Лабораторно-практическое занятие № 5. «Теория строения органических соединений. Конформационная изомерия» (2ч)

Цель:изучить основные способы изображения пространственного строения органических соединений и сформировать умения составлять и называть конформационные изомеры органических соединений.

Вопросы для обсуждения:

1. Способы изображения конформаций.

2. Конформации алициклических соединений.

3. Конформации циклических соединений.

Материалы и примеры для самостоятельного изучения

Пример 1. Какие конформационные изомеры возможны для

пропанола-1? Изобразите их в виде проекций Ньюмена и сравните их энерге­тическое состояние.

Этап 1. Пропанол-1 (н-пропиловый спирт) имеет три атома углеро­да, находящихся в состоянии sp³ -гибридизации. Вращение возмож­но вокруг связей С-1–С-2 и С-2–С-3. Рассмотрим конформации, получающиеся в результате вращения вокруг связи С-1–С-2. Изобразим с помощью проекций Ньюмена конформации, торсион­ные углы которых кратны 60°.

Этап 2. Конформации пропанола-1 (I-VI) различаются по устойчи­вости, т.е. обладают неодинаковой потенциальной энергией, вели­чина которой определяется торсионным и вандерваалъсовым нап­ряжениями.

Торсионноенапряжение возникает в результате взаимодействия электронов противостоящих связей, т.е. оно возникает в заслонен­ных конформациях (I, III, V).

Ван-дер-ваальсовое напряжение появляется при достаточно близ­ком расположении объемных заместителей и приводит к их взаим­ному отталкиванию. Такой фактор неустойчивости присущ заслоненной и скошенной конформациям (I, II, VI). Таким образом, наи­более устойчива заторможенная (анти-) конформация (IV), в кото­рой все виды напряжений минимальны.

-

Промежуточное положение занимают частично заслоненные (III и V) и скошенные (II и IV) конформации.

Одинаковые по энергии конформации II и VI, III и V называют­ся вырожденными. На кривой, приведенной на рис. 9, показана за­висимость потенциальной энергии конформации от величины торсионного угла.

Заключение.Для пропанола-1 возможны 6 конформаций, из кото­рых термодинамически наиболее выгодна заторможенная (анти-), а наименее выгодна заслоненная конформация.

Пример 2. В производстве синтетического волокна капрона в качестве полупродукта получают циклогексанол. Какая из конформаций кресла более предпочтительна для молекулы циклогексанола?

Решение. Конформация креслаявляется наиболее устойчивой конформацией циклогексанового кольца. Лиганды у каждого из шести атомов углерода занимают неэк­вивалентные экваториальные (е) и аксиальные (а) положения. За счет поворота вокруг связей С—С циклогексановое кольцо претерпевает инверсию, при этом экватори­альные заместители становятся аксиальными и наоборот. Ак­сиальное положение заместителей менее выгодно, чем эквато­риальное, т. е. в случае циклогексанола конформация с эква­ториальным положением гидроксильной группы стабильнее конформации с ее аксиальным положением.

Основная причина нестабильности конформации с аксиаль­ным положением заместителей заключается в наличии 1,3-ди-аксиального взаимодействия, являющегося разновидностью ван-дер-ваальсова напряжения. В циклегексаноле оно проявляется во взаимном отталкивании аксиальной гидроксильной группы и атомов водорода в положениях 3 и 5.

На сдвоенных проекционных формулах Ньюмена хорошо видно, что аксиальная ОН-группа сближена в пространстве с С-3 (гош-конформация), тогда как экваториальная — макси­мально удалена (анти-конформация).

Задачи для самостоятельного решения

Задание 5.1.С помощью проекционных формул Ньюмена изобразите конформации этанола, возникающие в результате вращения вокруг связи С–С. Какая из конформаций более устойчива?

Задание 5.2.Какие конформации принимает молекула 2-аминоэтантиола в результате вращения вокруг связи С–С? Изобразите их с помощью проекционных формул Ньюмена. Какая из конформаций более устойчива?

Задание 5.3.С помощью проекционных формул Ньюмена изобра­зите конформации этиленгликоля (этандиола-1,2) и назови­те их. Какая из конформаций более устойчива?

Задание 5.4.Напишите структурную формулу соединения, конформация которого приведена ниже. Назовите это соединение по заместительной номенклатуре ИЮПАК.

Задание 5.5.Назовите по заместительной номенклатуре соединение, изобра­женное в виде формулы Ньюмена. Имеет ли молекула этого соединения плоскость симметрии? Существует ли более выгодная по сравнению с приведенной конформация этого соединения?

Задание 5.6.Изобразите конформации кресла циклогексиламина. Ка­кая из них более устойчива?

Задание 5.7.Постройте сдвоенные проекционные формулы Ньюмена для конформаций кресла бромциклогексана.

Задание 5.8.Изобразите конформации кресла 1-изопропилциклогексанола. Какая из них более устойчива?

Задание 5.9.Сравните термодинамическую устойчивость конформа­ций

1,3-диметилциклогексана, структура которого приведена в виде стереохимической формулы:

Литература для самостоятельной работы

1. Органическая химия: Учебник для вузов: В 2 кн./В.Л. Белобородов, С.Э. Зурабян, А.П. Тюкавкина; Под ред. Н.А. Тюкавкиной. - М.: Дрофа, 2002. – Кн. 1: Основной курс. – 620 с. (С. 110 -116).

2. Органическая химия (в вопросах и ответах) / Под ред. Б. А. Ивина и Л. Б. Пиотровского. — СПб.: Наука, 2002. — 510 с. (С. 90-93)