Основные принципы и методы конформационного анализа

Современная органическая химия развивается в направлении синтеза и изучения свойств сложных молекул, для которых существует множество конформаций и роль их в химических реакциях очень велика. Поэтому современная химия становится все более конформационной.

Раздел физической органической химии, который изучает структурные и энергетические аспекты превращений одной конформации в другую, получил название конформационного анализа. Большое значение в конформационном анализе имеет определение потенциальной энергии конформационных превращений. Для этого строится кривая потенциальной энергии свободного (заторможенного) вращения вокруг связи С-С в молекуле.

Рис. 1.4. Кривая потенциальной энергии конформационных превращений молекулы этана

В процессе вращения СН₃-групп в этане его потенциальная энергия Е_п изменяется, как показано на рис. 1.4, увеличиваясь при сближении и уменьшаясь при удалении атомных центров молекулы друг от друга.

Наличие энергетического барьера вращения вокруг связи -рС—С^-

свидетельствует об отсутствии свободного вращения, как считалось многие десятилетия. Вращение является заторможенным. Усложнение углеродной цепи приводит к усложнению конформаций и энергетики их превращений. Так, замещение в этане двух атомов водорода на СН₃-группы у соседних атомов углерода, т. е. переход к бутану.

вызывает вращение этильных групп С₂Н₅ вокруг связи С2-С3 и дает два потенциальных барьера в 14 и 25 кДж/моль (рис. 1.5) вследствие наличия характерных (крайних) конформаций (а, б, в, г).

На кривой (рис. 1.5) наблюдаются три максимума и три минимума энергии. Наиболее устойчива конформация (г) с минимальным отталкиванием соседних СН₃-групп, которые максимально удалены, СН₃-групп и Н-атомов, а также Н-атомов. Наименее устойчива конформация (а) с минимальным расстоянием соседних СН₃-групп и Н-атомов. Ее энергия на 25 кДж/моль.

Рис. 1.5. Кривая потенциальной энергии конформационных превращений бутана вокруг связи С₂-С₃

выше, чем у конформации (г). В процессе вращения вокруг связи Сг-С₃ возникают две конформации (б) с одинаковой энергией, которая выше, чем у конформации (г) на 3 кДж/моль. Они возникают при торсионном угле вращения ф = 60 и 300° и характеризуются сравнительно большим удалением СН₃-групп и Н-атомов при С₂ и С₃. Возникают также две неустойчивые конформации (в) с торсионным углом вращения ф = 120 и 240°, в которых две связи С-СН₃ заслонены связями С-Н, заслонены также еще две С-Н-связи. При стандартных условиях 80% молекул н-бутана находится в анти— конформации (г) и 20% в скошенной (или гош-) конформации (б). Именно эти конформации преимущественно вступают в химические превращения. Потенциальная кривая вращения //-бутана, приведенная на рис. 1.5, является приближенной, так как одновременно с вращением вокруг С₂-С₃-связи происходит вращение вокруг С|-С₂— и С₃-С₄-связей, которое еще более осложняет конформационную структуру сложных молекул.

С удлинением углеродных цепей алканов возникают различные конформации цепей. Так, уже у «-пентана можно выделить три конформации цепей — зигзагообразную (/), клешневидную (2) и нерегулярную (3):

Наиболее устойчива зигзагообразная конформация, наименее — клешневидная, обладающая самой низкой энтропией. Самопроизвольный переход конформаций цепной и нерегулярной в клешневидную невыгоден и может совершаться только при повышенной температуре.

Особенно многообразна и сложна картина цепной конформации у полимерных молекул с длиной цепей, измеряемых сотнями и тысячами атомов. В жидких и твердых алканах с большим значением С", где п — число атомов углерода в неразветвлснной цепи, наиболее устойчива регулярная зигзагообразная конформация, обеспечивающая максимальное межмолекулярное взаимодействие соседних СН₂-групп.

Не менее важна роль конформаций в химии циклических соединений. Замыкание углеродных цепей, начиная от С₃ и до С" с большим значением л, измеряемом десятками и сотнями, а также замыкание цепей, разобщенных гетероатомами О, N, S, Р и неодинаковыми атомными группировками (-CONH-, -О-Р0₂ -О и др.) приводит к циклическим соединениям с различными конформациями циклов. Рассмотрим конформации циклоалканов, которые получаются (или выводятся) из алканов удалением двух Н-атомов от замыкающих атомов углерода:

Циклопропан, естественно, не имеет конформаций. Циклобутан и циклопентан имеют преимущественно плоскую структуру. Вращение в этих молекулах вокруг С-С-связей ограничено. Однако за счет изменения колебательных состояний атомов и атомных группировок создается возможность образования многих неустойчивых пространственных форм молекул. В отличие от теплового возбуждения колебательных сосстояний молекул (ИКспектроскопия, спектроскопия комбинационного рассеяния, электронно-колебательные спектры), которые возникают в возбужденных молекулах, конформации циклов возникают в основном энергетическом состоянии молекул за счет перераспределения колебательной энергии по степеням свободы.

За счет этого циклобутан из плоского состояния в результате взаимного отталкивания атомов водорода (это явление характерно для одноименных атомов в молекулах, не связанных друг с другом, например Н₂0 + ОН₂) превращается в более устойчивое неплоское:

В плоской конформации циклопентана все атомы водорода С-Н-связей находятся в заслоненном состоянии и тем самым повышают энергию молекулы на 42 кДж/моль. Это состояние невыгодно и молекула принимает неплоскую конформацию «конверта» и «полукреола»:

В них отталкивание Н-атомов минимально.

Наиболее сложна структура конформации циклогексана. Кроме того, из всех циклоалканов циклогексан имеет наибольшее практическое применение. Циклогексан не может быть плоским, так как углы правильного шестиугольника (120°).

С_к

намного больше валентного угла (109,5°). Нарушение нормального валентного угла в циклогексане привело бы, по приближенной оценке, к повышению энергии молекулы на 45 кДж/моль. Поэтому циклогексан существует преимущественно в двух неплоских конформациях — «кресла» и «ванны»:

Конформация «ванны» является неустойчивой, так как атомы водорода при Cj и С₄ сближены до 0,18 нм и в результате энергия отталкивания только этих 2Н-атомов достигает 13 кДж/моль. Вклад в рост энергии молекулы вносит отталкивание и других Н-атомов. Конформация «кресла» является наиболее устойчивой из всех возможных конформаций, так как в ней минимальна энергия отталкивания соседних С-Н-связей, а атомы Н удалены друг от друга на предельно возможную величину. Поэтому конформация «кресла» на 20 кДж/моль ниже по энергии, чем конформация «ванны». Термодинамический расчет показывает, что в стандартных условиях 99% циклогексана находится в форме «кресла». При нагревании равновесие будет смещаться в сторону «ванны». Скорость превращения «кресло» «ванна» очень велика и оценивается значением 10⁶ с"¹.

Для химии циклогексана и всех его многочисленных производных важным является неэквивалентность атомов водорода. Шесть атомов из двенадцати находятся в плоскости С₂С₃С5С₆ и называются экваториальными Н" а шесть почти перпендикулярны этой плоскости и называются аксиальными Н_а. Монозамещенные производные циклогексана находятся преимущественно в экваториальной форме. Экваториальная форма может перейти в аксиальную и наоборот со скоростью 10⁶ с за счет инверсии (обращения) цикла:

Конформации играют большую роль в химии средних (С₇ — С_ю) и больших циклов (С|₂ и больше). Здесь положения атомов водорода, которые замещаются при синтезе функциональных производных, могут быть еще более неэквивалентны, чем у циклогексана. Так, циклодекан в конформации «алмаз» имеет четыре атома водорода, расположенные в центре цикла, которые сильно сближены друг с другом:

Это приводит к его необычным свойствам.

Введение

в циклоалканы гетероатомов (О, N, S, Р и т. д.) приводит к гетероциклам. Гетероатом изменяет свойства конформаций, и нередко те конформации, которые устойчивы у циклоалканов, становятся неустойчивыми, и наоборот. Существует большое количество литературы, в которой рассмотрено влияние конформации на реакционную способность гетероциклов.