Vi börjar med att prata om konformationer. Dessa, som också kallas konformer eller konformationsisomerer, är olika arrangemang av atomer som uppstår som ett resultat av rotation kring enskilda bindningar. I följande molekyl kan vi till exempel få ett annat arrangemang av atomer genom att rotera runt den mittersta σ-bindningen:
Mestadels sker dessa rotationer mycket snabbt vid rumstemperatur det är därför konformationerna inte betraktas som olika föreningar. Så kom ihåg att bara för att strukturerna ser olika ut betyder det inte att de representerar olika föreningar:
Det blir en annan förening när atomer är sammankopplade på ett annat sätt (konstitutionsisomerer) eller när det inte är möjligt att interkonvertera mellan olika arrangemang av atomer genom rotationer runt enkla bindningar. Goda exempel är cis- och transisomerer, e och z-isomerer, som betraktas som diastereomerer – en klass av stereoisomerer. Ja, det blir lite överväldigande, men låt oss ta itu med konformationer och Newmanprojektioner för tillfället.
Konformationer kan visas genom Bond-linjestrukturer (sicksack), Sawhorse- eller Newmanprojektioner:
Vi har övat en hel del på Bond-linjestrukturer och omvandling mellan Lewis- och Bond-linjestrukturer tidigare: Bond-line, Lewis and Condensed Structures with Practice Problems
Newman Projections
Vi sa att konformationer är olika former av en förening som uppstår genom en rotation kring en enda (sigma) bindning. Ibland får man ett bättre perspektiv på denna rotation och de konformationer som bildas om man tittar genom sigma-bindningen. Och detta är vad vi kallar en Newmanprojektion.
En Newmanprojektion är en representation av molekylen när man tittar genom en enkel C-C-bindning.
För varje Newmanprojektion måste man ange bindningen och riktningen man tittar på. För vår molekyl kan vi till exempel titta genom C1-C2-bindningen (även om det kan vara genom vilken bindning som helst).
Riktningen visas vanligtvis med en ögonsymbol:
Så, i den här burken, om vi tittar från övre-vänster och kolet längst fram kommer att vara kol 1 och bakom det har vi kol 2. Den motsvarande Newman-projektionen skulle se ut på följande sätt:
Cirkeln är ett tänkt objekt som placeras mellan de två kolvätena så att grupperna på varje kolväte identifieras tydligt i Newman-projektionen.
Det här var inte så tydligt, eller hur?
Hur kom grupperna fram där de är i Newman-projektionen?
Ja, låt oss ersätta den enkla ögonsymbolen med den här killen. Och anledningen till detta är att det är viktigt att se vilka grupper som pekar vart dvs. uppåt, nedåt, uppe till vänster, uppe till höger osv.
Här kan man se att Cl är uppe till höger (vänd mot höger hand), H är uppe till vänster (vänster hand) och metyl pekar rakt ner. Och det är allt som finns på det första kolet:
På det andra kolet har vi ett OH som pekar rakt uppåt, ett Br längst ner till vänster och ett H längst ner till höger. Mycket bättre än ögat, det borde det vara.
En molekyl kan ha flera Newmanprojektioner
Som tidigare nämnts måste man för att rita en Newmanprojektion av en molekyl ange bindningen, och betraktarens vinkel. Beroende på vinkeln kan Newmanprojektionerna av en viss molekyl se helt olika ut. Om vi till exempel skulle titta genom C1-C2-bindningen i föregående molekyl, från nedre vänstra sidan, skulle vi få detta:
Dessa två Newman-projektioner representerar samma förening, vilket vi kan bekräfta genom att vända den ena av dem 180o genom en axel:
Märk också att mallmönstret för de två Newman-projektionerna är olika. I den första har det främre kolet formen av ett ”Y”, medan det i den andra är ett uppochnedvänt ”Y”. Eller vi kan också kalla dem front-up, back-down och front-down-back-up.
Detta beror helt enkelt på sicksackmönstret och om du visualiserar att du placerar en modell med öppna armar i stället för ett enkelt öga, kommer du att göra det mycket lättare att få rätt mönster.
En sak att komma ihåg här är alltså att det inte finns någon korrelation när det gäller att en kilgrupp på sicksackmönstret alltid ligger till höger, eller att en streckgrupp ligger till vänster osv. Och detta är ett vanligt förvirringsmönster när man precis har lärt sig Newman-projektionen.
Tänk på det så här – Bara för att hundens svans är till höger betyder det inte att det alltid är ett korrekt uttalande. Det beror på åt vilket håll du tittar på hunden:
Övningen är det enda sättet att komma runt detta och de flesta begrepp inom organisk kemi. Ta helt enkelt ett papper och rita vad du kan så mycket du kan – tänk inte för mycket utan att rita något. Om något är fel kan du rätta till det, men om du inte ritar något kommer du inte att veta vad det är som du behöver arbeta med.
Staggered and Eclipsed Conformations – Dihedral Angle
Låt oss ta vår molekyl och göra en 180o rotation av det första kolet runt C1-C2-bindningen:
Och låt oss nu rita Newman-projektionen och fortfarande titta från vänster uppifrån:
Vad vi märker är att alla grupperna på det bakre kolet ligger exakt bakom dem på det främre kolet. De är alla i linje med varandra. Detta kallas Eclipsed konformation (månförmörkelse).
Med andra ord är vinkeln mellan varje grupp som är i förmörkelse 0o. Vinkeln mellan dessa grupper kallas för dihedralvinkel.
Märk att dihedralvinkeln i alla Newman-projektioner som vi gjorde tidigare var 60o. Den delade grupperna i två delar på varje kol. Alla dessa konformationer var förskjutna konformationer – dihedralvinkeln mellan alla de främre och bakre grupperna är 60o:
Förskjutna konformationer är stabilare än de förmörkade konformationerna eftersom atomer gillar utrymme och ju närmare de kommer varandra, desto mer instabil blir konformationen.
Beroende på dihedralvinkeln mellan de två större grupperna kan den förskjutna konformationen vara Anti (180o) eller Gauche (60o).
Ett bra exempel är butan:
Omedelbart nedan visas energidiagrammet för alla förskjutna och förskjutna konformationer av butan. För att förstå hur omvandlingen från konformation till en annan sker kan man föreställa sig att man håller det främre kolet stadigt och roterar det bakre kolet med 60o. I verkligheten roterar naturligtvis båda två och vi gör bara detta för att göra det lättare att visualisera. Man skulle också kunna hålla det bakre kolet stadigt och rotera det främre kolet:
Jo närmare man placerar de stora metylgrupperna desto mer instabil blir konformationen. Eller, vilket är samma sak att säga, ju större avstånd mellan de stora grupperna, desto stabilare konformationen.
Också, ju större grupperna är, desto mer instabila blir de förmörkade och gauche-konformationerna.
Bemärk att alla förskjutna konformationer är stabilare än den mest stabila eclipsed-konformationen och gauche-konformationerna är mindre stabila än anti-konformationerna.
Du kan läsa mer om de energier som är förknippade med olika konformationer som beskrivs som Torsional och Steric strain i nästa inlägg.