Конформации циклогексана — это любая из нескольких трехмерных форм, принимаемых молекулами циклогексана . Поскольку многие соединения имеют структурно схожие шестичленные кольца , структура и динамика циклогексана являются важными прототипами широкого спектра соединений. [1] [2]
Внутренние углы правильного плоского шестиугольника составляют 120°, в то время как предпочтительный угол между последовательными связями в углеродной цепи составляет около 109,5°, тетраэдрический угол ( арккосинус − 1/3 ). Таким образом, циклогексановое кольцо имеет тенденцию принимать неплоские (деформированные) конформации , в которых все углы ближе к 109,5° и, следовательно, более низкую энергию деформации, чем в плоской гексагональной форме.
Рассмотрим атомы углерода, пронумерованные от 1 до 6 по всему кольцу. Если мы оставим атомы углерода 1, 2 и 3 неподвижными с правильными длинами связей и тетраэдрическим углом между двумя связями, а затем продолжим, добавив атомы углерода 4, 5 и 6 с правильной длиной связи и тетраэдрическим углом, мы можем изменять три двугранных угла для последовательностей (2,3,4), (3,4,5) и (4,5,6). Следующая связь от атома 6 также ориентирована двугранным углом, поэтому у нас есть четыре степени свободы . Но эта последняя связь должна заканчиваться в положении атома 1, что накладывает три условия в трехмерном пространстве. Если угол связи в цепи (6,1,2) также должен быть тетраэдрическим углом, то у нас есть четыре условия. В принципе это означает, что нет степеней свободы конформации, предполагая, что все длины связей равны и все углы между связями равны. Оказывается, что при фиксированных атомах 1, 2 и 3 существуют два решения, называемые креслом , в зависимости от того, является ли двугранный угол для (1,2,3,4) положительным или отрицательным, и эти два решения одинаковы при вращении. Но существует также континуум решений, топологическая окружность , где угловая деформация равна нулю, включая конформации твист-лодки и лодки . Все конформации в этом континууме имеют двойную ось симметрии, проходящую через кольцо, тогда как конформации кресла ее не имеют (они имеют симметрию D 3d с тройной осью, проходящей через кольцо). Именно из-за симметрии конформаций в этом континууме возможно удовлетворить всем четырем ограничениям с диапазоном двугранных углов в (1,2,3,4). В этом континууме энергия изменяется из-за деформации Питцера, связанной с двугранными углами. Твист-лодка имеет более низкую энергию, чем лодка. Для того чтобы перейти от конформации кресла к конформации твист-лодки или другой конформации кресла, необходимо изменить углы связей, что приведет к высокоэнергетической конформации полукресла . Таким образом, относительная стабильность такова: кресло > твист-лодка > лодка > полукресло . Все относительные конформационные энергии показаны ниже. [3] [4] При комнатной температуре молекула может легко перемещаться между этими конформациями, но только кресло и твист-лодка могут быть выделены в чистом виде, поскольку другие не находятся в локальных энергетических минимумах.
Конформации лодки и твист-лодки, как сказано, лежат вдоль континуума нулевого углового напряжения. Если есть заместители, которые позволяют различать различные атомы углерода, то этот континуум подобен кругу с шестью конформациями лодки и шестью конформациями твист-лодки между ними, тремя «правыми» и тремя «левыми». (Что следует называть правыми, неважно.) Но если атомы углерода неразличимы, как в самом циклогексане, то движение вдоль континуума переводит молекулу из формы лодки в «правую» твист-лодку, а затем обратно в ту же форму лодки (с перестановкой атомов углерода), затем в «левую» твист-лодку, а затем снова обратно в ахиральную лодку. Переход лодка⊣твист-лодка⊣лодка⊣твист-лодка⊣лодка составляет псевдовращение .
Другой способ сравнить стабильность двух молекул циклогексана в одной и той же конформации — оценить количество копланарных атомов углерода в каждой молекуле. [4] Копланарные атомы углерода — это атомы углерода, которые находятся в одной плоскости. Увеличение количества копланарных атомов углерода увеличивает количество заслоняющих заместителей, пытающихся образовать 120°, что недостижимо из-за перекрывающихся атомов водорода. [5] Это перекрытие увеличивает общую крутильную деформацию и снижает устойчивость конформации. Циклогексан уменьшает крутильную деформацию от заслоняющих заместителей, принимая конформацию с меньшим количеством неплоских атомов углерода. [6] Например, если конформация полукресла содержит четыре копланарных атома углерода, а другая конформация полукресла содержит пять копланарных атомов углерода, то конформация с четырьмя копланарными атомами углерода будет более стабильной. [4]
Различные конформации называются «конформерами», что является сочетанием слов «конформация» и «изомер».
Конформация кресла является наиболее стабильной конформацией. При 298 К (25 °C) 99,99% всех молекул в растворе циклогексана принимают эту конформацию.
Группа симметрии — D 3d . Все центры углерода эквивалентны. Шесть водородных центров расположены в аксиальных положениях, примерно параллельно оси C3, а шесть атомов водорода параллельны экватору молекулы.
Каждый углерод несет один «верхний» и один «нижний» водород. Таким образом, связи C–H в последовательных углеродах расположены в шахматном порядке , так что существует небольшая торсионная деформация . Геометрия кресла часто сохраняется, когда атомы водорода заменяются галогенами или другими простыми группами . Однако, когда эти водороды заменяются на большую группу, на молекулу накладывается деформация из-за диаксиальных взаимодействий. Это взаимодействие (обычно отталкивающее) между двумя заместителями в аксиальном положении на циклогексановом кольце. [7]
Если представить атом углерода как точку с четырьмя полусвязями, торчащими к вершинам тетраэдра , можно представить их стоящими на поверхности с одной полусвязью, направленной прямо вверх. Если смотреть справа сверху, то три другие будут выглядеть направленными наружу к вершинам равностороннего треугольника , поэтому связи будут иметь угол 120° между собой. Теперь рассмотрим шесть таких атомов, стоящих на поверхности так, что их невертикальные полусвязи встречаются и образуют идеальный шестиугольник. Если затем три атома отразить так, чтобы они оказались под поверхностью, результатом будет нечто очень похожее на циклогексан в конформации кресла. В этой модели шесть вертикальных полусвязей являются точно вертикальными, а концы шести невертикальных полусвязей, которые торчат из кольца, находятся точно на экваторе (то есть на поверхности). Поскольку связи C–H на самом деле длиннее половины связи C–C, «экваториальные» атомы водорода кресла циклогексана на самом деле будут находиться ниже экватора, если они присоединены к углероду, который находится выше экватора, и наоборот. Это также верно для других заместителей. Двугранный угол для ряда из четырех атомов углерода, проходящих по кольцу в этой модели, меняется точно между +60° и −60° (называется гош ).
Конформация кресла не может деформироваться без изменения углов связи или длин. Мы можем представить ее как две цепи, зеркальные отражения друг друга, содержащие атомы (1,2,3,4) и (1,6,5,4) с противоположными двугранными углами. Расстояние от атома 1 до атома 4 зависит от абсолютного значения двугранного угла. Если эти два двугранных угла изменяются (все еще оставаясь противоположными друг другу), невозможно поддерживать правильный угол связи как у углерода 1, так и у углерода 4.
Конформации лодок имеют более высокую энергию, чем конформации стульев. Взаимодействие между двумя флагштоковыми водородами, в частности, создает стерическую деформацию . Торсионная деформация также существует между связями C2–C3 и C5–C6 (углерод номер 1 является одним из двух на зеркальной плоскости), которые затмеваются — то есть эти две связи параллельны друг другу через зеркальную плоскость. Из-за этой деформации конфигурация лодки нестабильна (то есть не является локальным минимумом энергии).
Молекулярная симметрия — C2v .
Конформации лодок спонтанно искажаются до конформаций твист-лодок. Здесь симметрия — D 2 , чисто вращательная точечная группа с тремя двойными осями. Эта конформация может быть получена из конформации лодок путем применения небольшого поворота к молекуле, чтобы удалить затмение двух пар метиленовых групп. Конформация твист-лодок является хиральной, существующей в правосторонней и левосторонней версиях.
Концентрация конформации твист-лодочка при комнатной температуре составляет менее 0,1%, но при 1073 К (800 °C) она может достигать 30%. Быстрое охлаждение образца циклогексана от 1073 К (800 °C) до 40 К (−233 °C) приведет к замерзанию в большой концентрации конформации твист-лодочка, которая затем медленно преобразуется в конформацию кресла при нагревании. [8]
Взаимное превращение конформеров стульев называется переворотом кольца или переворотом стульев . Связи углерода и водорода, которые являются аксиальными в одной конфигурации, становятся экваториальными в другой, и наоборот. При комнатной температуре две конформации стульев быстро уравновешиваются . Спектр протонного ЯМР циклогексана при комнатной температуре представляет собой синглет без разделения на отдельные сигналы для аксиальных и экваториальных водородов.
В одной форме кресла двугранный угол цепи атомов углерода (1,2,3,4) положительный, тогда как у цепи (1,6,5,4) отрицательный, но в другой форме кресла ситуация противоположная. Таким образом, обе эти цепи должны претерпеть изменение двугранного угла. Когда одна из этих двух четырехатомных цепей сплющивается до двугранного угла, равного нулю, мы имеем конформацию полукресла с максимальной энергией вдоль пути превращения. Когда двугранный угол этой цепи затем становится равным (как по знаку, так и по величине) углу другой четырехатомной цепи, молекула достигает континуума конформаций, включая твист-лодку и лодку, где углы связей и длины могут быть на своих нормальных значениях, и поэтому энергия относительно низкая. После этого другая четырехуглеродная цепь должна изменить знак своего двугранного угла, чтобы достичь целевой формы кресла, поэтому молекула снова должна пройти через полукресло, поскольку двугранный угол этой цепи проходит через ноль. Последовательное изменение знаков двух цепей таким образом минимизирует максимальное энергетическое состояние по пути (в состоянии полукресла) — если бы двугранные углы обеих четырехатомных цепей одновременно изменили знак, это означало бы прохождение через конформацию с еще более высокой энергией из-за угловой деформации на углероде 1 и 4.
Подробный механизм взаимопревращения стула в стул был предметом многочисленных исследований и дискуссий. [9] Состояние полукресла ( D , на рисунке ниже) является ключевым переходным состоянием во взаимопревращении между конформациями стула и твист-лодки. Полукресло имеет симметрию C2 . Взаимопревращение между двумя конформациями стула включает следующую последовательность: стул → полукресло → твист-лодка → полукресло′ → стул′.
Конформация лодки ( C , ниже) является переходным состоянием, допускающим взаимопревращение между двумя различными конформациями твист-лодка. Хотя конформация лодки не является необходимой для взаимопревращения между двумя конформациями кресла циклогексана, ее часто включают в координатную диаграмму реакции, используемую для описания этого взаимопревращения, поскольку ее энергия значительно ниже, чем у полукресла, поэтому любая молекула с достаточной энергией для перехода из твист-лодки в кресло также имеет достаточно энергии для перехода из твист-лодки в лодку. Таким образом, существует несколько путей, по которым молекула циклогексана в конформации твист-лодка может снова достичь конформации кресла.
В циклогексане обе конформации кресла имеют одинаковую энергию. Ситуация становится более сложной с замещенными производными.
Монозамещенный циклогексан — это тот, в котором в циклогексановом кольце есть один неводородный заместитель. Наиболее энергетически выгодной конформацией для монозамещенного циклогексана является конформация кресла с неводородным заместителем в экваториальном положении, поскольку это предотвращает высокое стерическое напряжение от 1,3-диаксиальных взаимодействий. [10] В метилциклогексане два конформера кресла не являются изоэнергетическими. Метильная группа предпочитает экваториальную ориентацию. Предпочтение заместителя по отношению к экваториальной конформации измеряется в терминах его значения A , которое представляет собой разницу свободной энергии Гиббса между двумя конформациями кресла. Положительное значение A указывает на предпочтение по отношению к экваториальному положению. Величина значений A варьируется от почти нуля для очень маленьких заместителей, таких как дейтерий, до примерно 5 ккал/моль (21 кДж/моль) для очень объемных заместителей, таких как трет-бутильная группа. Таким образом, величина значения A также будет соответствовать предпочтению экваториального положения. Хотя экваториальный заместитель не имеет 1,3 диаксиального взаимодействия, вызывающего стерическое напряжение, он имеет взаимодействие Гоша, в котором экваториальный заместитель отталкивает электронную плотность от соседнего экваториального заместителя. [10]
Для 1,2- и 1,4-дизамещенных циклогексанов цис- конфигурация приводит к одной аксиальной и одной экваториальной группе. Такие виды подвергаются быстрому, вырожденному перевороту кресла. Для 1,2- и 1,4-дизамещенного циклогексана, транс -конфигурации, диаксиальная конформация эффективно предотвращается его высоким стерическим напряжением. Для 1,3-дизамещенных циклогексанов цис- форма является диэкваториальной, а перевернутая конформация страдает от дополнительного стерического взаимодействия между двумя аксиальными группами. транс -1,3-Дизамещенные циклогексаны подобны цис -1,2- и цис -1,4- и могут переворачиваться между двумя эквивалентными аксиальными/экваториальными формами. [2]
Цис -1,4-Ди- трет -бутилциклогексан имеет аксиальную трет -бутильную группу в конформации кресла, а переход в конформацию твист-лодка помещает обе группы в более выгодные экваториальные положения. В результате конформация твист-лодка более стабильна на 0,47 кДж/моль (0,11 ккал/моль) при 125 К (−148 °C), как измерено с помощью ЯМР-спектроскопии . [9]
Также для дизамещенного циклогексана, а также более высокозамещенных молекул, вышеупомянутые значения A являются аддитивными для каждого заместителя. Например, если вычислить значение A диметилциклогексана, любая метильная группа в аксиальном положении вносит 1,70 ккал/моль - это число является специфическим для метильных групп и отличается для каждого возможного заместителя. Таким образом, общее значение A для молекулы составляет 1,70 ккал/моль на метильную группу в аксиальном положении. [11]
1,3 Диаксиальные взаимодействия происходят, когда неводородный заместитель в циклогексане занимает аксиальное положение. Этот аксиальный заместитель находится в заслоненном положении с аксиальными заместителями на 3-углеродах относительно себя (будет два таких углерода и, следовательно, два 1,3 диаксиальных взаимодействия). Это заслоненное положение увеличивает стерическое напряжение в конформации циклогексана, и подтверждение сместится в сторону более энергетически выгодного равновесия. [12]
Взаимодействия Гоша происходят, когда неводородный заместитель в циклогексане занимает экваториальное положение. Экваториальный заместитель находится в смещенном положении с 2-углеродами относительно себя (будет два таких углерода и, следовательно, два 1,2-гош взаимодействия). Это создает двугранный угол ~60°. [13] Это смещенное положение обычно предпочтительнее заслоненного положения.
Опять же, конформация и положение групп (т. е. заместителей), больших, чем одиночный водород, имеют решающее значение для общей стабильности молекулы. Чем больше группа, тем меньше вероятность того, что она предпочтет аксиальное положение на своем соответствующем углероде. Поддержание указанного положения с большим размером требует больше энергии от молекулы в целом из-за стерического отталкивания между несвязанными парами электронов больших групп и электронами меньших групп (т. е. водородов). Такие стерические отталкивания отсутствуют для экваториальных групп. Таким образом, модель циклогексана оценивает стерический размер функциональных групп на основе гош-взаимодействий. [14] Гош-взаимодействие будет увеличиваться по энергии по мере увеличения размера вовлеченного заместителя. Например, заместитель t-бутил будет поддерживать более высокое энергетическое гош-взаимодействие по сравнению с метильной группой и, следовательно, вносить больший вклад в нестабильность молекулы в целом.
Для сравнения, предпочтительнее ступенчатая конформация; более крупные группы сохранят экваториальное положение и снизят энергию всей молекулы. Это предпочтение экваториального положения среди более объемных групп снижает энергетические барьеры между различными конформациями кольца. Когда молекула активируется, будет происходить потеря энтропии из-за стабильности более крупных заместителей. Поэтому предпочтение экваториальных положений крупными молекулами (такими как метильная группа) подавляет реакционную способность молекулы и, таким образом, делает молекулу более стабильной в целом. [15]
Конформационное равновесие — это тенденция благоприятствовать конформации, в которой циклогексан наиболее стабилен. Это равновесие зависит от взаимодействий между молекулами в соединении и растворителем. Полярность и неполярность являются основными факторами, определяющими, насколько хорошо растворитель взаимодействует с соединением. Циклогексан считается неполярным, что означает, что между его связями нет электроотрицательной разницы, а его общая структура симметрична. Из-за этого, когда циклогексан погружается в полярный растворитель, он будет иметь меньшее распределение растворителя, что означает плохое взаимодействие между растворителем и растворенным веществом. Это дает ограниченный каталитический эффект. [16] Более того, когда циклогексан вступает в контакт с неполярным растворителем, распределение растворителя намного больше, показывая сильное взаимодействие между растворителем и растворенным веществом. Это сильное взаимодействие дает повышенный каталитический эффект.
Гетероциклические аналоги циклогексана широко распространены в сахарах, пиперидинах, диоксанах и т. д. Они существуют, как правило, следуя тенденциям, наблюдаемым для циклогексана, т. е. конформер кресла является наиболее стабильным. Однако аксиально-экваториальные равновесия (значения A) сильно зависят от замены метиленовой группы на O или NH. Показательными являются конформации глюкозидов . [ 2] 1,2,4,5-Тетратиан ((SCH 2 ) 3 ) лишен неблагоприятных 1,3-диаксиальных взаимодействий циклогексана. Следовательно, его конформация твист-лодки заселена; в соответствующей тетраметильной структуре, 3,3,6,6-тетраметил-1,2,4,5-тетратиане, конформация твист-лодки доминирует.
В 1890 году Герман Заксе , 28-летний ассистент в Берлине, опубликовал инструкции по складыванию листа бумаги для представления двух форм циклогексана, которые он назвал симметричной и асимметричной (то, что мы сейчас называем креслом и лодкой ). Он ясно понимал, что эти формы имели два положения для атомов водорода (опять же, если использовать современную терминологию, аксиальное и экваториальное ), что два кресла, вероятно, будут взаимно превращаться, и даже то, как определенные заместители могут благоприятствовать одной из форм кресла (теория Заксе–Мора ). Поскольку он выражал все это на математическом языке, немногие химики того времени понимали его аргументы. У него было несколько попыток опубликовать эти идеи, но ни одна из них не преуспела в том, чтобы захватить воображение химиков. Его смерть в 1893 году в возрасте 31 года означала, что его идеи канули в Лету. Только в 1918 году Эрнст Мор , основываясь на молекулярной структуре алмаза, которая была недавно решена с помощью новейшей на тот момент методики рентгеновской кристаллографии , [17] [18] смог успешно доказать, что кресло Сакса было центральным мотивом. [19] [20] [21] [22] [23] [24] Дерек Бартон и Одд Хассель разделили Нобелевскую премию по химии 1969 года за работу по конформациям циклогексана и различных других молекул.
Циклогексан является наиболее стабильным из циклоалканов из-за стабильности адаптации к его конформеру кресла. [4] Эта стабильность конформера позволяет использовать циклогексан в качестве стандарта в лабораторных анализах. Более конкретно, циклогексан используется в качестве стандарта для фармацевтического эталона при анализе растворителей фармацевтических соединений и сырья. Этот конкретный стандарт означает, что циклогексан используется в анализе качества продуктов питания и напитков, фармацевтическом выпускном тестировании и разработке фармацевтических методов; [25] эти различные методы проверяют чистоту, биобезопасность и биодоступность продуктов. [26] Стабильность конформера кресла циклогексана дает циклоалкану универсальное и важное применение в отношении безопасности и свойств фармацевтических препаратов.
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )