Laten we het eerst eens hebben over conformaties. Deze, ook wel conformers of conformationele isomeren genoemd, zijn verschillende opstellingen van atomen die ontstaan als gevolg van rotatie om enkele bindingen. Bijvoorbeeld, in het volgende molecuul kunnen we een verschillende rangschikking van atomen krijgen door rond de middelste σ-binding te draaien:
Meestal verlopen deze rotaties zeer snel bij kamertemperatuur, daarom worden de conformaties niet beschouwd als verschillende verbindingen. Denk er dus aan dat het feit dat de structuren er verschillend uitzien, niet betekent dat ze verschillende verbindingen vertegenwoordigen:
Het wordt een verschillende verbinding wanneer atomen verschillend verbonden zijn (constitutionele isomeren) of wanneer het niet mogelijk is om tussen verschillende opstellingen van atomen te interageren door rotaties rond enkelvoudige bindingen. Goede voorbeelden zijn cis en trans isomeren, e en z isomeren, die beschouwd worden als diastereomeren – een klasse van stereoisomeren. Ja, het wordt een beetje overweldigend, maar laten we het nu hebben over conformaties en Newman projecties.
Conformaties kunnen worden weergegeven door Bond-line (zig-zag), Sawhorse of Newman projecties:
We hebben al eerder veel geoefend met Bond-line structuren en conversie tussen Lewis en Bond-line structuren: Bond-line, Lewis and Condensed Structures with Practice Problems
Newman Projections
We zeiden dat conformaties verschillende vormen van een verbinding zijn die ontstaan door een rotatie om een enkele (sigma) binding. Soms krijgt men een beter zicht op deze rotatie en de conformaties die zich vormen, als men door de sigma-binding heen kijkt. En dit noemen we een Newman-projectie.
Een Newman-projectie is een voorstelling van het molecuul kijkend door een enkele C-C-binding.
Voor elke Newman-projectie moet je de binding en de richting waarnaar je kijkt specificeren. Voor ons molecuul kijken we bijvoorbeeld door de C1-C2-binding (hoewel het door elke binding kan).
De richting wordt meestal aangegeven met een oogsymbool:
In dit blikje kijken we dus van linksboven, en de koolstof vooraan wordt koolstof 1 en daarachter hebben we koolstof 2. De overeenkomstige Newman-projectie zou er als volgt uitzien:
De cirkel is een denkbeeldig object dat tussen de twee koolstoffen wordt geplaatst, zodat de groepen op elke koolstof duidelijk in de Newman-projectie worden geïdentificeerd.
Dit was niet zo duidelijk, toch?
Hoe komen de groepen op de plaats in de Newman-projectie?!
Welnu, laten we het eenvoudige oogsymbool vervangen door deze kerel. En de reden hiervoor is dat het belangrijk is te zien welke groepen waar wijzen, d.w.z. omhoog, omlaag, linksboven, rechtsboven, enz.
Hier ziet u dat Cl rechtsboven is (naar de rechterhand gericht), H is linksboven (naar de linkerhand) en methyl wijst recht naar beneden. En dat is alles wat er is aan de eerste koolstof:
Op de tweede koolstof hebben we een OH die recht naar boven wijst, een Br linksonder, en een H rechtsonder. Veel beter dan het oog, zou het moeten zijn.
Een molecuul kan meerdere Newmanprojecties hebben
Zoals eerder gezegd, voor het tekenen van een Newmanprojectie van een molecuul moeten de binding, en de hoek van de kijker gegeven worden. Afhankelijk van de hoek, kunnen de Newman projecties van een bepaald molecuul er totaal verschillend uitzien. Als we bijvoorbeeld door de C1-C2 binding van het vorige molecuul zouden kijken, vanaf linksonder, dan zouden we het volgende te zien krijgen:
Deze twee Newman projecties stellen dezelfde verbinding voor, wat we kunnen bevestigen door een van de twee 180o om te draaien over een as:
Merk ook op dat het sjabloonpatroon voor de twee Newman projecties verschillend is. In de eerste heeft de voorste koolstof de “Y”-vorm, terwijl het in de tweede een omgekeerde “Y” is. Of we kunnen ze ook front-up, back-down, en front-down-back-up noemen.
Dit hangt gewoon af van het zigzagpatroon en als u visualiseert dat u een model met open armen plaatst in plaats van met een gewoon oog, wordt het een stuk eenvoudiger om het juiste patroon te krijgen.
Dus, één ding om hier te onthouden is dat er geen correlatie is wat betreft een wiggroep op de zig-zag is altijd rechts, of een streepgroep is links, enz. En dit is een veel voorkomend verwarringspatroon als je net de Newman projectie aan het leren bent.
Denk er eens zo over – Alleen omdat de staart van de hond rechts is, wil niet zeggen dat het altijd een juiste uitspraak is. Het hangt af van de richting waarin je naar de hond kijkt:
De praktijk is de enige manier om dit en de meeste concepten in de organische scheikunde te omzeilen. Neem gewoon een papier en teken wat je kunt, zoveel als je kunt – denk niet te veel na zonder iets te tekenen. Als er iets mis is, kun je het oplossen, maar als je niets tekent, zul je niet weten wat het is waar je aan moet werken.
Gestapelde en verduisterde conformatie – Dihedrale hoek
Laten we ons molecuul nemen en de eerste koolstof 180o roteren rond de C1-C2 binding:
En laten we nu de projectie van Newman tekenen, nog steeds kijkend van linksboven:
Wat we opmerken is dat alle groepen op de achterste koolstof precies achter die op de voorste koolstof zitten. Ze zijn allemaal uitgelijnd. Dit wordt de verduisterde conformatie genoemd (maansverduistering).
Met andere woorden, de hoek tussen elke verduisterende groep is 0o. De hoek tussen deze groepen wordt de dihedrale hoek genoemd.
Merk op dat de dihedrale hoek in alle Newman projecties die we eerder deden 60o was. Het was een doorsnede van de groepen op elke koolstof. Al deze conformaties waren verspringende conformaties – de dihedraalhoek tussen alle voorste en achterste groepen is 60o:
Verspringende conformaties zijn stabieler dan de verduisterde conformaties, omdat atomen van ruimte houden en hoe dichter ze bij elkaar komen, hoe onstabieler de conformatie wordt.
Afhankelijk van de dihedrale hoek tussen de twee grotere groepen kan de verspringende conformatie Anti (180o) of Gauche (60o) zijn.
Een goed voorbeeld is butaan:
Hieronder ziet u het energiediagram van alle verspringende en verduisterde conformaties van butaan. Om te begrijpen hoe de transformatie van conformatie naar een andere plaatsvindt, stelt u zich voor dat u de voorste koolstof stilhoudt en de achterste koolstof 60o draait. In werkelijkheid roteren ze natuurlijk allebei en we doen dit alleen om het gemakkelijker te visualiseren. Je kunt ook de voorste koolstof stil houden en de achterste roteren:
Hoe dichter je de grote methylgroepen bij elkaar brengt, hoe onstabieler de conformatie wordt. Of, wat hetzelfde is om te zeggen, hoe groter de afstand tussen de grote groepen, hoe stabieler de conformatie is.
Ook, hoe groter de groepen, hoe onstabieler de eclipsed en gauche conformatie.
Merk op dat elke verspringende conformatie stabieler is dan de meest stabiele verduisterde conformatie en dat de gauche-conformaties minder stabiel zijn dan de anticonformaties.
U kunt meer lezen over de energieën die geassocieerd zijn met verschillende conformatie beschreven als Torsionale en Sterische spanning in de volgende post.