Să vorbim mai întâi despre conformații. Acestea, denumite și conformeri sau izomeri conformaționali, sunt aranjamente diferite ale atomilor care apar ca urmare a rotației în jurul unor legături simple. De exemplu, în următoarea moleculă, putem avea un aranjament diferit al atomilor prin rotația în jurul legăturii σ din mijloc:
De cele mai multe ori, aceste rotații au loc foarte repede la temperatura camerei, acesta fiind motivul pentru care conformațiile nu sunt considerate compuși diferiți. Deci, deocamdată, rețineți că doar pentru că structurile arată diferit nu înseamnă că ele reprezintă compuși diferiți:
Devine un compus diferit atunci când atomii sunt conectați diferit (izomeri constituționali) sau nu este posibilă interconversia între diferite aranjamente ale atomilor prin rotații în jurul legăturilor simple. Exemple bune sunt izomerii cis și trans, izomerii e și z, care sunt considerați diastereomeri – o clasă de stereoisomeri. Da, devine puțin copleșitor, dar să ne ocupăm deocamdată de conformații și de proiecțiile Newman.
Conformațiile pot fi reprezentate prin proiecții Bond-line (zig-zag), Sawhorse sau Newman:
Am făcut multă practică pe structurile Bond-line și conversia între structurile Lewis și Bond-line înainte: Structuri Bond-line, Lewis și structuri condensate cu probleme practice
Proiecții Newman
Am spus că conformațiile sunt forme diferite ale unui compus care își au originea într-o rotație în jurul unei singure legături (sigma). Uneori, o perspectivă mai bună a acestei rotații și a conformațiilor care se formează se obține atunci când se privește prin intermediul legăturii sigma. Și aceasta este ceea ce numim proiecție Newman.
O proiecție Newman este o reprezentare a moleculei privind prin intermediul unei legături simple C-C.
Pentru fiecare proiecție Newman, trebuie să specificați legătura și direcția în care priviți. De exemplu, pentru molecula noastră, putem privi prin legătura C1-C2 (chiar dacă poate fi prin orice legătură).
Direcția este, de obicei, indicată cu un simbol al ochiului:
Acum, în acest bidon, dacă privim din stânga sus, iar carbonul din față va fi carbonul 1, iar în spatele lui, avem carbonul 2. Proiecția Newman corespunzătoare ar arăta în felul următor:
Circul este un obiect imaginar care este pus între cei doi carboni, astfel încât grupurile de pe fiecare carbon să fie identificate clar în proiecția Newman.
Nu a fost atât de clar, nu-i așa?
Cum au apărut grupurile acolo unde sunt în proiecția Newman?
Bine, să înlocuim simbolul ochiului simplu cu acest individ. Și motivul este că este important să vedem ce grupuri arată unde, adică în sus, în jos, în stânga sus, în dreapta sus, etc.
Aici se vede că Cl este în dreapta sus (cu fața spre mâna dreaptă), H este în stânga sus (mâna stângă) și metilul este îndreptat direct în jos. Și asta este tot ce există pentru primul carbon:
Pe al doilea carbon, avem un OH îndreptat direct în sus, un Br în partea de jos-stânga și un H în partea de jos-dreapta. Mult mai bine decât ochiul, ar trebui să fie.
O moleculă poate avea mai multe proiecții Newman
După cum am menționat mai devreme, pentru a desena o proiecție Newman a unei molecule, trebuie date legătura, și unghiul privitorului. În funcție de unghi, proiecțiile Newman ale unei anumite molecule pot avea un aspect complet diferit. De exemplu, dacă ar fi să privim prin legătura C1-C2 a moleculei anterioare, de jos în stânga, iată ce am obține:
Aceste două proiecții Newman reprezintă același compus, ceea ce putem confirma prin răsturnarea uneia dintre ele cu 180o printr-o axă:
Observați, de asemenea, că modelul de șablon pentru cele două proiecții Newman este diferit. În prima, carbonul din față, are forma de „Y”, în timp ce în cea de-a doua, este un „Y” răsturnat. Sau le putem numi, de asemenea, front-up, back-down și front-down-back-up.
Acest lucru depinde pur și simplu de modelul în zig-zag și dacă vizualizați plasarea unui model cu brațele deschise în loc de un simplu ochi, vă va fi mult mai ușor să obțineți modelul corect.
Acum, un lucru de reținut aici este că nu există o corelație în ceea ce privește un grup de pană pe zig-zag este întotdeauna în dreapta, sau un grup de liniuțe este în stânga, etc. Și acesta este un model comun de confuzie atunci când abia învățați proiecția Newman.
Gândiți-vă la asta astfel – Doar pentru că coada câinelui este în dreapta, nu înseamnă că este întotdeauna o afirmație corectă. Depinde de direcția în care priviți câinele:
Practica este singura modalitate de a ocoli acest lucru și majoritatea conceptelor din chimia organică. Pur și simplu luați o hârtie și desenați cât mai mult ceea ce puteți – nu vă gândiți prea mult fără să desenați nimic. Dacă ceva nu este în regulă, puteți repara, dar dacă nu desenați nimic, nu veți ști la ce anume trebuie să lucrați.
Conformații eșalonate și eclipsate – Unghiul diedru
Să luăm molecula noastră și să facem o rotație de 180o a primului carbon în jurul legăturii C1-C2:
Și acum, să desenăm proiecția Newman, tot privind din stânga sus:
Ce observăm este că toate grupurile de pe carbonul din spate sunt exact în spatele celor de pe carbonul din față. Ele sunt toate aliniate. Aceasta se numește conformație eclipsată (eclipsă lunară).
Cu alte cuvinte, unghiul dintre fiecare grup eclipsat este 0o. Unghiul dintre aceste grupuri se numește unghi diedru.
Observați că unghiul diedru în toate proiecțiile Newman pe care le-am făcut înainte a fost de 60o. Acesta bisecta grupurile de pe fiecare carbon. Toate aceste conformații erau conformații eșalonate – unghiul diedru între toate grupurile din față și cele din spate este de 60o:
Conformațiile eșalonate sunt mai stabile decât conformațiile eclipsate deoarece atomilor le place spațiul și cu cât se apropie mai mult, cu atât conformația devine mai instabilă.
În funcție de unghiul diedru dintre cele două grupe mai mari, conformația eșalonată poate fi Anti (180o) sau Gauche (60o).
Un bun exemplu este butanul:
Acesta este diagrama energetică a tuturor conformațiilor eșalonate și eclipsate ale butanului. Pentru a înțelege cum are loc transformarea de la o conformație la alta, imaginați-vă că țineți carbonul din față nemișcat și rotiți carbonul din spate cu 60o. Desigur, în realitate, ambele se rotesc și facem acest lucru doar pentru a facilita vizualizarea. Ați putea, de asemenea, să mențineți carbonul din spate nemișcat și să rotiți carbonul din față:
Cu cât puneți mai aproape grupele mari de metil, cu atât mai instabilă devine conformația. Sau, ceea ce este același lucru de spus, cu cât distanța dintre grupele mari este mai mare, cu atât conformația este mai stabilă.
De asemenea, cu cât grupele sunt mai mari, cu atât mai instabile sunt conformațiile eclipsată și stângace.
Observați că orice conformație eșalonată este mai stabilă decât cea mai stabilă conformație eclipsată, iar conformațiile gauche sunt mai puțin stabile decât conformațiile anti.
Puteți citi mai multe despre energiile asociate cu diferite conformații descrise ca tensiuni torsionale și sterice în postul următor.