В химии конформационная изомерия — это форма стереоизомерии , при которой изомеры могут взаимно превращаться просто путем вращения вокруг формально одинарных связей (см. рисунок, посвященный вращению одинарных связей) . Хотя любые два расположения атомов в молекуле , которые различаются вращением вокруг одинарных связей, можно назвать разными конформациями , конформации, соответствующие локальным минимумам на поверхности потенциальной энергии , называются конформационными изомерами или конформерами . [1] Конформации, соответствующие локальным максимумам на энергетической поверхности, являются переходными состояниями между конформационными изомерами с локальным минимумом. Вращение вокруг одинарных связей предполагает преодоление вращательного энергетического барьера для взаимного преобразования одного конформера в другой. Если энергетический барьер низок, 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 в результате затрудненного вращения одинарной связи). Когда временной интервал взаимного превращения достаточно велик для выделения отдельных ротамеров (обычно условно определяемый как период полураспада взаимного превращения 1000 секунд или более), изомеры называются атропоизомерами ( см.: атропоизомерия ). [1] [3] [4] Переворот кольца замещенных циклогексанов представляет собой еще одну распространенную форму конформационной изомерии.
Таким образом, конформационные изомеры отличаются от других классов стереоизомеров (т.е. конфигурационных изомеров), где взаимное превращение обязательно включает разрыв и реформирование химических связей. [5] Например, L / D- и R / S -конфигурации органических молекул имеют разную направленность и оптическую активность и могут быть взаимно преобразованы только путем разрыва одной или нескольких связей, связанных с хиральным атомом, и реформирования аналогичной связи в другой. направление или пространственная ориентация. Они также отличаются от геометрических ( цис / транс ) изомеров, другого класса стереоизомеров, которым для взаимного превращения требуется разрыв π-компонента двойных связей . (Хотя различие не всегда четкое, поскольку некоторые связи, которые формально являются одинарными, на самом деле имеют характер двойной связи, который становится очевидным только тогда, когда рассматриваются вкладчики вторичного резонанса, например, связи C–N в амидах .) Из-за быстрое взаимное превращение, конформеры обычно не поддаются выделению при комнатной температуре.
Изучение энергетики между различными конформациями называется конформационным анализом . [6] Это полезно для понимания стабильности различных изомеров, например, путем учета пространственной ориентации и пространственных взаимодействий заместителей. Кроме того, конформационный анализ можно использовать для прогнозирования и объяснения селективности продуктов, механизмов и скорости реакций. [7] Конформационный анализ также играет важную роль в рациональном, структурно-ориентированном дизайне лекарств .
Вращая свои углерод-углеродные связи, молекулы этана и пропана имеют три локальных минимума энергии. Они структурно и энергетически эквивалентны и называются шахматными конформерами . Для каждой молекулы три заместителя, исходящие от каждой связи углерод-углерод, расположены в шахматном порядке, при этом каждый двугранный угол H-C-C-H (и двугранный угол H-C-C-CH 3 в случае пропана) равен 60°. (или примерно равен 60° в случае пропана). Три затменные конформации, в которых двугранные углы равны нулю, представляют собой переходные состояния (максимумы энергии), соединяющие два эквивалентных минимума энергии, шахматные конформеры.
Молекула бутана — простейшая молекула, в которой вращение одинарных связей приводит к образованию двух типов неэквивалентных структур, известных как анти- и гош- конформеры (см. рисунок).
Например, бутан имеет три конформера, относящиеся к его двум метильным (CH 3 ) группам: два конформера гош , которые имеют расстояние между метилами ±60° и являются энантиомерными , и антиконформер , в котором четыре углеродных центра копланарны, а заместители расположены Расстояние друг от друга составляет 180 ° (см. Диаграмму свободной энергии бутана). Разница в энергии между гош и анти составляет 0,9 ккал/моль, что связано с энергией деформации конформера гош. Таким образом, антиконформер является наиболее стабильным (≈ 0 ккал/моль). Три затменные конформации с двугранными углами 0°, 120° и 240° являются переходными состояниями между конформерами. [6] Обратите внимание, что две затменные конформации имеют разную энергию: при 0 ° затмеваются две метильные группы, что приводит к более высокой энергии (≈ 5 ккал / моль), чем при 120 °, где метильные группы затмеваются водородами (≈ 3,5 ккал/моль). [9]
Хотя простые молекулы можно описать этими типами конформаций, более сложные молекулы требуют использования системы Клайна-Прелога для описания различных конформеров. [6]
Более конкретные примеры конформационной изомерии подробно описаны в другом месте:
Конформационные изомеры существуют в динамическом равновесии , где относительная свободная энергия изомеров определяет заселенность 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 константа (1,987×10 -3 ккал/моль К), а T — температура системы. в кельвинах . В единицах ккал/моль при 298 К,
Таким образом, каждые 1,36 ккал/моль соответствуют примерно 10-кратному коэффициенту константы равновесия при температурах, близких к комнатной. ( Правило 1,36 в целом полезно для оценки констант равновесия при комнатной температуре по разнице свободной энергии. При более низких температурах для получения заданной константы равновесия необходима меньшая разность энергий.)
На схеме приведены 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. Оба имеют одинаковую свободную энергию; ни один из них не является более стабильным, поэтому ни один из них не преобладает по сравнению с другим. Отрицательная разница в свободной энергии означает, что конформер преобразуется в термодинамически более стабильную конформацию, поэтому константа равновесия всегда будет больше 1. Например, Δ G ° для превращения бутана из гош -конформера в антиконформер равна -0,47 ккал/моль при 298 К. [12] Это дает константу равновесия около 2,2 в пользу антиконформера или смеси гош : антиконформеры в соотношении 31:69 в равновесии. И наоборот, положительная разница в свободной энергии означает, что конформер уже является более стабильным, поэтому взаимное превращение представляет собой неблагоприятное равновесие ( K < 1). Даже при крайне неблагоприятных изменениях (большие положительные ΔG ° ) константу равновесия между двумя конформерами можно увеличить за счет повышения температуры, так что количество менее стабильного конформера, присутствующего в равновесии, увеличивается (хотя он всегда остается второстепенным конформером).
Дробное распределение населения различных конформеров соответствует распределению Больцмана : [13]
Левая часть представляет собой долю конформера i в уравновешивающей смеси конформеров M , находящихся в термодинамическом равновесии. В правой части E k ( k = 1, 2, ..., M ) — энергия конформера k , R — молярная постоянная идеального газа (приблизительно равна 8,314 Дж/(моль·К) или 1,987 кал/ (моль·К)), а T — абсолютная температура . Знаменатель правой части является статистической суммой.
Эффекты электростатических и стерических взаимодействий заместителей, а также орбитальных взаимодействий, таких как гиперконъюгация, ответственны за относительную стабильность конформеров и их переходных состояний. Вклад этих факторов варьируется в зависимости от природы заместителей и может способствовать как положительному, так и отрицательному вкладу 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]
В случае циклических систем стерический эффект и вклад в свободную энергию можно аппроксимировать значениями A , которые измеряют разницу энергий, когда заместитель циклогексана находится в аксиальном положении по сравнению с экваториальным положением. В больших (>14 атомов) кольцах существует множество доступных низкоэнергетических конформаций, соответствующих недеформированной решетке алмаза. [16]
Короткие сроки взаимного превращения в большинстве случаев исключают разделение конформационных изомеров. Атропоизомеры представляют собой конформационные изомеры, которые можно разделить благодаря ограниченному вращению. [17] Равновесие между конформационными изомерами можно наблюдать с помощью различных спектроскопических методов .
Сворачивание белка также приводит к образованию стабильных конформационных изомеров, которые можно наблюдать. Уравнение Карплюса связывает двугранный угол вицинальных протонов с их константами J-связи , измеренными с помощью ЯМР. Уравнение помогает объяснить сворачивание белка, а также конформацию других жестких алифатических молекул. [18] Боковые цепи белков содержат ротамеры, распределение которых определяется их стерическим взаимодействием с различными конформациями основной цепи. [19] Это очевидно из статистического анализа конформаций боковых цепей белков в Backbone-зависимой библиотеке ротамеров .
В производных циклогексана два конформера кресла быстро взаимопревращаются при комнатной температуре, причем сам циклогексан подвергается перевороту кольца со скоростью примерно 10 5 переворотов кольца в секунду, с общим энергетическим барьером 10 ккал/моль (42 кДж/сек). моль), что исключает их разделение при температуре окружающей среды. [20] Однако при низких температурах ниже точки слияния можно напрямую контролировать равновесие с помощью ЯМР-спектроскопии и с помощью динамической, зависящей от температуры ЯМР-спектроскопии, барьерного взаимного превращения. [21]
Динамику конформационной (и других видов) изомерии можно отслеживать с помощью ЯМР- спектроскопии при различных температурах. Этот метод применим к барьерам 8–14 ккал/моль, и виды, демонстрирующие такую динамику, часто называют « флюксиальными ».
Помимо ЯМР-спектроскопии, для измерения соотношения конформеров используется ИК-спектроскопия . Для аксиального и экваториального конформера бромциклогексана ν CBr различается почти на 50 см –1 . [20]
Скорость реакции сильно зависит от конформации реагентов. Во многих случаях доминирующий продукт возникает в результате реакции менее распространенного конформера в соответствии с принципом Кертина-Хаммета . Это типично для ситуаций, когда конформационное равновесие происходит гораздо быстрее, чем реакция образования продукта. Поэтому зависимость реакции от стереохимической ориентации обычно видна только у конфигурационных изомеров , у которых определенная конформация зафиксирована заместителями. Прогнозирование скоростей многих реакций, связанных с переходом между состояниями sp2 и sp3, таких как восстановление кетонов, окисление спиртов или нуклеофильное замещение, возможно, если принять во внимание все конформеры и их относительную стабильность, определяемую их штаммом . [22]
Одним из примеров конфигурационных изомеров являются реакции элиминирования , которые включают одновременное удаление протона и уходящей группы из вицинальных или антиперипланарных положений под влиянием основания.
Механизм требует, чтобы вылетающие атомы или группы следовали по антипараллельным траекториям. Для субстратов с открытой цепью этому геометрическому требованию отвечает 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. [23] Соседние заместители в циклогексановом кольце могут достигать антиперипланарности только тогда, когда они занимают трансдиаксиальные положения (то есть оба находятся в аксиальном положении: один вверх, другой вниз).
Одним из последствий этого анализа является то, что транс -4- трет -бутилциклогексилхлорид не может легко удалиться, а вместо этого подвергается замещению (см. диаграмму ниже), поскольку наиболее стабильная конформация имеет объемную группу t -Bu в экваториальном положении, поэтому хлоридная группа не антиперипланарно с любым вицинальным водородом (это бестактно для всех четырех). Термодинамически неблагоприятная конформация имеет в аксиальном положении группу t -Bu, которая выше по энергии более чем на 5 ккал/моль (см. значение А ). [24] В результате группа t -Bu «запирает» кольцо в конформации, в которой оно находится в экваториальном положении и наблюдается реакция замещения. С другой стороны, цис -4- трет -бутилциклогексилхлорид подвергается элиминированию, поскольку антиперипланарность Cl и H может быть достигнута, когда группа t -Bu находится в благоприятном экваториальном положении.
Отталкивание между аксиальной т -бутильной группой и атомами водорода в 1,3-диаксиальном положении настолько сильное, что циклогексановое кольцо вернется к конформации скрученной лодочки . Деформация в циклических структурах обычно характеризуется отклонениями от идеальных валентных углов ( деформация Байера ), идеальных углов скручивания ( деформация Питцера ) или трансаннулярных (Прелог) взаимодействий.
Алкановые конформеры возникают в результате вращения вокруг sp3 - гибридных углерод-углеродных сигма-связей . Наименьший алкан с такой химической связью, этан , существует в виде бесконечного числа конформаций относительно вращения вокруг связи C–C. Два из них известны как формы минимума энергии ( шахматная конформация ) и максимума энергии ( затменная конформация ). Существование специфических конформаций обусловлено затрудненным вращением вокруг сигма-связей, хотя конкурирующая теория предполагает роль гиперконъюгации .
Важность минимумов и максимумов энергии проявляется в распространении этих концепций на более сложные молекулы, для которых можно предсказать стабильные конформации как формы с минимальной энергией. Определение стабильных конформаций также сыграло большую роль в создании концепции асимметричной индукции и возможности прогнозировать стереохимию реакций, контролируемых стерическими эффектами.
В примере шахматного этана в проекции Ньюмана атом водорода на одном атоме углерода имеет торсионный угол или угол скручивания 60 ° [25] по отношению к ближайшему атому водорода на другом углероде, так что стерические препятствия минимизируются. Ступенчатая конформация стабильнее на 12,5 кДж / моль , чем затменная конформация, которая является энергетическим максимумом для этана. В затменной конформации угол скручивания минимален.
В бутане две смещенные конформации больше не эквивалентны и представляют собой два различных конформера: антиконформацию ( крайняя левая, внизу) и конформацию гош (самая правая, внизу).
Обе конформации свободны от деформации кручения, но в конформации гош две метильные группы находятся ближе, чем сумма их ван-дер-ваальсовых радиусов. Взаимодействие между двумя метильными группами является отталкивающим ( деформация Ван-дер-Ваальса ), в результате чего образуется энергетический барьер .
Мера потенциальной энергии , запасенной в бутановых конформерах с большими стерическими затруднениями, чем основное состояние «анти»-конформера, определяется следующими значениями: [26]
Затменные метильные группы оказывают большее стерическое напряжение из-за их большей электронной плотности по сравнению с одинокими атомами водорода .
Хрестоматийное объяснение существования максимума энергии для затменной конформации в этане - стерическое препятствие , но при длине связи CC 154 пм и радиусе Ван-дер-Ваальса для водорода 120 пм атомы водорода в этане никогда не находятся в путь друг друга. Вопрос о том, ответственны ли стерические препятствия за затменный максимум энергии, является предметом дискуссий и по сей день. Одна из альтернатив объяснению стерических препятствий основана на гиперконъюгации , анализируемой в рамках теории естественных орбитальных связей. [27] [28] [29] В шахматной конформации одна сигма- связывающая орбиталь CH передает электронную плотность разрыхляющей орбитали другой связи CH. Энергетическая стабилизация этого эффекта максимизируется, когда две орбитали имеют максимальное перекрытие, происходящее в шахматной конформации. В затменной конформации нет перекрытия, что приводит к невыгодному максимуму энергии. С другой стороны, анализ в рамках количественной теории молекулярных орбиталей показывает, что 2-орбитальные 4-электронные (стерические) отталкивания доминируют над гиперконъюгацией. [30] Исследование теории валентных связей также подчеркивает важность стерических эффектов. [31]
Именование алканов по стандартам, перечисленным в Золотой книге ИЮПАК, осуществляется в соответствии с системой Клайна-Прелога для определения углов (называемых торсионными или двугранными углами ) между заместителями вокруг одинарной связи: [25]
Деформация при кручении или «деформация Питцера» относится к сопротивлению скручиванию связи.
В н -пентане концевые метильные группы испытывают дополнительное влияние пентана .
Замена водорода на фтор в политетрафторэтилене меняет стереохимию с зигзагообразной на геометрию спирали из -за электростатического отталкивания атомов фтора в положениях 1,3. Доказательства спиральной структуры в кристаллическом состоянии получены с помощью рентгеновской кристаллографии , ЯМР-спектроскопии и кругового дихроизма в растворе. [33]
