В химии ротамеры — это химические виды, которые отличаются друг от друга в первую очередь вращениями вокруг одной или нескольких одинарных связей . Различные расположения атомов в молекуле , которые отличаются вращением вокруг одинарных связей, также можно назвать различными конформациями . Конформеры/ротамеры мало отличаются по своим энергиям, поэтому их почти никогда нельзя разделить в практическом смысле. Вращения вокруг одинарных связей подвержены небольшим энергетическим барьерам. [1] Когда временной масштаб для взаимопревращения достаточно велик для изоляции отдельных ротамеров (обычно произвольно определяемый как период полураспада взаимопревращения 1000 секунд или дольше), виды называются атропоизомерами ( см.: атропоизомерия ). [2] [3] [4] Переворот кольца замещенных циклогексанов представляет собой распространенную форму конформеров. [5]
Изучение энергетики вращения связей называется конформационным анализом . [6] В некоторых случаях конформационный анализ может быть использован для прогнозирования и объяснения селективности продукта, механизмов и скоростей реакций. [7] Конформационный анализ также играет важную роль в рациональном, структурно-ориентированном проектировании лекарств .
Ротамер : один из набора конформеров, возникающих в результате ограниченного вращения вокруг одной одинарной связи. [8]
Вращая свои углерод-углеродные связи, молекулы этана и пропана имеют три локальных энергетических минимума. Они структурно и энергетически эквивалентны и называются шахматными конформерами . Для каждой молекулы три заместителя, исходящие из каждой углерод-углеродной связи, являются шахматными, причем каждый двугранный угол H–C–C–H (и двугранный угол H–C–C–CH 3 в случае пропана) равен 60° (или приблизительно равен 60° в случае пропана). Три заслоненные конформации, в которых двугранные углы равны нулю, являются переходными состояниями (максимумами энергии), соединяющими два эквивалентных энергетических минимума, шахматные конформеры. [ необходима цитата ]
Молекула бутана является простейшей молекулой, в которой вращения одинарных связей приводят к двум типам неэквивалентных структур, известных как анти- и гош- конформеры (см. рисунок).
Например, бутан имеет три конформера, связанных с его двумя метильными (CH 3 ) группами: два гош -конформера, в которых метильные группы находятся на расстоянии ±60° друг от друга и которые являются энантиомерами , и анти -конформер, в котором четыре углеродных центра копланарны, а заместители находятся на расстоянии 180° друг от друга (см. диаграмму свободной энергии бутана). Разница энергий между гош и анти составляет 0,9 ккал/моль, что связано с энергией деформации гош-конформера. Таким образом, анти-конформер является наиболее стабильным (≈ 0 ккал/моль). Три заслоненные конформации с двугранными углами 0°, 120° и 240° являются переходными состояниями между конформерами. [6] Обратите внимание, что две заслоненные конформации имеют разные энергии: при 0° заслонены две метильные группы, что приводит к более высокой энергии (≈ 5 ккал/моль), чем при 120°, где метильные группы заслонены водородами (≈ 3,5 ккал/моль). [10]
В то время как простые молекулы можно описать этими типами конформаций, более сложные молекулы требуют использования системы Клайна-Прелога для описания различных конформеров. [6]
Более конкретные примеры конформаций подробно описаны в другом месте:
Конформеры обычно существуют в динамическом равновесии [12]
На диаграмме, изображающей равновесное распределение двух конформеров при разных температурах, приведены три изотермы. 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 по сравнению с другим. Отрицательная разница в свободной энергии означает, что конформер взаимопревращается в термодинамически более стабильную конформацию, поэтому константа равновесия всегда будет больше 1. Например, Δ G° для превращения бутана из гош -конформера в анти -конформер составляет −0,47 ккал/моль при 298 К. [13] Это дает константу равновесия около 2,2 в пользу анти -конформера или смеси гош : анти -конформеров в соотношении 31:69 в равновесии. Наоборот, положительная разница в свободной энергии означает, что конформер уже более стабилен, поэтому взаимопревращение представляет собой неблагоприятное равновесие ( K < 1).
Распределение дробной популяции различных конформеров следует распределению Больцмана : [14]
Левая часть — доля конформера i в равновесной смеси M конформеров в термодинамическом равновесии. С правой стороны E k ( k = 1, 2, ..., M ) — энергия конформера k , R — молярная постоянная идеального газа (приблизительно равная 8,314 Дж/(моль·К) или 1,987 кал/(моль·К)), а T — абсолютная температура . Знаменатель правой части — это функция распределения.
Эффекты электростатических и стерических взаимодействий заместителей, а также орбитальные взаимодействия, такие как гиперконъюгация, отвечают за относительную стабильность конформеров и их переходных состояний. Вклад этих факторов варьируется в зависимости от природы заместителей и может вносить как положительный, так и 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 первую очередь стерическим взаимодействиям. [15] [16]
В случае циклических систем стерический эффект и вклад в свободную энергию можно аппроксимировать значениями A , которые измеряют разницу энергий, когда заместитель на циклогексане находится в аксиальном по сравнению с экваториальным положением. В больших (>14 атомов) кольцах существует много доступных низкоэнергетических конформаций, которые соответствуют свободной от напряжений алмазной решетке. [17]
Короткий временной масштаб взаимопревращения исключает разделение конформера в большинстве случаев. Атропоизомеры являются конформационными изомерами, которые могут быть разделены из-за ограниченного вращения. [18] Равновесие между конформационными изомерами можно наблюдать с помощью различных спектроскопических методов . [19]
Сворачивание белка также генерирует конформеры, которые можно наблюдать. Уравнение Карплуса связывает двугранный угол вицинальных протонов с их константами J-связывания , измеренными с помощью ЯМР. Уравнение помогает в выяснении сворачивания белка, а также конформаций других жестких алифатических молекул. [20] Боковые цепи белка демонстрируют ротамеры, распределение которых определяется их стерическим взаимодействием с различными конформациями остова. Этот эффект очевиден из статистического анализа конформаций боковых цепей белка в библиотеке ротамеров, зависящих от остова . [21]
Конформационную динамику можно отслеживать с помощью ЯМР- спектроскопии при переменной температуре. Метод применяется к барьерам 8–14 ккал/моль, и виды, демонстрирующие такую динамику, часто называются « флюксионными ». Например, в производных циклогексана два конформера кресла быстро взаимопревращаются при комнатной температуре. Переворот кольца происходит со скоростью приблизительно 10 5 переворотов кольца/сек, с общим энергетическим барьером 10 ккал/моль (42 кДж/моль). Этот барьер исключает разделение при температурах окружающей среды. [22] Однако при низких температурах ниже точки коалесценции можно напрямую отслеживать равновесие с помощью ЯМР-спектроскопии и с помощью динамической, зависящей от температуры ЯМР-спектроскопии — взаимопревращение барьера. [23]
Помимо ЯМР-спектроскопии, для измерения конформерных соотношений используется ИК-спектроскопия . Для аксиального и экваториального конформера бромциклогексана ν CBr отличается почти на 50 см −1 . [22]
Скорости реакции сильно зависят от конформации реагентов. Во многих случаях доминирующий продукт возникает в результате реакции менее распространенного конформера в силу принципа Кертина-Хаммета . Это типично для ситуаций, когда конформационное равновесие происходит намного быстрее, чем реакция с образованием продукта. Зависимость реакции от стереохимической ориентации, таким образом, обычно видна только в конфигурационном анализе , в котором конкретная конформация блокируется заместителями. Прогнозирование скоростей многих реакций, включающих переход между состояниями sp2 и sp3, такими как восстановление кетона, окисление спирта или нуклеофильное замещение, возможно, если учитывать все конформеры и их относительную стабильность, определяемую их напряжением . [24]
Одним из примеров, где ротамеры становятся значимыми, являются реакции элиминирования , которые включают одновременное удаление протона и уходящей группы из вицинальных или антиперипланарных положений под влиянием основания.
Механизм требует, чтобы отходящие атомы или группы следовали антипараллельным траекториям. Для субстратов с открытой цепью это геометрическое предварительное условие выполняется по крайней мере одним из трех смещенных конформеров. Однако для некоторых циклических субстратов, таких как циклогексан, антипараллельное расположение может быть недостижимо в зависимости от заместителей, которые могут устанавливать конформационный замок. [25] Соседние заместители на циклогексановом кольце могут достигать антиперипланарности только тогда, когда они занимают трансдиаксиальные положения (то есть оба находятся в аксиальном положении, один идет вверх, а другой идет вниз). [ необходима цитата ]
Одним из следствий этого анализа является то, что транс- 4- трет -бутилциклогексилхлорид не может легко элиминироваться, а вместо этого подвергается замещению (см. диаграмму ниже), поскольку наиболее стабильная конформация имеет объемную группу t -Bu в экваториальном положении, поэтому хлоридная группа не является антиперипланарной ни с одним вицинальным водородом (она гош по отношению ко всем четырем). Термодинамически невыгодная конформация имеет группу t -Bu в аксиальном положении, что выше по энергии более чем на 5 ккал/моль (см. значение A ). [26] В результате группа t -Bu «запирает» кольцо в конформации, где она находится в экваториальном положении, и наблюдается реакция замещения. С другой стороны, цис -4- трет -бутилциклогексилхлорид подвергается элиминированию, поскольку антиперипланарность Cl и H может быть достигнута, когда группа t -Bu находится в благоприятном экваториальном положении.
Отталкивание между аксиальной t -бутильной группой и атомами водорода в 1,3-диаксиальном положении настолько сильно, что циклогексановое кольцо вернется к конформации скрученной лодки . Напряжение в циклических структурах обычно характеризуется отклонениями от идеальных углов связи ( напряжение Байера ), идеальных углов кручения ( напряжение Питцера ) или трансаннулярных (Прелог) взаимодействий.
Конформеры алканов возникают из вращения вокруг sp 3 гибридизированных углерод-углеродных сигма-связей . Наименьший алкан с такой химической связью, этан , существует в виде бесконечного числа конформаций относительно вращения вокруг связи C–C. Две из них признаны формами с минимальным энергетическим значением ( затерянная конформация ) и максимальным энергетическим значением ( затменная конформация ). Существование определенных конформаций обусловлено затрудненным вращением вокруг сигма-связей, хотя роль гиперконъюгации предлагается конкурирующей теорией. [ необходима цитата ]
Важность энергетических минимумов и энергетических максимумов видна при расширении этих концепций на более сложные молекулы, для которых стабильные конформации могут быть предсказаны как формы с минимальной энергией. Определение стабильных конформаций также сыграло большую роль в установлении концепции асимметричной индукции и способности предсказывать стереохимию реакций, контролируемых стерическими эффектами. [ необходима цитата ]
В примере с заторможенным этаном в проекции Ньюмена атом водорода на одном атоме углерода имеет 60° торсионный угол или угол кручения [27] относительно ближайшего атома водорода на другом углероде, так что стерические помехи сведены к минимуму. Заторможенная конформация более стабильна на 12,5 кДж / моль , чем заслоненная конформация, которая является максимумом энергии для этана. В заслоненной конформации торсионный угол минимизирован.
В бутане две смещенные конформации больше не эквивалентны и представляют собой два различных конформера: анти-конформацию (крайняя левая, внизу) и гош-конформацию (крайняя правая, внизу).
Обе конформации свободны от торсионной деформации, но в гош-конформации две метильные группы находятся ближе друг к другу, чем сумма их радиусов Ван-дер-Ваальса. Взаимодействие между двумя метильными группами является отталкивающим ( деформация Ван-дер-Ваальса ), и возникает энергетический барьер .
Мера потенциальной энергии, запасенной в конформерах бутана с большими стерическими препятствиями, чем основное состояние «анти»-конформера, определяется следующими значениями: [28]
Затененные метильные группы создают большее стерическое напряжение из-за большей электронной плотности по сравнению с отдельными атомами водорода .
Учебное объяснение существования максимума энергии для заслоненной конформации в этане — стерическое препятствие , но при длине связи CC 154 пм и радиусе Ван-дер-Ваальса для водорода 120 пм атомы водорода в этане никогда не мешают друг другу. Вопрос о том, ответственны ли стерические препятствия за заслоненный максимум энергии, является предметом дебатов и по сей день. Одна из альтернатив объяснению стерических препятствий основана на гиперконъюгации , проанализированной в рамках естественной орбитальной связи. [29] [30] [31] В заторможенной конформации одна сигма- связывающая орбиталь CH отдает электронную плотность антисвязывающей орбитали другой связи CH. Энергетическая стабилизация этого эффекта максимальна, когда две орбитали имеют максимальное перекрытие, происходящее в заторможенной конформации. В заторможенной конформации перекрытия нет, что приводит к неблагоприятному максимуму энергии. С другой стороны, анализ в рамках количественной теории молекулярных орбиталей показывает, что 2-орбитальные-4-электронные (стерические) отталкивания доминируют над гиперконъюгацией. [32] Исследование теории валентных связей также подчеркивает важность стерических эффектов. [33]
Наименование алканов согласно стандартам, перечисленным в Золотой книге ИЮПАК, осуществляется в соответствии с системой Клайна-Прелога для указания углов (называемых либо торсионными, либо двугранными углами ) между заместителями вокруг одинарной связи: [27]
Деформация кручения или «деформация Питцера» относится к сопротивлению скручиванию вокруг связи.
В н -пентане концевые метильные группы испытывают дополнительную интерференцию пентана . [ необходима ссылка ]
Замена водорода на фтор в политетрафторэтилене изменяет стереохимию с зигзагообразной геометрии на спиральную из -за электростатического отталкивания атомов фтора в позициях 1,3. Доказательства спиральной структуры в кристаллическом состоянии получены из рентгеновской кристаллографии и из ЯМР-спектроскопии и кругового дихроизма в растворе. [35]