Конформационный анализ

область стереохимии (См. Стереохимия), исследующая конформации (См. Конформация) молекул и связи их с физическими и химическими свойствами веществ. Голландский химик Я. Х. Вант-Гофф в основу разработанной им (1874—75) стереохимической гипотезы положил два основных постулата. Валентности насыщенного атома углерода направлены в пространстве к вершинам тетраэдра. Атомы или группы атомов (заместители) в молекуле способны свободно вращаться вокруг простых связей без их разрыва (в отличие от двойных связей, жёсткость которых служит причиной появления геометрии изомеров. См. Изомерия). Впоследствии тетраэдрическая модель атома углерода была подтверждена прямыми рентгенографическими определениями. Положение же о свободном вращении вокруг простых связей подверглось пересмотру, поскольку было установлено, что вращение вокруг простых связей происходит не вполне свободно.

При таком вращении возникают энергетически неравноценные геометрические формы — конформации, или поворотные изомеры, некоторые из них энергетически предпочтительнее других. Большинство молекул существует преимущественно в одной или немногих устойчивых (предпочтительных) конформациях. Энергетические барьеры, разделяющие разные конформации одного и того же вещества, обычно составляют 20,9—62,7 кдж/моль (5—15 ккал/моль). Отдельные конформации постоянно переходят друг в друга. Особое значение имели исследования английского химика Д. Бартона о конформациях в ряду циклогексана. Этот автор и ввёл термин «К. А.» (1950). В ряду парафиновых углеводородов необходимость конформационного рассмотрения возникает уже в случае этана, для которого возможны две конформации.

Т. Н. Заслонённая (или чётная) и заторможенная (или нечётная), образующиеся при вращении одной метильной группы относительно другой В чётной конформации этана атомы водорода расположены наиболее близко один к другому («друг за другом») и, следовательно, отталкивание между ними наибольшее. Поэтому энергия этой конформации максимальна [она на 12,5кдж/моль (3 ккал/моль) больше энергии нечётной конформации]. Из этого энергетически невыгодного состояния молекула стремится перейти в более устойчивое состояние, в нечётную конформацию, атомы водорода в которой находятся на наибольшем возможном расстоянии друг от друга. В этом более благоприятном положении вращение вокруг связи С—С «тормозится» (отсюда и второе название — заторможенная).

Заместители более объёмные, чем водород, не могут занимать чётных (заслонённых) положений. Поэтому, например, для бутана CH3—CH2—СН2—CH3 следует рассматривать лишь три нечётные конформации, из которых наиболее выгодна трансоидная. С увеличением длины углеродной цепи, с появлением заместителей число возможных конформации, которые может принять молекула, быстро возрастает. Обычно из них более благоприятны те, в которых объёмные заместители максимально удалены друг от друга (как в трансоидной конформации бутана). Однако если между заместителями возникает электростатическое притяжение или водородная связь, то более выгодной может оказаться скошенная конформация, как, например, у этиленхлор-гидрина HOCH2—CH2CI.

Характер химических превращений вещества часто зависит от конформации его молекул. Так, дебромирование 2,3-дибром-бутана металлическим цинком возможно лишь при трансоидном положении отщепляющихся атомов брома. Поэтому два диастереомера 2,3-дибромбутана дают геометрически изомерные олефины. Большое значение имеют конформационные представления для объяснения свойств циклических соединений, особенно в ряду циклогексана. Последний существует главным образом в форме «кресла», которая особенно выгодна, т. К. Валентные углы в ней не искажены, а конформации по всем связям С — С нечётные. Оставшиеся две валентности каждого из входящих в цикл атомов углерода ориентированы или перпендикулярно к кольцу (аксиальные связи — а), или направлены по его периферии (экваториальные связи — е).

Более выгодно экваториальное расположение заместителей. Например, при комнатной температуре конформационное равновесие хлорциклогексана е. А = 70. 30. При понижении температуры до —150° С скорость взаимопревращения сильно уменьшается. В этих условиях можно изолировать чистую е-форму хлорциклогексана. Конформационное рассмотрение циклогексанового кольца позволяет, например, понять, почему как цис (См. Цис-)-, так и Транс-циклогексан-1,2-дикарбоновая кислота способна к образованию ангидрида (в обоих случаях диэдральный угол между связями, ведущими к группам COOH, составляет 60°). Для исследования конформации, помимо химических методов, широко используются и физические, особенно метод ядерного магнитного резонанса.

Полученные данные о конформациях органических соединений служат важной основой для истолкования и предсказания их свойств. Большое значение конформационные представления приобрели в химии синтетических и природных высокомолекулярных соединений, в области физиологически активных веществ. Лит. Конформационный анализ, пер. С англ., М., 1969. Илиел Э., Основы стереохимии, пер. С англ., М., 1971. Терентьев А. П., Потапов В. М., Основы стереохимии, М. — Л., 1964. В. М. Потапов. Рис. 1. Перспективные формулы (а) и проекционные (вид на молекулу «сверху» вдоль связи С — С) формулы Ньюмена (б), изображающие заслонённую, или чётную (I), и заторможенную, или нечётную (II), конформации этана, φ- угол между заместителями, т. Н. Двугранный (или диэдральный) угол.

Рис. 2. Формулы Ньюмена, изображающие три заторможенные (нечётные) конформации бутана. Рис. 3. Перспективная формула (а) и формула Ньюмена (б) для этиленхлоргидрина (скошенная конформация). Рис. 4. Схемы реакций дебромирования 2,3-дибромбутана. Рис. 5. Кресловидные конформации. Циклогексана с аксиальными (а) и экваториальными (е) связями (I), ангидрида транс-циклогексан-1,2-дикарбоновой кислоты (II) и ангидрида цис-циклогексан-1,2-дикарбоновой кислоты (III)..