Beszéljünk először a konformációkról. Ezek, más néven konformerek vagy konformációs izomerek, az atomok különböző elrendeződései, amelyek az egyes kötések körüli forgás eredményeként jönnek létre. Például az alábbi molekulában a középső σ kötés körüli forgatással az atomok eltérő elrendeződését érhetjük el:
A legtöbbször ezek a forgások szobahőmérsékleten nagyon gyorsan végbemennek, ezért a konformációkat nem tekintjük különböző vegyületeknek. Tehát egyelőre ne feledjük, hogy attól, hogy a szerkezetek különbözőnek tűnnek, még nem jelenti azt, hogy különböző vegyületeket képviselnek:
Egy vegyület akkor válik különbözővé, ha az atomok másképp kapcsolódnak egymáshoz (konstitúciós izomerek), vagy ha az atomok különböző elrendezései között nem lehet átváltani az egyszerű kötések körüli forgásokkal. Jó példa erre a cisz- és transz-izomerek, az e és z izomerek, amelyeket diasztereomereknek – a sztereoizomerek egy osztályának – tekintünk. Igen, ez egy kicsit túlterhelő, de egyelőre foglalkozzunk a konformációkkal és a Newman-projekciókkal.
A konformációkat Bond-vonal (cikk-cakk), Sawhorse vagy Newman-projekciókkal lehet ábrázolni:
Korábban sokat gyakoroltuk a Bond-vonal szerkezeteket és a Lewis és a Bond-vonal szerkezetek közötti átalakítást: Bond-line, Lewis and Condensed Structures with Practice Problems
Newman Projections
Mondtuk, hogy a konformációk egy vegyület különböző formái, amelyek egyetlen (szigma) kötés körüli forgáson keresztül keletkeznek. Néha jobb rálátást kapunk erre a forgásra és a kialakuló konformációkra, ha a szigma kötésen keresztül nézzük. És ezt nevezzük Newman-projekciónak.
A Newman-projekció a molekula ábrázolása egy egyszerű C-C kötésen keresztül nézve.
Minden Newman-projekcióhoz meg kell adnunk a kötést és a nézési irányt. Például a mi molekulánk esetében a C1-C2 kötésen keresztül nézhetünk (bár bármelyik kötésen keresztül is).
Az irányt általában egy szem szimbólummal jelölik:
Szóval, ebben a konzervdobozban, ha balra fentről nézzük, és az elöl lévő szén lesz az 1-es szén, mögötte pedig a 2-es szén. A megfelelő Newman-projekció így nézne ki:
A kör egy képzeletbeli tárgy, amit a két szén közé teszünk, hogy a Newman-projekcióban az egyes széneken lévő csoportok egyértelműen azonosíthatók legyenek.
Ez nem volt olyan egyértelmű, ugye?
Hogyan jelentek meg a csoportok ott, ahol a Newman-projekcióban vannak?
Nos, cseréljük ki az egyszerű szem szimbólumot erre a fickóra. És ennek az az oka, hogy fontos látni, hogy melyik csoport hova mutat, azaz felfelé, lefelé, balra fent, jobbra fent, stb.
Itt láthatjuk, hogy Cl jobbra fent van (jobb kéz felé néz), H balra fent van (bal kéz felé), a metil pedig egyenesen lefelé mutat. És ez minden, ami az első szénen van:
A második szénen van egy OH, ami egyenesen felfelé mutat, egy Br a bal alsó sarokban, és egy H a jobb alsó sarokban. Sokkal jobbnak kell lennie, mint a szemnek.
Egy molekulának több Newman-projekciója is lehet
Mint már említettük, egy molekula Newman-projekciójának megrajzolásához meg kell adni a kötést, és a szemszöget. A szögtől függően egy adott molekula Newman-projekciói teljesen másképp nézhetnek ki. Ha például az előző molekula C1-C2 kötésén keresztül, balról lentről néznénk, akkor ezt kapnánk:
Ez a két Newman-projekció ugyanazt a vegyületet ábrázolja, amit az egyiket 180o -kal megfordítva egy tengelyen keresztül igazolhatunk:
Megjegyezzük azt is, hogy a két Newman-projekció sablonmintázata eltérő. Az elsőnél az elülső szén, “Y” alakú, míg a másodiknál egy fejjel lefelé fordított “Y”. Vagy nevezhetjük elölről felfelé, hátulról lefelé és elölről lefelé-hátulról felfelé is.”
Ez egyszerűen a cikk-cakk mintától függ, és ha elképzeljük, hogy egy egyszerű szem helyett nyitott karokkal helyezzük el a modellt, akkor sokkal könnyebb lesz a helyes minta.
Az egyik dolog, amit itt nem szabad elfelejteni, hogy nincs összefüggés, hogy egy ék csoport a cikk-cakkban mindig jobbra van, vagy egy kötőjel csoport balra van, stb. És ez egy gyakori zűrzavaros minta, amikor csak most tanulod a Newman-projekciót.
Gondolj erre így – Csak azért, mert a kutya farka jobbra van, nem jelenti azt, hogy ez mindig helyes állítás. Attól függ, hogy milyen irányból nézed a kutyát:
A gyakorlat az egyetlen módja ennek és a legtöbb fogalomnak a szerves kémiában. Egyszerűen fogj egy papírt, és rajzold le, amit tudsz, amennyire csak tudsz – ne gondolkodj túl sokat anélkül, hogy rajzolnál valamit. Ha valami rossz, akkor ki tudod javítani, de ha nem rajzolsz semmit, akkor nem fogod tudni, hogy mi az, amin dolgoznod kell.
Staggered and Eclipsed Conformations – Dihedral Angle
Vegyük a molekulánkat, és végezzük el az első szén 180o -os elforgatását a C1-C2 kötés körül:
És most rajzoljuk meg a Newman-projekciót, még mindig balról felülről nézve:
Azt vesszük észre, hogy a hátsó szénen lévő összes csoport pontosan az első szénen lévők mögött van. Mindegyik egy vonalban van. Ezt nevezzük fogyatkozó konformációnak (holdfogyatkozás).
Más szóval, az egyes fogyatkozó csoportok közötti szög 0o. A csoportok közötti szöget diéderes szögnek nevezzük.
Megjegyezzük, hogy a diéderes szög az összes korábbi Newman-projekciónkban 60o volt. Ez minden szénatomon kettéosztotta a csoportokat. Mindezek a konformációk lépcsőzetes konformációk voltak – az összes elülső és hátsó csoport közötti diéderes szög 60o:
A lépcsőzetes konformációk stabilabbak, mint a fogyatkozó konformációk, mivel az atomok szeretik a teret, és minél közelebb kerülnek, annál instabilabbá válik a konformáció.
A két nagyobb csoport közötti diéderes szögtől függően a lépcsőzetes konformáció lehet Anti (180o) vagy Gauche (60o).
Egy jó példa a bután:
Az alábbiakban a bután összes lépcsőzetes és fogyatkozó konformációjának energiadiagramja látható. Hogy megértsük, hogyan történik a konformációból egy másikba való átalakulás, képzeljük el, hogy az elülső szénatomot stabilan tartjuk, és a hátsó szénatomot 60o -kal elforgatjuk. Természetesen a valóságban mindkettő forog, és ezt csak azért tesszük, hogy könnyebben szemléltethető legyen. A hátsó szenet is stabilan tarthatjuk, és elforgathatjuk az elülső szenet:
Minél közelebb helyezzük a nagy metilcsoportokat, annál instabilabbá válik a konformáció. Vagy ami ugyanaz, mintha azt mondanánk, hogy minél nagyobb a távolság a nagy csoportok között, annál stabilabb a konformáció.
Azt is mondhatjuk, hogy minél nagyobbak a csoportok, annál instabilabbak a fogyatkozó és a gauche konformációk.
Megjegyezzük, hogy bármely eltolt konformáció stabilabb, mint a legstabilabb eklipszis-konformáció, és a gauche konformációk kevésbé stabilak, mint az anti-konformációk.
A következő bejegyzésben többet olvashat a torziós és sztérikus feszültségként leírt különböző konformációkhoz kapcsolódó energiákról.
A következő bejegyzésben többet olvashat a torziós és sztérikus feszültségként leírt különböző konformációkhoz kapcsolódó energiákról.