Конформационная изомерия - Conformational isomerism

Вращение относительно одинарной связи бутан преобразовывать одно соответствие в другое. В бестактный конформация справа - конформер, а затмил конформация слева - это переходное состояние между конформерами. Вверху: проекция Ньюмана; внизу: изображение пространственной ориентации.

В химия, конформационная изомерия это форма стереоизомерия в которой изомеры могут быть взаимно преобразованы просто вращениями вокруг формально одинарных связей (см. рисунок на вращении одинарных связей). В то время как любые два расположения атомов в молекуле, которые отличаются вращением вокруг одинарных связей, можно назвать разными. конформации, конформации, соответствующие локальным минимумам на поверхности энергии, специально называются конформационные изомеры или же конформеры.[1] Конформации, соответствующие локальным максимумам на поверхности энергии, являются переходные состояния между конформационными изомерами с локальным минимумом. Вращения вокруг одинарных связей включают преодоление вращательного энергетического барьера для взаимного преобразования одного конформера в другой. Если энергетический барьер низкий, есть свободное вращение[2] и образец соединения существует как быстро уравновешивающаяся смесь множества конформеров; если энергетический барьер достаточно высок, то вращение ограничено, молекула может существовать в течение относительно длительного периода времени как стабильная вращательный изомер или же ротамер (изомер, возникающий из-за затрудненного вращения одинарной связи). Когда шкала времени для взаимного превращения достаточно велика для изоляции отдельных ротамеров (обычно произвольно определяется как период полураспада взаимного превращения 1000 секунд или дольше), изомеры называют атропоизомеры (видеть: атропоизомерия ).[1][3][4] В переворот замещенных циклогексанов составляет еще одну распространенную форму конформационной изомерии.

Таким образом, конформационные изомеры отличаются от других классов стереоизомеры (т.е. конфигурационный изомеры), где взаимное превращение обязательно включает разрыв и преобразование химических связей.[5] Например, L/D- и р/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 хиральный атом и преобразование подобной связи в другом направлении или пространственной ориентации. Они также отличаются от геометрических (СНГ/транс) изомеры, другой класс стереоизомеров, которые требуют π-компонента двойных связей, которые нужно разорвать для взаимного преобразования. (Хотя различие не всегда однозначно, 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 связи C – N в амиды, например.) Из-за быстрого взаимного превращения конформеры обычно не выделяются при комнатной температуре.

Изучение энергетики между различными конформациями называется конформационный анализ.[6] Это полезно для понимания стабильности различных изомеров, например, принимая во внимание пространственную ориентацию и межпространственные взаимодействия заместителей. Кроме того, конформационный анализ можно использовать для прогнозирования и объяснения селективности продукта, механизмов и скорости реакций.[7] Конформационный анализ также играет важную роль в рациональном, структурном дизайн препарата.

Типы

Диаграмма относительной энергии конформации бутана в зависимости от двугранного угла.[8] A: антиперипланарный, анти- или транс. B: синклинальный или гош. C: антиклиналь или затмение. D: синперипланарный или цис.[1]

Вращая свои углерод-углеродные связи, молекулы этана и пропана имеют три локальных минимума энергии. Они структурно и энергетически эквивалентны и называются шахматные конформеры. Для каждой молекулы три заместителя, исходящие от каждой углерод-углеродной связи, расположены в шахматном порядке, при этом каждый H – C – C – H двугранный угол (и H – C – C – CH3 двугранный угол в случае пропана), равный 60 ° (или приблизительно равный 60 ° в случае пропана). Три закрытые 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 вращения одинарной связи приводят к двум типам неэквивалентных структур, известных как анти- и безвкусныйконформеры (см. рисунок).

Например, бутан имеет три конформера, относящиеся к его двум метилам (CH3) группы: две бестактный конформеры, у которых метилы разнесены на ± 60 ° и энантиомерный, и анти конформер, в котором четыре углеродных центра компланарны, а заместители разнесены на 180 ° (см. диаграмму свободной энергии бутана). Разница в энергии между гош и анти составляет 0,9 ккал / моль, что связано с напряжение энергия гош-конформера. Следовательно, антиконформер является наиболее стабильным (≈ 0 ккал / моль). Три затмеваемые конформации с двугранными углами 0 °, 120 ° и 240 ° являются переходными состояниями между конформерами.[6] 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). ).[9]

В то время как простые молекулы могут быть описаны этими типами конформаций, более сложные молекулы требуют использования Система Клина – Прелога чтобы описать различные конформеры.[6]

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 динамическое равновесие, где относительная свободная энергия изомеров определяет заселенность каждого изомера, а энергетический барьер вращения определяет скорость взаимного превращения между изомерами:[11]

,

куда K - константа равновесия, ΔG ° это разница в стандартной свободной энергии между двумя конформерами в ккал / моль, р универсальный газовая постоянная (1.987×10−3 ккал / моль К) и Т это температура системы в кельвины. В единицах ккал / моль при 298 К,

.

Таким образом, каждые 1,36 ккал / моль соответствуют примерно 10 коэффициенту константы равновесия при температурах, близких к комнатной. ("1.36 правило"полезен в целом для оценки констант равновесия при комнатной температуре по разнице свободной энергии. При более низких температурах требуется меньшая разница энергии 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 них одинаковая свободная энергия; ни один из них не более стабилен, поэтому ни один из них не преобладает над другим. Отрицательная разница в свободной энергии означает, что конформер взаимно преобразуется в термодинамически более стабильную конформацию, поэтому константа равновесия всегда будет больше 1. Например, ΔG ° для превращения бутана из бестактный соответствует анти конформер составляет -0,47 ккал / моль при 298 К.[12] Это дает константу равновесия около 2,2 в пользу анти конформер, или смесь 31:69 бестактный:анти конформеры 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 при крайне неблагоприятных изменениях (большое положительное ΔG °), 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 (Икс-ось)

Дробное распределение населения различных конформеров следует Распределение Больцмана:[13]

.

Левая часть - доля конформера. я в уравновешивающей смеси M конформеры в термодинамическом равновесии. На правой стороне, Ek (k = 1, 2, ..., M) - энергия конформера k, р - молярная постоянная идеального газа (приблизительно равная 8,314 Дж / (моль · К) или 1,987 кал / (моль · К)), и Т это абсолютная температура. Знаменатель правой части - это статистическая сумма.

Факторы, способствующие свободной энергии конформеров

Эффекты электростатический и стерический взаимодействия заместителей, а также орбитальные взаимодействия, такие как сверхсопряжение 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.[14][15]

Вклад в вращательный энергетический барьер

В случае циклических систем стерический эффект и вклад в свободную энергию можно аппроксимировать следующим образом: Ценности, которые измеряют разницу энергий, когда заместитель на циклогексане находится в аксиальном по сравнению с экваториальным положением.

Выделение или наблюдение конформационных изомеров

Короткое время взаимного превращения в большинстве случаев исключает разделение конформационных изомеров. Атропоизомеры представляют собой конформационные изомеры, которые можно разделить из-за ограниченного вращения.[16]

Сворачивание белков также генерирует стабильные конформационные изомеры, которые можно наблюдать. В Уравнение Карплюса связывает двугранный угол вицинальный протоны к своим J-муфта константы, измеренные методом ЯМР. Уравнение помогает в выяснении сворачивания белка, а также конформации других жестких алифатический молекулы.[17] Равновесие между конформационными изомерами можно наблюдать с помощью различных спектроскопические методы.

В производные циклогексана, два конформера стула быстро взаимопревращаются при комнатной температуре, причем циклогексан сам претерпевает переворот кольца со скоростью примерно 105 переворотов колец / сек с общим энергетическим барьером 10 ккал / моль (42 кДж / моль), что исключает их разделение при температуре окружающей среды.[18] Однако при низких температурах ниже слияние Можно непосредственно контролировать равновесие с помощью ЯМР-спектроскопии, а с помощью динамической, зависимой от температуры ЯМР-спектроскопии - межбарьерного превращения.[19]

За динамикой конформационной (и других видов) изомерии можно следить с помощью ЯМР спектроскопия при различных температурах. Этот метод применим к барьерам 8–14 ккал / моль, и виды, демонстрирующие такую ​​динамику, часто называют "текучий ".

Помимо ЯМР-спектроскопии, ИК-спектроскопия используется для измерения соотношения конформеров. Для аксиального и экваториального конформера бромциклогексана νCBr отличается почти на 50 см−1.[18]

Конформационно-зависимые реакции

Скорости реакций сильно зависят от конформации реагентов. Во многих случаях доминирующий продукт возникает в результате реакции менее распространенный конформер, в силу Принцип Куртина-Хэммета. 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 конфигурационные изомеры, в котором конкретная конформация заблокирована заместителями. Прогнозирование скорости многих реакций, включающих переход между состояниями sp2 и sp3, таких как восстановление кетона, окисление спирта или нуклеофильное замещение возможно, если все конформеры и их относительная стабильность управляются их напряжение учитывается.[20]

Один пример с конфигурационными изомерами представлен реакции элиминации, которые предполагают одновременное удаление протона и уходящая группа из окрестностей или антиперипланарные позиции под воздействием базы.

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 соответствует 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.[21] Соседний заместители на циклогексановом кольце могут достигать антиперипланарности только тогда, когда они занимают трансдиаксиальные положения.

Одним из следствий этого анализа является то, что транс-4-терт-бутилциклогексилхлорид не может быть легко устранен, но вместо этого подвергается замещению (см. диаграмму ниже), потому что наиболее стабильная конформация имеет объемную т-Bu группа в экваториальном положении, поэтому хлоридная группа не антиперипланарна с любым вицинальным водородом. Термодинамически невыгодная конформация имеет т-Bu группа в осевом положении, которая по энергии выше (см. Ценность ) более 5 ккал / моль.[22] В результате тГруппа -Bu «запирает» кольцо в конформации, в которой оно находится в экваториальном положении, и наблюдается реакция замещения. С другой стороны, СНГ-4-терт-бутилциклогексилхлорид подвергается элиминации, поскольку антиперипланарность Cl и H может быть достигнута, когда т-Группа Бу находится в выгодном экваториальном положении.

Термодинамически неблагоприятная конформация транс-4-терт-бутилциклогексилхлорид, где т-Bu группа находится в осевом положении, проявляя 7-атомные взаимодействия.
В транс изомер может достичь антиперипланарности только через неблагоприятный аксиальный конформер; следовательно, это не устраняет. В СНГ изомер уже имеет правильную геометрию в своей наиболее стабильной конформации; поэтому он легко устраняется.

Отталкивание между осевым т-бутильная группа и атомы водорода в 1,3-диаксиальном положении настолько сильны, что циклогексан превратится в витая лодка конформация. Напряжение в циклических структурах обычно характеризуется отклонениями от идеального валентные углы (Штамм Байера ), идеальный крутильные углы (Штамм Питцера ) или же трансаннулярный (Прелог) взаимодействия.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c Мосс, GP (1996-01-01). «Базовая терминология стереохимии (Рекомендации IUPAC 1996 г.)». Чистая и прикладная химия. 68 (12): 2193–2222. Дои:10.1351 / pac199668122193. ISSN  1365-3075. S2CID  98272391.
  2. ^ ИЮПАК, Сборник химической терминологии, 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (1996) "Свободное вращение (затрудненное вращение, ограниченное вращение) ". Дои:10.1351 / goldbook.F02520
  3. ^ Ki, Michinori (1983) Последние достижения в области атропоизомерии, в Темы стереохимии, Vol. 14 (Н. Л. Аллинджер, Э. Л. Элиэль и С. Х. Вилен, ред.), Хобокен, штат Нью-Джерси: John Wiley & Sons, стр. 1-82; опубликовано в Интернете в 2007 г., DOI: 10.1002 / 9780470147238.ch1, см. [1] и [2][постоянная мертвая ссылка ], по состоянию на 12 июня 2014 г.
  4. ^ Алькорта, Ибон; Хосе Эльгеро; Кристиан Руссель; Николас Вантуин; Патрик Пирас (2012). Атропоизомерия и аксиальная хиральность в гетероароматических соединениях. Достижения в химии гетероциклов. 105. С. 1–188. Дои:10.1016 / B978-0-12-396530-1.00001-2. HDL:10261/62060. ISBN  9780123965301.
  5. ^ Охота, Ян. «Стереохимия». Университет Калгари. Получено 28 октября 2013.
  6. ^ а б c Анслин, Эрик; Деннис Догерти (2006). Современная физико-органическая химия. Университетская наука. п.95. ISBN  978-1891389313.
  7. ^ Бартон, Дерек (1970). «Принципы конформационного анализа». Nobel Media AB 2013. Эльзевир Паблишинг Ко. 169 (3945): 539–44. Дои:10.1126 / science.169.3945.539. PMID  17746022. Получено 10 ноября 2013.
  8. ^ Дж., Макмерри (2012). Органическая химия (8-е изд.). Бельмонт, Калифорния: Брукс / Коул. п. 98. ISBN  9780840054449.
  9. ^ Баулд, Натан. «Конформационный анализ бутана». Техасский университет. Получено 28 октября 2013.
  10. ^ Данбрак, Р. (2002). «Библиотеки ротамеров в 21 веке». Текущее мнение в структурной биологии. 12 (4): 431–440. Дои:10.1016 / S0959-440X (02) 00344-5. PMID  12163064.
  11. ^ Брузик, Кароль. «Глава 6: Соответствие». Иллинойский университет в Чикаго. Архивировано из оригинал 11 ноября 2013 г.. Получено 10 ноября 2013.
  12. ^ Стандартное изменение энтальпии ΔЧАС° от бестактный к анти составляет –0,88 ккал / моль. Однако, поскольку есть два возможный бестактный форм, существует статистический фактор, который необходимо учитывать как энтропийный член. Таким образом, Δграмм° = ΔЧАС° – ТΔS ° = ΔH ° + RT пер. 2 = –0,88 ккал / моль + 0,41 ккал / моль = –0,47 ккал / моль, при 298 К.
  13. ^ Рзепа, Генри. «Конформационный анализ». Имперский колледж Лондон. Получено 11 ноября 2013.
  14. ^ Лю, Шубин (7 февраля 2013 г.). «Происхождение и природа барьеров для вращения облигаций: единый взгляд». Журнал физической химии A. 117 (5): 962–965. Bibcode:2013JPCA..117..962L. Дои:10.1021 / jp312521z. PMID  23327680.
  15. ^ Кэри, Фрэнсис А. (2011). Органическая химия (8-е изд.). Нью-Йорк: Макгроу-Хилл. п.105. ISBN  978-0-07-340261-1.
  16. ^ Макнот (1997). «Атропоизомеры». Сборник химической терминологии ИЮПАК. Оксфорд: Научные публикации Блэквелла. Дои:10.1351 / goldbook.A00511. ISBN  978-0967855097.
  17. ^ Далтон, Луиза. «Уравнение Карплюса». Новости химии и техники. Американское химическое общество. Получено 2013-10-27.
  18. ^ а б Eliel, E.L .; Wilen, S.H .; Мандер, Л. Н. (1994). Стереохимия органических соединений. Дж. Уайли и сыновья. ISBN  978-0-471-01670-0.
  19. ^ Дженсен, Фредерик Р .; Бушвеллер, К. Хакетт (1969-06-01). «Разделение конформеров. II. Аксиальные и экваториальные изомеры хлорциклогексана и тридейтериометоксициклогексана». Журнал Американского химического общества. 91 (12): 3223–3225. Дои:10.1021 / ja01040a022. ISSN  0002-7863.
  20. ^ Schneider, H.-J .; Schmidt, G .; Thomas F. J. Am. Chem. Soc., 1983, 105, 3556.https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/ja00349a031
  21. ^ «Циклоалканы». Имперский колледж Лондон. Получено 28 октября 2013.
  22. ^ Догерти, Эрик В. Анслин; Деннис, А. (2006). Современная физико-органическая химия (Додр. Ред.). Саусалито, Калифорния: Университетские научные книги. п.104. ISBN  978-1-891389-31-3.