Konformační izomerismus - Conformational isomerism

Rotace kolem jednoduché vazby butanu k přeměně jedné konformace na druhou. Gauche konformace na pravé straně je konformer, zatímco Eclipsed konformace na levé straně je přechodný stav mezi konformery. Nahoře: Newmanova projekce; níže: zobrazení prostorové orientace.

V chemii je konformační izomerismus formou stereoizomerismu, ve které lze izomery vzájemně převádět pouze rotací kolem formálně jednoduchých vazeb (viz obrázek o rotaci jednoduchých vazeb). Zatímco jakákoli dvě uspořádání atomů v molekule, která se liší rotací kolem jednoduchých vazeb, lze označit jako různé konformace , konformace, které odpovídají místním minimům na povrchu potenciální energie, se konkrétně nazývají konformační izomery nebo konformery . Konformace, které odpovídají místním maximům na energetickém povrchu, jsou přechodové stavy mezi místními minimálními konformačními izomery. Rotace kolem jednoduchých vazeb zahrnují překonání rotační energetické bariéry k přeměně jednoho konformeru na druhého. Pokud je energetická bariéra nízká, dochází k volné rotaci a vzorek sloučeniny existuje jako rychle ekvilibrační směs více konformérů; pokud je energetická bariéra dostatečně vysoká, pak existuje omezená rotace, molekula může existovat po relativně dlouhou dobu jako stabilní rotační izomer nebo rotamer (izomer vznikající z omezené rotace jednoduché vazby). Když je časová stupnice pro interkonverzi dostatečně dlouhá pro izolaci jednotlivých rotamerů (obvykle je libovolně definována jako poločas interkonverze 1 000 sekund nebo delší), jsou izomery označovány jako atropoizomery ( viz: atropoisomerie ). Kruhu Flip substituované cyklohexany představuje další běžnou formu konformace.

Konformační izomery se tedy liší od ostatních tříd stereoizomerů (tj. Konfiguračních izomerů), kde interkonverze nutně zahrnuje rozbití a reformování chemických vazeb. Například konfigurace L / D - a R / S - organických molekul mají různou manipulaci a optické aktivity a lze je vzájemně převést pouze rozbitím jedné nebo více vazeb spojených s chirálním atomem a reformováním podobné vazby v jiném směru nebo prostorovém uspořádání orientace. Rovněž se liší od geometrické ( cis / trans ) izomery, jiné třídy stereoisomerů, které vyžadují n-složku z dvojných vazeb rozbít pro vzájemnou konverzi. (Ačkoli rozdíl není vždy jasný, protože určité vazby, které jsou formálně jednoduchými vazbami, mají ve skutečnosti dvojitý vazebný charakter, který se projeví až tehdy, když se uvažuje o sekundárních rezonančních přispěvatelích, jako jsou například vazby C – N amidů .) Kvůli rychlá interkonverze, konformery obvykle nejsou izolovatelné při pokojové teplotě.

Studium energetiky mezi různými konformacemi se označuje jako konformační analýza . Je to užitečné pro pochopení stability různých izomerů, například zohledněním prostorové orientace a meziprostorových interakcí substituentů. Kromě toho lze konformační analýzu použít k předpovědi a vysvětlení selektivity produktu, mechanismů a rychlostí reakcí. Konformační analýza hraje důležitou roli také v racionálním designu léků založeném na struktuře .

Typy

Relativní konformační energetický diagram butanu jako funkce vzepětí. A: antiperiplanar, anti nebo trans. B: synklinální nebo gauche. C: antiklinál nebo zastíněn. D: synperiplanar nebo cis.

Molekuly etan a propan rotují svými vazbami uhlík-uhlík a mají tři lokální energetická minima. Jsou strukturálně a energeticky ekvivalentní a nazývají se rozložené konformátory . Pro každou molekulu jsou tři substituenty vycházející z každé vazby uhlík-uhlík rozložené, přičemž každý úhel H – C – C – H (a úhel H – C – C – CH 3 v případě propanu) se rovná 60 ° (nebo přibližně rovný 60 ° v případě propanu). Tři zatměné konformace, ve kterých jsou vzepětí úhly nulové, jsou přechodové stavy (energetická maxima) spojující dvě ekvivalentní energetická minima, střídavé konformátory.

Molekula butanu je nejjednodušší molekula, pro kterou rotace jednoduché vazby vedou ke dvěma typům neekvivalentních struktur, známým jako anti - a gauche- konformery (viz obrázek).

Například butan má tři konformery vztahující se k jeho dvěma methylovým (CH 3 ) skupinám: dva gauche konformery, které mají methyly ± 60 ° od sebe a jsou enantiomerní , a anti konformer, kde čtyři uhlíková centra jsou koplanární a substituenty jsou 180 ° od sebe (viz diagram volné energie butanu). Rozdíl energie mezi gauche a anti je 0,9 kcal / mol spojený s deformační energií konformátoru gauche. Antikonformátor je tedy nejstabilnější (≈ 0 kcal / mol). Tři zatměné konformace s vzepětnými úhly 0 °, 120 ° a 240 ° jsou přechodové stavy mezi konformátory. Všimněte si, že dvě zatměné konformace mají různé energie: při 0 ° jsou dvě methylové skupiny zastíněny, což má za následek vyšší energii (≈ 5 kcal / mol) než při 120 °, kde jsou methylové skupiny zastíněny vodíkem (≈ 3,5 kcal / mol ).

Zatímco jednoduché molekuly lze popsat pomocí těchto typů konformací, složitější molekuly vyžadují k popisu různých konformerů použití systému Klyne – Prelog .

Konkrétnější příklady konformačního izomerismu jsou podrobně popsány jinde:

Volná energie a rovnováhy konformačních izomerů

Rovnováha konformátorů

Rovnovážné rozdělení dvou konformerů při různých teplotách vzhledem k volné energii jejich vzájemné přeměny.

Konformační izomery existují v dynamické rovnováze , kde relativní volné energie izomerů určují populaci každého izomeru a energetická bariéra rotace určuje rychlost interkonverze mezi izomery:

kde K je rovnovážná konstanta, Δ G ° je rozdíl standardní volné energie mezi dvěma konforméry v kcal / mol, R je univerzální plynová konstanta (1,987 × 10 -3 kcal / mol K) a T je teplota systému v kelvinech . V jednotkách kcal / mol při 298 K,

Tedy každých 1,36 kcal / mol odpovídá faktoru asi 10, pokud jde o rovnovážnou konstantu při teplotách kolem teploty místnosti. („ Pravidlo 1,36 “ je obecně užitečné pro odhad rovnovážných konstant při pokojové teplotě z rozdílů volné energie. Při nižších teplotách je k získání dané rovnovážné konstanty zapotřebí menší energetický rozdíl.)

Tři izotermy jsou uvedeny v diagramu znázorňujícím rovnovážné rozdělení dvou konformérů při různých teplotách. Při rozdílu volné energie 0 kcal / mol to dává rovnovážnou konstantu 1, což znamená, že existují dva konformery v poměru 1: 1. Ti dva mají stejnou volnou energii; ani jeden není stabilnější, takže ani jeden nepřevládá ve srovnání s druhým. Záporný rozdíl ve volné energii znamená, že konformér interkonvertuje na termodynamicky stabilnější konformaci, takže rovnovážná konstanta bude vždy větší než 1. Například Δ G ° pro transformaci butanu z gauche konformeru na antikonformer je −0,47 kcal / mol při 298 K. To dává rovnovážnou konstantu asi 2,2 ve prospěch anti konforméru nebo směsi gauche : anti konformerů v rovnováze v poměru 31:69 . Pozitivní rozdíl ve volné energii naopak znamená, že konformér je již stabilnější, takže interkonverze je nepříznivá rovnováha ( K  <1). I při velmi nepříznivých změnách (velký kladný Δ G ° ) lze rovnovážnou konstantu mezi dvěma konforméry zvýšit zvýšením teploty, takže se zvýší množství méně stabilního konformeru přítomného v rovnováze (i když vždy zůstává malým konformerem).

Populační distribuce konformátorů

Boltzmannovo rozdělení% nejnižší energetické konformace ve dvousložkovém ekvilibračním systému při různých teplotách (° C, barva) a energetickém rozdílu v kcal / mol ( osa x )

Frakční distribuce populace různých konformerů následuje Boltzmannovu distribuci :

Levá strana je podíl konformeru i v rovnovážné směsi M konformérů v termodynamické rovnováze. Na pravé straně je E k ( k = 1, 2, ..., M ) energie konforméru k , R je molární konstanta ideálního plynu (přibližně 8,314 J / (mol · K) nebo 1,987 cal / (mol · K)) a T je absolutní teplota . Jmenovatelem na pravé straně je funkce oddílu.

Faktory přispívající k volné energii konformátorů

Účinky elektrostatických a sterických interakcí substituentů i orbitálních interakcí, jako je hyperkonjugace, jsou odpovědné za relativní stabilitu konformerů a jejich přechodových stavů. Příspěvky těchto faktorů se liší v závislosti na povaze substituentů a mohou buď pozitivně nebo negativně přispívat k energetické bariéře. Výpočtové studie malých molekul, jako je ethan, naznačují, že elektrostatické účinky nejvíce přispívají k energetické bariéře; bariéra se však tradičně připisuje především sterickým interakcím.

Příspěvky k rotační energetické bariéře

V případě cyklických systémů lze sterický účinek a příspěvek k volné energii aproximovat hodnotami A , které měří energetický rozdíl, když je substituent na cyklohexanu v axiálním směru ve srovnání s rovníkovou polohou.

Izolace nebo pozorování konformačních izomerů

Krátký časový horizont interkonverze ve většině případů vylučuje oddělení konformačních izomerů. Atropisomery jsou konformační izomery, které lze oddělit kvůli omezené rotaci. Rovnováhu mezi konformačními izomery lze pozorovat pomocí různých spektroskopických technik .

Skládání proteinů také generuje stabilní konformační izomery, které lze pozorovat. Karplus rovnice líčí vzepětí úhel sousedních protonů k jejich J-spojka konstanty, měřeno pomocí NMR. Rovnice pomáhá při objasňování skládání proteinů i konformací jiných rigidních alifatických molekul. Proteinové postranní řetězce vykazují rotamery, jejichž distribuce je určena jejich sterickou interakcí s různými konformacemi páteře. To je zřejmé ze statistické analýzy konformací proteinových postranních řetězců v knihovně rotameru závislé na páteři .

V derivátů cyklohexanu , obě židle konformery interconvert se rychle při teplotě místnosti, s cyklohexan samotný prochází kruhovou flip při rychlosti přibližně 10 5  kruhu-vyletí / sec, s celkovou energetickou bariéru 10 kcal / mol (42 kJ / mol), což vylučuje jejich oddělení při teplotách okolí. Avšak při nízkých teplotách pod bodem koalescence lze přímo sledovat rovnováhu pomocí NMR spektroskopie a dynamickou, na teplotě závislou NMR spektroskopii bariérovou interkonverzi.

Dynamika konformačního (a jiných druhů) izomerismu může být sledována NMR spektroskopií při různých teplotách. Tato technika platí pro bariéry 8–14 kcal / mol a druhy vykazující takovou dynamiku se často nazývají „ fluxional “.

Kromě NMR ​​spektroskopie se k měření konformních poměrů používá IR spektroskopie . U axiálního a ekvatoriálního konformeru bromcyklohexanu se ν CBr liší téměř o 50 cm −1 .

Reakce závislé na konformaci

Reakční rychlosti jsou vysoce závislé na konformaci reaktantů. V mnoha případech dominantní produkt vzniká reakcí méně převládajícího konforméru na základě Curtin-Hammettova principu . To je typické pro situace, kdy je konformační ekvilibrace mnohem rychlejší než reakce za vzniku produktu. Závislost reakce na stereochemické orientaci je proto obvykle viditelná pouze u konfiguračních izomerů , ve kterých je konkrétní konformace uzamčena substituenty. Predikce rychlostí mnoha reakcí zahrnujících přechod mezi stavy sp2 a sp3, jako je redukce ketonů, oxidace alkoholu nebo nukleofilní substituce, je možná, pokud jsou brány v úvahu všechny konformery a jejich relativní stabilita ovládaná jejich kmenem .

Jeden příklad s konfiguračními izomery je poskytován eliminačními reakcemi , které zahrnují současné odstranění protonu a odstupující skupiny z vicinálních nebo anti- periplanárních poloh pod vlivem báze.

Bimolekulární dehydrohalogenace vyvolaná bází (reakční mechanismus typu E2). Optimální geometrie pro přechodový stav vyžaduje, aby rozbíjející se vazby byly antiperiplanární, protože jsou ve vhodné střídavé konformaci

Mechanismus vyžaduje, aby odcházející atomy nebo skupiny sledovaly antiparalelní trajektorie. U substrátů s otevřeným řetězcem tento geometrický předpoklad splňuje alespoň jeden ze tří střídavě konformerů. U některých cyklických substrátů, jako je cyklohexan, však nemusí být dosažitelné antiparalelní uspořádání v závislosti na substituentech, které by mohly nastavit konformační zámek. Sousední substituenty na cyklohexanovém kruhu mohou dosáhnout antiperiplanarity pouze tehdy, když zaujímají trans diaxiální polohy (to znamená, že oba jsou v axiální poloze, jeden jde nahoru a druhý dolů).

Jedním z důsledků této analýzy je to, že trans- 4- terc -butylcyclohexyl chlorid nelze snadno odstranit, ale místo toho dochází k substituci (viz obrázek), protože nejstabilnější konformace má objemný t -Bu skupinu v ekvatoriální poloze, a proto je skupina chloridu není antiperiplanární s jakýmkoli vicinálním vodíkem (je gauche pro všechny čtyři). Termodynamicky nepříznivá konformace má skupinu t- Bu v axiální poloze, která je vyšší v energii o více než 5 kcal / mol (viz hodnota A ). Výsledkem je, že skupina t- Bu „uzamkne“ kruh v konformaci, kde je v rovníkové poloze, a je pozorována substituční reakce. Na druhé straně, cis- 4- terc -butylcyclohexyl chlorid podstupuje eliminace protože antiperiplanarity Cl a H může být dosaženo, když je t -Bu skupina je v příznivé ekvatoriální poloze.

Termodynamicky unfavored konformaci trans -4- terc -butylcyclohexyl chlorid, kde t -Bu skupina je v axiální poloze vynaložením interakce 7-atom.
Trans- izomer může dosáhnout antiperiplanarity pouze přes unfavored axiální konformeru; proto to nevylučuje. Cis- izomer je již ve správné geometrie ve své nejstabilnější konformaci; proto se snadno vylučuje.

Odpor mezi axiální t -butylovou skupinou a atomy vodíku v 1,3-diaxiální poloze je tak silný, že se cyklohexanový kruh vrátí ke zkroucené konformaci člunu . Kmen v cyklických strukturách je obvykle charakterizován odchylkami od ideálních úhlů vazby ( Baeyerova deformace ), ideálních torzních úhlů ( Pitzerova deformace ) nebo transannulárních ( Prelogových ) interakcí.

Viz také

Reference