Stereokimya

Atom ve moleküllerin üç boyut içerisindeki düzenlemelerini inceleyen bilim dalına stereokimya denir. Biyolojik canlılarda gerçekleşen biyokimyasal tepkimelerin mekanizmasını ve ilaç etkileşimlerinin anlaşılabilmesi için stereokimyanın iyi bilinmesi gerekir.

Aynı molekül formülüne sahip oldukları hâlde, atomların farklı bir sıra ile bağlı olduğu bileşiklere yapı izomeri denir. Yapı izomerleri fiziksel ve kimyasal açıdan faklı özellik gösterirler.

Kama-kesikli kama-çizgi formülünde; kağıt düzleminde olan bağlar düz çizgi, kağıt düzleminde bize doğru olan bağlar kama ve
düzlemin arkasına doğru olanlar kesikli kama ile gösterilir.

Ayna görüntüsü ilişkisi olmayan stereoizomerlere diastereomer denir. Diastereomerlerin erime noktası, kaynama noktası, yoğunluk ve kırılma indisi gibi fiziksel özelllikleri birbirinden farklıdır. Karışım hâlinde bulunan diastereomerleri fiziksel özelliklerinden yararlanarak birbirinden ayrılabilirler.

Bir molekülde düzgün dörtyüzlü atoma bağlı olan grupların iki veya daha fazlası aynı ise bu molekül stereomerkeze sahip değildir. Dolayısıyla bu molekül ayna görüntüsü ile çakışır ve akiraldir.

Eğer;

• Bir molekül kendi ayna görüntüsü ile çakışmıyorsa kiraldir.
• Düzgün dört yüzlü tek bir stereomerkeze sahip ise molekül kiraldir.
• Eğer bir molekül simetri düzlemine sahip değil ise o molekül kiraldir.

R ve S harfleri latince rectus ve sinister kelimelerinin baş harflerinden türetilmiştir. Latince rectus sağ, sinister sol anlamına gelmektedir. Burada R ve S kiral bir moleküldeki stereomerkezin hangi konfigürasyona sahip olduğunu belirtir.

Enantiyomerler sadece farklı kiral moleküller ile etkileştiğinde farklı davranış gösterirler. Enantiyomerler, diğer kiral bir moleküldeki enantiyomerlere karşı farklı tepkime hızı gösterirler. Enantiyomerlerin farklılığını gözlemenin yolu, bu
enantiyomerlerin herbirinin içinden düzlem polarize ışık geçtiğinde her bir enantiyomer farklı yönde fakat eşit miktarda düzlem polarize ışığı çevirirler.

Enantiyomerlerin herbirinin içinden düzlem polarize ışık geçtiğinde her bir enantiyomer farklı yönde fakat eşit miktarda düzlem polarize ışığı çevirirler. Enantiyomerlerin düzlem polarize ışığa karşı olan bu davranışlarından dolayı, enantiyomerlere optikçe aktif bileşik denir.

Kirallik ile biyolojik yapı arasındaki ilişki her bir ayakkabının kendine ait olan ayağa özgü olmasına benzetilebilir. Sağ ayakkabıyı sol ayağa veya sol ayakkabıyı sağ ayağa giymeye çalışmak gibidir. Canlıların yapısında gerçekleşen birçok biyokimyasal reaksiyonlarda veya vücudumuza dışarıdan harici olarak alınan bir maddenin (ilaç, gıda vs.) vücut içerisindeki etkileşimi bu tür bir etkileşime benzerdir. Enantiyomer çiftlerinden sadece birinin, kendi yapısına uygun reseptör merkeze bağlanma durumu söz
konusudur.

Kiral bir molekülde iki veya daha fazla stereomerkez var ise bu stereomerkezlerin herbirinin ayrı ayrı (R) veya (S) konfigürasyonun olduğunun belirlenmesi gerekir. Daha sonra bileşik numaralandırılır ve stereomerkez hangi karbona ait ise sayı
ile belirtilir.

Fischer izdüşüm formülleri, kiral moleküllerdeki düzgün dört yüzlü merkezlere bağlı sübstitüentlerin iki boyutlu olarak basitçe gösterilmesidir. Fischer izdüşüm formülleri özellikle birden çok stereomerkezli bileşikler için yerden kazanım ve yazım kolaylığı sağlamak açısından kullanışlıdır. Halkalı olmayan açık zincirli karbonhidratların şekillerini göstermek için kullanılır.

Fischer izdüşüm formülleri kullanılarak iki yapının aynı olup olmadığına karar verilebilir. Bunun için başka herhangi bir açıda olmamak koşulu ile yapılardan biri kağıt düzleminde sadece 180° döndürülür. Bu işlem yapılırken, yapılar kağıt düzleminde tutularak yapılmalıdır. 180° döndürülen yapı karşılaştırılan yapı ile çakıştırılır. Eğer iki yapı çakışır ise aynı, çakışmıyor ise farklı yapılardır.

Kiral bir moleküldeki stereomerkeze bağlı olan sübstitüentlerin uzaysal düzenlenmeleri onun mutlak konfigürasyonudur. Bir maddenin düzlem polarize ışığı sağa (+) veya sola (-) çevirmesi, veya çevirme açısının büyüklüğü tek başına mutlak konfigürasyon hakkında bilgi vermez.

Kiral bir bileşiğin konfigürasyonunun, bilinen stereokimyasal tepkimeler yardımı ile açıklanmasına bağıl konfigürasyon denir. 1951’den önce kiral moleküllerin yalnızca bağıl konfigürasyonları biliniyordu. 

Enantiyomerlerin erime noktası, kaynama noktası, çözünürlük vs. gibi bütün fiziksel özellikleri aynı olduğundan bunları organik bileşiklerin ayrılmasında kullanılan damıtma, ekstraksiyon ve kristallendirme gibi basit ayırma yöntemleri kullanılarak ayrılamazlar.

Pasteur tartarik asittin rasemik karışımını, tartarik asittin sodyum amonyum tuzuna dönüştürür. Daha sonra tuzları incelerken iki farklı kristal yapısının olduğunu fark etti. Bir cımbız ve büyüteç yardımı ile bu kristalleri birbirinden ayırdı. İlk ayırdığı kristali su içinde çözdükten sonra polarimetre yardımı ile çevirme açısını ölçmüştür. İlk kristalin çözeltisi düzlem polarize ışığı sağa (+) çevirdiğini ve bu kristalin daha önce kendisinin bildiği (+)-tartarik asittin sodyum amonyum tuzu ile aynı olduğunu gördü. Farklı yapılı ikinci kristalin de su içerisindeki çözeltisinin çevirme açısını ölçtüğünde, bu kristalin, ilk kristalin çözeltisi ile eşit miktarda fakat, tam zıt yönde yani sola çevirdiğini fark etti. İkinci tip kristal (-)-tartarik asittin sodyum amonyum tuzuydu.

Bu yöntemde rasemik karışım hâlinde bulunan enantiyomerler diastereomerlerine çevrilir. Bunun için de rasemik karışım hâlinde bulunan enantiyomerler, başka saf bir enantiyomer ile tepkimeye sokulur. Tepkime sonucu oluşan ürünler artık diastereomerlerdir. Diastereomerler erime noktası, kaynama noktası, çözünürlük vs. gibi fiziksel özelikleri farklı olduğundan kristallendirme, ekstraksiyon, vs. gibi basit ayırma yöntemleri ile birbirinden ayrılabilirler.

Silisyum, germanyum, azot ve fosfor bileşiklerinde, dört farklı grubun bu atomlara bağlı olduğu bileşikler de kiraldir. Aminler dışında dört gruptan birinin bağ yapmayan elektron çifti olduğu sülfoksit gibi yapılar da kiraldir.

Bu yöntemde, katı bir destek (Silika jel, SiO₂ ya da alüminyum oksit Al₂O₃) üzerine sabitlenmiş optikçe aktif bir yardımcı ((+)-tartarik asit yada başka uygun optikçe aktif bileşik) kullanılır. Katı destek maddesi kolona doldurulur. Daha sonra rasemik
karışım çözelti haline getirilerek kolona yavaşça boşaltılır. Uygun olan bir çözücü kolona aktarılarak rasemik karışımın yürümesi sağlanır. Rasemik karışımdaki enantiyomerlerin her birinin kolon dolgu maddesi ile olan etkileşim mekanizması ve süreleri farklıdır. Bu neden ile enantiyomerlerin kolonda yürüme süresi farklı olacak ve böylece etkin bir ayırma meydana gelecektir. Bu yöntem en uygun olan bir yöntemdir.