Органическая химия

Конформационный анализ

Простая -связь допускает свободное вращение окружающих ее атомных группировок, в результатемолекулы органических соединений благодаря тепловому движению непрерывно меняют свою форму.Отдельные состояния, через которые проходят эти молекулы в процессе свободнго вращения, называют конформациями. Изомеры, возникающие в результате такого вращения, называются поворотными или конформационными В случае простых молекул выделить конформационные изомеры невозможно.

Однако конформации, возникающие в процессе свободного вращения вокруг -связи имеют неодинаковую энергию и, соответственно, устойчивость. Некоторые из конформационных изомеров имеют меньшую энергию; в этих состояниях молекулы пребывают большее время. Можнотакже утверждать, что в большая часть молекул пребывает именно в этих конформациях. Частоэти конформации называют предпочтительными.

Для газообразного этана, например, возможны среди бесконечного числа других два предельных положения метильных групп, которые можно изобразить в виде проекций (проекции 3 и 4 называют проекциями Ньюмена):

Проекции 1 и 3 соответствуют заслоненной конформации, 2 и 4 - заторможенной. Энергия заторможенной конформации приблизительно на 12 кДж/моль меньше энергии заслоненной, т.к. в этой конформации атомыводорода максимально удалены друг от друга и отталкивание между ними минимально. Однако разница в энергиях между этими конформациями значительно меньше энергии теплового движения молекул (при комнатной температуре), в результате конформациисвободно переходят одна в другую. Любые промежуточные между заслоненной и заторможенной конформациями называются скошенными или гош-конформациями.

Если заместители не являются атомами водорода, число предельных состояний увеличивается. Любую конформацию можно охарактеризовать двугранным углом :

Энергия конформации меняется в зависимости от величины этого угла. Для гомолога этана - н-бутана при вращении вокруг связи С₂ - С₃ в зависимости от двугранного угла ,образованного связями атомов углерода С₂ и С₃ с метильными группами, возможны следующие состояния (каждое последующее отличается от предыдущего поворотом на 60^o по часовой стрелке):

Энергия молекулы в зависимости от величины двугранного угла меняется следующим образом:

Максимальной энергии соответствует полностью заслоненнная конформация 1, длякоторой =0 и где одинаковые группы находятся на минимальном растоянии. При повороте на 60^o расстояние между метильными группами (и между атомами водорода) увеличивается и энергия молекулы уменьшается - это частично заторможенная конформация (состояние 2). Дальнейший поворот приводит к состоянию 3, в котором на минимальном расстоянии находятся метильные группы и атомы водорода - энергия системы снова увеличивается, но исходного максимума не достигает. Это частично заслоненная конформация. Поворот на 180^o приводит к конформации 4, в которойметильные группы максимально удалены друг от друга. Это полностью заторможенная конформация, обладающая минимальной энергией. При дальнейшем повороте ситуация симметрично повторяется в обратнуюсторону, при этом конформации 3 и 5, 2 и 6 - эквивалентны.