Конформация простых молекул

Используя тетраэдрическую модель для атома углерода в sp³-гибридизации, можно представить соединение с двумя атомами углерода, например этан, как два тетраэдра, соединенные вершинами. В данном случае рассматриваем конфигурацию молекул, т.е. фиксированное расположение атомов или групп относительно друг друга.

При вращении тетраэдров вокруг оси С - С, а такое вращение действительно осуществляется, можно получить различные формы молекулы, отличающиеся расположением заместителей, в данном случае водородов, при соседних атомах углерода.

Различные формы молекулы, образующиеся при вращении вокруг одинарной связи, называют конформациями. Их взаимные переходы осуществляются без разрыва связей. При полном повороте на 360⁰ получается бесчисленное множество конформаций. Рассматривают конформации, получаемые при повороте на угол, равный 60⁰. Тогда при полном повороте может получиться шесть конформаций. Из них для молекулы этана можно выбрать только две. В одной конформации (а) водороды при разных атомах углерода находятся друг под другом, т.е. минимально удалены друг от друга; в другой (б) - эти же заместители максимально удалены.

а в

Различные исследования показали, что эти конформации различаются запасом внутренней энергии. Для этана минимум энергии соответствует конформации (в), а максимум - конформации (а). Разница в энергиях очень мала, она равна 12 кДж/моль, так что при обычных условиях мы наблюдаем свободное вращение вокруг С -С связи.

Конформация (а) с мах. энергии называется заслоненной, с мин.- заторможенной. Если рассматривать конформации более сложных молекул, то их число увеличивается и для их описания используют проекционные формулы Ньюмена, представляющие собой проекции различных форм молекулы на плоскость. Чтобы получить проекционную формулу Ньюмена, надо тетраэдрическую модель расположить таким образом, чтобы ось, соединяющая два соседних атома углерода, была перпендикулярна этой плоскости. Атом углерода, ближайший к наблюдателю, на проекции обозначается точкой, а удаленный - кругом. Связи атомов углерода с заместителями проектируются в виде прямых линий под углом 120⁰, идущих от центра круга, причем связи дальнего атома обозначаются пунктирными линиями или линиями, выступающими из - под круга.

Для молекулы этана мы имеем две конформации – заслоненную (а) и заторможенную (в):

а в

Проекции Ньюмена для молекулы этана.

Энергетический барьер, который должна преодолеть молекула при переходе из заслоненной конформации в заторможенную, связывают с электронным отталкиванием между связями в тот момент, когда они находятся друг против друга. Значение вандерваальсова радиуса атомов водорода таково, что при нахождении даже в заслоненном положении они не взаимодействуют между собой (взаимно не отталкиваются). У более сложных молекул, содержащих объемистые заместители, возникает взаимное отталкивание этих заместителей, повышающих энергию системы.

заслоненная,или скошенная, частично

цисоидная или гош заслоненная

конформация (1) конформация (2) конформация (3)