ้นอยู่กับตำแหน่งการเกาะของหมู่ -CH₃ บนวงแหวน

๑.๓ Functional isomers

Functional isomer เป็น Structural isomer ชนิดหนึ่งที่ความแตกต่างในการจัดเรียงอะตอมทำให้กลายเป็นสารประกอบที่มีหมู่ฟังก์ชันที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่นกรณีของสารที่มีสูตรโมเลกุลอย่างง่าย C₄H₈O ที่แสดงในรูป สารนี้อาจเป็นได้ทั้ง cyclic ether (Tetrahydrofuran) aldehyde (Bytyraldehyde) หรือ ketone (Methyl ethyl ketone)

รูปที่ ๕ Functional isomer ของสารประกอบ C₄H₈O ที่อาจเป็นได้ทั้ง Cyclic ether (Tetrahydrofuran), Aldehyde (ฺButyraldehyde) หรือ Ketone (Methyl ethyl ketone)

๒. Stereoisomers

Stereoisomer คือไอโซเมอร์ที่มีรูปแบบการเชื่อมต่อของอะตอม (หรือกลุ่มอะตอม) ที่เหมือนกัน แต่การจัดตำแหน่งของอะตอมหรือหมู่ฟังก์ชันในสามมิตินั้นแตกต่างกัน Stereoisomer นี้ยังแบ่งออกได้เป็น ๒ กลุ่มคือ

๒.๑ Conformational isomers

Conformational isomer คือโมเลกุลมีโครงสร้างที่แตกต่างกันเนื่องจากการหมุนรอบ sigma bond (พันธะเดี่ยว) ของโมเลกุล รูปร่างของไอโซเมอร์สามารถเปลี่ยนกลับไปมาได้ด้วยการหมุนรอบพันธะดังกล่าว (รูปที่ ๔)
  

ในภาวะปรกตินั้นสารจะมีไอโซเมอร์ทั้งรูปแบบ Eclipsed และ Staggered ปนกันอยู่ สัดส่วนของไอโซเมอร์ทั้งสองรูปแบบขึ้นอยู่กับพลังงานของระบบ ถ้าระบบมีพลังงานสูง สารก็ปรับตัวเพื่อที่จะลดพลังงานระบบลงด้วยการเปลี่ยนโครงสร้างไปเป็นโครงสร้างที่มีพลังงานในตัวสูงขึ้น ในหลาย ๆ ปฏิกิริยานั้นอัตราการเกิดปฏิกิริยาขึ้นอยู่กับตำแหน่งการหมุนของโมเลกุล

รูปที่ ๖ Conformational isomer ของโมเลกุลบิวเทน (C₄H₁₀ Butane)

๒.๒ Configurational isomers

Configurational isomer คือไอโซเมอร์ที่ไม่สามารถเปลี่ยนรูปแบบกลับไปมาด้วยการหมุนรอบพันธะ ไอโซเมอร์ในกลุ่มนี้ยังแบบออกได้เป็น

๒.๒.๑ Geometric isomers

ในกรณีของ Geometric isomer ความแตกต่างของโมเลกุลเกิดจากการเรียงอะตอมรอบพันธะคู่หรือวงแหวนที่ทำให้โมเลกุลไม่สามารถหมุนรอบพันธะหรือวงแหวนดังกล่าวได้ (ไม่สามารถหมุนรอบพันธะคู่หรือวงแหวนได้)
  

สารประกอบไฮโดรคาร์บอนพวกอัลคีน (alkene) ที่มีพันธะคู่ C=C ที่ไม่สามารถหมุนรอบตัวเองได้ ไอโซเมอร์ชนิดนี้คือชนิดเรียกกันว่าเป็นแบบ trans- หรือ cis- โดยดูที่หมู่อัลคิล (alkyl) ที่เกาะอยู่กับอะตอม C แต่ละข้างของพันธะคู่ C=C ถ้าหมู่อัลคิลนั้นอยู่ฟากเดียวกันของพันธะ C=C ก็เรียกว่าเป็นโครงสร้างแบบ cis- แต่ถ้าอยู่คนละฟากของพันธะ C=C ก็เรียกว่าเป็นโครงสร้างแบบ trans-

รูปที่ ๗ Geometrical isomer ที่เกิดจากการที่โมเลกุลไม่สามารถหมุนรอบพันธะคู่ 1-pentene นั้นไม่เกิดไอโซเมอร์ประเภทนี้ ในขณะที่ 2-pentene

โครงสร้างที่เป็นวงแหวนก็เกิดไอโซเมอร์แบบ cis- และ trans- ได้เช่นเดียวกัน

รูปที่ ๘ Geometrical isomer ที่เกิดจากการที่โมเลกุลไม่สามารถหมุนรอบพันธะคู่ของ 1,4-dimethylcyclohexane

การเรียกไอโซเมอร์ชนิดนี้ว่า cis- หรือ trans- นั้นจะจำกัดอยู่เฉพาะกับไฮโดรคาร์บอนเป็นหลักที่มีเฉพาะอะตอม H หรือหมู่อัลคิลเกาะอยู่กับอะตอม C=C การเรียกชื่อตามระบบ IUPAC จะนิยมใช้ระบบ E-Z notation มากกว่า (ต้องเป็นอักษรอังกฤษตัวใหญ่ + เอียง) เพราะขยายครอบคลุมไปถึงกรณีที่มีหมู่อื่นนอกเหนือจากอะตอม H หรือหมู่อัลคิลมาเกาะด้วย

๒.๒.๒ Enantiomers

Enanatiomer คือไอโซเมอร์ที่เกิดจากการที่โมเลกุลนั้นเป็นเสมือนภาพในกระจกเงาของกันและกัน แต่โมเลกุลนั้นไม่สามารถซ้อนทับกันได้ ในกรณีของสารอินทรีย์นั้น Enantiomer จะเกิดขึ้นเมื่ออะตอม C มีหมู่ที่มาเกาะทั้ง ๔ หมู่นั้นไม่เหมือนกันเลย ดังเช่นในกรณีของ 2-Butanol ที่แสดงในรูปที่ ๙ ข้างล่าง จะมีอะตอม C อยู่หนึ่งอะตอม (ตรงลูกศรสีแดงชี้) ที่มีหมู่มาเกาะ ๔ หมู่ที่ไม่เหมือนกันเลยคือ -H, -OH, CH₃ และ CH₂CH₃ อะตอม C ที่มีหมู่มาเกาะ ๔ หมู่ไม่เหมือนกันเลยนี้เรียกว่า Chiral centre

รูปที่ ๙ Enantiomers ของ 2-Butanol

  

อะตอม C ที่เป็น chiral centre นี้ไม่จำเป็นต้องเป็นอะตอมที่อยู่ในส่วนของโครงสร้างที่เป็นเส้น แต่ยังอาจเป็นอะตอม C ที่อยู่ในส่วนของโครงสร้างที่เป็นวงได้ ดังเช่นกรณีของ Methylcyclohexanol ที่แสดงไว้ในรูปที่ ๑๐ ในกรณีนี้ต้องพิจารณาจากอะตอม C ที่มีหมู่ -OH เกาะไปในทิศทางตามเข็มและทวนเข็มนาฬิกาทีละอะตอมว่ามีโครงสร้างที่เหมือนกันหรือไม่ เช่นในกรณีของ 2-Methylcyclohexanol อะตอม C ตัวแรกในทิศทางตามเข็มนาฬิกาจะมี H เกาะสองอะตอม ในขณะที่อะตอม C ตัวแรกในทิศทางทวนเข็มนาฬิกามีอะตอม H ๑ อะตอมและหมู่ -CH₃ ๑ หมู่ ทำให้อะตอม C ตัวแรกในทิศทางตามเข็มและทวนเข็มนาฬิกานั้นไม่เหมือนกัน จึงถือได้ว่าอะตอม C ที่มีหมู่ -OH เกาะอยู่นั้นมีหมู่ที่แตกต่างกัน ๔ หมู่เกาะอยู่ แต่ถ้าเป็นกรณีของ 4-Methylcyclohexanol นั้น จะพบว่าอะตอม C ไม่ว่าจะนับในทิศทางตามเข็มหรือทวนเข็มนาฬิกา (จากอะตอม C ที่มีหมู่ -OH เกาะ) จะเหมือนกันจนไปพบกันที่อะตอม C ที่มีหมู่ -CH₃ เกาะ

รูปที่ ๑๐ ตำแหน่งอะตอม C ที่มีหมู่ -OH เกาะอยู่ (ที่ลูกศรสีแดงชี้) ของ 2-Methylocyclohexanol เป็น chiral centre ในขณะที่ของ 4-Methylcyclohexanol นั้นไม่เป็น chiral centre

รูปที่ ๑๑ โมเลกุลทางซ้ายและทางขวาเป็นเสมือนภาพในกระจกเงาของกันและกัน (บน) แต่ไม่สามารถหมุนให้โมเลกุลซ้อนทับกันได้เนื่องจากอะตอมกลางมีหมู่มาเกาะที่แตกต่างกัน ๔ หมู่ (ล่าง)

รูปที่ ๑๒ โมเลกุลทางซ้ายและทางขวาเป็นเสมือนภาพในกระจกเงาของกันและกัน (บน) แต่ในกรณีนี้สามารถหมุนให้โมเลกุลซ้อนทับกันได้เนื่องจากอะตอมกลางนั้นมีหมู่มาเกาะที่แตกต่างกันเพียงแค่ ๓ หมู่ (ล่าง)

๒.๒.๓ Disastereomers

Disastereomer เป็นไอโซเมอร์ที่ไม่ใช่ Enantiomer ไอโซเมอร์ชนิดนี้ขึ้นเมื่อโมเลกุลมีอะตอม C ที่เป็น chiral centre มากกว่า ๑ อะตอม โดยที่โมเลกุลมีความแตกต่างกัน แต่ไม่ได้เป็นภาพเงาในกระจกของกันและกัน ดังเช่นกรณีโมเลกุล 2,3-Dihydroxylbutanoic acid ที่แสดงในรูปที่ ๑๓ โมเลกุล (I) และ (II) เป็น Enantiomer ของกันและกันเพราะอีกโมเลกุลหนึ่งเป็นเสมือนภาพในกระจกเงาของอีกโมเลกุลหนึ่ง เช่นเดียวกับโมเลกุล (III) และ (IV) ที่เป็น enantiomer ของกันและกัน โมเลกุล (I) แม้ว่าจะไม่เหมือนกับโมเลกุล (III) หรือโมเลกุล (IV) แต่โมเลกุล (III) และโมเลกุล (IV) ต่างไม่ได้เป็นภาพเสมือนในกระจกเงาของโมเลกุล (I) ดังนั้นโมเลกุล (I) จึงไม่เป็น Enantiomer กับโมเลกุล (III) และโมเลกุล (IV) แต่จัดว่าเป็น Disastereomer ของโมเลกุล (III) และโมเลกุล (IV) ในทำนองเดียวกันโมเลกุล (II) ก็จัดเป็น Disastereomer ของโมเลกุล (III) และโมเลกุล (IV) เช่นกัน
  

ในขณะที่โมเลกุลที่เป็น Enantiomer ของกันและกันนั้นมีคุณสมบัติทางกายภาพต่าง ๆ ที่คล้ายกันมาก สิ่งที่แตกต่างกันที่เห็นได้ชัดคือการบิดระนาบแสงโพลาไรซ์ไปกันคนละทิศ แต่โมเลกุลที่เป็น Disastereomer นั้นอาจมีคุณสมบัติทั้งทางเคมีและกายภาพที่แตกต่างกันมากได้

รูปที่ ๑๓ โมเลกุลของ 2,3-Dihydroxylbutanoic acid โมเลกุล (I) และ (II) เป็น Enantiomer ของกันและกัน เช่นเดียวกับโมเลกุล (III) และ (IV) ที่เป็น Enantiomer ของกันและกัน

Stereoisomerism โดยเฉพาะส่วนของ Enantiomer และ Disastereomer นั้นจัดว่าเป็นเรื่องที่มีเนื้อหามากเรื่องหนึ่งของวิชาเคมีอินทรีย์ ตำราหลายเล่มนั้นถึงกับแยกเรื่องนี้ออกมาเป็นบทหนึ่งออกมาจากไอโซเมอร์ตัวอื่น ทั้งนี้อาจเป็นเพราะไอโซเมอร์ชนิดนี้มีบทบาทมากในโมเลกุลที่เกี่ยวข้องกับสิ่งมีชีวิต แต่ Memoir ฉบับนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อแยกแยะให้เห็นการจำแนกประเภทไอโซเมอร์ออกเป็นกลุ่มต่าง ๆ ไม่ได้มีวัตถุประสงค์เพื่อลงรายละเอียดในแต่ละเรื่อง