Жалғыз байланыстардың айналуы арқылы пайда болатын молекулалық құрылымдар
Conformational isomerism
Конформациялық изомерия: бір байланыстардың айналуынан туындайтын молекулалық құрылымдар. Төмен энергиялық конформациялар тұрақты, ал жоғары энергиялықтары – өтпелі күйлер.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Тек бір байланыстың айналуы арқылы қалыптасқан әртүрлі молекулалық құрылымдар
Different molecular structures formed only by rotation about single bonds
Химияда конформациялық изомеризм – стереоизомеризмнің бір түрі, онда изомерлер формальды түрде жеке байланыстардың айналуы арқылы бір-біріне өтуге мүмкін (жеке байланыстың айналуына қатысты суретті қараңыз). Молекуладағы атомдардың кез келген екі орналасуы, егер олар жеке байланыстардың айналуымен ерекшеленсе, әртүрлі конформациялар деп аталады, ал потенциалдық энергия бетіндегі жергілікті минимумдарға сәйкес келетін конформациялар конформациялық изомерлер немесе конформерлер деп аталады. Энергия бетіндегі жергілікті максимумдарға сәйкес келетін конформациялар – жергілікті минимумдық конформациялық изомерлер арасындағы өту күйлері болып табылады. Жеке байланыстардың айналуы бір конформерді екіншісіне айналдыру үшін айналу энергиясының кедергісін жеңуді қажет етеді. Егер энергия кедергісі төмен болса, еркін айналу болады және қосылыстың үлгісі бірнеше конформерлердің жылдам тепе-теңдік қоспасы ретінде болады; егер энергия кедергісі жеткілікті жоғары болса, айналу шектеледі, молекула салыстырмалы түрде ұзақ уақыт бойы тұрақты айналу изомері немесе ротамер (шешілген жеке байланыстың айналуынан туындаған изомер) ретінде сақталуы мүмкін. Егер ротамерлерді оқшаулау үшін өзара айналу уақыты жеткілікті ұзақ болса (әдетте, өзара айналудың жартылай өмір сүру мерзімі 1000 секунд немесе одан да ұзақ деп есептеледі), онда изомерлер атропизомерлер деп аталады (қараңыз: атропизомеризм). Орны ауыстырылған циклогександардың сақиналық ауысуы – конформациялық изомеризмнің тағы бір жиі кездесетін түрі. Конформациялық изомерлер осылайша басқа стереоизомерлер кластарынан (яғни конфигурациялық изомерлерден) ерекшеленеді, онда өзара айналу үшін химиялық байланыстарды міндетті түрде үзу және қайта құру қажет. Мысалы, органикалық молекулалардың L/D және R/S конфигурациялары әртүрлі хиральдық қасиеттері мен оптикалық белсенділігіне ие және оларды тек хиральдық атомға байланысқан бір немесе бірнеше байланыстарды үзіп, сол сияқты байланысты басқа бағытта немесе кеңістіктік ориентацияда қайта құру арқылы өзара айналдыруға болады. Олар геометриялық (цис/транс) изомерлерден де ерекшеленеді, яғни екі еселі байланыстардың π-компонентін өзара айналу үшін бұзу қажет болатын стереоизомерлердің тағы бір класы. (Дегенмен, бұл айырмашылық әрқашан анық болмайды, себебі кейбір формальды жеке байланыстардың шындығында қос байланыс сипаттамасы болады, ол тек екінші резонанстық құрылымдар ескерілгенде ғана көрінеді, мысалы, амидтердегі C–N байланыстары сияқты.) Конформерлердің жылдам өзара айналуына байланысты, оларды әдетте бөлме температурасында оқшаулау мүмкін емес. Әртүрлі конформациялар арасындағы энергетиканы зерттеу конформациялық талдау деп аталады. Бұл әртүрлі изомерлердің тұрақтылығын түсіну үшін пайдалы, мысалы, кеңістіктік ориентацияны және орын алмастырушылардың кеңістіктегі өзара әрекеттесуін ескере отырып. Сонымен қатар, конформациялық талдау өнімнің таңдамалылығын, механизмдерін және реакциялардың жылдамдықтарын болжау және түсіндіру үшін қолданылуы мүмкін. Конформациялық талдау рационалды, құрылымға негізделген дәрі-дәрмектерді жобалауда да маңызды рөл атқарады.
In chemistry, conformational isomerism is a form of stereoisomerism in which the isomers can be interconverted just by rotations about formally single bonds (refer to figure on single bond rotation). While any two arrangements of atoms in a molecule that differ by rotation about single bonds can be referred to as different conformations, conformations that correspond to local minima on the potential energy surface are specifically called conformational isomers or conformers. Conformations that correspond to local maxima on the energy surface are the transition states between the local minimum conformational isomers. Rotations about single bonds involve overcoming a rotational energy barrier to interconvert one conformer to another. If the energy barrier is low, there is free rotation and a sample of the compound exists as a rapidly equilibrating mixture of multiple conformers; if the energy barrier is high enough then there is restricted rotation, a molecule may exist for a relatively long time period as a stable rotational isomer or rotamer (an isomer arising from hindered single bond rotation). When the time scale for interconversion is long enough for isolation of individual rotamers (usually arbitrarily defined as a half life of interconversion of 1000 seconds or longer), the isomers are termed atropisomers (see: atropisomerism). The ring flip of substituted cyclohexanes constitutes another common form of conformational isomerism. Conformational isomers are thus distinct from the other classes of stereoisomers (i. e. configurational isomers) where interconversion necessarily involves breaking and reforming of chemical bonds. For example, L/D and R/S configurations of organic molecules have different handedness and optical activities, and can only be interconverted by breaking one or more bonds connected to the chiral atom and reforming a similar bond in a different direction or spatial orientation. They also differ from geometric (cis/trans) isomers, another class of stereoisomers, which require the π component of double bonds to break for interconversion. (Although the distinction is not always clear cut, since certain bonds that are formally single bonds actually have double bond character that becomes apparent only when secondary resonance contributors are considered, like the C–N bonds of amides, for instance.) Due to rapid interconversion, conformers are usually not isolable at room temperature. The study of the energetics between different conformations is referred to as conformational analysis. It is useful for understanding the stability of different isomers, for example, by taking into account the spatial orientation and through space interactions of substituents. In addition, conformational analysis can be used to predict and explain product selectivity, mechanisms, and rates of reactions. Conformational analysis also plays an important role in rational, structure based drug design.
Түрлері
[[Файл:Бутанның конформациялары және салыстырмалы энергиялары.svg|thumb|400x400px|Бутанның диэдр бұрышына байланысты конформациялық энергиясының салыстырмалы диаграммасы. А: антиперипланарлық, анти немесе транс. B: синклинальді немесе гауш. C: антиклинальді немесе тұтылған. D: синперипланарлық немесе цис. Қарапайым молекулаларды осы конформация түрлерімен сипаттауға болады, ал күрделі молекулалар әртүрлі конформерлерді сипаттау үшін Клайн-Прелог жүйесін пайдалануды қажет етеді. Акамптисомеризм – байланыс бұрышының шектелген инверсиясына байланысты.
[[File:Butane conformations and relative energies. svg|thumb|400x400px|Relative conformation energy diagram of butane as a function of dihedral angle. A: antiperiplanar, anti or trans. B: synclinal or gauche. C: anticlinal or eclipsed. D: synperiplanar or cis. While simple molecules can be described by these types of conformations, more complex molecules require the use of the Klyne–Prelog system to describe the different conformers. Akamptisomerism – due to restricted inversion of a bond angle.
Конформациялық изомерлерді оқшаулау немесе бақылау
Аралық түрленудің қысқа уақыт аралығы көп жағдайда конформациялық изомерлерді бөлуге мүмкіндік бермейді. Атропизомерлер – бұл шектелген айналуға байланысты бөліне алатын конформациялық изомерлер. Конформациялық изомерлер арасындағы тепе-теңдікті әртүрлі спектроскопиялық әдістер арқылы байқауға болады. Ақуыздың бүктелуі де тұрақты конформациялық изомерлерді тудырады, оларды байқауға болады. Карплюс теңдеуі, NMR арқылы өлшенетін J жұптасу тұрақтыларымен, жақын жатқан протонның диэдрал бұрышын байланыстырады. Бұл теңдеу ақуыздың бүктелуін, сондай-ақ басқа да қатаң алифатикалық молекулалардың конформациясын анықтауға көмектеседі. Ақуыздың бүйір тізбектері ротамерлерді көрсетеді, олардың таралуы омыртқаның әртүрлі конформацияларымен стерикалық өзара әрекеттесуімен анықталады. Бұл ақуыздың бүйір тізбектерінің конформацияларының статистикалық талдауынан көрінеді. Циклогексан туындыларында екі кресло конформері бөлме температурасында жылдам түрленеді, ал циклогексан өзі шамамен 105 айналым/сек жылдамдықпен сақинаның ауысуын бастан кешіреді, жалпы энергиялық тосқанылы 10 ккал/моль (42 кДж/моль) құрайды, бұл оларды бөлме температурасында бөлуге мүмкіндік бермейді. Конформациялық (және басқа да түрдегі) изомерлік динамиканы әртүрлі температурада ЯМР спектроскопиясы арқылы бақылауға болады. Бұл әдіс 8–14 ккал/моль тосқанылдарына қолданылады, ал мұндай динамиканы көрсететін заттар көбінесе «флюкциялық» деп аталады. ЯМР спектроскопиясынан басқа, конформерлік арақатынастарды өлшеу үшін ИҚ спектроскопиясы қолданылады. Бромциклогексанның осьтік және экваториалды конформерлері үшін νCBr шамамен 50 см−1 айырмашылықты құрайды.
The short timescale of interconversion precludes the separation of conformational isomers in most cases. Atropisomers are conformational isomers which can be separated due to restricted rotation. The equilibrium between conformational isomers can be observed using a variety of spectroscopic techniques. Protein folding also generates stable conformational isomers which can be observed. The Karplus equation relates the dihedral angle of vicinal protons to their J coupling constants as measured by NMR. The equation aids in the elucidation of protein folding as well as the conformations of other rigid aliphatic molecules. Protein side chains exhibit rotamers, whose distribution is determined by their steric interaction with different conformations of the backbone. This is evident from statistical analysis of the conformations of protein side chains in the Backbone dependent rotamer library. In cyclohexane derivatives, the two chair conformers interconvert with rapidly at room temperature, with cyclohexane itself undergoing the ring flip at a rates of approximately 105 ring flips/sec, with an overall energy barrier of 10 kcal/mol (42 kJ/mol), which precludes their separation at ambient temperatures. The dynamics of conformational (and other kinds of) isomerism can be monitored by NMR spectroscopy at varying temperatures. The technique applies to barriers of 8–14 kcal/mol, and species exhibiting such dynamics are often called "fluxional". Besides NMR spectroscopy, IR spectroscopy is used to measure conformer ratios. For the axial and equatorial conformer of bromocyclohexane, νCBr differs by almost 50 cm−1.
Конформацияға тәуелді реакциялар
Реакция жылдамдығы реактивтердің конформациясына өте байланысты. Көп жағдайда, басым өнім Кёртин-Хаммет принципіне сәйкес, аз кездесетін конформердің реакциясынан пайда болады. Бұл конформациялық тепе-теңдік реакцияның өнім беруге қарағанда әлдеқайда жылдам болатын жағдайларға тән. Реакцияның стереохимиялық бағыты әдетте тек конфигурациялық изомерлерде ғана көрінеді, онда белгілі бір конформация орынбастармен шектеледі. Егер барлық конформерлер мен олардың салыстырмалы тұрақтылығы, олардың кернеуімен анықталса, кетонды тотықсыздандыру, спиртті тотықтыру немесе нуклеофилдік орынбастау сияқты sp2 және sp3 күйлері арасындағы өтуді қамтитын көптеген реакциялардың жылдамдықтарын болжауға болады. Конфигурациялық изомерлерге мысал - жою реакциялары, олар базаның әсерімен вициналды немесе антиперипланарлық жағдайлардан бірдей протонды және кететін топты алып тастауды қамтиды. Механизм талап етеді, атомдар немесе топтар антипараллель траекториямен қозғалу керек. Ашық тізбекті субстраттар үшін бұл геометриялық шарт кем дегенде үш эшелонды конформердің біреуімен орындалады. Алайда, циклогексан сияқты кейбір циклді субстраттар үшін, орынбастардың конформациялық шектеулер қоюына байланысты антипараллельді орналасу мүмкін болмайды. Циклогексан сақинасындағы жақын орналасқан орынбастар тек транс-диақсиалды жағдайларда (яғни екеуі де аксиалды жағдайда, біреуі жоғары, біреуі төмен) ғана антиперипланарлыққа жете алады. Бұл талдаудың салдары ретінде, транс-4-трет-бутилциклогексил хлориді оңай жойылмайды, керісінше орынбасталады (төмендегі схеманы қараңыз), өйткені ең тұрақты конформацияда t-Bu тобы экваторлық жағдайда орналасқан, сондықтан хлорид тобы кез келген көрші сутекпен антиперипланар емес (олардың барлығына қатысты гауш жағдайда). Термодинамикалық тұрғыдан қолайсыз конформацияда t-Bu тобы аксиалды жағдайда болады, бұл энергиясы 5 ккал/моль-ден астам (А мәнін қараңыз). Нәтижесінде, t-Bu тобы сақинаны экваторлық жағдайдағы конформациясында "құлыптайды" және орынбастау реакциясы жүзеге асады. Екінші жағынан, цис-4-трет-бутилциклогексил хлориді жою реакциясына түседі, өйткені Cl және H антиперипланарлығы t-Bu тобы қолайлы экваторлық жағдайда болғанда мүмкін болады. Аксиалды t-бутил тобы мен 1,3-диақсиалды жағдайдағы сутек атомдары арасындағы итергіш күш соншалықты зор, циклогексан сақинасы бұрылған қайық конформациясына қайта оралады. Циклдік құрылымдардағы кернеу әдетте идеалдық байланыс бұрыштарынан (Байер кернеуі), идеалдық бұрылу бұрыштарынан (Питцер кернеуі) немесе трансанулярлық (Прелог) өзара әрекеттесулерден ауытқулармен сипатталады.
Reaction rates are highly dependent on the conformation of the reactants. In many cases the dominant product arises from the reaction of the less prevalent conformer, by virtue of the Curtin Hammett principle. This is typical for situations where the conformational equilibration is much faster than reaction to form the product. The dependence of a reaction on the stereochemical orientation is therefore usually only visible in configurational isomers, in which a particular conformation is locked by substituents. Prediction of rates of many reactions involving the transition between sp2 and sp3 states, such as ketone reduction, alcohol oxidation or nucleophilic substitution is possible if all conformers and their relative stability ruled by their strain is taken into account. One example with configurational isomers is provided by elimination reactions, which involve the simultaneous removal of a proton and a leaving group from vicinal or antiperiplanar positions under the influence of a base. The mechanism requires that the departing atoms or groups follow antiparallel trajectories. For open chain substrates this geometric prerequisite is met by at least one of the three staggered conformers. For some cyclic substrates such as cyclohexane, however, an antiparallel arrangement may not be attainable depending on the substituents which might set a conformational lock. Adjacent substituents on a cyclohexane ring can achieve antiperiplanarity only when they occupy trans diaxial positions (that is, both are in axial position, one going up and one going down). One consequence of this analysis is that trans 4 tert butylcyclohexyl chloride cannot easily eliminate but instead undergoes substitution (see diagram below) because the most stable conformation has the bulky t Bu group in the equatorial position, therefore the chloride group is not antiperiplanar with any vicinal hydrogen (it is gauche to all four). The thermodynamically unfavored conformation has the t Bu group in the axial position, which is higher in energy by more than 5 kcal/mol (see A value). As a result, the t Bu group "locks" the ring in the conformation where it is in the equatorial position and substitution reaction is observed. On the other hand, cis 4 tert butylcyclohexyl chloride undergoes elimination because antiperiplanarity of Cl and H can be achieved when the t Bu group is in the favorable equatorial position. The repulsion between an axial t butyl group and hydrogen atoms in the 1,3 diaxial position is so strong that the cyclohexane ring will revert to a twisted boat conformation. The strain in cyclic structures is usually characterized by deviations from ideal bond angles (Baeyer strain), ideal torsional angles (Pitzer strain) or transannular (Prelog) interactions.
Ерекше жағдайлар
n-пентанда терминалдық метил топтары қосымша пентандық бөгетке ұшырайды. Политрафторэтилендегі сутекті фтормен алмастыру, фтор атомдарының 1,3-позициядағы электростатикалық итергішуі нәтижесінде стереохимияны зигзаг геометриясынан спиральға өзгертеді. Қатты күйдегі спираль құрылымын рентгендік кристаллография, ЯМР спектроскопиясы және ерітіндідегі дөңгелек дихроизм арқылы растауға болады.
In n pentane, the terminal methyl groups experience additional pentane interference. Replacing hydrogen by fluorine in polytetrafluoroethylene changes the stereochemistry from the zigzag geometry to that of a helix due to electrostatic repulsion of the fluorine atoms in the 1,3 positions. Evidence for the helix structure in the crystalline state is derived from X ray crystallography and from NMR spectroscopy and circular dichroism in solution.