Потенциальная энергия конформаций н-бутана

Литература

[1] С. 50–85, [2] С. 8–13, [3] С. 3–44.

Наука, изучающая пространственное строение органических соединений называется стереохимией.

Различное химическое строение лежит в основе такого явления как изомерия. Изомерами называются соединения, имеющие одинаковый состав, но отличающиеся последовательностью соединения атомов в молекуле.

Изомерия подразделяется:

1) на структурную;

2) пространственную (стереоизомерию).

Стереоизомеры — это изомеры, отличающихся расположением атомов в пространстве.

ПРОСТРАНСТВЕННОЕ СТРОЕНИЕ SP³-ГИБРИДИЗОВАННОГО АТОМА УГЛЕРОДА. ПОНЯТИЕ О КОНФИГУРАЦИИ ОРГАНИЧЕСКИХ МОЛЕКУЛ

Конфигурация— это определенное пространственное расположение атомов в молекуле без учета различий, возникающих за счет вращения вокруг одинарных связей.

Основы стереоизомерии заложены Вант-Гоффом, который в 1874 году сформулировал идею о том, что атом углерода в sp³-гибридизованном состоянии имеет тетраэдрическую конфигурацию, т. е. располагается в центре воображаемого тетраэдра, а четыре его заместителя находятся в вершинах тетраэдра.

При sp³-гибридизации происходит смешивание одной s и трех p орбиталей атома
углерода, и образуются 4 одинаковые sp³-гибридизованные орбитали, имеющие форму
несимметричной объемной восьмерки. Четыре одинаковые sp³-гибридизованные орбитали относительно ядра атома углерода будут располагаться на максимальном удалении друг
от друга, так что их оси симметрии направлены к вершинам правильного тетраэдра под углом 109,5º друг к другу.
Таким образом, атом углерода в sp³-гибридизации имеет тетраэдрическую (тетрагональную) конфигурацию. В sp³-гибридизованном состоянии атом углерода находится в молекулах алканов, циклоалканов, насыщенных алифатических радикалах других соединений и способен образовывать s-связи. s-Связи образуются при перекрывании двух
s-орбиталей, s-орбитали и гибридизованной орбитали,
а также двух гибридизованных орбиталей.

Так, в молекуле метана 4 sp³-гибридизованные орбитали атома углерода перекрываются с четырьмя s-орбиталями атомов водорода, образуя s-связи. Поскольку sp³-гибри-дизированные орбитали атома углерода располагаются тетраэдрически, то и образующиеся четыре s-связи также будут располагаться тетраэдрически. Пространственное расположение s-связей, как правило, отражает пространственную структуру молекулы. Следовательно,
молекула метана будет иметь тетраэдрическую конфигурацию. Расстояние между атомами углерода и водорода, связанными s-связью, равно 0,109 нм, энергия связи С–Н равна
414 кДж/моль.

Для изображения на плоскости тетраэдрической конфигурации атома углерода используются стереохимические формулы. Для их изображения тетраэдрическую модель ориентируют так, чтобы атом углерода и две его связи находились в плоскости, тогда третья связь будет направлена вперед от плоскости проекции, а четвертая — за плоскость проекции. Связь, направленную вперед, изображают сплошным клином, основанием, направленным
к наблюдателю; связь же, направленную за плоскость проекции, изображают заштрихованным клином.

CH3OHметанол тетраэдрическая конфигурация атома углерода

КОНФИГУРАЦИЯ И КОНФОРМАЦИИ ЭТАНА.
ПРОЕКЦИОННЫЕ ФОРМУЛЫ НЬЮМЕНА

В молекуле этана наряду с s-связями С–Н имеется и s-связь С–С, образованная перекрыванием двух sp³-гибридизованных орбиталей атомов углерода. Эта s-связь имеет длину 0,154 нм и энергию 348 кДж/моль. Вокруг s-связи возможно вращение, при вращении вокруг связи С–С будут возникать различные пространственные формы молекулы, называемые конформациями. Конформации различаются запасом внутренней энергии.

Взаимные переходы конформаций осуществляются без разрыва s-связей. Угол поворота по s-связи называется торсионнымиобозначается j. За минимальный отсчет торсионного угла принимают 60º, следовательно из множества возникающих конформаций во внимание принимается только шесть. Относительно большой внутренней энергией обычно обладают конформации, в которых заместители находятся в наиболее близком расположении друг к другу. Такие конформации называются заслоненными. Конформации, в которых заместители наиболее удалены друг от друга в пространстве, обладают относительно меньшей внутренней энергией, называются заторможенными. Внутренняя энергия в заслоненной конформации этана на 12 кДж/моль выше, чем его энергия в заторможенной конформации. Эта величина энергии составляет энергетический барьер вращения, и его происхождение связано с взаимодействием противолежащих s-связей С–Н при их сближении в заслоненной конформации. Это увеличение энергии системы называют торсионным напряжением.

У более сложных соединений наряду с торсионным напряжением действует еще один фактор, затрудняющий свободное вращение, — ван-дер-ваальсово напряжение. Оно обусловлено силами отталкивания между валентно не связанными, большими по объему заместителями, находящихся на расстоянии меньше суммы их вандерваальсовых радиусов.

Для изображения конформаций используют проекционные формулы Ньюмена. Для этого молекулу располагают так, чтобы s-связь, относительно которой образуются конформации, располагалась перпендикулярно плоскости. Ближайший к наблюдателю атом углерода обозначают точкой и отходящими от нее тремя лучами, остальные s-связи этого атома углерода. Кругом обозначают удаленный атом углерода и «высовывающимися» из-за круга черточками — его s-связи.

Потенциальная энергия конформаций этана:

а — конформации заслоненные; б — конформации заторможенные

КОНФОРМАЦИИ БУТАНА

Рассмотрим конформации бутана, возникающие при вращении вокруг С₂–С₃ связи. Наиболее выгодной является заторможенная конформация IV, в которой угол между двумя СН₃-группами составляет 180º. В конформациях III и V в заслоненном положении находятся СН₃ и Н, в конформации I — две СН₃ группы. Поэтому заслоненная конформация I обладает большей энергией. Конформации II и VI с углом 60º между двумя СН₃-группами называются скошенными или гош-конформациями.

Энергия скошенных конформаций на 3,5 кДж/моль больше энергии заторможенной конформации. Это объясняется взаимодействием двух метильных групп, расположении их под углом 60º.

В отличие от других конформаций энергетически более выгодные конформации,
лежащие в точках минимума энергетической кривой, принято называть конформерами.
Разница в энергии конформеров бутана — заторможенного IV и скошенного II (или VI) — невелика. Поэтому они легко переходят друг в друга (в равновесии при обычных условиях находится 69 % молекул бутана в анти-конформации и 31 % в гош-конформации).

частично

частично

Потенциальная энергия конформаций н-бутана

КОНФОРМАЦИИ СОЕДИНЕНИЙ С ДЛИННОЙ УГЛЕРОДНОЙ ЦЕПЬЮ

В длинных углеродных цепях вращение возможно вокруг нескольких С–С связей.
Поэтому вся цепь может принимать разнообразные геометрические формы. Длинные цепи насыщенных углеводородов преимущественно находятся в «зигзагообразной» конформации, в которой атомы углерода в каждом бутановом фрагменте находятся по отношению друг
к другу в заторможенной конформации.

а б в г

Конформации открытой углеродной цепи:

а — клешневидная; б — нерегулярная; в — зигзагообразная; г — заторможенная конформация бутанового фрагмента

Например, длинноцепочечные ацильные остатки пальмитиновой С₁₅Н₃₁СООН и стеариновой С₁₇Н₃₅СООН кислот в зигзагообразной конформации входят в состав липидного бислоя клеточных мембран.

В клешневидной конформации сближаются в пространстве атомы углерода, удаленные друг от друга в «зигзагообразной» конформации. Такими сближенными оказываются, например, каждый первый и пятый или каждый первый и шестой атомы углеродной цепи. Между функциональными группами, находящимися у сближенных атомов углерода, может происходить взаимодействие, в результате которого образуются различные циклические
соединения.

КОНФОРМАЦИИ КАРБОЦИКЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

В циклических соединениях, наряду с торсионным и ван-дер-ваальсовым напряжением, появляется специфический вид напряжения — угловое или байеровское напряжение
(по имени автора теории напряжения циклов А. Байера). Если бы циклы были плоскими, то
в них валентные углы значительно бы отклонялись от нормального, соответствующего
sp³-гибридизации (109,5º).

Напряжение, вызванное отклонением валентных углов между атомами углерода в цикле от нормального значения, называется угловым. Чем больше угол в цикле отклоняется от нормального валентного, тем выше угловое напряжение, тем цикл менее устойчив.

а б в

г