Открыть сервис
Главная → Блог → Конформация молекул и её виды

Конформация молекул и её виды

Конформация — пространственное расположение атомов и групп атомов в молекуле, которое возникает при изменении относительной ориентации её фрагментов вокруг одинарных (σ-)связей без разрыва химических связей. Конформация является одним из ключевых понятий стереохимии и описывает динамические, взаимопревращаемые состояния одной и той же молекулы, в отличие от конфигурации, которая задаётся порядком связей и не может быть изменена без их разрыва.

Общая характеристика

Молекула, содержащая одинарные связи, способна принимать множество конформаций за счёт вращения фрагментов вокруг этих связей. Такие повороты называют конформационными переходами, а соответствующие состояния — конформерами. Конформеры одной молекулы не являются изомерами в строгом смысле: они переходят друг в друга без разрыва связей, и их нельзя разделить при обычных условиях, поскольку энергетический барьер вращения относительно невелик.

Энергия молекулы зависит от угла поворота вокруг связи. Наиболее устойчивой считается конформация с минимальной энергией, а состояния с повышенной энергией называют заслонёнными или скошенными. Разность энергий между устойчивой и неустойчивой формами определяет легкость вращения.

Энергетика и барьеры вращения

При вращении вокруг одинарной связи возникает периодическое изменение потенциальной энергии. Причина — взаимодействие электронных оболочек и объёмных заместителей. Основные вклады:

  • торсионное (скручивающее) напряжение, связанное с взаимным отталкиванием связей;
  • ван-дер-ваальсово отталкивание объёмных групп;
  • электронные эффекты, включая водородные связи и диполь-дипольные взаимодействия.

Барьер вращения вокруг связи C–C в этане составляет около 12 кДж/моль, что делает вращение при комнатной температуре практически свободным. В более сложных молекулах с объёмными заместителями барьер возрастает, и отдельные конформеры могут существовать достаточно долго, чтобы их наблюдали физическими методами.

Виды конформаций

Конформации этана и алканов

Для этана рассматривают две предельные формы: заслонённую, в которой атомы водорода расположены друг напротив друга, и заторможенную, где они максимально разведены. Заторможенная конформация энергетически выгоднее. В бутане выделяют дополнительно гош- и анти-конформации: анти-форма, где объёмные группы разведены на 180°, наиболее устойчива, а гош-форма с углом около 60° обладает несколько большей энергией.

Циклоалканы

В циклических молекулах вращение ограничено геометрией кольца, поэтому устойчивость определяется напряжением цикла. Циклогексан принимает форму «кресла» — наименее напряжённую конформацию, тогда как формы «ванны» и «твист» менее выгодны. Заместители в кресле занимают аксиальное или экваториальное положение; экваториальное обычно энергетически предпочтительнее из-за меньшего отталкивания.

Конформации биополимеров

В молекулах белков и нуклеиновых кислот конформация определяет биологическую функцию. Пептидная связь благодаря частичной двоесвязанности жёсткая, а вращение происходит вокруг связей N–Cα и Cα–C. Набор разрешённых углов описывают диаграммой Рамачандрана. Углеводные цепи и полимеры также характеризуются набором устойчивых конформаций, влияющих на их свойства.

Методы изучения

Конформации исследуют экспериментальными и расчётными методами:

Значение

Понятие конформации важно для понимания реакционной способности органических соединений, механизмов катализа, свойств полимеров и функционирования биомолекул. Конформационные изменения лежат в основе работы ферментов, рецепторов и транспортных белков. В материаловедении конформация макромолекул определяет гибкость, эластичность и температуру стеклования полимеров.

Примеры

  • Этан: заслонённая и заторможенная конформации.
  • Бутан: анти- и гош-формы.
  • Циклогексан: кресло, ванна, твист.
  • Белки: α-спираль и β-структура как устойчивые конформации полипептидной цепи.
  • Полиэтилен: транс- и гош-конформации в цепи.

Источники: учебники по органической химии, стереохимии и физической химии полимеров; справочные издания по молекулярной спектроскопии.

Похожие материалы