مراجعة شاملة للمجموعات الوظيفية وتسمية الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (IUPAC)

تبدأ الكيمياء العضوية باللغة. قبل أن يتمكن الطلاب من تحليل آليات التفاعل، أو التنبؤ بالنواتج، أو تفسير المسارات الكيميائية الحيوية،, يجب أن يكونوا قادرين على تحديد ووصف الجزيئات بدقة. علم التسمية - وهو التسمية المنهجية للمركبات الكيميائية - يوفر تلك اللغة.

للتحضير لامتحان MCAT،, تُعد التسمية مهمة بشكل خاص لأن الامتحان غالباً ما يعرض المركبات بالاسم في الفقرة أو نص السؤال، بينما قد تُظهر خيارات الإجابة الهياكل بدلاً من الأسماء. لذلك فإن الترجمة بين الاثنين بسرعة ودقة أمر ضروري لحل العديد من مسائل الكيمياء العضوية.

على الرغم من أن أسئلة التسمية نادرًا ما تظهر كمسائل مستقلة في اختبار MCAT، إلا أن هذا الموضوع يشكل أساسًا لما يقرب من 41% من محتوى الكيمياء العضوية الذي يتم اختباره، ويدعم العديد من الأسئلة الأخرى المتعلقة بالتفاعلات والتقنيات المختبرية والجزيئات البيولوجية. تقدم هذه المقالة الاستعراضية اصطلاحات التسمية الأساسية المستخدمة في الكيمياء العضوية و يلخص هذا الكتاب المجموعات الوظيفية الرئيسية واستراتيجيات التسمية التي يجب على طلاب الطب التمهيدي التعرف عليها في يوم الاختبار.

---

1. أسس التسمية العضوية وتسمية الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (IUPAC)

تم وضع النظام الحديث المستخدم لتسمية المركبات العضوية من قبل الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (IUPAC). والغرض من هذا النظام واضح: ينبغي أن يكون لكل مركب اسم واحد لا لبس فيه يتوافق مع بنية محددة.

بدون قواعد موحدة، ستصبح تسمية المواد الكيميائية مربكة بسرعة - خاصة وأن العديد من الجزيئات في الطب والكيمياء الحيوية تحتوي على سلاسل كربون طويلة ومجموعات وظيفية متعددة والعديد من المراكز الكيميائية الفراغية.

ولضمان الوضوح، تتبع تسمية الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (IUPAC) عملية منظمة تحدد بشكل منهجي الهيكل الكربوني الرئيسي والمجموعات الوظيفية والبدائل في الجزيء.

استراتيجية التسمية المكونة من خمس خطوات من الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية

1. تحديد سلسلة الكربون الأصلية

تتمثل الخطوة الأولى في تحديد أطول سلسلة كربونية متصلة تحتوي على المجموعة الوظيفية ذات الأولوية القصوى. تشكل هذه السلسلة العمود الفقري للجزيء وتحدد الاسم الأساسي.

إذا كانت عدة سلاسل متساوية في الطول، تُختار السلسلة التي تحتوي على عدد أكبر من البدائل أو المجموعة الوظيفية الأكثر أهمية. كما يجب مراعاة الروابط الثنائية والثلاثية عند تحديد البنية الأساسية.

يشير أصل الاسم إلى عدد ذرات الكربون في السلسلة:

عدد ذرات الكربون	جذر
1	ميث-
2	إيث-
3	دعم-
4	لكن-
5	بنت-
6	عرافة-
7	هيبت-
8	أكتوبر-
9	غير-
10	ديسمبر-

تحدد المجموعة الوظيفية ذات الأولوية القصوى لاحقة الاسم النهائي.

2. ترقيم سلسلة الكربون

بمجرد تحديد السلسلة الأم، يجب ترقيم ذرات الكربون بحيث تحصل المجموعة الوظيفية ذات الأولوية الأعلى على أقل رقم ممكن.

إذا كان الجزيء يحتوي على بدائل متعددة ذات أولوية متساوية، فيجب أن يقلل اتجاه الترقيم من إجمالي الأرقام المخصصة لمواضع البدائل.

بالنسبة للجزيئات الحلقية، يبدأ الترقيم من نقطة الاستبدال الأكبر ويستمر في الاتجاه الذي يعطي أقل الأرقام الممكنة.

3. تحديد وتسمية البدائل

تُعتبر أي مجموعة متصلة بالسلسلة الأصلية ولكنها غير مُدرجة ضمنها بديلاً. تُكتب البدائل كبادئات قبل اسم السلسلة الأصلية.

تُسمى بدائل الهيدروكربون البسيطة عن طريق استبدال اللاحقة -ane باللاحقة -yl.

ومن الأمثلة على ذلك:

ألكان الأب	البديل
الميثان	الميثيل
الإيثان	إيثيل
البروبان	بروبيل
البيوتان	بوتيل

قد تظهر البدائل أيضًا في أشكال متفرعة مثل الأيزوبروبيل، أو البيوتيل الثانوي، أو البيوتيل الثالثي، أو النيوبنتيل.

عند ظهور أكثر من بديل متطابق، تشير البادئات العددية إلى الكمية:

• دي- (اثنين)
• ثلاثي– (ثلاثة)
• رباعي– (أربعة)

4. تخصيص أرقام للمستبدلين

يحصل كل بديل على رقم يتوافق مع ذرة الكربون التي يرتبط بها. تظهر هذه الأرقام قبل اسم البديل.

في حال وجود بدائل متطابقة متعددة، يجب ذكر كل موقع على حدة. على سبيل المثال:

2،3-ثنائي ميثيل بيوتان

5. تجميع الاسم الكامل

الخطوة الأخيرة هي بناء الاسم الكامل.

تتضمن قواعد التنسيق المهمة ما يلي:

• تظهر البدائل أبجديًا.
• يتم تجاهل البادئات المضاعفة (ثنائي، ثلاثي، رباعي) أثناء الترتيب الأبجدي.
• يتم فصل الأرقام بفواصل، بينما يتم فصل الأرقام والكلمات بشرطات.

ينتهي الاسم بالسلسلة الأصلية واللاحقة التي تتوافق مع المجموعة الوظيفية ذات الأولوية الأعلى.

---

2. الهيدروكربونات والكحولات

تُعد الهيدروكربونات أبسط الجزيئات العضوية وتشكل العمود الفقري الهيكلي لمعظم المركبات العضوية.

الألكانات

الألكانات هي هيدروكربونات مشبعة تحتوي على روابط أحادية بين ذرات الكربون فقط. وهي تتبع الصيغة العامة التالية:$$C_nH_{2n+2}$$CnH2n+2

ومن الأمثلة على ذلك:

ألكان	صيغة
الميثان	CH₄
الإيثان	C₂H₆
البروبان	C₃H₈
البيوتان	C₄H₁₀
البنتان	C₅H₁₂
الهكسان	C₆H₁₄

تظهر الهالوجينات بشكل متكرر كبدائل على الألكانات ويتم تسميتها باستخدام البادئات:

• فلورو–
• كلورو–
• برومو–
• يودو–

الألكينات والألكاينات

تحتوي الهيدروكربونات غير المشبعة على روابط متعددة بين ذرات الكربون.

• تحتوي الألكينات على روابط ثنائية وتستخدم اللاحقة –ين.
• تحتوي الألكاينات على روابط ثلاثية وتستخدم اللاحقة –ين.

يجب تحديد موضع الرابطة المتعددة باستخدام ذرة الكربون ذات الرقم الأدنى المشاركة في الرابطة.

أمثلة:

• بوت-2-ين
• 1,3-بوتادين
• 2-بيوتين

على الرغم من أن آليات التفاعل التي تتضمن هذه الروابط يتم التركيز عليها بشكل أقل في اختبار MCAT، إلا أن التعرف على هذه اللواحق لا يزال مهمًا.

الكحوليات

تحتوي الكحولات على مجموعة هيدروكسيل (–OH) مرتبطة بذرة كربون.

تتم التسمية عن طريق تعديل بسيط لاسم الألكان الأصلي:

• استبدل –e بـ –ol.

أمثلة:

اسم IUPAC	الاسم الشائع
الإيثانول	الكحول الإيثيلي
2-بروبانول	كحول الأيزوبروبيل

عندما تظهر مجموعات هيدروكسيل متعددة، يصبح المركب ثنائي الهيدروكسيل.

هناك نوعان مهمان هما:

• ثنائيات الهيدروكسيل المتجاورة – مجموعات الهيدروكسيل على ذرات الكربون المتجاورة
• ثنائيات الجيمينال – مجموعات الهيدروكسيل على نفس ذرة الكربون

تعتبر ثنائيات الهيدروكسيل الجيمينالية غير مستقرة بشكل عام وتميل إلى فقدان الماء لتكوين مركبات الكربونيل.

تتمتع مجموعات الكحول بأولوية أعلى من الروابط المزدوجة أو الثلاثية، مما يعني أن مجموعة الهيدروكسيل عادة ما تحدد اللاحقة في التسمية.

---

3. مركبات الكربونيل: الألدهيدات والكيتونات

يرتكز جزء كبير من الكيمياء العضوية - والكيمياء الحيوية - على المجموعة الوظيفية الكربونيلية، والتي تتكون من ذرة كربون مرتبطة برابطة مزدوجة مع الأكسجين.

هناك فئتان رئيسيتان من مركبات الكربونيل وهما الألدهيدات والكيتونات.

الألدهيدات

تحتوي الألدهيدات على مجموعة كربونيل في نهاية سلسلة الكربون، مرتبطة بذرة هيدروجين واحدة على الأقل.

يتم تسميتها عن طريق استبدال لاحقة الألكان -e بـ -al.

ومن الأمثلة على ذلك:

اسم IUPAC	الاسم الشائع
الميثانال	الفورمالديهايد
الإيثانال	الأسيتالدهيد
بروبانال	بروبيونالدهيد

لأن الألدهيدات هي مجموعات وظيفية طرفية، فإن ذرة الكربون الكربونيلي عادة ما تكون ذرة الكربون رقم 1، وغالبًا ما يتم حذف الرقم في الاسم.

الكيتونات

تحتوي الكيتونات على مجموعة كربونيل داخل سلسلة الكربون، مرتبطة بذرتي كربون.

يتم تسميتها باستخدام اللاحقة -one.

ومن الأمثلة على ذلك:

• 2-بنتانون
• 3-بيوتين-2-ون
• 2-بروبانون (أسيتون)

على عكس الألدهيدات، يجب على الكيتونات تحديد موضع ذرة الكربون الكربونيلي.

للكيتونات أيضاً اصطلاحات تسمية شائعة تُدرج فيها مجموعتا الألكيل المرتبطتان بذرة الكربون الكربونيلي متبوعاً بالكلمة الكيتون. على سبيل المثال:

إيثيل ميثيل كيتون.

المصطلحات القائمة على الكربونيل

في الجزيئات التي تحتوي على مجموعات الكربونيل، غالباً ما يتم تمييز ذرات الكربون المجاورة باستخدام الأحرف اليونانية:

• α (ألفا) – ذرة الكربون المجاورة لمجموعة الكربونيل
• β (بيتا) – الجيل التالي من الكربون
• γ (جاما) – على بعد ذرة كربون ثالثة

يستخدم هذا النظام على نطاق واسع عند مناقشة تفاعلية وحموضة ذرات الهيدروجين ألفا، وهو مفهوم مهم في مواضيع الكيمياء العضوية اللاحقة.

---

4. الأحماض الكربوكسيلية ومشتقاتها

من بين المجموعات الوظيفية الشائعة في الكيمياء العضوية في اختبار MCAT، تمثل الأحماض الكربوكسيلية أعلى حالة أكسدة يتم اختبارها عادةً.

الأحماض الكربوكسيلية

يحتوي الحمض الكربوكسيلي على كليهما:

• a مجموعة الكربونيل (C=O)
• a مجموعة الهيدروكسيل (–OH)

مرتبطة بنفس ذرة الكربون.

تُسمى هذه المركبات عن طريق استبدال لاحقة الألكان -e بحمض -oic.

ومن الأمثلة على ذلك:

اسم IUPAC	الاسم الشائع
حمض الميثانويك	حمض الفورميك
حمض الإيثانويك	حمض الخليك
حمض البروبانويك	حمض البروبيونيك

نظراً لوجود المجموعة الوظيفية في نهاية الجزيء، فإن ذرة الكربون الكربوكسيلية عادة ما يتم تعيينها كذرة كربون رقم 1.

الإسترات

تتكون الإسترات عندما يتم استبدال مجموعة الهيدروكسيل في حمض الكربوكسيل بمجموعة ألكوكسي (–OR).

تحتوي أسماء الإسترات على مكونين:

1. مجموعة الألكيل المرتبطة بالأكسجين
2. اسم الحمض الأصلي مع اللاحقة -وات

مثال على ذلك:

بروبانوات الإيثيل

تُعد الإسترات شائعة في الجزيئات البيولوجية والعطور، مما يجعل التعرف عليها أمراً مهماً.

الأميدات

تتكون الأميدات عندما يتم استبدال مجموعة الهيدروكسيل في حمض الكربوكسيل بمجموعة أمينية.

تنتهي أسماؤهم بـ "-أميد".

يُشار إلى البدائل المرتبطة بذرة النيتروجين بالبادئة ن–.

ومن الأمثلة على ذلك:

• بروباناميد
• N,N-ثنائي ميثيل إيثاناميد

تُعد روابط الأميد ذات أهمية خاصة لأنها تشكل روابط الببتيد التي تربط الأحماض الأمينية في البروتينات.

الأنهيدريدات

تتكون الأنهيدريدات عندما يتحد حمضان كربوكسيليان ويطلقان جزيء من الماء.

إذا كان الحمضان متطابقين، يتم تسمية المركب عن طريق استبدال الحمض بالأنهيدريد.

مثال على ذلك:

أنهيدريد الخل

إذا شكل حمضان مختلفان المركب، يظهر كلا الاسمين قبل الكلمة أنهيدريد.

---

5. أولوية المجموعة الوظيفية ومدى ملاءمتها لاختبار MCAT

في الجزيئات التي تحتوي على مجموعات وظيفية متعددة، تحدد المجموعة ذات الأولوية الأعلى لاحقة اسم المركب.

تتبع أولوية المجموعة الوظيفية بشكل عام حالة الأكسدة: فكلما زادت أكسدة الكربون، زادت الأولوية.

الترتيب الأكثر صلة باختبار MCAT هو:

حمض كربوكسيلي ← أنهيدريد ← إستر ← أميد ← ألدهيد ← كيتون ← كحول ← ألكين/ألكاين ← ألكان

تظهر المجموعات الوظيفية ذات الأولوية المنخفضة في الاسم كبادئات بدلاً من اللواحق.

على سبيل المثال، إذا احتوى الجزيء على كل من الكحول والألدهيد، فإن الألدهيد له الأولوية، لذلك سيتم تسمية المركب على أنه ألدهيد مع بديل هيدروكسي.

يُعد فهم هذا التسلسل الهرمي أمراً بالغ الأهمية عند تفسير الأسماء الجزيئية المعقدة.

---

الخلاصة: لماذا تُعدّ التسمية مهمة لامتحان MCAT

إن تسمية المركبات في الكيمياء العضوية تتجاوز مجرد حفظ قواعد التسمية. فهي توفر الإطار اللازم لفهم التركيب الجزيئي، والذي بدوره يحدد السلوك الكيميائي.

بالنسبة لطلاب اختبار MCAT، فإن إتقان المصطلحات يسمح لهم بما يلي:

• ترجمة سريعة بين الأسماء والهياكل
• التعرف على المجموعات الوظيفية في الجزيئات الكيميائية الحيوية
• فهم أنماط تفاعل المركبات العضوية
• تفسير المقاطع التي تتضمن الأدوية والمستقلبات والتفاعلات المختبرية

حتى عندما لا تكون التسمية نفسها هي محور التركيز الأساسي للسؤال، فإنها غالباً ما تكون الخطوة الأولى المطلوبة لفهم الجزيء الذي تتم مناقشته.

إن إتقان هذه اللغة الكيميائية سيجعل بقية الكيمياء العضوية - وجزء كبير من الكيمياء الحيوية - أسهل بكثير في التعامل معها.