مقدمة
في دراسة التزام الدوراني (conformational isomerism)، يمثل تأثير غوش حالة غير نمطية حيث يكون المطاوي غوش (gauche conformation) – الذي تفصل فيه المجموعات بزاوية ثنائية السطح تبلغ 60 درجة – أكثر استقرارًا من المطاوي المقابل (anti conformation) الذي تفصل فيه المجموعات بزاوية 180 درجة. يظهر هذا التأثير في جزيئات معينة، ويُعزى إلى عوامل مختلفة، بما في ذلك تأثيرات فرط الاقتران (hyperconjugation)، والتفاعلات الإلكتروستاتيكية (electrostatic interactions)، وقوى فان دير فالس (van der Waals forces).
الأصل التاريخي لتأثير غوش
يعود الفضل في اكتشاف تأثير غوش إلى الكيميائي الأمريكي ريموند غوش (Raymond Gauche) في الستينيات. لاحظ غوش أن بعض الجزيئات، مثل 1،2-ثنائي إيثان (1,2-dichloroethane)، تفضل المطاوي غوش على الرغم من التوقع بأن المطاوي المقابل سيكون أكثر استقرارًا بسبب تقليل الإعاقة الفراغية (steric hindrance). أثار هذا الاكتشاف الأولي اهتمامًا كبيرًا وأدى إلى مزيد من البحث لفهم الأسباب الكامنة وراء هذا السلوك غير المتوقع.
العوامل المؤثرة في تأثير غوش
هناك عدة عوامل تساهم في تأثير غوش، وأهمها:
- فرط الاقتران: يعتبر فرط الاقتران المساهم الرئيسي في تأثير غوش. يحدث فرط الاقتران عندما يتداخل مدار رابطة سيجما (σ) مع مدار مضاد للرابطة سيجما مجاور (σ*). يؤدي هذا التداخل إلى استقرار المطاوي غوش عن طريق خفض الطاقة الكلية للجزيء. في حالة 1،2-ثنائي إيثان، على سبيل المثال، يتداخل المدار الرابط σ بين الكربون والهيدروجين (C-H) مع المدار المضاد للرابطة σ* بين الكربون والكلور (C-Cl)، مما يؤدي إلى استقرار المطاوي غوش.
- التفاعلات الإلكتروستاتيكية: يمكن أن تلعب التفاعلات الإلكتروستاتيكية أيضًا دورًا في تأثير غوش. إذا كانت المجموعات الموجودة على ذرتي الكربون المتجاورتين تحمل شحنات جزئية متعاكسة، فإن التجاذب بين هذه الشحنات يمكن أن يفضل المطاوي غوش حيث تكون المجموعات أقرب إلى بعضها البعض.
- قوى فان دير فالس: يمكن أن تساهم قوى فان دير فالس، وخاصة قوى التشتت (dispersion forces)، في تأثير غوش. يمكن أن تكون هذه القوى جذابة أو تنافرية، اعتمادًا على حجم وشكل المجموعات. في بعض الحالات، يمكن أن تكون قوى التشتت الجذابة بين المجموعات في المطاوي غوش أقوى من تلك الموجودة في المطاوي المقابل، مما يؤدي إلى استقرار المطاوي غوش.
أمثلة على الجزيئات التي تظهر تأثير غوش
تظهر العديد من الجزيئات تأثير غوش، ومن بين الأمثلة الشائعة:
- 1،2-ثنائي إيثان (1,2-Dichloroethane): يعتبر 1،2-ثنائي إيثان مثالًا كلاسيكيًا للجزيئات التي تظهر تأثير غوش. يفضل هذا الجزيء المطاوي غوش على المطاوي المقابل بسبب فرط الاقتران بين روابط C-H و C-Cl.
- فلورو إيثانول (Fluoroethanol): يظهر فلورو إيثانول أيضًا تأثير غوش. يفضل هذا الجزيء المطاوي غوش بسبب التفاعلات الإلكتروستاتيكية الجذابة بين ذرة الفلور ذات الشحنة الجزئية السالبة ومجموعة الهيدروكسيل ذات الشحنة الجزئية الموجبة.
- جليكول الإيثيلين (Ethylene glycol): يفضل جليكول الإيثيلين المطاوي غوش بسبب تكوين روابط هيدروجينية داخلية بين مجموعتي الهيدروكسيل.
الأهمية العملية لتأثير غوش
لتأثير غوش آثار عملية مهمة في مجالات مختلفة، بما في ذلك:
- تصميم الأدوية: يمكن أن يلعب تأثير غوش دورًا في تحديد الشكل ثلاثي الأبعاد (conformational preference) للجزيئات الصغيرة، مثل الأدوية. فهم الشكل المفضل للدواء مهم لتحسين تفاعله مع الهدف البيولوجي وزيادة فعاليته.
- علم البوليمرات: يمكن أن يؤثر تأثير غوش على خصائص البوليمرات، مثل درجة حرارة التحول الزجاجي (glass transition temperature) والمرونة. يمكن أن يؤدي التحكم في التزام الدوراني لسلاسل البوليمر إلى تصميم مواد ذات خصائص محددة.
- الكيمياء العضوية الفلزية: يمكن أن يؤثر تأثير غوش على تفاعلات المركبات العضوية الفلزية. فهم التزام الدوراني لهذه المركبات مهم لتصميم محفزات (catalysts) فعالة وتطوير تفاعلات جديدة.
تأثير غوش في الأنظمة الحلقية
لا يقتصر تأثير غوش على الجزيئات الخطية أو المتفرعة فقط، بل يمكن أن يظهر أيضًا في الأنظمة الحلقية. في الحلقات المشبعة (saturated rings)، مثل السيكلوهكسان (cyclohexane)، يمكن أن يؤثر تأثير غوش على استقرار المطاويات المختلفة، مثل مطاوي الكرسي (chair conformation) والقارب (boat conformation). على سبيل المثال، في السيكلوهكسان المستبدل بمجموعة محورية (axial substituent)، يمكن أن يؤدي تأثير غوش إلى زيادة استقرار المطاوي الذي تكون فيه المجموعة في الوضع الاستوائي (equatorial position) لتقليل التفاعلات غير المرغوبة.
الطرق التجريبية لدراسة تأثير غوش
تستخدم العديد من الطرق التجريبية لدراسة تأثير غوش وتحديد التزام الدوراني للجزيئات، بما في ذلك:
- حيود الأشعة السينية (X-ray diffraction): تستخدم حيود الأشعة السينية لتحديد التركيب البلوري للجزيئات، بما في ذلك الزوايا الثنائية السطح التي تحدد التزام الدوراني.
- مطيافية الرنين المغناطيسي النووي (NMR spectroscopy): تستخدم مطيافية الرنين المغناطيسي النووي لدراسة التفاعلات بين النوى الذرية في الجزيئات. يمكن استخدام هذه التقنية لتحديد التزام الدوراني من خلال قياس ثوابت الاقتران الدوراني (vicinal coupling constants).
- مطيافية الأشعة تحت الحمراء (IR spectroscopy): تستخدم مطيافية الأشعة تحت الحمراء لدراسة اهتزازات الجزيئات. يمكن استخدام هذه التقنية لتحديد التزام الدوراني من خلال مقارنة أطياف الأشعة تحت الحمراء التجريبية مع تلك المحسوبة نظريًا.
- مطيافية رامان (Raman spectroscopy): تستخدم مطيافية رامان لدراسة تشتت الضوء بواسطة الجزيئات. يمكن استخدام هذه التقنية لتحديد التزام الدوراني من خلال تحليل أطياف رامان التجريبية.
الطرق الحسابية لدراسة تأثير غوش
بالإضافة إلى الطرق التجريبية، يمكن أيضًا استخدام الطرق الحسابية لدراسة تأثير غوش. تتضمن هذه الطرق:
- حسابات ميكانيكا الكم (Quantum mechanical calculations): تستخدم حسابات ميكانيكا الكم، مثل نظرية الكثافة الدالية (density functional theory) وطرق الاقتران المتجمع (coupled cluster methods)، لحساب طاقات المطاويات المختلفة وتحديد التزام الدوراني الأكثر استقرارًا.
- حسابات الميكانيكا الجزيئية (Molecular mechanics calculations): تستخدم حسابات الميكانيكا الجزيئية، التي تعتمد على دوال الطاقة الكامنة (potential energy functions)، لنمذجة سلوك الجزيئات. يمكن استخدام هذه الحسابات لتحديد التزام الدوراني من خلال تقليل الطاقة الكلية للجزيء.
تأثير المذيب على تأثير غوش
يمكن أن يؤثر المذيب (solvent) على تأثير غوش. يمكن للمذيبات القطبية (polar solvents) أن تستقر المطاويات القطبية (polar conformers) أكثر من المطاويات غير القطبية (nonpolar conformers)، مما قد يؤدي إلى تغيير التزام الدوراني المفضل. على سبيل المثال، في 1،2-ثنائي إيثان، يمكن للمذيبات القطبية أن تستقر المطاوي غوش بسبب عزم ثنائي القطب (dipole moment) الأكبر مقارنة بالمطاوي المقابل.
تأثير درجة الحرارة على تأثير غوش
يمكن أن تؤثر درجة الحرارة (temperature) أيضًا على تأثير غوش. مع زيادة درجة الحرارة، تزداد الطاقة الحركية للجزيئات، مما قد يؤدي إلى تغيير توزيع المطاويات. في درجات الحرارة العالية، يصبح الفرق في الطاقة بين المطاويات المختلفة أقل أهمية، وقد يصبح التوزيع أكثر عشوائية.
تأثير الضغط على تأثير غوش
على الرغم من أن تأثير الضغط (pressure) أقل دراسة من تأثير درجة الحرارة والمذيب، إلا أنه يمكن أن يؤثر أيضًا على تأثير غوش. يمكن أن يؤدي زيادة الضغط إلى تقليل حجم الجزيئات، مما قد يؤثر على التفاعلات بين المجموعات وتغيير التزام الدوراني المفضل.
خاتمة
تأثير غوش هو ظاهرة مهمة في الكيمياء تحدد التزام الدوراني للجزيئات. تلعب عوامل مثل فرط الاقتران، والتفاعلات الإلكتروستاتيكية، وقوى فان دير فالس دورًا في هذا التأثير. فهم تأثير غوش مهم في مجالات متنوعة مثل تصميم الأدوية، وعلم البوليمرات، والكيمياء العضوية الفلزية. تتوفر طرق تجريبية وحسابية مختلفة لدراسة تأثير غوش وتحديد التزام الدوراني للجزيئات. يمكن للمذيب ودرجة الحرارة والضغط أن يؤثروا أيضًا على تأثير غوش.