Především si povíme něco o konformacích. Ty, označované také jako konformery nebo konformační izomery, jsou různá uspořádání atomů, která vznikají v důsledku rotace kolem jednotlivých vazeb. Například v následující molekule můžeme mít různé uspořádání atomů rotací kolem prostřední vazby σ:
Nejčastěji tyto rotace probíhají velmi rychle při pokojové teplotě, proto se konformace nepovažují za různé sloučeniny. Prozatím si tedy zapamatujte, že to, že struktury vypadají jinak, neznamená, že představují různé sloučeniny:
Různou sloučeninou se stává tehdy, když jsou atomy různě spojeny (konstituční izomery) nebo není možné převádět mezi různými uspořádáními atomů pomocí rotací kolem jednoduchých vazeb. Dobrým příkladem jsou cis a trans izomery, izomery e a z, které jsou považovány za diastereomery – třídu stereoizomerů. Ano, začíná to být trochu zahlcující, ale prozatím se věnujme konformacím a Newmanovým projekcím.
Konformace lze zobrazit pomocí Bond-line (cik-cak), Sawhorse nebo Newmanových projekcí:
Předtím jsme si hodně procvičovali struktury na Bond-line a převody mezi Lewisovými a bond-line strukturami: Řekli jsme si, že konformace jsou různé formy sloučeniny vznikající rotací kolem jediné (sigma) vazby. Někdy se lepší pohled na tuto rotaci a vznikající konformace získá při pohledu přes vazbu sigma. A tomu říkáme Newmanova projekce.
Newmanova projekce je zobrazení molekuly při pohledu přes jednoduchou vazbu C-C.
Pro každou Newmanovu projekci musíte určit vazbu a směr, kterým se díváte. Například pro naši molekulu se můžeme dívat přes vazbu C1-C2 (i když to může být přes jakoukoli vazbu).
Směr se obvykle znázorňuje symbolem oka:
Takže v této plechovce, pokud se díváme z levého horního rohu, a uhlík vpředu bude uhlík 1 a za ním máme uhlík 2. V případě, že se díváme přes vazbu C1-C2, můžeme se dívat přes vazbu C1-C2. Odpovídající Newmanova projekce by vypadala takto:
Kruh je imaginární objekt, který je vložen mezi dva uhlíky, aby byly skupiny na každém uhlíku v Newmanově projekci jasně identifikovány.
To nebylo tak jasné, že?“
Jak se skupiny objevily tam, kde jsou v Newmanově projekci?“
No, nahraďme jednoduchý symbol oka tímto kolegou. A to z toho důvodu, že je důležité vidět, které skupiny kam směřují, tj. nahoru, dolů, vlevo nahoře, vpravo nahoře atd.
Tady vidíte, že Cl je vpravo nahoře (směřuje k pravé ruce), H je vlevo nahoře (levá ruka) a metyl směřuje přímo dolů. A to je vše, co se týká prvního uhlíku:
Na druhém uhlíku máme OH směřující přímo nahoru, Br vlevo dole a H vpravo dole. Mnohem lépe než okem by to mělo být.
Molekula může mít více Newmanových projekcí
Jak již bylo zmíněno, pro nakreslení Newmanovy projekce molekuly musí být dána vazba a úhel pohledu. V závislosti na úhlu mohou Newmanovy projekce dané molekuly vypadat zcela odlišně. Kdybychom se například dívali přes vazbu C1-C2 předchozí molekuly, a to z levého dolního rohu, dostali bychom toto:
Tyto dvě Newmanovy projekce představují stejnou sloučeninu, což můžeme potvrdit překlopením jedné z nich o 180o přes osu:
Všimněte si také, že vzor šablony pro obě Newmanovy projekce je jiný. V prvním z nich má přední uhlík tvar „Y“, zatímco ve druhém je to obrácené „Y“. Nebo jim také můžeme říkat přední-nahoru, zadní-dolů a přední-dolů-zadní nahoru.
To jednoduše záleží na klikatém vzoru, a pokud si místo prostého oka představíte umístění modelu s otevřenými rameny, mnohem snáze získáte správný vzor.
Takže jedna věc, kterou je třeba si zde zapamatovat, je, že neexistuje žádná korelace, pokud jde o to, že klínovitá skupina na cik-cak je vždy vpravo, nebo pomlčková skupina je vlevo atd. A to je častý vzorec záměny, když se právě učíte Newmanovu projekci.
Přemýšlejte o tom takto – To, že je psí ocas vpravo, neznamená, že je to vždy správné tvrzení. Záleží na tom, jakým směrem se na psa díváte:
Cvičení je jediný způsob, jak tento a většinu pojmů v organické chemii obejít. Prostě si vezměte papír a kreslete, co se dá – moc nepřemýšlejte, aniž byste něco nakreslili. Pokud je něco špatně, můžete to opravit, ale pokud nic nenakreslíte, nebudete vědět, na čem je třeba zapracovat.
Staggered and Eclipsed Conformations – Dihedral Angle
Vezměme naši molekulu a proveďme otočení prvního uhlíku o 180o kolem vazby C1-C2:
A nyní nakresleme Newmanovu projekci stále při pohledu shora doleva:
Všimneme si, že všechny skupiny na zadním uhlíku jsou přesně za skupinami na předním uhlíku. Všechny jsou zarovnané. Tomu se říká zatmělá konformace (měsíční zatmění).
Jinými slovy, úhel mezi jednotlivými zatmělými skupinami je 0o. Úhel mezi těmito skupinami se nazývá dihedrální úhel.
Všimněte si, že dihedrální úhel ve všech Newmanových projekcích, které jsme provedli dříve, byl 60o. Byl to dvojúhelník skupin na každém uhlíku. Všechny tyto konformace byly rozložené konformace – dihedrální úhel mezi všemi předními a zadními skupinami je 60o:
Rozložené konformace jsou stabilnější než zastíněné konformace, protože atomy mají rády prostor a čím blíže jsou k sobě, tím je konformace nestabilnější.
V závislosti na dihedrálním úhlu mezi dvěma většími skupinami může být rozložená konformace Anti (180o) nebo Gauche (60o).
Dobrým příkladem je butan:
Níže je energetický diagram všech rozložených a zatmělých konformací butanu. Abychom pochopili, jak dochází k přeměně z konformace na jinou, představme si, že přední uhlík držíme v klidu a zadní uhlík otočíme o 60o. Ve skutečnosti se samozřejmě otáčejí oba a my to děláme pouze pro snazší představu. Zadní uhlík můžete také držet v klidu a přední uhlík otáčet:
Čím blíže k sobě umístíte velké methylové skupiny, tím je konformace nestabilnější. Nebo, což je totéž, čím větší vzdálenost mezi velkými skupinami, tím je konformace stabilnější.
Také čím větší skupiny, tím nestabilnější jsou konformace eclipsed a gauche.
Všimněte si, že jakákoli rozložená konformace je stabilnější než nejstabilnější zatmělá konformace a gauche konformace jsou méně stabilní než antikonformace.
V dalším příspěvku si můžete přečíst více o energiích spojených s různými konformacemi popsanými jako torzní a sterická deformace.
.