Lad os først tale om konformationer. Disse, som også kaldes konformer eller konformationsisomerer, er forskellige anordninger af atomer, der opstår som følge af rotation om enkeltbindinger. I følgende molekyle kan vi f.eks. få en anden anordning af atomer ved at rotere omkring den midterste σ-binding:
Som oftest sker disse rotationer meget hurtigt ved stuetemperatur, hvorfor konformationerne ikke betragtes som forskellige forbindelser. Så husk indtil videre, at bare fordi strukturerne ser forskellige ud, betyder det ikke, at de repræsenterer forskellige forbindelser:
Det bliver en anden forbindelse, når atomerne er forbundet forskelligt (konstitutionelle isomerer), eller det ikke er muligt at konvertere mellem de forskellige atomarrangementer ved rotationer omkring enkeltbindinger. Gode eksempler er cis- og transisomerer, e og z-isomerer, som betragtes som diastereomerer – en klasse af stereoisomerer. Ja, det bliver lidt overvældende, men lad os for nu beskæftige os med konformationer og Newman-projektioner.
Konformationer kan vises ved Bond-line (zig-zag), Sawhorse eller Newman-projektioner:
Vi har tidligere øvet os en del på Bond-line strukturer og konvertering mellem Lewis- og Bond-line strukturer: Bond-line, Lewis and Condensed Structures with Practice Problems
Newman Projections
Vi sagde, at konformationer er forskellige former af en forbindelse, der opstår ved en rotation omkring en enkelt (sigma) binding. Nogle gange får man et bedre perspektiv på denne rotation og de dannende konformationer, når man ser gennem sigma-bindingen. Og det er det, vi kalder en Newman-projektion.
En Newman-projektion er en repræsentation af molekylet, når man ser gennem en enkelt C-C-binding.
For hver Newman-projektion skal man angive bindingen og den retning, man ser på. For vores molekyle kan vi f.eks. se gennem C1-C2-bindingen (selv om det kan være gennem en hvilken som helst binding).
Retningen vises normalt med et øjesymbol:
Så, i denne dåse, hvis vi ser fra øverst til venstre, og kulstoffet foran vil være kulstof 1 og bagved det har vi kulstof 2. Den tilsvarende Newman-projektion ville se således ud:
Cirklen er et imaginært objekt, der er sat ind mellem de to kulbrinter, så grupperne på hvert kulstof er tydeligt identificeret i Newman-projektionen.
Det var ikke så tydeligt, vel?
Hvordan kom grupperne frem, hvor de er i Newman-projektionen!
Jamen, lad os erstatte det simple øjesymbol med denne fyr. Og grunden til dette er, at det er vigtigt at se, hvilke grupper der peger hvorhen, dvs. opad, nedad, øverst til venstre, øverst til højre osv.
Her kan du se, at Cl er øverst til højre (vender mod højre hånd), H er øverst til venstre (venstre hånd), og methyl peger lige nedad. Og det er alt, hvad der er på det første kulstof:
På det andet kulstof har vi et OH, der peger lige opad, et Br nederst til venstre og et H nederst til højre. Meget bedre end øjet, skulle det være.
Et molekyle kan have flere Newman-projektioner
Som tidligere nævnt skal man for at tegne en Newman-projektion af et molekyle angive bindingen, og betragterens vinkel. Afhængigt af vinklen kan Newman-projektionerne af et givet molekyle se helt anderledes ud. Hvis vi f.eks. kigger gennem C1-C2-bindingen i det foregående molekyle, fra nederst til venstre, ville vi få dette:
Disse to Newman-projektioner repræsenterer den samme forbindelse, hvilket vi kan bekræfte ved at vende den ene af dem 180o gennem en akse:
Bemærk også, at skabelonmønstret for de to Newman-projektioner er forskelligt. I den første har det forreste karbon, har “Y”-form, mens det i den anden er et omvendt “Y”. Eller vi kan også kalde dem front-up, back-down og front-down-back-up.
Dette afhænger simpelthen af zig-zag mønsteret, og hvis du visualiserer at placere en model med åbne arme i stedet for et simpelt øje, vil du gøre det meget lettere at få det korrekte mønster.
Så en ting man skal huske her er, at der ikke er nogen korrelation med hensyn til at en kile gruppe på zig-zag altid er til højre, eller en streg gruppe er til venstre, osv. Og dette er et almindeligt forvirringsmønster, når man lige er ved at lære Newman-projektionen.
Tænk på det sådan her – Bare fordi hundens hale er til højre, betyder det ikke, at det altid er et korrekt udsagn. Det afhænger af, hvilken retning du ser på hunden:
Praksis er den eneste måde at komme rundt om dette og de fleste begreber i organisk kemi. Du skal blot tage et papir og tegne det du kan så meget du kan – du skal ikke tænke for meget uden at tegne noget. Hvis der er noget galt, kan du rette det, men hvis du ikke tegner noget, ved du ikke, hvad det er, du skal arbejde på.
Stagered and Eclipsed Conformations – Dihedral Angle
Lad os tage vores molekyle og lave en 180o rotation af det første kulstof omkring C1-C2-bindingen:
Og lad os nu tegne Newman-projektionen, hvor vi stadig ser fra øverste venstre side:
Det vi bemærker er, at alle grupperne på det bageste kulstof er præcis bagved dem på det forreste kulstof. De er alle på linje med hinanden. Dette kaldes Eclipsed konformation (måneformørkelse).
Med andre ord er vinklen mellem hver formørkelsesgruppe 0o. Vinklen mellem disse grupper kaldes dihedralvinkel.
Bemærk, at dihedralvinklen i alle de Newman-projektioner, vi lavede før, var 60o. Den var halvdelen af grupperne på hvert kulstof. Alle disse konformationer var forskudte konformationer – dihedralvinklen mellem alle de forreste og bageste grupper er 60o:
Forskudte konformationer er mere stabile end de formørkede konformationer, da atomer kan lide plads, og jo tættere de kommer på hinanden, jo mere ustabil bliver konformationen.
Afhængigt af dihedralvinklen mellem de to større grupper kan den forskudte konformation være Anti (180o) eller Gauche (60o).
Et godt eksempel er butan:
Nedenfor ses energidiagrammet for alle de forskudte og formørkede konformationer af butan. For at forstå, hvordan omdannelsen fra konformation til en anden sker, kan man forestille sig, at man holder det forreste kulstof fast og roterer det bageste kulstof med 60o. I virkeligheden roterer de naturligvis begge to, og vi gør det kun for at gøre det lettere at visualisere. Man kunne også holde det bageste kulstof fast og rotere det forreste kulstof:
Jo tættere man sætter de store methylgrupper, jo mere ustabil bliver konformationen. Eller, hvilket er det samme som at sige, jo større afstand mellem de store grupper, jo mere stabil bliver konformationen.
Og jo større grupperne er, jo mere ustabile er de formørkede og gauche-konformationer.
Bemærk, at enhver forskudt konformation er mere stabil end den mest stabile eclipsed konformation og gauche konformationer er mindre stabile end anti konformationer.
Du kan læse mere om energierne forbundet med forskellige konformationer beskrevet som Torsional og Steric strain i næste indlæg.
Du kan læse mere om energierne forbundet med forskellige konformationer beskrevet som Torsional og Steric strain i næste indlæg.