Простой углерод-углеродной связи.

Энергия, необходимая для вращения вокруг связи С-С, называется торсионной энергией. Говорят, что относительная неустойчивость заслоненной конформации или другой промежуточной скошенной конформации возникает вследствие торсионного напряжения. Любое отклонение от заторможенной конформации приводит к появлению торсионного напряжения.

Если рассматривать молекулу н-бутана вдоль связи С-2―С-3, то получится аналогичная картина, только у каждого атома углерода один из водородов замещен на метильную группу. В молекуле бутана при повороте вокруг связи С-2―С-3 возникает большее по сравнению с этаном число различных по энергии конформаций, что связано с различным взаимным расположением метильных групп. В наиболее энергетически выгодной анти -конформации метильные группы максимально удалены друг от друга. Менее устойчива гош-конформация, в ней кроме торсионного напряжения имеется взаимное отталкивание сближенных в пространстве метильных групп  ван-дер-вальсово напряжение. В гош-конформации сохраняется торсионное напряжение, но отсутствует ван-дер-вальсово. Барьер вращения для бутана составляет 25,5 кДж/моль.

анти-конформация

гош-конформация

гош-конформация

Поскольку барьер вращения бутана легко преодолим при комнатной температуре, бутан существует в виде смеси конформеров, в которой преобладают анти- и гош-формы. Подобный подход применим и для любых других алканов. При этом целесообразно при анализе рассматривать вращение вокруг связи между теми атомами углерода, которые несут наибольшее число заместителей

.

Изучение распределения конформаций, факторов, определяющих распределение, а также влияние конформационного распределения на химическую реакционную способность составляет область исследований, известную под названием конформационного анализа.

Рис. 2.Зависимость потенциальной энергии бутана от угла

поворота вокруг связи С-2С-3.

Упр. 4. Изобразите стереохимические, Ньюмена и перспективные формулы наиболее устойчивых конформаций следующих соединений: (а) 1,2-дихлорэтан,

(б) прoпилхлорид, (в) этиленхлоргидрин (HOCH₂CH₂Cl).

2.4 Хиральность. Энантиомерия.

Если вы сравните свои левую и правую руки, вы обнаружите, что они представляют собой зеркальное изображение одна другой. Хотя обе руки состоят из одинакового количества совершенно одинаковых пальцев, они отличаются по конфигурации.

2.4.1 Энантиомерия.

В молекуле CHClBrI вокруг атома углерода расположены различные атомы. Такая молекула может существовать в виде двух изомеров, относящихся друг к другу как предмет и его отражение в зеркале. Такие изомеры называют зеркальными. Замечательная особенность зеркальных изомеров заключается в том, что они обладают одинаковыми химическими и физическими свойствами. И все же есть один способ, позволяющий различить эти вещества. Если пропустить через растворы двух стереоизомеров плоско поляризованный свет (это значит, что электрический вектор светового электромагнитного поля колеблется в одной плоскости), то в одном случае плоскость поляризации повернется влево, а в другом случае - на такой же угол вправо. Поэтому такие изомеры называются еще оптическими, а также энантиомерами (по-гречески “энантиос” значит “противоположный”).

Молекулы одинакового строения, но с разным расположением атомов в пространстве называют конфигурационными или стереоизомерами. Простейшим примером конфигурационных изомеров являются две молекулы CHClBrI с различным расположением атомов вокруг атома углерода:

(R)-бромиодхлорметан (S)-бромиодхлорметан

Если смотреть на атомы углерода этих молекул в сторону наиболее легкого атома (водорода) как это показано стрелкой, и перечислять атомы галогенов в порядке уменьшения их атомных номеров (атомных масс), то мы увидим, что в левой молекуле это перечисление происходит по часовой стрелке, а в правой – против. Изомер с перечислением заместителей по часовой стрелке называют R-изомером, а против часовой стрелке – S-изомером. Удобнее изображать стереоизомеры с наиболее легким атомом за плоскостью чертежа:

(S)-бромиодхлорметан (R)-бромиодхлорметан

Способность молекул, да и других объектов, существовать в виде самостоятельных зеркально симметричных форм называется “хиральностью”, от греческого “хейр” - рука. Вместо слова “хиральность” можно использовать слово “рукоподобие”. Хиральностью называют свойство объекта быть несовместимым со своим зеркальным изображением.

Для того чтобы молекула была хиральна (рукоподобна), она должна отличаться от своего зеркального отражения. Если молекула идентична со своим зеркальным изображением, то говорят, что она ахиральна (нерукоподобна). Хиральная молекула не совместима со своим зеркальным изображением. Хиральные тела характеризуются тем, что у них отсутствуют плоскости и центры симметрии. В то же время они могут иметь оси симметрии.

Плоскость симметрии  делит тело на две части так, что обе они являются зеркальным изображением друг друга. Центр симметрии i  точка, на равном расстоянии от которой на одной прямой находятся две равноценные точки данного тела. Ось симметрии n-ного порядка Cn  это ось, проходящая через тело, при повороте вокруг которой на угол 360^о/n возникает фигура, идентичная исходной.