Химическая энциклопедия - конформационный анализ

раздел стереохимии, изучающий конформации молекул, их взаимопревращения и зависимость физ. и хим. св-в от конформац. характеристик. Конформации молекулы разл. пространств. формы молекулы, возникающие при изменении относит. ориентации отдельных ее частей в результате внутр. вращения атомов или групп атомов вокруг простых связей, изгиба связей и др. Каждой определенной конформации соответствует определенная энергия. При рассмотрении пов-сти потенц. энергии основного состояния молекулы как ф-ции координат атомных ядер возможно существование одного, двух и более энергетич. минимумов. В этом случае имеются соотв. одна, две и более устойчивые конформации (в общем случае различающиеся по своей энергии), разделенные потенц. барьером (барьерами). Множество конформации, находящихся в окрестности энергетич. минимума с энергией ниже соответствующего потенц. барьера, представляет собой конформер. Обычно понятие конформера отождествляют с конформацией, имеющей миним. энергию. Явление существования разл. конформеров наз. конформац. изомерией. Любой переход между двумя конформациями, оcуществляемый без нарушения целостности молекулы, есть конформац. переход. Переход между конформерами требует преодоления потенц. барьера. наиб. часто в К. а. рассматривают переходы, реализующиеся в форме вращения относительно связей (см. Внутреннее вращение молекул) или пирамидальной инверсии. Реже встречаются политопные перегруппировки, посредством к-рых происходят конформац. переходы в нек-рых комплексных и неорг. соединениях (напр., псевдовращение Берри в тригонально-бипирамидальных структурах). Конформац. переход может приводить к изменению конфигурации молекулы (см. Конфигурация стереохимическая), даже если он связан только с процессом вращения вокруг связей; так, взаимопревращение (интерконверсия) двух конформеров 1,2- цис -дизамещенного циклогексана или двух гош -конформеров 1,2-дизамещенного этана есть одновременно и акт энантиомеризации. (Об обозначениях конформеров см. Номенклатура стереохимическая). Энергетические барьеры и относительная стабильность конформеров ациклических соединений. При достаточно высоких барьерах интерконверсии возможно разделение конформац. изомеров, напр., в случае орто -замещенных бифенилов (атропоизомерия). Применение очень низких т-р позволило разделить конформеры замещенных циклогексанов. Однако ввиду относительно низких потенц. барьеров конформац. переходы при обычных условиях происходят, как правило, очень быстро, и молекулы существуют в виде равновесной смеси конформеров. Разность своб. энергий DG конформеров Аи В связана с константой конформац. равновесия Кур-нием (1) и с соответствующими разностями энтальпий и энтропии ур-нием (2): DGA-B=GA-GB=-RTln К=-RTln([A]/[B]), (1) DG=DH-TDS,(2) где Т абс. т-ра, R газовая постоянная, [A] и [B] концентрации конформеров Аи Всоответственно. Энтропийный вклад TDS значителен при наличии двух и более эквивалентных конформеров, напр. при нахождении разности своб. энергий анти-(1 конформер) и гош -форм бутана (2 конформера). Константа скорости k скор взаимопревращения энергетически вырожденных конформеров определяется величиной барьера :

где kи h постоянные Больцмана и Планка соответственно. При внутр. вращении вокруг простой связи СЧС в этане возникают три минимума, отвечающие стабильным шахматным конформациям, и три максимума, отвечающие заслоненным конформациям, что соответствует барьеру третьего порядка (трехкратному). Зависимость потенц. энергии Vот угла относит, поворота ср выражается ур-нием: V(j)=(V3/2)(1-cosЗj). (4) Величина барьера в этане оценивается в 12-14 кДж/моль. Замещение в этановом фрагменте приводит к изменению формы кривой потенц. энергии. Так, в случае бутана минимумы и максимумы не идентичны друг другу. Два максимума имеют энергию ок. 16 кДж/моль и один ок. 25 кДж/моль относительно устойчивой анти -конформации. В общем случае ф-ция потенц. энергии V(ф) м. б. разложена в ряд потенциалов разл. порядка. Величины барьеров, как и разность энергий конформеров, зависят от типа связи, электронной природы и объема заместителей. Для бутана разность энергий гош- и анти- конформаций оценивается в 2,5-3,8 кДж/моль [DH=~-2,9 кДж/моль, DS~-5,9 Дж/(моль ^. К)] и обусловлена отталкиванием метильных групп в гош -форме (ф-ла I). Переход от газовой фазы к конденсированной способствует стабилизации гош -конформера. Увеличение объема заместителей при связи СЧС приводит к усилению гош -отталкивания. дополнит. влияние (обычно отталкивание) оказывает электростатич. взаимод. полярных заместителей. Для гомологов бутана порядок стабильности аналогичен. Так, для пентана устойчивость конформеров увеличивается в ряду гош⁺, гош ^-<гош, анти>< анти, анти (знаки + или характеризуют знак угла относит, поворота; в ф-ле I он положительный). Особенно неблагоприятны 1,3-взаимодействия СН 3...СН 3 в гош ⁺-, гoш>^- конформации II. Для высших членов ряда конформация плоского зигзага ( анти, анти,...) становится статистически неблагоприятной.

Введение в цепочку двух и более гетероатомов может принципиально изменить относит, стабильность конформеров. Напр., гош-, гошконформер диметоксиметана (III) на 8,1 кДж/моль стабильнее гош-, анти -формы и на 14,2 кДж/моль стабильнее анти-, анти - формы (следствие обобщенного аномерного эффекта; см. ниже). Для фрагмента =СЧС= (в диенах, дикарбонильных сое д., производных щавелевой к-ты, бензальдегиде и т. п.) устойчивы плоские конформации, что обусловлено значит. сопряжением в плоских структурах. Это приводит к двукратному барьеру вращения с максимумом при 90^o (20,5 кДж/моль в бутадиене). При вращении относительно sp²-sp³ -связи (напр., в пропилене, ацетальдегиде) обычно более стабильны заслоненные конформации типа IV, а конформации типа VI соответствуют наивысшей энергии. Конформации V представляют промежут. минимум. Если три заместителя у sр ³ атома одинаковы (нитромeтан, толуол), то имеется симметричный шестикратный барьер, описываемый ф-лой V(j)=(К 6/2)(1-соs6j); устойчива также заслоненная конформация. Барьер вращения вокруг sр-sp³ связи практически равен нулю.

Для молекул с кратными связями и неподеленными парами электронов одним из главных факторов, определяющих величину барьера, является степень двоесвязанности. Так, в отличие от аминов, большая кратность связи СЧN в амидах приводит к значит. возрастанию барьера. Наоборот, даже очень большой барьер вращения вокруг связи С=С м. б. резко снижены введением заместителей, уменьшающих порядок этой связи: для соед. VII барьер составляет <34 кДж/моль.

Типичным примером пирамидальной инверсии является поведение аммиака и аминов (VIII). Молекула проходит через плоскую конформацию с величиной барьера 21-25 кДж/моль. Последняя сильно возрастает для элементов высших периодов. Напр., для соед. Р(III) барьер оценивается в 125-165 кДж/моль, что позволяет разделять хиральные фосфины на энантиомеры. Любые структурные особенности (электронные и стерические), стабилизирующие плоскую конформацию, уменьшают барьер, и наоборот. Вовлечение пары электронов р-орбитали в сопряжение приводит к уплощению конфигурации атома азота в амидах или совершeнно плоской конфигурации в пирролах. Для фосфола IX барьер инверсии при 25 °С равен 67 кДж/моль, т. е. на 105 кДж/моль ниже, чем для аналогичных насыщ. систем. На величину барьера существенно влияет наличие соседнего гетероатома: барьер инверсии при переходе от азиридинов к оксазиридинам возрастает от 63-89 до 134 кДж/моль. Включение пирамидального атома в малый цикл сильно дестабилизирует переходное состояние. Напр., включение атома азота в трехчленный цикл (N-алкилазиридины) может настолько повысить барьер, что соед. будет существовать при комнатной т-ре в виде геом. изомеров или энантиомерных форм.

Конформации основных циклических систем. Для молекулы циклогексана возможны две свободные от углового напряжения (см. Напряжение молекул) формы: "кресло" (ф-ла X) и "ванна" (XI). Конформация ванны сильно дестабилизирована внутримол. невалентными взаимод., прежде всего между т. наз. "флагштоковыми" атомами водорода. Неск. более стабильная конформация скрученной ванны ("твист" форма; XII) все же на 23,4 кДж/моль выше по энергии, чем конформация кресла. Поэтому циклогексан при обычной т-ре на 99,9% существует в форме двух быстро интерконвертирующих кресловидных конформаций. При переходе между ними

вес аксиальные заместители астановятся экваториальными еи наоборот. Переход осуществляется через промежуточно возникающую твист конформацию. Альтернативные твистконформации быстро превращ. друг в друга через конформацию ванны (псевдовращение). Барьер конформац. перехода в циклогексане равен приблизительно 42 кДж/моль и мало меняется при введении заместителей. Он значительно снижается при наличии планарных фрагментов эндои экзоциклич. двойных связей (циклогексен, циклогексанон, метиленциклогексан и т. п.). Кресловидная конформация обычно также более стабильна для конденсированных и гетероциклич. систем. Напр., бицикло[3.3.1] нонан предпочитает конформацию двойного кресла (XIII), несмотря на сильное 3,7-отталкивание.

Циклогексен и бензопроизводные принимают форму полукресла (XIV). Для монозамещенных циклогексанов имеются две неэквивалентные конформаций с заместителем в аксиальном (XVa) и экваториальном (XVe) положениях. Обычно более устойчива экваториальная форма, что связывают с дестабилизирующим 1,3-син -аксиальным отталкиванием в конформере XVa. В случае R=HgHal соотношение стабильностей обратное. Величины конформац. своб. энергий заместителей могут использоваться по аддитивной схеме для приближенного предсказания положения конформац. равновесия полизамещенных циклогексанов (при введении поправок на взаимод. заместителей). Аксиальный конформер более стабилен для нек-рых гетероциклов с электроотрицат. заместителем в положении 2, напр. соед. XVI (X = OR, SR, Hal, Y=О, S, NR'), что обусловлено специфич. внутримол. взаимодействиями. Эта конформац. аномалия, получившая наименование аномерного эффекта, имеет большое значение в стереохимии углеводов. Если в конформаций кресла очень большой заместитель не может избежать неблагоприятного аксиального положения, то твист-форма может стать относительно более стабильной, напр., для транс-1,3-ди- трет -бутилциклогексана. Стабилизации твист-конформации способствует наличие в кольце карбонильных групп, нек-рых гетероатомов, а также внутримол. координац. взаимодействия, напр. в соед. XVII-XIX.

Для четырехчленных циклов предпочтительна сложенная конформация XX. Пятичленные циклы принимают конформацию конверта XXI или твист-конформацию XXII, к-рые исключительно быстро переходят друг в друга. При этом поочередно отгибаются все пять углов конверта (псевдовращение). Конформац. поведение молекул с числом атомов в кольце больше шести довольно сложно и характеризуется резким увеличением кол-ва относительно стабильных конформеров при увеличении размеров цикла (3 для цикло-гептана, 7 для циклооктана и т. д.).

Конформационные эффекты. К. а. использует идеи, понятия и принципы двух фундам. теорий, имеющих дело со строением молекул, а именно классич. структурной теории и квантовой химии. В соответствии с фундаментальным для классич. теории строения понятием связи между парой атомов все взаимод. в молекуле подразделяются на взаимод. связанных атомов и взаимод. несвязанных атомов. Молекула представляется механистич. системой, состоящей из упругих шариков-атомов, соединенных гибкими и упругими стержнями-связями, к-рые направлены под определенными углами друг к другу. К. а. базируется на рассмотрении вкладов в энергию молекулы Е, вносимых отклонениями длин связей (E св) и углов (E угл) от "нормального" значения, а также торсионными напряжениями (Е гор) и ван-дер-ваальсовым взаимод. несвязанных атомов (E адв). Сумму этих членов называют стерич. энергией. Она различна для разных конформаций молекулы. Е=Е св+Е угл+Е тор+Е адв. (5) При необходимости учитывают также электростатич. взаимод. (диполь-дипольное) полярных групп (Е элст). Поиск стабильных конформаций сводится к минимизации значения энергии как ф-ции координат атомов. Расчетные методы, основанные на этом подходе, напр. метод молекулярной механики, позволяют вычислить геом., спектральные и термодинамич. характеристики молекул и часто дают хорошее согласие с экспериментом. В нек-рых случаях относит. стабильность конформеров соединений, имеющих полярные связи и неподеленные электронные пары, нельзя объяснить только на основе указанных взаимодействий. Отклонения от ожидаемых св-в (конформац. эффекты) можно учесть как дополнит. член (Е эфф) к аддитивной схеме (5). Эффекты обусловлены специфич. взаимод. атомов и групп. Поэтому конформац. эффекты обычно связывают с определенными структурными фрагментами, часто они имеют спец. названия: аномерный (см. выше); обобщенный аномерный-предпочтительность гош-конформации относительно связи углерод гетероатом в системах RЧXЧСЧY, напр. в соед. III; а-галогенкетонный относит. дестабилизация экваториального кон-формера а-галогенциклогексанонов; гош-э ффект-стабилизация конформеров с макс, числом гош -взаимодействий между несвязывающими электронными парами или полярными связями (в случае наиб. электроотрицат. заместителей при связи СЧС, см. ниже); эффект "хоккейных клюшек" отталкивание вицинальных заместителей за счет орбитальных взаимод. (см. ниже) и др. В совр. методах мол. механики параметризация потенциалов осуществляется таким образом, что мн. конформац. эффекты оказываются включенными в один или неск. членов ф-лы 5, чаще в Е тор. Решение конформац. проблем в квантовой химии сводится к следующему. Для определенного набора ядер и электронов (т. е. для частицы, молекулы) решается квантово-мех. задача и находится энергия как ф-ция геометрии ядерного остова. На пов-сти потенц. энергии находят минимумы и седловины, т. е. определяют устойчивые конформации и величины барьеров. Относительно простые молекулы м. б. рассчитаны неэмпирич. методами, для более сложных систем прибегают к полуэмпирич. методам. Разложение полной или потенц. энергии на составляющие позволяет провести анализ влияния и вклада отдельных компонентов в величины барьеров, относит. стабильность конформеров и т. д. Этот подход особенно полезен, когда составляющим можно приписать к.-л. физ. смысл. Напр., ф-ция потенц. энергии при вращении вокруг связи м. б. разложена в ряд Фурье с потенц. ф-циями разл. порядка