Конформационная изомерия - Conformational isomerism

Вращение вокруг одинарной связи бутана для взаимного преобразования одной конформации в другую. Гоши конформация по праву является конформером, в то время как Eclipsed конформация на леве является переходным состоянием между конформерами. Вверху: проекция Ньюмана; внизу: изображение пространственной ориентации.

В химии , конформация является формой стереоизомеризма , в которой изомеры могут быть просто друг в друга вращений вокруг формально простых связей (см рисунка на вращении одинарной связи). В то время как любые два расположения атомов в молекуле, которые различаются вращением вокруг одинарных связей, можно назвать разными конформациями , конформации, которые соответствуют локальным минимумам на поверхности потенциальной энергии , конкретно называются конформационными изомерами или конформерами . Конформации, соответствующие локальным максимумам на поверхности энергии, являются переходными состояниями между конформационными изомерами локального минимума. Вращения вокруг одинарных связей включают преодоление вращательного энергетического барьера для взаимного преобразования одного конформера в другой. Если энергетический барьер низкий, есть свободное вращение, и образец соединения существует как быстро уравновешивающаяся смесь нескольких конформеров; если энергетический барьер достаточно высок, то вращение ограничено, молекула может существовать в течение относительно длительного периода времени как стабильный вращающийся изомер или ротамер (изомер, возникающий в результате затрудненного вращения одинарной связи). Когда временной масштаб для взаимного превращения достаточно велик для выделения отдельных ротамеров (обычно произвольно определяемый как период полураспада взаимного превращения 1000 секунд или более), изомеры называют атропоизомерами ( см .: атропоизомерия ). Кольцо-флип - замещенные циклогексаны представляет собой другую общую форму конформации.

Таким образом, конформационные изомеры отличаются от других классов стереоизомеров (т.е. конфигурационных изомеров), где взаимное превращение обязательно включает разрыв и преобразование химических связей. Например, L / D - и R / S - конфигурации органических молекул имеют разную направленность и оптическую активность и могут быть преобразованы друг в друга только путем разрыва одной или нескольких связей, связанных с хиральным атомом, и преобразования аналогичной связи в другом направлении или в другом пространстве. ориентация. Они также отличаются от геометрических ( цис / транс ) изомеры, другого класса стереоизомеров, которые требуют я-компонент с двойными связями , чтобы разорвать на взаимопревращения. (Хотя различие не всегда четко выражено, поскольку некоторые связи, которые формально являются одинарными, на самом деле имеют характер двойной связи, который становится очевидным только при учете вторичных резонансных факторов, таких как, например, связи C – N амидов .) быстрое взаимное превращение, конформеры обычно не выделяются при комнатной температуре.

Изучение энергетики между различными конформациями называется конформационным анализом . Это полезно для понимания стабильности различных изомеров, например, принимая во внимание пространственную ориентацию и межпространственные взаимодействия заместителей. Кроме того, конформационный анализ может использоваться для прогнозирования и объяснения селективности продукта, механизмов и скорости реакций. Конформационный анализ также играет важную роль в рациональном, структурном дизайне лекарств .

Типы

Диаграмма относительной энергии конформации бутана в зависимости от двугранного угла. A: антиперипланарный, анти- или транс. B: синклинальный или гош. C: антиклиналь или затмение. D: синперипланарный или цис.

Вращая свои углерод-углеродные связи, молекулы этана и пропана имеют три локальных минимума энергии. Они структурно и энергетически эквивалентны и называются ступенчатыми конформерами . Для каждой молекулы три заместителя, исходящие от каждой углерод-углеродной связи, расположены в шахматном порядке, причем каждый двугранный угол H – C – C – H (и двугранный угол H – C – C – CH 3 в случае пропана) равен 60 °. (или примерно равняется 60 ° в случае пропана). Три закрытых конформации, в которых двугранные углы равны нулю, являются переходными состояниями (максимумами энергии), соединяющими два эквивалентных минимума энергии, сдвинутые конформеры.

Молекула бутана - простейшая молекула, для которой вращение одинарной связи приводит к двум типам неэквивалентных структур, известных как анти- и гош- конформеры (см. Рисунок).

Например, бутан имеет три конформера, относящиеся к его двум метильным (CH 3 ) группам: два гош- конформера, у которых метилы разнесены на ± 60 ° и являются энантиомерами , и анти- конформер, где четыре углеродных центра копланарны, а заместители - 180 ° друг от друга (см. Диаграмму свободной энергии бутана). Разница в энергии между гошем и анти составляет 0,9 ккал / моль, что связано с энергией деформации конформера гош. Следовательно, антиконформер является наиболее стабильным (≈ 0 ккал / моль). Три затмеваемые конформации с двугранными углами 0 °, 120 ° и 240 ° являются переходными состояниями между конформерами. Обратите внимание, что две затмеваемые конформации имеют разные энергии: при 0 ° две метильные группы затмеваются, что приводит к более высокой энергии (≈ 5 ккал / моль), чем при 120 °, где метильные группы затмеваются атомами водорода (≈ 3,5 ккал / моль). ).

В то время как простые молекулы могут быть описаны этими типами конформаций, более сложные молекулы требуют использования системы Клина-Прелога для описания различных конформеров.

Более конкретные примеры конформационной изомерии подробно описаны в другом месте:

Свободная энергия и равновесия конформационных изомеров

Равновесие конформеров

Равновесное распределение двух конформеров при разных температурах с учетом свободной энергии их взаимопревращения.

Конформационные изомеры существуют в динамическом равновесии , где относительная свободная энергия изомеров определяет населенность каждого изомера, а энергетический барьер вращения определяет скорость взаимного превращения между изомерами:

где K - константа равновесия, Δ G ° - разница стандартной свободной энергии между двумя конформерами в ккал / моль, R - универсальная газовая постоянная (1,987 × 10 −3 ккал / моль K), а T - температура системы. в кельвинах . В единицах ккал / моль при 298 К,

Таким образом, каждые 1,36 ккал / моль соответствуют коэффициенту примерно в 10 с точки зрения константы равновесия при температурах, близких к комнатной. (« Правило 1.36 » обычно полезно для оценки констант равновесия при комнатной температуре по разности свободной энергии. При более низких температурах требуется меньшая разница энергий для получения заданной константы равновесия.)

На диаграмме представлены 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. У обоих одинаковая свободная энергия; ни один из них не более стабилен, поэтому ни один из них не преобладает по сравнению с другим. Отрицательная разница в свободной энергии означает, что конформер взаимно преобразуется в термодинамически более стабильную конформацию, поэтому константа равновесия всегда будет больше 1. Например, Δ G ° для превращения бутана из гош- конформера в антиконформер составляет -0,47 ккал / моль при 298 К. Это дает константу равновесия около 2,2 в пользу антиконформера или смеси 31:69 гош : антиконформеров в равновесии. И наоборот, положительная разница в свободной энергии означает, что конформер уже является более стабильным, поэтому взаимное преобразование является неблагоприятным равновесием ( K  <1). Даже для крайне неблагоприятных изменений (большое положительное Δ G ° ) константа равновесия между двумя конформерами может быть увеличена путем увеличения температуры, так что количество менее стабильного конформера, присутствующего в равновесии, увеличивается (хотя он всегда остается второстепенным конформером).

Распределение конформеров в популяции

Распределение Больцмана% конформации с наименьшей энергией в двухкомпонентной уравновешивающей системе при различных температурах (° C, цвет) и разнице энергий в ккал / моль ( ось x )

Дробное распределение населения различных конформеров следует распределению Больцмана :

Левая часть представляет собой долю конформера i в равновесной смеси конформеров М в термодинамическом равновесии. Справа E k ( k = 1, 2, ..., M ) - энергия конформера k , R - молярная постоянная идеального газа (приблизительно равная 8,314 Дж / (моль · K) или 1,987 кал / (моль · К)), а Т - абсолютная температура . Знаменатель правой части - это статистическая сумма.

Факторы, способствующие свободной энергии конформеров

Эффекты электростатических и стерических взаимодействий заместителей, а также орбитальные взаимодействия, такие как гиперконъюгация , ответственны за относительную стабильность конформеров и их переходных состояний. Вклад этих факторов варьируется в зависимости от природы заместителей и может вносить положительный или отрицательный вклад 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.

Вклад в вращательный энергетический барьер

В случае циклических систем стерический эффект и вклад в свободную энергию могут быть аппроксимированы значениями A , которые измеряют разность энергий, когда заместитель на циклогексане находится в аксиальном положении по сравнению с экваториальным положением.

Выделение или наблюдение конформационных изомеров

Короткое время взаимного превращения в большинстве случаев исключает разделение конформационных изомеров. Атропоизомеры - это конформационные изомеры, которые можно разделить из-за ограниченного вращения. Равновесие между конформационными изомерами можно наблюдать с помощью различных спектроскопических методов .

Сворачивание белка также генерирует стабильные конформационные изомеры, которые можно наблюдать. Уравнение Карплюса связывает двугранный угол вицинальных протонов с их константами J-взаимодействия, измеренными с помощью ЯМР. Уравнение помогает в выяснении сворачивания белка, а также конформации других жестких алифатических молекул. Боковые цепи белка содержат ротамеры, распределение которых определяется их стерическим взаимодействием с различными конформациями скелета. Это очевидно из статистического анализа конформаций белковых боковых цепей в библиотеке Backbone-зависимых ротамеров .

В производных циклогексана два конформера кресла взаимно превращаются быстро при комнатной температуре, причем сам циклогексан претерпевает переворот кольца со скоростью примерно 10 5  переворотов кольца в секунду, с общим энергетическим барьером 10 ккал / моль (42 кДж / моль), что исключает их разделение при температуре окружающей среды. Однако при низких температурах ниже точки коалесценции можно непосредственно контролировать равновесие с помощью ЯМР-спектроскопии, а с помощью динамической, зависимой от температуры ЯМР-спектроскопии - взаимопревращения барьеров.

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 « флюксионными ».

Помимо ЯМР-спектроскопии, ИК-спектроскопия используется для измерения соотношения конформеров. Для аксиального и экваториального конформера бромциклогексана ν CBr отличается почти на 50 см -1 .

Конформационно-зависимые реакции

Скорость реакции сильно зависит от конформации реагентов. Во многих случаях доминирующий продукт возникает в результате реакции менее распространенного конформера в силу принципа Куртина-Хаммета . Это типично для ситуаций, когда конформационное уравновешивание происходит намного быстрее, чем реакция с образованием продукта. Поэтому зависимость реакции от стереохимической ориентации обычно видна только в конфигурационных изомерах , в которых конкретная конформация заблокирована заместителями. Прогнозирование скоростей многих реакций, включающих переход между состояниями sp2 и sp3, таких как восстановление кетона, окисление спирта или нуклеофильное замещение , возможно, если принять во внимание все конформеры и их относительную стабильность, определяемую их штаммом .

Один из примеров с конфигурационными изомерами обеспечиваются реакции элиминирования , которые предполагают одновременное удаление протона и уходящей группу из вицинальной или анти - позиции periplanar под действием основания.

Бимолекулярное дегидрогалогенирование, индуцированное основанием (механизм реакции типа E2). Оптимальная геометрия для переходного состояния требует, чтобы разрывные связи были антиперипланарными, поскольку они находятся в соответствующей ступенчатой ​​конформации.

Механизм требует, чтобы отходящие атомы или группы следовали антипараллельным траекториям. Для подложек с открытой цепью этому геометрическому условию удовлетворяет 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. Смежные заместители в циклогексановом кольце могут достигать антиперипланарности только тогда, когда они занимают трансдиаксиальные положения (то есть оба находятся в аксиальном положении, один идет вверх, а другой вниз).

Одним из следствий этого анализа состоит в том , что транс - 4- трет - -butylcyclohexyl хлорид не может легко устранить , но вместо этого подвергается замене (см диаграммы ниже) , так как наиболее стабильная конформация имеет громоздкий т - Bu группы в экваториальном положении, поэтому группа хлоридов не антиперипланарный с любым вицинальным водородом (ко всем четырем). Термодинамически неблагоприятная конформация имеет группу t -Bu в аксиальном положении, которая имеет более высокую энергию более чем на 5 ккал / моль (см . Значение A ). В результате группа t -Bu «блокирует» кольцо в конформации, в которой оно находится в экваториальном положении, и наблюдается реакция замещения. С другой стороны, цис -4- трет -butylcyclohexyl хлорид подвергается ликвидации , поскольку antiperiplanarity из Cl и H может быть достигнуто , когда трет - Bu группа находится в благоприятном экваториальном положении.

Термодинамически пользующегося конформации транс -4- трет -butylcyclohexyl хлорида , где т - Bu группа находится в аксиальном положении , оказывающее 7-атомные взаимодействия.
Транс - изомер может достичь antiperiplanarity только через пользующийся осевой конформер; следовательно, это не устраняет. Цис - изомер уже в правильной геометрии в его наиболее стабильной конформации; поэтому он легко устраняется.

Отталкивание между аксиальной трет- бутильной группой и атомами водорода в 1,3-диаксиальном положении настолько велико, что циклогексановое кольцо вернется в конформацию скрученной лодочки . Деформация в циклических структурах обычно характеризуется отклонениями от идеальных валентных углов ( деформация Байера ), идеальных углов кручения ( деформация Питцера ) или трансаннулярных ( прелог ) взаимодействий.

Смотрите также

Рекомендации