Lassen Sie uns zunächst über Konformationen sprechen. Diese, auch Konformer oder Konformationsisomere genannt, sind unterschiedliche Anordnungen von Atomen, die durch Rotation um Einfachbindungen entstehen. Im folgenden Molekül können wir zum Beispiel eine andere Anordnung der Atome erhalten, indem wir um die mittlere σ-Bindung rotieren:
Meistens treten diese Rotationen bei Raumtemperatur sehr schnell auf, weshalb die Konformationen nicht als unterschiedliche Verbindungen betrachtet werden. Nur weil die Strukturen unterschiedlich aussehen, heißt das noch lange nicht, dass es sich um unterschiedliche Verbindungen handelt:
Eine Verbindung ist dann unterschiedlich, wenn die Atome unterschiedlich miteinander verbunden sind (Konstitutionsisomere) oder wenn es nicht möglich ist, zwischen verschiedenen Anordnungen von Atomen durch Drehungen um Einfachbindungen zu wechseln. Gute Beispiele sind cis- und trans-Isomere, e- und z-Isomere, die als Diastereomere gelten – eine Klasse von Stereoisomeren. Ja, es wird ein bisschen überwältigend, aber lassen Sie uns für den Moment Konformationen und Newman-Projektionen behandeln.
Konformationen können durch Bond-Line (Zick-Zack), Sawhorse- oder Newman-Projektionen dargestellt werden:
Wir haben schon viel über Bond-Line-Strukturen und die Umwandlung zwischen Lewis- und Bond-Line-Strukturen geübt: Bond-line, Lewis and Condensed Structures with Practice Problems
Newman Projections
Wir haben gesagt, dass Konformationen verschiedene Formen einer Verbindung sind, die durch eine Rotation um eine einzelne (Sigma-)Bindung entstehen. Manchmal erhält man eine bessere Sicht auf diese Drehung und die sich bildenden Konformationen, wenn man durch die Sigma-Bindung hindurch schaut. Dies nennen wir eine Newman-Projektion.
Eine Newman-Projektion ist eine Darstellung des Moleküls, die durch eine C-C-Einfachbindung betrachtet wird.
Für jede Newman-Projektion müssen Sie die Bindung und die Richtung angeben, auf die Sie schauen. Für unser Molekül können wir zum Beispiel durch die C1-C2-Bindung schauen (obwohl es durch jede beliebige Bindung sein kann).
Die Richtung wird normalerweise mit einem Augensymbol dargestellt:
Wenn wir also in dieser Dose von links oben schauen, ist der Kohlenstoff vorne der Kohlenstoff 1 und dahinter der Kohlenstoff 2. Die entsprechende Newman-Projektion würde wie folgt aussehen:
Der Kreis ist ein imaginäres Objekt, das zwischen die beiden Kohlenstoffe gesetzt wird, so dass die Gruppen auf jedem Kohlenstoff in der Newman-Projektion deutlich zu erkennen sind.
Das war nicht so klar, oder?
Wie sind die Gruppen dort erschienen, wo sie in der Newman-Projektion sind?
Nun, ersetzen wir das einfache Augensymbol durch diesen Kerl. Und der Grund dafür ist, dass es wichtig ist zu sehen, welche Gruppen wohin zeigen, d.h. nach oben, nach unten, nach oben links, nach oben rechts usw.
Hier kann man sehen, dass Cl oben rechts ist (der rechten Hand zugewandt), H ist oben links (linke Hand) und Methyl zeigt gerade nach unten. Und das ist alles, was es zum ersten Kohlenstoff gibt:
Am zweiten Kohlenstoff haben wir ein OH, das gerade nach oben zeigt, ein Br unten links und ein H unten rechts. Viel besser als das Auge sollte es sein.
Ein Molekül kann mehrere Newman-Projektionen haben
Wie bereits erwähnt, müssen zum Zeichnen einer Newman-Projektion eines Moleküls die Bindung und der Winkel des Betrachters angegeben werden. Je nach Blickwinkel können die Newman-Projektionen eines bestimmten Moleküls völlig unterschiedlich aussehen. Wenn wir zum Beispiel von unten links durch die C1-C2-Bindung des vorherigen Moleküls blicken, erhalten wir folgendes Bild:
Diese beiden Newman-Projektionen stellen dieselbe Verbindung dar, was wir bestätigen können, indem wir eine von ihnen um 180o um eine Achse drehen:
Beachte auch, dass das Schablonenmuster für die beiden Newman-Projektionen unterschiedlich ist. Bei der ersten hat der vordere Kohlenstoff die Form eines „Y“, während er bei der zweiten ein auf den Kopf gestelltes „Y“ ist. Man kann sie auch als „vorne-oben“, „hinten-unten“ und „vorne-unten-hinten-oben“ bezeichnen.
Das hängt einfach vom Zick-Zack-Muster ab, und wenn du dir vorstellst, ein Modell mit offenen Armen statt mit einem einfachen Auge zu platzieren, wird es dir viel leichter fallen, das richtige Muster zu finden.
Eine Sache, die man sich hier merken sollte, ist, dass es keine Korrelation gibt, dass eine Keilgruppe auf dem Zickzack immer rechts ist, oder eine Strichgruppe links, usw. Und das ist ein häufiges Verwirrungsmuster, wenn man gerade erst die Newman-Projektion lernt.
Denken Sie einmal so: Nur weil der Schwanz des Hundes rechts ist, heißt das nicht, dass diese Aussage immer richtig ist. Es kommt darauf an, aus welcher Richtung du den Hund betrachtest:
Die Praxis ist der einzige Weg, dieses und die meisten Konzepte in der organischen Chemie zu umgehen. Nimm einfach ein Blatt Papier und zeichne, was du kannst, so viel du kannst – denke nicht zu viel nach, ohne etwas zu zeichnen. Wenn etwas falsch ist, kannst du es korrigieren, aber wenn du nichts zeichnest, wirst du nicht wissen, woran du arbeiten musst.
Staggered and Eclipsed Conformations – Dihedral Angle
Lassen Sie uns unser Molekül nehmen und eine 180o Drehung des ersten Kohlenstoffs um die C1-C2 Bindung machen:
Und nun zeichnen wir die Newman-Projektion immer noch von oben links:
Wir stellen fest, dass alle Gruppen am hinteren Kohlenstoff genau hinter denen am vorderen Kohlenstoff liegen. Sie sind alle aneinander ausgerichtet. Dies wird als Eclipsed-Konformation (Mondfinsternis) bezeichnet.
Mit anderen Worten: Der Winkel zwischen den einzelnen Eclipsing-Gruppen ist 0o. Der Winkel zwischen diesen Gruppen wird als Flächenwinkel bezeichnet.
Beachte, dass der Flächenwinkel in allen Newman-Projektionen, die wir vorher gemacht haben, 60o war. Er hat die Gruppen an jedem Kohlenstoff halbiert. Alle diese Konformationen waren gestaffelte Konformationen – der Flächenwinkel zwischen allen vorderen und hinteren Gruppen beträgt 60o:
Staffelkonformationen sind stabiler als die verfinsterten Konformationen, da Atome den Raum lieben und die Konformation umso instabiler wird, je näher sie sich kommen.
Abhängig vom Flächenwinkel zwischen den beiden größeren Gruppen kann die gestaffelte Konformation Anti (180o) oder Gauche (60o) sein.
Ein gutes Beispiel ist Butan:
Unten ist das Energiediagramm aller gestaffelten und verfinsterten Konformationen von Butan. Um zu verstehen, wie die Umwandlung von einer Konformation zur anderen erfolgt, stellen Sie sich vor, Sie halten das vordere Kohlenstoffatom fest und drehen das hintere Kohlenstoffatom um 60o. In Wirklichkeit drehen sich natürlich beide, und wir tun dies nur, um es leichter zu veranschaulichen. Man könnte auch das hintere Kohlenstoffatom festhalten und das vordere Kohlenstoffatom drehen:
Je näher man die großen Methylgruppen zusammenbringt, desto instabiler wird die Konformation. Oder, was dasselbe ist, je größer der Abstand zwischen den großen Gruppen, desto stabiler ist die Konformation.
Auch je größer die Gruppen sind, desto instabiler sind die eclipsed und gauche Konformationen.
Beachten Sie, dass jede gestaffelte Konformation stabiler ist als die stabilste eclipsed-Konformation und gauche-Konformationen weniger stabil sind als die Antikonformationen.
Sie können mehr über die Energien lesen, die mit verschiedenen Konformationen verbunden sind, die als Torsions- und sterische Belastung im nächsten Beitrag beschrieben werden.