Войти
Вращение вокруг одинарной связи бутана для взаимного преобразования одной конформации в другую. Гош-конформация справа - это конформер, а затмененная конформация слева - переходное состояние между конформерами. Вверху: проекция Ньюмана; ниже: изображение пространственной ориентации. В химии, конформационная изомерия представляет собой форму стереоизомерии, в которой изомеры могут быть взаимопревращаются только вращениями вокруг формально одинарных связей (см. рисунок на вращении одинарных связей). В то время как любые два расположения атомов в молекуле, которые различаются вращением вокруг одинарных связей, могут быть названы разными конформациями, конформации, которые соответствуют локальным минимумам на энергетической поверхности, конкретно называются конформационными изомерами или конформеры . Конформации, которые соответствуют локальным максимумам на энергетической поверхности, представляют собой переходные состояния между конформационными изомерами с локальным минимумом. Вращения вокруг одинарных связей включают преодоление вращательного энергетического барьера для взаимного преобразования одного конформера в другой. Если энергетический барьер низкий, происходит свободное вращение, и образец соединения существует в виде быстро уравновешивающейся смеси нескольких конформеров; если энергетический барьер достаточно высок, то вращение ограничено, молекула может существовать в течение относительно длительного периода времени в виде стабильного вращательного изомера или ротамера (изомер, возникающий из затрудненного одноразового соединения). ротация облигаций). Когда шкала времени для взаимного превращения достаточно велика для выделения отдельных ротамеров (обычно произвольно определяемых как период полураспада взаимного превращения 1000 секунд или более), изомеры называются атропоизомерами ( см.: атропоизомерия ). Переворот кольца замещенных циклогексанов представляет собой другую распространенную форму конформационной изомерии.
Конформационные изомеры, таким образом, отличаются от других классов стереоизомеров (то есть конфигурационных изомеров), где взаимопревращение обязательно включает разрыв и преобразование химических связей. Например, L/D- и R / S- конфигурации органических молекул имеют разную направленность и оптическую активность и могут быть преобразованы друг в друга только путем разрыва одной или нескольких связей, связанных с хиральным атомом , и преобразования аналогичной связи. в другом направлении или пространственной ориентации. Они также отличаются от геометрических (цис / транс) изомеров, другого класса стереоизомеров, которым требуется π-компонент двойных связей для разрыва для взаимного превращения. (Хотя различие не всегда однозначно, поскольку некоторые связи, которые формально являются одинарными, на самом деле имеют характер двойной связи, который становится очевидным только при учете вкладчиков вторичного резонанса, например, связи C – N в амидах, Например.) Из-за быстрого взаимного превращения конформеры обычно не выделяются при комнатной температуре.
Изучение энергетики между различными конформациями упоминается как конформационный анализ . Это полезно для понимания стабильности различных изомеров, например, принимая во внимание пространственную ориентацию и межпространственные взаимодействия заместителей. Кроме того, конформационный анализ может использоваться для прогнозирования и объяснения селективности продукта, механизмов и скорости реакций. Конформационный анализ также играет важную роль в рациональном, основанном на структуре дизайне лекарств.
Диаграмма относительной энергии конформации бутана как функция двугранного угла. A: антиперипланарный, анти- или транс. B: синклинальный или гош. C: антиклиналь или затмение. D: синперипланарный или цис. Вращая свои углерод-углеродные связи, молекулы этана и пропана имеют три локальных минимума энергии. Они структурно и энергетически эквивалентны и называются ступенчатыми конформерами. Для каждой молекулы три заместителя, исходящие от каждой связи углерод-углерод, расположены в шахматном порядке, с каждым двугранным углом H – C – C – H (и H – C – C – CH 3 двугранный угол в случае пропана), равный 60 ° (или приблизительно равный 60 ° в случае пропана). Три затмеваемых конформации, в которых двугранные углы равны нулю, являются переходными состояниями (максимумами энергии), соединяющими два эквивалентных минимума энергии, сдвинутые конформеры.
Молекула бутана - простейшая молекула, для которой вращение одинарной связи приводит к образованию двух типов неэквивалентных структур, известных как анти- и гош-конформеры (см. Рисунок).
Например, бутан имеет три конформера, относящихся к его двум метильным (CH 3) группам: два гош-конформера, у которых метилы разнесены на ± 60 ° и которые энантиомеры, и антиконформер, где четыре углеродных центра компланарны, а заместители разнесены на 180 ° (см. диаграмму свободной энергии бутана). Разница в энергии между гошем и анти составляет 0,9 ккал / моль, что связано с энергией деформации конформера гош. Следовательно, антиконформер является наиболее стабильным (≈ 0 ккал / моль). Три затмеваемых конформации с двугранными углами 0 °, 120 ° и 240 ° являются переходными состояниями между конформерами. Обратите внимание, что две затмеваемые конформации имеют разные энергии: при 0 ° две метильные группы затмеваются, что приводит к более высокой энергии (≈ 5 ккал / моль), чем при 120 °, где метильные группы затмеваются атомами водорода (≈ 3,5 ккал / моль).
В то время как простые молекулы можно описать этими типами конформаций, более сложные молекулы требуют использования системы Клина – Прелога для описания различных конформеров.
Более конкретные примеры конформационной изомерии подробно описаны в другом месте:
Равновесное распределение двух конформеров при разных температурах с учетом свободной энергии их взаимного превращения. Конформационные изомеры существуют в динамическом равновесии, где относительная свободная энергия изомеров определяет заселенность каждого изомера и энергетический барьер вращения определяют скорость взаимного превращения между изомерами:
,где K - константа равновесия, ΔG ° - разность стандартной свободной энергии между двумя конформерами в ккал / моль, R - универсальная газовая постоянная (1,987 × 10 ккал / моль К), а T - температура системы в кельвинах. В единицах ккал / моль при 298 К,
.Таким образом, каждые 1,36 ккал / моль соответствуют примерно 10 коэффициенту константы равновесия при температурах около комнатной. («Правило 1.36 » обычно полезно для оценки констант равновесия при комнатной температуре по разнице свободной энергии. При более низких температурах требуется меньшая разница энергий для получения заданной константы равновесия.)
На диаграмме приведены три изотермы, изображающие равновесное распределение двух конформеров при разных температурах. При разнице свободной энергии 0 ккал / моль это дает константу равновесия 1, что означает, что два конформера существуют в соотношении 1: 1. У них одинаковая свободная энергия; ни один из них не более стабилен, поэтому ни один из них не преобладает над другим. Отрицательная разница в свободной энергии означает, что конформер взаимно преобразуется в термодинамически более стабильную конформацию, поэтому константа равновесия всегда будет больше 1. Например, ΔG ° для превращения бутана из гош-конформера в антиконформер составляет - 0,47 ккал / моль при 298 К. Это дает константу равновесия около 2,2 в пользу антиконформера или смеси гош: антиконформеров 31:69 в равновесии. И наоборот, положительная разница в свободной энергии означает, что конформер уже является более стабильным, поэтому взаимное преобразование является неблагоприятным равновесием (K < 1). Even for highly unfavorable changes (large positive ΔG°), the equilibrium constant between two conformers can be increased by increasing the temperature, so that the amount of the less stable conformer present at equilibrium increases (although it always remains the minor conformer).
Распределение Больцмана% конформации с наименьшей энергией в двух компонент, уравновешивающий систему при различных температурах (° C, цвет) и разнице энергий в ккал / моль (ось x) Распределение фракций различных конформеров следует распределению Больцмана :
.Левая часть представляет собой долю конформера i в уравновешивающей смеси конформеров M в термодинамическом равновесии. Справа E k (k = 1, 2,..., M) - энергия конформера k, R - молярная постоянная идеального газа (приблизительно равна до 8,314 Дж / (моль · K) или 1,987 кал / (моль · K)), а T - абсолютная температура. d знаменателем правой части является статистическая сумма.
Эффекты электростатических и стерических взаимодействий заместителей, а также орбитальных взаимодействий, таких как гиперконъюгация ответственны за относительную стабильность конформеров и их переходных состояний. Вклад этих факторов варьируется в зависимости от природы заместителей и может вносить положительный или отрицательный вклад в энергетический барьер. Вычислительные исследования малых молекул, таких как этан, показывают, что электростатические эффекты вносят наибольший вклад в энергетический барьер; однако барьер традиционно приписывается в основном стерическим взаимодействиям.
Вклад в барьер вращательной энергии В случае циклических систем стерический эффект и вклад в свободную энергию могут быть аппроксимированы значениями A, которые измеряют разницу энергии при наличии заместителя на циклогексане в аксиальном по сравнению с экваториальным положением.
Короткая шкала времени взаимного превращения в большинстве случаев препятствует разделению конформационных изомеров. Атропоизомеры представляют собой конформационные изомеры, которые можно разделить из-за ограниченного вращения.
Сворачивание белка также генерирует стабильные конформационные изомеры, которые можно наблюдать. Уравнение Карплюса связывает двугранный угол вицинальных протонов с их константами J-взаимодействия, измеренными с помощью ЯМР. Уравнение помогает в выяснении сворачивания белка, а также конформации других жестких алифатических молекул. Равновесие между конформационными изомерами можно наблюдать с помощью различных спектроскопических методов.
В производных циклогексана два конформера кресла быстро взаимопревращаются при комнатной температуре, причем сам циклогексан претерпевает переворот цикла при скорость примерно 10 циклов переворотов в секунду с общим энергетическим барьером 10 ккал / моль (42 кДж / моль), что исключает их разделение при температуре окружающей среды. Однако при низких температурах ниже точки коалесценции можно непосредственно контролировать равновесие с помощью ЯМР-спектроскопии и с помощью динамической, зависимой от температуры ЯМР-спектроскопии межбарьерного превращения.
Динамика конформационных (и других видов) of) изомерию можно контролировать с помощью ЯМР спектроскопии при различных температурах. Этот метод применим к барьерам 8–14 ккал / моль, и виды, демонстрирующие такую динамику, часто называют «флюксионными ».
Помимо ЯМР-спектроскопии, ИК-спектроскопия используется для измерения соотношений конформеров. Для аксиального и экваториального конформера бромциклогексана ν CBr отличается почти на 50 см.
Скорости реакций сильно зависят от конформации реагентов. Во многих случаях доминирующий продукт возникает в результате реакции менее распространенного конформера в соответствии с принципом Куртина-Хаммета. Это типично для ситуаций, когда конформационное уравновешивание происходит намного быстрее, чем реакция с образованием продукта. Поэтому зависимость реакции от стереохимической ориентации обычно видна только в конфигурационных изомерах, в которых конкретная конформация заблокирована заместителями. Прогнозирование скоростей многих реакций, включающих переход между состояниями sp2 и sp3, таких как восстановление кетона, окисление спирта или нуклеофильное замещение, возможно, если все конформеры и их относительная стабильность определяются их штаммом
Одним из примеров конфигурационных изомеров является реакции элиминирования, которые включают одновременное удаление протона и уходящей группы из вицинальной или антиперипланарной позиции под воздействием базы.
Бимолекулярное дегидрогалогенирование, индуцированное основанием (механизм реакции типа E2). Оптимальная геометрия для переходного состояния требует, чтобы разрывные связи были антиперипланарными, поскольку они находятся в соответствующей ступенчатой конформации . Механизм требует, чтобы отходящие атомы или группы следовали антипараллельным траекториям. Для подложек с открытой цепью этому геометрическому условию соответствует по крайней мере один из трех расположенных в шахматном порядке конформеров. Однако для некоторых циклических субстратов, таких как циклогексан, антипараллельное расположение может быть недостижимо в зависимости от заместителей, которые могут устанавливать конформационный замок. Смежные заместители в циклогексановом кольце могут достигать антиперипланарности только тогда, когда они занимают трансдиаксиальные положения.
Одним из следствий этого анализа является то, что транс-4-трет-бутилциклогексилхлорид не может быть легко устранен, а вместо этого подвергается замещению (см. Диаграмму ниже), поскольку наиболее стабильная конформация имеет объемную группу t-Bu в экваториальном положении, следовательно, хлоридная группа не является антиперипланарной с любым вицинальным водородом. Термодинамически неблагоприятная конформация имеет группу t-Bu в аксиальном положении, которая имеет более высокую энергию (см. значение A ) более чем на 5 ккал / моль. В результате группа t-Bu «блокирует» кольцо в конформации, в которой оно находится в экваториальном положении, и наблюдается реакция замещения. С другой стороны, цис-4-трет-бутилциклогексилхлорид подвергается элиминированию, поскольку может быть достигнута антиперипланарность Cl и H, когда группа t-Bu находится в благоприятном экваториальном положении.
Термодинамически неблагоприятная конформация транс-4-трет-бутилциклогексилхлорида, где t-Bu группа находится в аксиальном положении, вызывая 7-атомные взаимодействия. 
Транс-изомер может достигать антиперипланарности только через неблагоприятный аксиальный конформер; следовательно, это не устраняет. Цис-изомер уже имеет правильную геометрию в своей наиболее стабильной конформации; поэтому его легко устранить. Отталкивание между аксиальной трет-бутильной группой и атомами водорода в 1,3-диаксиальном положении настолько велико, что циклогексан вернется в конформацию скрученной лодочки. Деформация в циклических структурах обычно характеризуется отклонениями от идеальных валентных углов (деформация Байера ), идеальных углов скручивания (деформация Питцера ) или трансаннулярные (прелогические) взаимодействия.
 | Викицитатник содержит цитаты, относящиеся к: Конформационная изомерия |
