Konformasyonel izomerizm - Conformational isomerism

Bir konformasyonu diğerine dönüştürmek için tekli bütan bağı etrafında dönme . Gauche ise sağdaki yapı, bir konformer olan Gölgede soldaki konformasyon konformerlerin arasında bir geçiş durumudur. Yukarıda: Newman projeksiyonu; aşağıda: mekansal yönelimin tasviri.

Olarak kimya , şekilsel izomeri şeklidir stereoizomerizm olan izomerler sadece resmi etrafındaki dönüşlerin yoluyla birbirlerine dönüştürülebilir tekli bağlar (tek bağ dönme şekle bakınız). Bir molekülde , tekli bağlar etrafında dönme ile farklılık gösteren herhangi iki atom düzenlemesi, farklı konformasyonlar olarak adlandırılabilirken , potansiyel enerji yüzeyindeki yerel minimumlara karşılık gelen konformasyonlara özel olarak konformasyonel izomerler veya konformerler denir . Enerji yüzeyindeki yerel maksimuma karşılık gelen konformasyonlar , yerel-minimum konformasyonel izomerler arasındaki geçiş durumlarıdır . Tekli bağlarla ilgili rotasyonlar, bir konformeri diğerine dönüştürmek için rotasyonel bir enerji bariyerinin üstesinden gelmeyi içerir. Enerji bariyeri düşükse, serbest dönüş vardır ve bileşiğin bir numunesi, çoklu konformerlerin hızla dengelenen bir karışımı olarak bulunur; enerji bariyeri yeterince yüksekse, rotasyon kısıtlıdır, bir molekül stabil bir rotasyonel izomer veya rotamer (engellenmiş tek bağ rotasyonundan kaynaklanan bir izomer) olarak nispeten uzun bir süre boyunca var olabilir . Ara dönüşüm için zaman ölçeği, bireysel rotamerlerin izolasyonu için yeterince uzun olduğunda (genellikle keyfi olarak 1000 saniye veya daha uzun ara dönüşüm yarı ömrü olarak tanımlanır ), izomerler atropizomerler olarak adlandırılır ( bkz: atropizomerizm ). Halka çevirme sübstitüe sikloheksanlar yapısal izomerizm başka bir ortak biçimini oluşturmaktadır.

Konformasyonel izomerler bu nedenle , interkonversiyonun kimyasal bağların kırılmasını ve yeniden oluşturulmasını zorunlu olarak içerdiği diğer stereoizomer sınıflarından (yani konfigürasyonel izomerler) farklıdır . Örneğin, organik moleküllerin L / D - ve R / S - konfigürasyonları farklı el ve optik aktivitelere sahiptir ve yalnızca kiral atoma bağlı bir veya daha fazla bağın kırılması ve benzer bir bağı farklı bir yönde veya uzaysal olarak yeniden oluşturmasıyla birbirine dönüştürülebilir. oryantasyon. Ayrıca farklı geometrik ( cis / trans- gerektirir) izomerler, stereoizomerler bir başka sınıfında, π-bileşen ve ikili bağların dönüşümü için kalmasını sağlayın. (Her ne kadar ayrım her zaman net olmasa da, resmi olarak tekli bağlar olan bazı bağlar, örneğin amidlerin C-N bağları gibi, yalnızca ikincil rezonansa katkıda bulunanlar düşünüldüğünde ortaya çıkan çift bağ karakterine sahiptir .) hızlı iç dönüşüm, konformerler genellikle oda sıcaklığında izole edilemez.

Farklı konformasyonlar arasındaki enerjinin incelenmesine konformasyonel analiz denir . Örneğin, sübstitüentlerin uzaysal yönelimini ve uzay içi etkileşimlerini hesaba katarak farklı izomerlerin kararlılığını anlamak için yararlıdır. Ek olarak, ürün seçiciliği, mekanizmalar ve reaksiyon hızlarını tahmin etmek ve açıklamak için konformasyonel analiz kullanılabilir. Yapısal analiz , rasyonel, yapı temelli ilaç tasarımında da önemli bir rol oynar .

Türler

Dihedral açının bir fonksiyonu olarak bütanın nispi konformasyon enerji diyagramı. A: antiperiplanar, anti veya trans. B: senklinal veya gauche. C: antiklinal veya tutulma. D: sinperiplanar veya cis.

Karbon-karbon bağlarını döndüren etan ve propan moleküllerinin üç yerel enerji minimumu vardır. Yapısal ve enerjik olarak eşdeğerdirler ve kademeli konformerler olarak adlandırılırlar . Her bir molekül için, her bir karbon-karbon bağı kaynaklanan üç ikame her biri H-C = CH ile, şaşırtma dihedral açı (ve H-C = C-CH 3 propan durumunda dihedral açı) 60 eşit ° (veya propan durumunda yaklaşık olarak 60°'ye eşittir). Dihedral açıların sıfır olduğu üç tutulma şekli, iki eşdeğer enerji minimumunu, kademeli konformerleri birbirine bağlayan geçiş durumlarıdır (enerji maksimumları).

Bütan molekülü, tekli bağ rotasyonlarının anti - ve gauche konformerleri olarak bilinen iki tür eşdeğer olmayan yapı ile sonuçlandığı en basit moleküldür (şekle bakınız).

Örneğin, butan (CH iki metil ile ilgili üç konformerleri sahip 3 İki:) gruplarının gauche metiller ± 60 ° ayrı sahiptirler ve konformerleri enantiomerik ve bir anti- dört karbon merkezleri eş düzlemli olan konformer ve ikame maddeleri 180° ayrı (bütanın serbest enerji diyagramına bakın). Gauche ve anti arasındaki enerji farkı , gauche konformerinin gerinim enerjisiyle bağlantılı olarak 0,9 kcal/mol'dür . Bu nedenle anti konformer en kararlıdır (≈ 0 kcal/mol). 0°, 120° ve 240° dihedral açılara sahip üç tutulmuş konformasyon, konformerler arasındaki geçiş durumlarıdır. Tutulan iki konformasyonun farklı enerjilere sahip olduğuna dikkat edin: 0°'de iki metil grubu gölgede kalır, bu da metil gruplarının hidrojenlerle (≈ 3.5 kcal/mol) tutulduğu 120°'dekinden daha yüksek enerji (≈ 5 kcal/mol) ile sonuçlanır. ).

Basit moleküller bu tip konformasyonlarla tanımlanabilirken, daha karmaşık moleküller farklı konformerleri tanımlamak için Klyne-Prelog sisteminin kullanılmasını gerektirir .

Konformasyonel izomerizmin daha spesifik örnekleri başka bir yerde detaylandırılmıştır:

  • halka şekli
  • Allilik suş – bir sp 2 karbon ve bir sp 3 karbon arasındaki tek bağ etrafında dönme ile ilgili enerjiler .
  • Atropizomerizm - bir bağ etrafında sınırlı rotasyon nedeniyle.
  • katlanma biyopolimerlerin (nükleik asitler ve proteinler) ikincil ve üçüncül yapısı dahil.
  • Akamptisomerizm - bir bağ açısının sınırlı ters çevrilmesi nedeniyle.

Konformasyonel izomerlerin serbest enerjisi ve dengesi

konformerlerin dengesi

Aralarında dönüşümlerinin serbest enerjisi verilen iki konformerin farklı sıcaklıklardaki denge dağılımı.

Konformasyonel izomerler , izomerlerin nispi serbest enerjilerinin her izomerin popülasyonunu belirlediği ve dönme enerji bariyerinin izomerler arasındaki karşılıklı dönüşüm oranını belirlediği dinamik bir dengede bulunur :

burada K denge sabitidir, Δ kcal/mol cinsinden iki konformer arasındaki standart serbest enerji farkıdır, R evrensel gaz sabitidir (1.987×10 −3 kcal/mol K) ve T sistemin sıcaklığıdır içinde Kelvin . 298 K'da kcal/mol biriminde,

Bu nedenle, her 1.36 kcal/mol, oda sıcaklığı civarındaki sıcaklıklarda denge sabiti açısından yaklaşık 10'luk bir faktöre karşılık gelir. (" 1.36 kuralı " genel olarak oda sıcaklığında serbest enerji farklarından denge sabitlerinin tahmini için kullanışlıdır. Daha düşük sıcaklıklarda, belirli bir denge sabitini elde etmek için daha küçük bir enerji farkı gerekir.)

Farklı sıcaklıklarda iki konformerin denge dağılımını gösteren diyagramda üç izoterm verilmiştir. 0 kcal/mol'lük bir serbest enerji farkında, bu, 1'lik bir denge sabiti verir; bu, 1:1 oranında iki konformerin var olduğu anlamına gelir. İkisi eşit serbest enerjiye sahiptir; ikisi de daha kararlı değildir, dolayısıyla hiçbiri diğerine göre baskın değildir. Serbest enerjideki negatif bir fark, bir konformerin termodinamik olarak daha kararlı bir konformasyona dönüştüğü anlamına gelir, bu nedenle denge sabiti her zaman 1'den büyük olacaktır. Örneğin, bütanın gauche konformerden anti konformere dönüşümü için Δ 298 K'da -0.47 kcal/mol. Bu, anti konformer lehine yaklaşık 2.2'lik bir denge sabiti veya dengede 31:69 gauche : anti konformerler karışımı verir . Tersine, serbest enerjideki pozitif bir fark, konformerin zaten daha kararlı olduğu anlamına gelir, bu nedenle ara dönüşüm elverişsiz bir dengedir ( K  < 1). Son derece olumsuz değişiklikler için bile (büyük pozitif Δ ), iki konformer arasındaki denge sabiti, sıcaklık artırılarak arttırılabilir, böylece dengede bulunan daha az kararlı konformer miktarı artar (her ne kadar her zaman küçük konformer olarak kalsa da).

Konformerlerin nüfus dağılımı

Çeşitli sıcaklıklarda (°C, renk) iki bileşenli bir dengeleme sisteminde en düşük enerji konformasyonunun Boltzmann dağılımı ve kcal/mol cinsinden enerji farkı ( x ekseni)

Farklı konformerlerin kesirli popülasyon dağılımı, bir Boltzmann dağılımını takip eder :

Sol taraf, termodinamik dengede dengeleyici bir M konformer karışımındaki konformer i'nin oranıdır . Sağ tarafta, E k ( k = 1, 2, ..., M ) konformer k'nin enerjisidir , R molar ideal gaz sabitidir (yaklaşık olarak 8.314 J/(mol·K) veya 1.987 cal/'ye eşittir). (mol · K)), ve T bir mutlak sıcaklık . Sağ tarafın paydası bölme işlevidir.

Konformerlerin serbest enerjisine katkıda bulunan faktörler

İkame edicilerin elektrostatik ve sterik etkileşimlerinin yanı sıra hiperkonjugasyon gibi orbital etkileşimlerin etkileri, konformerlerin nispi stabilitesinden ve geçiş durumlarından sorumludur. Bu faktörlerin katkıları, sübstitüentlerin doğasına bağlı olarak değişir ve enerji bariyerine olumlu veya olumsuz katkıda bulunabilir. Etan gibi küçük moleküllerin hesaplamalı çalışmaları, elektrostatik etkilerin enerji bariyerine en büyük katkıyı sağladığını göstermektedir; bununla birlikte, bariyer geleneksel olarak öncelikle sterik etkileşimlere atfedilir.

Dönme enerjisi bariyerine katkılar

Döngüsel sistemler söz konusu olduğunda, sterik etki ve serbest enerjiye katkı , ekvator pozisyonuna kıyasla eksenel olarak sikloheksan üzerindeki bir sübstitüentin enerji farkını ölçen A değerleri ile yaklaşık olarak hesaplanabilir .

Konformasyonel izomerlerin izolasyonu veya gözlemlenmesi

Kısa ara dönüşüm zaman ölçeği, çoğu durumda konformasyonel izomerlerin ayrılmasını engeller. Atropizomerler , kısıtlı rotasyon nedeniyle ayrılabilen konformasyonel izomerlerdir. Konformasyonel izomerler arasındaki denge, çeşitli spektroskopik teknikler kullanılarak gözlemlenebilir .

Protein katlanması ayrıca gözlemlenebilen stabil konformasyonel izomerler üretir. Karplus denklemi dihedral açı ile ilgilidir bitişik kendi protonların , J-bağlama NMR ile ölçülen sabitler. Denklem, protein katlanmasının yanı sıra diğer katı alifatik moleküllerin konformasyonlarının aydınlatılmasına yardımcı olur . Protein yan zincirleri, dağılımı, omurganın farklı konformasyonları ile sterik etkileşimleri tarafından belirlenen rotamerler sergiler. Bu, Omurga bağımlı rotamer kitaplığındaki protein yan zincirlerinin konformasyonlarının istatistiksel analizinden açıkça görülmektedir .

Olarak sikloheksan türevleri , sikloheksan ile oda sıcaklığında hızla ile le birbirlerine iki sandalye konformerleri kendisini yaklaşık 10 arasında bir oranda bir halka-çevirme uygulanan 5  halka-çevirir / sn, 10 kcal / mol (42 kJ genel bir enerji bariyeri / mol), bu da ortam sıcaklıklarında ayrılmalarını engeller. Bununla birlikte, birleşme noktasının altındaki düşük sıcaklıklarda , denge NMR spektroskopisi ve dinamik, sıcaklığa bağlı NMR spektroskopisi ile bariyer ara dönüşümü ile doğrudan izlenebilir.

Konformasyonel (ve diğer türden) izomerizmin dinamikleri , değişen sıcaklıklarda NMR spektroskopisi ile izlenebilir . Teknik, 8-14 kcal/mol'lük bariyerler için geçerlidir ve bu tür dinamikleri sergileyen türlere genellikle " akışkan " denir .

NMR spektroskopisinin yanı sıra, konformer oranlarını ölçmek için IR spektroskopisi kullanılır. Bromosikloheksanın eksenel ve ekvator konformeri için, ν CBr yaklaşık 50 cm -1 farklıdır .

Konformasyona bağlı reaksiyonlar

Reaksiyon hızları, yüksek oranda reaktanların konformasyonuna bağlıdır. Çoğu durumda baskın ürün , Curtin-Hammett ilkesi sayesinde daha az yaygın olan konformerin tepkisinden ortaya çıkar . Bu, konformasyonel dengenin ürünü oluşturmak için reaksiyondan çok daha hızlı olduğu durumlar için tipiktir. Bir reaksiyonun stereokimyasal oryantasyona bağımlılığı bu nedenle genellikle sadece belirli bir konformasyonun sübstitüentler tarafından kilitlendiği konfigürasyon izomerlerinde görülebilir . Keton indirgemesi, alkol oksidasyonu veya nükleofilik ikame gibi sp2 ve sp3 durumları arasındaki geçişi içeren birçok reaksiyonun oranlarının tahmini, tüm konformerler ve onların suşları tarafından yönetilen nispi stabiliteleri dikkate alınırsa mümkündür.

Konfigürasyon izomerlerine bir örnek , bir bazın etkisi altında bir protonun ve bir ayrılan grubun komşu veya anti periplanar pozisyonlardan aynı anda çıkarılmasını içeren eliminasyon reaksiyonları ile sağlanır .

Baz kaynaklı bimoleküler dehidrohalojenasyon (bir E2 tipi reaksiyon mekanizması). Geçiş durumu için optimum geometri, uygun kademeli konformasyonda oldukları için kopan bağların antiperiplanar olmasını gerektirir.

Mekanizma, ayrılan atomların veya grupların antiparalel yörüngeleri takip etmesini gerektirir. Açık zincirli substratlar için bu geometrik ön koşul, üç kademeli konformerden en az biri tarafından karşılanır. Bununla birlikte, sikloheksan gibi bazı siklik substratlar için, bir konformasyonel kilit oluşturabilen ikame edicilere bağlı olarak bir antiparalel düzenleme elde edilemeyebilir. Bitişik ikame da trans kalan zaman bir sikloheksan halkası üzerinde sadece antiperiplanarity elde edebilirsiniz diaxial pozisyonlar (olduğunu, her ikisi de tek bir gidiş ve bir aşağı gidiş eksenel pozisyonunda).

Bu analizin bir sonucu olduğu trans- 4- tert- -butylcyclohexyl klorür kolayca ortadan kaldırmak yerine ikame (aşağıdaki şemaya bakınız) en kararlı yapı büyük olduğu için maruz olamaz t ekvatoral pozisyonda-Bu grubu, bu nedenle klorür grubu değildir herhangi bir yakın hidrojen ile antiperiplanar (dördüne de gauche). Termodinamik olarak tercih edilmeyen konformasyon, eksenel konumda, enerjisi 5 kcal/mol'den daha yüksek olan t -Bu grubuna sahiptir (bkz. A değeri ). Sonuç olarak, t -Bu grubu, halkayı ekvatoral pozisyonda olduğu konformasyonda "kilitler" ve ikame reaksiyonu gözlemlenir. Öte yandan, cis- 4- tert- -butylcyclohexyl klorür uğrar eleme zaman Cl ve H antiperiplanarity elde edilebilir, çünkü t -Bu grubu, uygun bir ekvatoral konumda.

Termodinamik olarak çok olumsuz konformasyon trans -4 -tert -butylcyclohexyl klorür burada t -Bu grubu, 7-atom etkileşimleri uygulayan eksenel bir konumda bulunmaktadır.
Trans- izomer, sadece çok olumsuz eksenel konformer ile antiperiplanarity elde edebilirsiniz; bu nedenle, ortadan kaldırmaz. Cis- en kararlı bir şekle doğru geometride zaten izomer; bu nedenle, kolayca ortadan kaldırır.

Eksenel bir t -butil grubu ile 1,3-diaksiyel konumdaki hidrojen atomları arasındaki itme o kadar güçlüdür ki, sikloheksan halkası bükülmüş bir tekne konformasyonuna geri dönecektir . Döngüsel yapılardaki gerinim genellikle ideal bağ açılarından ( Baeyer gerinimi ), ideal burulma açılarından ( Pitzer gerinimi ) veya transanüler (Prelog) etkileşimlerden sapmalarla karakterize edilir .

Ayrıca bakınız

Referanslar