Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Вращение вокруг одинарной связи бутана для взаимного преобразования одной конформации в другую. Гоши конформация по праву является конформером, в то время как Eclipsed конформация на леве является переходным состоянием между конформерами. Вверху: проекция Ньюмана; внизу: изображение пространственной ориентации.

В химии , конформация является формой стереоизомеризма , в которой изомеры могут быть просто друг в друга вращений вокруг формально простых связей (см рисунка на вращении одинарной связи). В то время как любые два расположения атомов в молекуле, которые различаются вращением вокруг одинарных связей, можно назвать разными конформациями , конформации, которые соответствуют локальным минимумам на поверхности потенциальной энергии , конкретно называются конформационными изомерами или конформерами . [1]Конформации, соответствующие локальным максимумам на поверхности энергии, являются переходными состояниями между конформационными изомерами локального минимума. Вращения вокруг одинарных связей включают преодоление вращательного энергетического барьера для взаимного преобразования одного конформера в другой. Если энергетический барьер низкий, существует свободное вращение [2], и образец соединения существует в виде быстро уравновешивающейся смеси нескольких конформеров; если энергетический барьер достаточно высок, то вращение ограничено, молекула может существовать в течение относительно длительного периода времени как стабильный вращательный изомер или ротамер.(изомер, возникающий из-за затрудненного вращения одинарной связи). Когда временной масштаб для взаимного превращения достаточно велик для выделения отдельных ротамеров (обычно произвольно определяемый как период полураспада взаимного превращения 1000 секунд или более), изомеры называют атропоизомерами ( см .: атропоизомерия ). [1] [3] [4] кольцо-флип - замещенные циклогексаны представляет собой другую общую форму конформации.

Таким образом, конформационные изомеры отличаются от других классов стереоизомеров (то есть конфигурационных изомеров), где взаимное превращение обязательно включает разрыв и преобразование химических связей. [5] Например, L / D - и R / S - конфигурации органических молекул имеют разную направленность и оптическую активность и могут быть преобразованы друг в друга только путем разрыва одной или нескольких связей, связанных с хиральным атомом, и преобразования аналогичной связи в другом направление или пространственная ориентация. Они также отличаются от геометрических ( цис / транс) Изомеры, другой класс стереоизомеров, которые требуют я-компонента из двойных связей сломать для взаимопревращения. (Хотя различие не всегда четко выражено, поскольку некоторые связи, которые формально являются одинарными, на самом деле имеют характер двойной связи, который становится очевидным только при учете вкладчиков вторичного резонанса, например, связи C – N амидов ) быстрое взаимное превращение, конформеры обычно не выделяются при комнатной температуре.

Изучение энергетики между различными конформациями называется конформационным анализом . [6] Это полезно для понимания стабильности различных изомеров, например, принимая во внимание пространственную ориентацию и межпространственные взаимодействия заместителей. Кроме того, конформационный анализ можно использовать для прогнозирования и объяснения селективности продукта, механизмов и скорости реакций. [7] Конформационный анализ также играет важную роль в рациональном, структурном дизайне лекарств .

Типы [ править ]

Диаграмма относительной энергии конформации бутана в зависимости от двугранного угла. [8] A: антиперипланарный, анти- или транс. B: синклинальный или гош. C: антиклиналь или затмение. D: синперипланарный или цис. [1]

Вращая свои углерод-углеродные связи, молекулы этана и пропана имеют три локальных минимума энергии. Они структурно и энергетически эквивалентны и называются ступенчатыми конформерами . Для каждой молекулы три заместителя, выходящие из каждой связи углерод-углерод, расположены в шахматном порядке, причем каждый двугранный угол H – C – C – H (и двугранный угол H – C – C – CH 3 в случае пропана) равен 60 °. (или примерно равный 60 ° в случае пропана). Три затмеваемых конформации, в которых двугранные углы равны нулю, являются переходными состояниями (максимумами энергии), соединяющими два эквивалентных минимума энергии, сдвинутые конформеры.

Молекула бутана - простейшая молекула, для которой вращения одинарной связи приводят к двум типам неэквивалентных структур, известных как анти- и гош- конформеры (см. Рисунок).

Например, бутан имеет три конформера, относящиеся к его двум метильным (СН 3 ) группам: два гош- конформера, у которых метилы разнесены на ± 60 ° и являются энантиомерами , и анти- конформер, где четыре углеродных центра копланарны, а заместители - 180 ° друг от друга (см. Диаграмму свободной энергии бутана). Разница в энергии между гош и анти составляет 0,9 ккал / моль, что связано с энергией деформации конформера гош. Следовательно, антиконформер является наиболее стабильным (≈ 0 ккал / моль). Три затмеваемых конформации с двугранными углами 0 °, 120 ° и 240 ° являются переходными состояниями между конформерами. [6]Обратите внимание, что две затмеваемые конформации имеют разные энергии: при 0 ° две метильные группы затмеваются, что приводит к более высокой энергии (≈ 5 ккал / моль), чем при 120 °, где метильные группы затмеваются атомами водорода (≈ 3,5 ккал / моль). ). [9]

В то время как простые молекулы могут быть описаны этими типами конформаций, более сложные молекулы требуют использования системы Клина – Прелога для описания различных конформеров. [6]

Более конкретные примеры конформационной изомерии подробно описаны в другом месте:

  • Конформация кольца
    • Конформации циклогексана , в том числе конформации кресел и лодок.
    • Конформации циклоалканов , включая средние кольца и макроциклы
    • Углеводная конформация , которая включает конформации циклогексана, а также другие детали.
  • Аллильная деформация - энергия, связанная с вращением вокруг одинарной связи между углеродом sp 2 и углеродом sp 3 .
  • Атропоизомерия - из-за ограниченного вращения вокруг связи.
  • Сворачивание , включая вторичную и третичную структуру биополимеров (нуклеиновых кислот и белков). [10]
  • Акамптисомерия - из-за ограниченной инверсии валентного угла.

Свободная энергия и равновесия конформационных изомеров [ править ]

Равновесие конформеров [ править ]

Равновесное распределение двух конформеров при разных температурах с учетом свободной энергии их взаимопревращения.

Конформационные изомеры существуют в динамическом равновесии , где относительная свободная энергия изомеров определяет населенность каждого изомера, а энергетический барьер вращения определяет скорость взаимного превращения между изомерами: [11]

где K - константа равновесия, Δ G ° - разность стандартной свободной энергии между двумя конформерами в ккал / моль, R - универсальная газовая постоянная (1,987 × 10 -3 ккал / моль · K), а T - температура системы. в кельвинах . В единицах ккал / моль при 298 К,

Таким образом, каждые 1,36 ккал / моль соответствуют примерно 10 коэффициенту константы равновесия при температурах, близких к комнатной. (« Правило 1.36 » обычно полезно для оценки констант равновесия при комнатной температуре по разности свободной энергии. При более низких температурах требуется меньшая разница энергий для получения заданной константы равновесия.)

На диаграмме представлены три изотермы, изображающие равновесное распределение двух конформеров при разных температурах. При разнице свободной энергии 0 ккал / моль это дает константу равновесия 1, что означает, что два конформера существуют в соотношении 1: 1. У них одинаковая свободная энергия; ни один из них не более стабилен, поэтому ни один из них не преобладает над другим. Отрицательная разница в свободной энергии означает, что конформер взаимно превращается в термодинамически более стабильную конформацию, таким образом, константа равновесия всегда будет больше 1. Например, Δ G ° для превращения бутана из гош- конформера в антиконформер составляет −0,47 ккал / моль при 298 К. [12]Это дает константу равновесия около 2,2 в пользу антиконформера или смеси 31:69 гош : антиконформеров в равновесии. И наоборот, положительная разница в свободной энергии означает, что конформер уже является более стабильным, поэтому взаимное преобразование является неблагоприятным равновесием ( K  <1). Даже для крайне неблагоприятных изменений (большое положительное Δ G ° ) константа равновесия между двумя конформерами может быть увеличена путем увеличения температуры, так что количество менее стабильного конформера, присутствующего в равновесии, увеличивается (хотя он всегда остается второстепенным конформером).

Распределение конформеров в популяции [ править ]

Распределение Больцмана% конформации с наименьшей энергией в двухкомпонентной уравновешивающей системе при различных температурах (° C, цвет) и разнице энергий в ккал / моль ( ось x )

Дробное распределение населения различных конформеров следует распределению Больцмана : [13]

Левая часть представляет собой долю конформера i в равновесной смеси конформеров М в термодинамическом равновесии. Справа E k ( k = 1, 2, ..., M ) - энергия конформера k , R - молярная постоянная идеального газа (приблизительно равная 8,314 Дж / (моль · K) или 1,987 кал / (моль · К)), Т - абсолютная температура . Знаменатель правой части - это статистическая сумма.

Факторы, способствующие свободной энергии конформеров [ править ]

Эффекты электростатических и стерических взаимодействий заместителей, а также орбитальные взаимодействия, такие как гиперконъюгация , ответственны за относительную стабильность конформеров и их переходных состояний. Вклад этих факторов варьируется в зависимости от природы заместителей и может вносить положительный или отрицательный вклад в энергетический барьер. Вычислительные исследования малых молекул, таких как этан, показывают, что электростатические эффекты вносят наибольший вклад в энергетический барьер; однако барьер традиционно связывают в первую очередь со стерическими взаимодействиями. [14] [15]

Вклад в вращательный энергетический барьер

В случае циклических систем стерический эффект и вклад в свободную энергию могут быть аппроксимированы значениями A , которые измеряют разность энергий, когда заместитель на циклогексане находится в аксиальном положении по сравнению с экваториальным положением.

Выделение или наблюдение конформационных изомеров [ править ]

Короткий временной масштаб взаимного превращения в большинстве случаев исключает разделение конформационных изомеров. Атропоизомеры - это конформационные изомеры, которые можно разделить из-за ограниченного вращения. [16]

Сворачивание белка также генерирует стабильные конформационные изомеры, которые можно наблюдать. Уравнение Карплюса связывает двугранный угол вицинальных протонов с их константами J-взаимодействия, измеренными методом ЯМР. Уравнение помогает в выяснении сворачивания белка, а также конформации других жестких алифатических молекул. [17] Равновесие между конформационными изомерами можно наблюдать с помощью различных спектроскопических методов .

В производных циклогексана два конформера стула быстро взаимопревращаются при комнатной температуре, причем сам циклогексан подвергается перевороту кольца со скоростью приблизительно 10 5  циклов переворота в секунду, с общим энергетическим барьером 10 ккал / моль (42 кДж / моль), что исключает их разделение при температуре окружающей среды. [18] Однако при низких температурах ниже точки слияния можно непосредственно контролировать равновесие с помощью ЯМР-спектроскопии, а с помощью динамической, зависимой от температуры ЯМР-спектроскопии - взаимного преобразования барьеров. [19]

Динамику конформационной (и других видов) изомерии можно отслеживать с помощью спектроскопии ЯМР при различных температурах. Этот метод применим к барьерам 8–14 ккал / моль, и виды, демонстрирующие такую ​​динамику, часто называют « флюксионными ».

Помимо ЯМР-спектроскопии, ИК-спектроскопия используется для измерения соотношения конформеров. Для аксиального и экваториального конформера бромциклогексана ν CBr отличается почти на 50 см –1 . [18]

Конформационно-зависимые реакции [ править ]

Скорости реакций сильно зависят от конформации реагентов. Во многих случаях доминирующий продукт возникает в результате реакции менее распространенного конформера в силу принципа Куртина-Хэммета . Это типично для ситуаций, когда конформационное уравновешивание происходит намного быстрее, чем реакция с образованием продукта. Поэтому зависимость реакции от стереохимической ориентации обычно видна только в конфигурационных изомерах , в которых конкретная конформация заблокирована заместителями. Прогнозирование скорости многих реакций, включающих переход между состояниями sp2 и sp3, таких как восстановление кетона, окисление спирта или нуклеофильное замещение.возможно, если учесть все конформеры и их относительную стабильность, определяемую их деформацией . [20]

Один из примеров с конфигурационными изомерами обеспечиваются реакции элиминирования , которые предполагают одновременное удаление протона и уходящей группу из вицинальной или анти - позиции periplanar под действием основания.

Бимолекулярное дегидрогалогенирование, индуцированное основанием (механизм реакции типа E2). Оптимальная геометрия для переходного состояния требует, чтобы разрывные связи были антиперипланарными, поскольку они находятся в соответствующей ступенчатой ​​конформации.

Механизм требует, чтобы отходящие атомы или группы следовали антипараллельным траекториям. Для подложек с открытой цепью этому геометрическому условию соответствует по крайней мере один из трех расположенных в шахматном порядке конформеров. Однако для некоторых циклических субстратов, таких как циклогексан, антипараллельное расположение может быть недостижимо в зависимости от заместителей, которые могут устанавливать конформационный замок. [21] Смежные заместители в циклогексановом кольце могут достигать антиперипланарности только тогда, когда они занимают трансдиаксиальные положения.

Одним из следствий этого анализа состоит в том , что транс - 4- трет - -butylcyclohexyl хлорид не может легко устранить , но вместо этого подвергается замене (см диаграммы ниже) , так как наиболее стабильная конформация имеет громоздкий т - Bu группы в экваториальном положении, поэтому группа хлоридов не антиперипланарный с любым вицинальным водородом. Термодинамически неблагоприятная конформация имеет группу t -Bu в аксиальном положении, которая имеет более высокую энергию (см . Значение A ) более чем на 5 ккал / моль. [22] В результате группа t -Bu «блокирует» кольцо в конформации, в которой оно находится в экваториальном положении, и наблюдается реакция замещения. С другой стороны, снг-4- трет- бутилциклогексилхлорид подвергается элиминированию, поскольку может быть достигнута антиперипланарность Cl и H, когда группа t -Bu находится в благоприятном экваториальном положении.

Транс - изомер может достичь antiperiplanarity только через пользующийся осевой конформер; следовательно, это не устраняет. Цис - изомер уже в правильной геометрии в его наиболее стабильной конформации; поэтому он легко устраняется.

Отталкивание между аксиальной трет- бутильной группой и атомами водорода в 1,3-диаксиальном положении настолько велико, что циклогексан вернется в конформацию скрученной лодочки . Деформация в циклических структурах обычно характеризуется отклонениями от идеальных валентных углов ( деформация Байера ), идеальных углов кручения ( деформация Питцера ) или трансаннулярными (Прелог) взаимодействиями.

См. Также [ править ]

  • Аномерный эффект
  • Изомер
  • Система Клайна – Прелога
  • Макроциклический стереоконтроль
  • Молекулярная конфигурация
  • Молекулярное моделирование
  • Стерические эффекты
  • Штамм (химия)
  • Циклоалкан
  • Циклогексан

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c Мосс, GP (1996-01-01). «Базовая терминология стереохимии (Рекомендации IUPAC 1996 г.)». Чистая и прикладная химия . 68 (12): 2193–2222. DOI : 10,1351 / pac199668122193 . ISSN  1365-3075 . S2CID  98272391 .
  2. ^ IUPAC , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн исправленная версия: (1996) « Свободное вращение (затрудненное вращение, ограниченное вращение) ». DOI : 10,1351 / goldbook.F02520
  3. ^ Ki, Michinori (1983) Последние достижения в области атропоизомерии, в разделах « Стереохимия» , Vol. 14 (Н.Л. Аллинджер, Эль-Элиэль и С.Х. Вилен, ред.), Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons, стр. 1-82; опубликовано в Интернете в 2007 г. , DOI: 10.1002 / 9780470147238.ch1, см. [1] и [2] [ постоянная мертвая ссылка ] , по состоянию на 12 июня 2014 г.
  4. ^ Алькорта, Ибон; Хосе Эльгеро; Кристиан Руссель; Николас Вантуйн; Патрик Пирас (2012). Атропоизомерия и аксиальная хиральность в гетероароматических соединениях . Успехи химии гетероциклов . 105 . С. 1–188. DOI : 10.1016 / B978-0-12-396530-1.00001-2 . ЛВП : 10261/62060 . ISBN 9780123965301.
  5. ↑ Хант, Ян. «Стереохимия» . Университет Калгари . Проверено 28 октября 2013 года .
  6. ^ a b c Анслин, Эрик; Деннис Догерти (2006). Современная физико-органическая химия . Университетская наука. п. 95 . ISBN 978-1891389313.
  7. ^ Бартон, Дерек (1970). «Принципы конформационного анализа» . Nobel Media AB 2013 . Эльзевир Паблишинг Ко. 169 (3945): 539–44. Bibcode : 1970Sci ... 169..539B . DOI : 10.1126 / science.169.3945.539 . PMID 17746022 . Проверено 10 ноября 2013 года . 
  8. ^ J, МакМурри (2012). Органическая химия (8-е изд.). Бельмонт, Калифорния: Брукс / Коул. п. 98. ISBN 9780840054449.
  9. ^ Bauld, Натан. «Конформационный анализ бутана» . Техасский университет . Проверено 28 октября 2013 года .
  10. ^ Dunbrack, R. (2002). «Библиотеки ротамеров в 21 веке». Текущее мнение в структурной биологии . 12 (4): 431–440. DOI : 10.1016 / S0959-440X (02) 00344-5 . PMID 12163064 . 
  11. ^ Брузик, Кароль. «Глава 6: Соответствие» . Иллинойский университет в Чикаго . Архивировано из оригинального 11 ноября 2013 года . Проверено 10 ноября 2013 года .
  12. ^ Стандартное изменение энтальпии Δ H ° от гоша к анти составляет –0,88 ккал / моль. Однако, поскольку есть две возможные гош- формы, существует статистический фактор, который необходимо учитывать как энтропийный член. Таким образом, Δ G ° = Δ H ° - T Δ S ° = Δ H ° + RT ln 2 = –0,88 ккал / моль + 0,41 ккал / моль = –0,47 ккал / моль, при 298 К.
  13. ^ Rzepa, Генри. «Конформационный анализ» . Имперский колледж Лондона . Проверено 11 ноября 2013 года .
  14. ↑ Лю, Шубин (7 февраля 2013 г.). «Происхождение и природа барьеров для вращения облигаций: единый взгляд». Журнал физической химии . 117 (5): 962–965. Bibcode : 2013JPCA..117..962L . DOI : 10.1021 / jp312521z . PMID 23327680 . 
  15. ^ Кэри, Фрэнсис А. (2011). Органическая химия (8-е изд.). Нью-Йорк: Макгроу-Хилл. п. 105 . ISBN 978-0-07-340261-1.
  16. Перейти ↑ McNaught (1997). «Атропоизомеры» . Сборник химической терминологии ИЮПАК . Оксфорд: Научные публикации Блэквелла. DOI : 10.1351 / goldbook.A00511 . ISBN 978-0967855097.
  17. ↑ Далтон, Луиза. «Уравнение Карплюса» . Новости химии и техники . Американское химическое общество . Проверено 27 октября 2013 .
  18. ^ а б Элиэль, EL; Вилен, SH; Мандер, Л.Н. (1994). Стереохимия органических соединений . Дж. Уайли и сыновья. ISBN 978-0-471-01670-0.
  19. ^ Дженсен, Фредерик Р .; Бушвеллер, К. Хакетт (1969-06-01). «Разделение конформеров. II. Аксиальные и экваториальные изомеры хлорциклогексана и тридейтериометоксициклогексана». Журнал Американского химического общества . 91 (12): 3223–3225. DOI : 10.1021 / ja01040a022 . ISSN 0002-7863 . 
  20. ^ Шнайдер, Х.-Дж .; Schmidt, G .; Thomas FJ Am. Chem. Soc., 1983, 105, 3556. https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/ja00349a031
  21. ^ "Циклоалканы" . Имперский колледж Лондона . Проверено 28 октября 2013 года .
  22. ^ Догерти, Эрик В. Анслин; Деннис, А. (2006). Современная физико-органическая химия (Додр. Ред.). Саусалито, Калифорния: Университетские научные книги. п. 104 . ISBN 978-1-891389-31-3.