Введение
Конформации циклогексана — любая из нескольких трехмерных форм, принимаемых молекулами циклогексана. Поскольку многие соединения содержат структурно похожие шестичленные кольца, структура и динамика циклогексана являются важными прототипами широкого спектра соединений. Внутренние углы правильного плоского шестиугольника составляют 120°, в то время как предпочтительный угол между последовательными связями в углеродной цепи составляет около 109,5°, тетраэдрический угол (арккосинус −). Поэтому циклогексановое кольцо стремится принимать неплоские (искривленные) конформации, которые имеют углы, более близкие к 109,5°, и, следовательно, более низкую энергию деформации, чем плоская шестиугольная форма. Рассмотрим атомы углерода, пронумерованные от 1 до 6 вокруг кольца. Если зафиксировать атомы углерода 1, 2 и 3, сохранив правильные длины связей и тетраэдрический угол между двумя связями, а затем продолжить, добавляя атомы углерода 4, 5 и 6 с правильной длиной связей и тетраэдрическим углом, можно изменять три диэдрических угла для последовательностей (2,3,4), (3,4,5) и (4,5,6). Следующая связь, от атома 6, также ориентирована диэдрическим углом, таким образом, у нас есть четыре степени свободы. Но последняя связь должна заканчиваться в положении атома 1, что накладывает три условия в трехмерном пространстве. Если угол связи в цепи (6,1,2) также должен быть тетраэдрическим углом, то у нас есть четыре условия. В принципе, это означает, что степеней свободы конформации нет, при условии, что все длины связей равны и все углы между связями равны. Оказывается, что при фиксированных атомах 1, 2 и 3 существует два решения, называемые конформацией кресла, в зависимости от того, является ли диэдрический угол для (1,2,3,4) положительным или отрицательным, и эти два решения эквивалентны при вращении. Но существует также континуум решений, топологический круг, где угловая деформация равна нулю, включая скрученную лодку и конформацию лодки. Все конформации на этом континууме имеют двукратную ось симметрии, проходящую через кольцо, в то время как конформации кресла не имеют (у них D-симметрия с трехкратной осью, проходящей через кольцо). Именно из-за симметрии конформаций на этом континууме можно удовлетворить все четыре условия с диапазоном диэдрических углов в (1,2,3,4). На этом континууме энергия изменяется из-за напряжения Питцера, связанного с диэдрическими углами. Скрученная лодка имеет более низкую энергию, чем лодка. Чтобы перейти от конформации кресла к конформации скрученной лодки или другой конформации кресла, необходимо изменить углы связи, что приводит к высокоэнергетической полукресельной конформации. Таким образом, относительная стабильность: кресло > скрученная лодка > лодка > полукресло. Все относительные конформационные энергии показаны ниже. При комнатной температуре молекула может легко перемещаться между этими конформациями, но только кресло и скрученная лодка могут быть выделены в чистом виде, поскольку другие не находятся в локальных энергетических минимумах. Конформации лодки и скрученной лодки, как уже говорилось, лежат вдоль континуума нулевой угловой деформации. Если есть заместители, позволяющие различать различные атомы углерода, то этот континуум похож на круг с шестью конформациями лодок и шестью конформациями скрученных лодок между ними, тремя "правыми" и тремя "левыми". (Не имеет значения, какую из них называть правой.) Но если атомы углерода неразличимы, как в самом циклогексане, то движение по континууму переводит молекулу из формы лодки в "правую" скрученную лодку, а затем обратно в ту же форму лодки (с перестановкой атомов углерода), затем в "левую" скрученную лодку, а затем снова в ахиральную лодку. Последовательность лодка ⇌ скрученная лодка ⇌ лодка ⇌ скрученная лодка ⇌ лодка представляет собой псевдоротацию.
Cyclohexane conformations are any of several three dimensional shapes adopted by molecules of cyclohexane. Because many compounds feature structurally similar six membered rings, the structure and dynamics of cyclohexane are important prototypes of a wide range of compounds. The internal angles of a regular, flat hexagon are 120°, while the preferred angle between successive bonds in a carbon chain is about 109.5°, the tetrahedral angle (the arc cosine of −). Therefore, the cyclohexane ring tends to assume non planar (warped) conformations, which have all angles closer to 109.5° and therefore a lower strain energy than the flat hexagonal shape. Consider the carbon atoms numbered from 1 to 6 around the ring. If we hold carbon atoms 1, 2, and 3 stationary, with the correct bond lengths and the tetrahedral angle between the two bonds, and then continue by adding carbon atoms 4, 5, and 6 with the correct bond length and the tetrahedral angle, we can vary the three dihedral angles for the sequences (2,3,4), (3,4,5), and (4,5,6). The next bond, from atom 6, is also oriented by a dihedral angle, so we have four degrees of freedom. But that last bond has to end at the position of atom 1, which imposes three conditions in three dimensional space. If the bond angle in the chain (6,1,2) should also be the tetrahedral angle then we have four conditions. In principle this means that there are no degrees of freedom of conformation, assuming all the bond lengths are equal and all the angles between bonds are equal. It turns out that, with atoms 1, 2, and 3 fixed, there are two solutions called chair, depending on whether the dihedral angle for (1,2,3,4) is positive or negative, and these two solutions are the same under a rotation. But there is also a continuum of solutions, a topological circle where angle strain is zero, including the twist boat and the boat conformations. All the conformations on this continuum have a twofold axis of symmetry running through the ring, whereas the chair conformations do not (they have D symmetry, with a threefold axis running through the ring). It is because of the symmetry of the conformations on this continuum that it is possible to satisfy all four constraints with a range of dihedral angles at (1,2,3,4). On this continuum the energy varies because of Pitzer strain related to the dihedral angles. The twist boat has a lower energy than the boat. In order to go from the chair conformation to a twist boat conformation or the other chair conformation, bond angles have to be changed, leading to a high energy half chair conformation. So the relative stabilities are: chair > twist boat > boat > half chair. All relative conformational energies are shown below. At room temperature the molecule can easily move among these conformations, but only chair and twist boat can be isolated in pure form, because the others are not at local energy minima. The boat and twist boat conformations, as said, lie along a continuum of zero angle strain. If there are substituents that allow the different carbon atoms to be distinguished, then this continuum is like a circle with six boat conformations and six twist boat conformations between them, three "right handed" and three "left handed". (Which should be called right handed is unimportant.) But if the carbon atoms are indistinguishable, as in cyclohexane itself, then moving along the continuum takes the molecule from the boat form to a "right handed" twist boat, and then back to the same boat form (with a permutation of the carbon atoms), then to a "left handed" twist boat, and then back again to the achiral boat. The passage boat⊣twist boat⊣boat⊣twist boat⊣boat constitutes a pseudorotation.
Копланарные углероды
Другой способ сравнить стабильность двух молекул циклогексана в одной и той же конформации — оценить количество копланарных атомов углерода в каждой молекуле. Такое перекрытие увеличивает общую торсионную нагрузку и снижает стабильность конформации. Циклогексан уменьшает торсионное напряжение, возникающее из-за взаимного перекрытия заместителей, принимая конформацию с меньшим количеством неплоских атомов углерода. Например, если конформация полукресла содержит четыре копланарных атома углерода, а другая конформация полукресла — пять, то конформация с четырьмя копланарными атомами углерода будет более стабильной. Если представить атом углерода как точку с четырьмя полусвязями, направленными к вершинам тетраэдра, то можно представить, что они стоят на поверхности, при этом одна полусвязь направлена строго вверх. Если смотреть сверху, остальные три, по-видимому, расходятся наружу к вершинам равностороннего треугольника, поэтому угол между связями составляет 120°. Теперь рассмотрим шесть таких атомов, стоящих на поверхности так, чтобы их невертикальные полусвязи соединялись и образовывали правильный шестиугольник. Если отразить три атома под поверхность, получится структура, очень похожая на конформацию циклогексана. В этой модели шесть вертикальных полусвязей строго вертикальны, а концы шести невертикальных полусвязей, выходящих из кольца, находятся точно на экваторе (то есть на поверхности). Поскольку связи C–H на самом деле длиннее половины связи C–C, «экваториальные» атомы водорода циклогексана в конформации кресла на самом деле будут находиться ниже экватора, когда они присоединены к атому углерода, находящемуся над экватором, и наоборот. То же самое справедливо и для других заместителей. Диэдрический угол для последовательности из четырех атомов углерода, расположенных по кольцу в этой модели, попеременно равен +60° и −60° (этот угол называется gauche). Конформация кресла не может деформироваться без изменения углов или длин связей. Можно представить ее как две цепи, являющиеся зеркальным отражением друг друга, содержащие атомы (1,2,3,4) и (1,6,5,4) с противоположными диэдрическими углами. Расстояние между атомом 1 и атомом 4 зависит от абсолютной величины диэдрического угла. Если эти два диэдрических угла изменяются (оставаясь при этом противоположными друг другу), то невозможно сохранить правильный угол связи как у атома углерода 1, так и у атома углерода 4.
Конформация лодки и крутящейся лодки
Конформации лодки имеют более высокую энергию, чем конформации кресла. Взаимодействие между двумя водородами, расположенными как флагштоки, в частности, создает стерическое напряжение. Торсионное напряжение также возникает между связями C2–C3 и C5–C6 (углерод номер 1 находится на одной из двух зеркальных плоскостей), которые находятся в затмении – то есть, эти две связи параллельны друг другу относительно зеркальной плоскости. Из-за этого напряжения конфигурация лодки нестабильна (то есть не является локальным энергетическим минимумом). Молекулярная симметрия – C2v. Конформация лодки спонтанно искажается в скрученную конформацию лодки. Здесь симметрия D2, чисто вращательная точечная группа с тремя двукратными осями. Эта конформация может быть получена из конформации лодки путем небольшого скручивания молекулы для устранения затмения двух пар метиленовых групп. Скрученная конформация лодки является хиральной и существует в виде право- и левовинтовых энантиомеров. Концентрация скрученной конформации лодки при комнатной температуре составляет менее 0,1%, но она может достигать 30% при [укажите температуру]. Быстрое охлаждение образца циклогексана от [укажите температуру] до [укажите температуру] фиксирует высокую концентрацию скрученной конформации лодки, которая затем медленно превращается в конформацию кресла при нагревании.
Председатель к председателю
Межконверсия конформеров кресла называется инверсией кольца или обменом кресла. Углерод-водородные связи, которые являются аксиальными в одной конфигурации, становятся экваториальными в другой, и наоборот. При комнатной температуре эти две конформации кресла быстро устанавливают равновесие. Протонный спектр ЯМР циклогексана представляет собой синглет при комнатной температуре, без разделения на отдельные сигналы для аксиальных и экваториальных водородов. В одной форме кресла двугранный угол цепи атомов углерода (1,2,3,4) является положительным, а у цепи (1,6,5,4) – отрицательным, но в другой форме кресла ситуация обратная. Таким образом, обе эти цепи должны претерпеть изменение двугранного угла. Когда одна из этих двух четырехчленных цепей выравнивается до двугранного угла, равного нулю, мы получаем конформацию полукресла, которая соответствует максимальной энергии на пути превращения. Когда двугранный угол этой цепи становится равным (как по знаку, так и по величине) углу другой четырехчленной цепи, молекула достигает континуума конформаций, включая скрученную лодку и лодку, где углы и длины связей могут принимать свои нормальные значения, а энергия, следовательно, относительно низкая. После этого, оставшаяся четырехчленная углеродная цепь должна изменить знак своего двугранного угла, чтобы достичь целевой формы кресла, поэтому молекула снова должна пройти через полукресло, поскольку двугранный угол этой цепи проходит через ноль. Последовательное изменение знаков двух цепей таким образом минимизирует максимальное энергетическое состояние на пути (в состоянии полукресла) – одновременное изменение знаков двугранных углов обеих четырехчленных цепей привело бы к прохождению через конформацию с еще более высокой энергией из-за углового напряжения в атомах углерода 1 и 4. Детальный механизм межконверсии кресла был предметом многочисленных исследований и дискуссий. Конформация полукресла (D, на рисунке ниже) является ключевым переходным состоянием при межконверсии между креслом и скрученной лодкой. Полукресло обладает симметрией C2. Межконверсия между двумя конформациями кресла включает в себя следующую последовательность: кресло → полукресло → скрученная лодка → полукресло′ → кресло′.
От крутящей лодки к крутящей лодке
Конформация лодки (C, ниже) является переходным состоянием, обеспечивающим взаимопревращение между двумя различными конформациями лодки с перекрутом. Хотя конформация лодки не является необходимой для взаимопревращения между двумя конформациями кресла циклогексана, она часто включается в диаграмму координат реакции, используемую для описания этого взаимопревращения, поскольку её энергия значительно ниже, чем у полукресла, поэтому любая молекула, обладающая достаточной энергией для перехода от лодки с перекрутом к креслу, также обладает достаточной энергией для перехода от лодки с перекрутом к лодке. Таким образом, существует несколько путей, по которым молекула циклогексана в конформации лодки с перекрутом может снова достичь конформации кресла. [[Файл:Cyclohexane ring flip and relative conformation energies.svg|center|thumb|550x550px|Конформации: кресло (A), лодка с перекрутом (B), лодка (C) и полукресло (D). Энергии составляют , и В метилциклогексане два конформера кресла не являются равноэнергетическими. Метильная группа предпочитает экваториальную ориентацию. Предпочтение заместителя к экваториальной конформации измеряется его значением A, которое представляет собой разность свободной энергии Гиббса между двумя конформациями кресла. Положительное значение A указывает на предпочтение экваториального положения. Величина значений A варьируется от почти нуля для очень маленьких заместителей, таких как дейтерий, до примерно 5 ккал/моль (21 кДж/моль) для очень объемных заместителей, таких как трет-бутильная группа. Таким образом, величина значения A также будет соответствовать предпочтению экваториального положения. Хотя у экваториального заместителя отсутствует 1,3-диаксиальное взаимодействие, вызывающее стерическое напряжение, у него есть взаимодействие Гауша, при котором экваториальный заместитель отталкивает электронную плотность от соседнего экваториального заместителя.
1,3-диаксиальные взаимодействия и взаимодействия на левой стороне
Диаксиальные взаимодействия возникают, когда неводородный заместитель в циклогексане занимает осевое положение. Этот осевой заместитель находится в затмённом положении с осевыми заместителями на 3 углеродах относительно себя (таких углеродов будет два, и, следовательно, возникают два 1,3-диакисальных взаимодействия). Это затмение увеличивает стерическое напряжение в конформации циклогексана, и конформация будет смещаться к более энергетически выгодному равновесию. Гауш-взаимодействия возникают, когда неводородный заместитель в циклогексане занимает экваториальное положение. Экваториальный заместитель находится в шахматном порядке с двумя углеродами относительно себя (таких углеродов будет два, и, следовательно, возникают два 1,2-гауш-взаимодействия). Это создает диэдрический угол около 60°. Такое шахматное расположение обычно предпочтительнее затмения.
Влияние размера замещающего вещества на стабильность
Снова, конформация и положение групп (т.е. заместителей), больших по размеру, чем одиночный атом водорода, критически важны для общей стабильности молекулы. Чем больше группа, тем меньше вероятность того, что она будет занимать осевое положение на соответствующем атоме углерода. Поддержание группы в таком положении требует больше энергии со стороны молекулы в целом из-за стерических отталкиваний между несвязывающими электронными парами больших групп и электронами меньших групп (т.е. атомов водорода). Для экваториальных групп таких стерических отталкиваний нет. Таким образом, модель циклогексана оценивает стерические размеры функциональных групп на основе гауш-взаимодействий. Энергия гауш-взаимодействия возрастает с увеличением размера заместителя. Например, трет-бутильный заместитель будет испытывать более сильное гауш-взаимодействие, чем метильная группа, и, следовательно, в большей степени способствовать нестабильности молекулы в целом. В сравнении, предпочтительна ступенчатая конформация, в которой более крупные группы занимают экваториальное положение, снижая энергию всей молекулы. Это предпочтение экваториального положения для объемных групп снижает энергетические барьеры между различными конформациями кольца. При активации молекулы происходит потеря энтропии из-за стабильности крупных заместителей. Следовательно, предпочтение экваториального положения большими молекулами (например, метильной группой) снижает реакционную способность молекулы и, таким образом, повышает ее общую стабильность.
Влияние на конформационное равновесие
Конформационное равновесие – это стремление к наиболее стабильной конформации циклогексана. Это равновесие зависит от взаимодействий между молекулами в соединении и растворителем. Полярность и неполярность являются основными факторами, определяющими степень взаимодействия растворителя с соединением. Циклогексан считается неполярным, поскольку разница в электроотрицательности между его связями отсутствует, а общая структура симметрична. Вследствие этого, при помещении циклогексана в полярный растворитель, распределение растворителя будет меньше, что указывает на слабое взаимодействие между растворителем и растворенным веществом. Это приводит к ограниченному каталитическому эффекту. Напротив, при контакте циклогексана с неполярным растворителем, распределение растворителя значительно возрастает, демонстрируя сильное взаимодействие между растворителем и растворенным веществом. Это сильное взаимодействие обеспечивает усиленный каталитический эффект.
Гетероциклические аналоги
Гетероциклические аналоги циклогексана широко распространены в сахарах, пиперидинах, диоксанах и т.д. В целом они демонстрируют тенденции, аналогичные циклогексану, то есть конформер в форме кресла является наиболее стабильным. Однако равновесие между аксиальными и экваториальными положениями (значения А) существенно изменяется при замене метиленовой группы на O или NH. Конформации глюкозидов служат хорошим примером этого. Ему удалось убедительно доказать, что кресло Саксе является ключевым структурным элементом. Дерек Бартон и Одд Хассель разделили Нобелевскую премию по химии в 1969 году за исследования конформаций циклогексана и различных других молекул.
Практическое применение
Циклогексан является наиболее стабильным из циклоалканов благодаря стабильности его конформации кресла. Эти различные методы используются для проверки чистоты, безопасности для биологических объектов и биодоступности продуктов. Стабильность конформации кресла циклогексана обеспечивает широкое и важное применение циклоалкана при оценке безопасности и свойств фармацевтических препаратов.