Конформация молекул¶

Конформация — одно из возможных пространственных расположений атомов в молекуле, возникающее при повороте вокруг одинарных (σ-) связей без разрыва связей и без изменения порядка связей и углов между ними. Различные конформации одной молекулы называются конформерами (ротамерами); переход между ними осуществляется вращением вокруг σ-связи и сопровождается преодолением барьеров вращения. Конформационный анализ — раздел стереохимии, изучающий число возможных конформаций, их относительную энергию и устойчивость.

¶Основные понятия

Поворот вокруг одинарной связи формально свободен, однако на практике энергия молекулы меняется в зависимости от угла поворота φ. Минимумы на кривой потенциальной энергии соответствуют устойчивым конформациям, максимумы — переходным состояниям. Разница энергий между минимумом и ближайшим максимумом называется барьером вращения; если он мал (единицы кДж/моль), конформации легко перетекают друг в друга при комнатной температуре и не разделяются экспериментально.

Различают:

• Стаггередные (заторможенные) конформации — торсионные углы около 60°, 180° и 300°, при которых замещённые атомы максимально удалены друг от друга;
• Эклипсные (эклипсированные) — торсионные углы около 0°, 120° и 240°, при которых замещения проецируются друг на друга и энергия максимальна.

¶Конформации этана

Классический пример — этан C₂H₆. В стаггередной конформации водороды одного атома углерода проецируются на середины связей C–H другого атома; в эклипсированной — на сами атомы водорода. Барьер вращения в этане составляет около 12 кДж/моль; при комнатной температуре молекулы этана постоянно переключаются между конформациями, и экспериментально наблюдается усреднённая структура.

¶Конформации бутана

В бутане C₄H₁₀ возможны четыре основные конформации:

Наиболее устойчива анти-конформация, в которой метильные группы максимально удалены. Гауче-конформация устойчива, но менее выгодна из-за омега-взаимодействия (гауче-эффекта) — притяжения между частично заряженными атомами C–H и C–C. Наиболее энергетически невыгодны эклипсированные формы.

¶Конформации циклоалканов

В циклоалканах свободное вращение ограничено замкнутым кольцом, поэтому число конформаций конечно, а их анализ позволяет объяснить стабильность циклогексана.

¶Циклогексан

Наиболее устойчива кресловидная (кресло) конформация, в которой все углеродные атомы лежат в двух параллельных плоскостях, а углы C–C–C равны тетраэдрическим (109,5°). Все связи находятся в стаггередном положении, что минимизирует энергию. Каждый атом углерода несёт два водорода: экваториальные (в плоскости, перпендикулярной оси кольца) и аксиальные (параллельные оси). Кресловидная конформация может инвертироваться через ван-тафтову (полубанная) конформацию с высокой энергией (порядка 45 кДж/моль).

¶Циклопентан

В циклопентане возможны две основные конформации — конверсионная («покачивание») и энвелопная («конверт»). Обе имеют примерно равную энергию, и молекула постоянно переключается между ними, избегая эклипсированных связей.

¶Циклобутан

Кольцо циклобутана искажено в «бабочку»: два атома углерода отклонены в одну сторону, два — в другую, что уменьшает эклипсирование связей C–H.

¶Конформации н-алканов и полимеров

В длинных цепях алканов анти-конформации всех C–C связей образуют вытянутую зигзагообразную цепь — наиболее устойчивую форму. Отклонение от неё увеличивает энергию молекулы. В полимерах (полиэтилен, тактичные полипропилены) распределение конформаций определяет вторичную структуру и физические свойства материала: кристалличность, плотность, температуру плавления.

¶Конформации сахаров

В глюкозе и других пираханозах кольцо может существовать в кресловидных конформациях ⁴С₁ и ¹С₄, различающихся положением гидроксильных групп (экваториальные или аксиальные). Распределение конформаций влияет на реакционную способность сахаров.

¶Методы изучения

Конформационный анализ сочетает теоретические и экспериментальные методы:

• Квантово-химические расчёты — методы HF, DFT, MP2 позволяют рассчитать профиль потенциальной энергии и оптимизировать геометрию конформеров;
• ЯМР-спектроскопия — по константам связи J(H–H) через уравнение Карплюса определяют торсионные углы; при быстром обмене наблюдается среднее значение;
• Рентгеноструктурный анализ — фиксирует конформацию в кристалле;
• ИК-спектроскопия и электронная спектроскопия — различают колебания, специфичные для разных конформеров;
• Молекулярная динамика — моделирует переключения конформеров во времени.

¶Значение

Конформационный анализ имеет важное практическое значение. В биохимии конформация определяет активность ферментов и рецепторов: молекула-лиганд должна принять определённую конформацию, чтобы связаться с белком. В фармакологии конформационная гибкость молекул влияет на сродство к мишени и метаболизм. В полимерной химии распределение конформаций определяет механические свойства материалов. В органическом синтезе учёт конформационных предпочтений позволяет предсказывать стереохимию реакций (правило Фуруямы — Крамера — Прейлога).

¶История

Понятие свободного вращения вокруг одинарных связей было введено в конце XIX — начале XX века в работах Якобуса Хенрикуса вант-Гоффа и Жозефа Ле Беля (1874) и позднее развито Эдмундом Лангетом Хиршелем, описавшим конформации бутана в 1936 году. Термин «конформация» был предложен Дереком Бартоном в 1950-х годах в связи с разработкой конформационного анализа циклоалканов; за эти работы Бартон и Хассель получили Нобелевскую премию по химии в 1969 году.