6.3: Конформація бутану

Last updated
Save as PDF

Page ID: 28282

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

У випадку з етаном конформаційні зміни дуже тонкі, але в інших вони більш очевидні. Бутан (CH ₃ CH _{2 CH ₂} CH ₃) має чотири чотиригранних вуглецю і три вуглецево-вуглецеві зв'язки, що з'єднують їх між собою. Давайте пронумеруємо вуглеці уздовж ланцюга C1, C2, C3 і C4. Обертання навколо зв'язків C-C, з'єднаних з кінцевими вуглецями - C1-C2 і C3-C4 - очевидні лише тонкі зміни форми. Однак обертання навколо C2-C3 виробляє деякі досить очевидні зміни форми.

Зверніть увагу на те, де дві метильні групи по відношенню один до одного. Якщо назвати C1-C2-C3-C4 двогранним кутом, то при 0 градусах молекула знаходиться в затемненій конформації, очевидної при погляді на проекцію Ньюмена. Подивившись з інших точок огляду, молекула згорнулася у форму літери С.

Кульково-паликова модель бутану в затемненій конформації. Термінальні метильні групи переповнені близько один до одного. — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Кульова модель бутану. C-форма, яку вона приймає тут, називається «найменш стабільною затемненою» конформацією.

Перейдіть до анімації CA3.1. Тривимірна модель бутану в затемненій конформації.

Ньюмана проекція бутану в затемненій конформації. Двогранний кут між кінцевими метильними групами дорівнює 0 градусів. — Малюнок\(\PageIndex{2}\): Ньюмана проекція бутану в «найменш стабільній затемненій» конформації.

«Найменш стабільна затемнена» конформація описується таким чином, оскільки є дві різні затемнені конформації; незабаром ми побачимо іншу. З двох затемнених конформацій ця менш стабільна, ніж інша. У затемненій конформації зв'язки, що виходять від двох сусідніх атомів, вишикуються один з одним. Двогранний кут між цими зв'язками — зв'язком С1-С2 та зв'язком С3-С4 у випадку найменш стабільної затемненої конформації бутану — дорівнює 0°. Ця ситуація вводить деформацію кручення. В результаті жодна з цих затемнених конформацій не дуже стійка.

При 60 градусах молекула вже не затьмарюється, і так само, як у етану енергія трохи нижче, але загальна форма при погляді збоку все ще є свого роду скрученою С. Ця форма є однією з двох можливих шахових конформацій, в яких немає деформації кручення.

Кульково-паликова модель бутану в конформації гоше. Кінцеві метильні групи примикають один до одного, але не безпосередньо в лінії. — Малюнок\(\PageIndex{3}\): Кульова модель бутану. Ця форма називається «конформацією гош».

Перейдіть до анімації CA3.2. Тривимірна модель бутану в конформації гоша.

Ньюмана проекція бутану в конформації Гош, з двогранним кутом між кінцевими метильними групами 60 градусів. — Малюнок\(\PageIndex{4}\): Ньюмана проекція бутану в конформації «гош».

При 120 градусах молекула знову затьмарюється, але з боку вона тепер скручена майже в форму, як буква Z. вона явно відрізняється від інших затемнених конформацій. Цей трохи стабільніший, ніж інша затемнена конформація, з причин, на які ми незабаром розглянемо. Його називають «більш стійкою затемненою конформацією».

Модель кульки та палиці в затемненій конформації. Метильна група спереду знаходиться на одній лінії з заднім воднем. — Малюнок\(\PageIndex{5}\): Кульова модель бутану. Цю форму називають «більш стійкою затемненою конформацією».

Перейдіть до анімації CA3.3. Тривимірна модель бутану в затемненій конформації.

Ньюмана проекція бутану з двогранним кутом між двома кінцевими метильними групами 120 градусів. — Малюнок\(\PageIndex{6}\): Ньюмана проекція бутану в «більш стабільній затемненій» конформації.

При 180 градусах молекула знову розташована в шаховому порядку і осіла в правильну зигзагоподібну форму букви Z. Там немає деформації кручення, тому це одна з більш стабільних форм, яку може прийняти молекула. Однак це не така ж форма, як інший шаховий конформер (той, який ми називали «gauche»). Цей називається «анти» конформер.

Кульково-паликова модель бутану в анти конформації. — Малюнок\(\PageIndex{7}\): Кульова модель бутану. Ця форма називається «анти» конформацією.

Перейдіть до анімації CA3.4. Тривимірна модель бутану в анти конформері.

Ньюмана проекція бутану в анти конформації. Двогранний кут між кінцевими метильними групами становить 180 градусів. — Малюнок\(\PageIndex{8}\): Ньюмана проекція бутану в «анти» конформації.

Ці конформації бутану дійсно досить різні. Яку форму воліла б молекула? З того, що ми дізналися про етане, ми могли б, ймовірно, виключити затемнені конформації. Кожен з них мав би 3 ккал/моль торсіонного штаму.

Однак є ще один фактор, який дестабілізує початкову конформацію при 0 градусах, на користь Z-подібної з метильними групами на 180 градусів один від одного. Цей фактор називається «стериками», і він посилається на ідею, що молекули або частини молекул займають простір, і тому дві частини бутану не можуть займати одне і те ж місце одночасно. Простіше кажучи, стерики відносяться до скупченості. Коли дві метильні групи в бутані занадто близько один до одного, вони занадто переповнені, і вони мають більш високу енергію. Коли вони розбираються далі, скупчення стихає і енергія в молекулі знижується.

Торсіонна деформація змушує зв'язки на сусідніх вуглець бути в шаховому порядку.
Стеричний штам змушує групи подалі один від одного, щоб полегшити скупченість.
Торсіон і стерики сприяють енергії деформації.
Штам може бути звільнений, отримуючи молекулу в більш низьку енергетичну конформацію.

Для бутану це означає, що ці дві метильні групи подалі один від одного і утримання зв'язків в шаховому порядку.

Існує деякий додатковий жаргон, який використовується для опису цих конформацій бутану:

У анти конформер найбільші групи знаходяться на 180 ⁰ один від одного.
У конформері Gauche зв'язки розташовані в шаховому порядку, але найбільші групи мають 60 ⁰ один від одного.

Через різних стеричних взаємодій найбільш стабільним конформер є анти конформер. Другий за стабільністю конформер - це конформер Gauche. Інші форми, які ми розглянули, дві затемнені конформації, зовсім не дуже стабільні. При кімнатній температурі пляшка бутанового газу має достатньо енергії, щоб окремі молекули могли дозволити своїм зв'язкам обертатися, відбираючи різні форми. Однак у будь-який момент часу більшість молекул будуть знайдені в анти конформер, тому що кожна з цих молекул буде проводити більшу частину свого часу в найбільш стабільній конформації. Деякі молекули будуть знайдені в конформері Гош, оскільки це друга за стабільністю конформація. Жодна з молекул не буде знайдена в затемнених конформаціях, оскільки це точки максимальної енергії. Молекули мають достатньо енергії, щоб трохи розгойдуватися вперед і назад, і іноді вони не обертаються весь шлях через затемнену конформацію, але вони не зупиняться на досягнутому. Натомість вони продовжуватимуть обертатися, поки не дістануться до іншого шахового конформера.

Молекула бутану проводить більшу частину свого часу в анти-конформері.
Молекула бутану проводить частину свого часу в конформері Гош.
Молекула бутану майже не проводить свого часу в затемнених конформаціях.

Зверніть увагу, що у нас є два дуже схожі слова: конформація та конформер. Вони пов'язані, але не одне і те ж.

Конформація - це будь-яка форма, яку може прийняти молекула.
Конформатор - це конформація, яка є досить стабільною, щоб молекула могла прийняти протягом значної кількості часу.

Вправа\(\PageIndex{1}\)

Намалюйте проекції Ньюмена наступних з'єднань у гауш та анти конформації.

1,2-дихлоретан (\(\ce{ClCH2CH2Cl}\))
1,2-бутандіол (\(\ce{CH3CH2CH(OH)CH2OH}\))
2-хлоретиламін (\(\ce{ClCH2CH2NH2}\))

Відповідь

Фотографії моделей, отриманих за допомогою Spartan 14 від Wavefunction, Inc., Ірвін, Каліфорнія.