Zeichnen von Newman-Projektionen
Bis jetzt haben wir verschiedene Arten gesehen, Moleküle zu zeichnen, wie z.B. geradlinige Ketten, vollständig geschriebene und kondensierte Formate. Es gibt noch eine weitere Möglichkeit, ein Molekül zu zeichnen und zu visualisieren, die sogenannte Newman-Projektion. Dieser Abschnitt konzentriert sich auf das Verständnis und das Zeichnen von Newman-Projektionen
In einem gegebenen Molekül drehen sich die Atome frei um Einfachbindungen. Dies ist sehr wichtig, um Newman-Projektionen zu zeichnen.
Eine Newman-Projektion ist eine Möglichkeit, einen Schnappschuss davon zu machen, wie ein Molekül zu einem bestimmten Zeitpunkt aus einem anderen Winkel aussieht, als wir es gewohnt sind. Newman-Projektionen konzentrieren sich auf zwei beliebige Kohlenstoffatome und die von ihnen abstammenden Gruppen in einem Molekül, indem sie den Blickwinkel verschieben, aus dem das Molekül visualisiert wird.
Betrachten Sie beim Zeichnen von Newman-Projektionen das Molekül aus einer anderen Perspektive, indem Sie zwei der Kohlenstoffatome nach unten schauen, so dass Sie nur das vordere Kohlenstoffatom und nicht das hintere Kohlenstoffatom sehen können (da es durch das vordere Kohlenstoffatom blockiert wird). Wenn man die von den Kohlenstoffen ausgehenden Gruppen betrachtet, bilden sie eine Y-Form (oft, aber nicht immer, ein auf dem Kopf stehendes Y oder ein auf dem Kopf stehendes Y).
Beim Zeichnen von Newman-Projektionen wird das vordere Kohlenstoffatom durch den zentralen Punkt der „Y-ähnlichen“ Form angezeigt, und das hintere Kohlenstoffatom wird nicht explizit dargestellt, obwohl angenommen wird, dass es direkt hinter dem vorderen Kohlenstoffatom liegt.
In der obigen Abbildung haben wir das hintere Kohlenstoffatom in 60˚-Schritten gedreht, um die freie Drehung um Einfachbindungen zu betonen, aber man muss nicht immer um 60 Grad drehen. Außerdem können wir sowohl das vordere als auch das hintere Kohlenstoffatom nach Belieben drehen.
Wenn jedes Kohlenstoffatom rotiert, kommt es bei der Bewegung der Atome zu einer gewissen Überlappung. Der Grund dafür ist die sterische Hinderung, eine abstoßende Kraft, die von Substituenten in einem Molekül ausgeübt wird. Im Wesentlichen wollen große Gruppen so weit wie möglich voneinander entfernt sein, aber in einer Newman-Projektion sind die Atome gezwungen, ziemlich nahe beieinander zu sein, so dass eine abstoßende Kraft vorhanden ist. Die Überlappung und der damit verbundene Energieunterschied führen zu zwei energetischen Untergruppen von Newman-Projektionen: eclipsed und staggered.
Eclipsed-Konformationen führen zu mehr sterischer Hinderung zwischen zwei Atomen als staggered-Konformationen, weil die Atome einander so nahe kommen können. Eklipsierte Konformationen sind daher weniger stabil als gestaffelte Konformationen.
Stabilität und Energiemenge sind umgekehrt proportional. Ein Molekül mit hoher Stabilität hat eine niedrige Energie; ein Molekül mit niedriger Stabilität hat eine hohe Energie. Wenn man darüber nachdenkt, ergibt das einen Sinn. Moleküle versuchen immer, in einen Zustand mit niedriger Energie zu gelangen. Wenn ein Molekül also eine hohe Energie hat, ist es instabil, da es in einen Zustand mit niedrigerer Energie gelangen will.
Abgeschnittene Konformationen haben eine höhere Energie und sind weniger stabil als gestaffelte Konformationen.
-
Staffelkonformationen
Staffelkonformationen sind eine recht stabile Konformation, da die Atome auseinandergespreizt sind, um die sterische Hinderung zu minimieren. Ein Beispiel für eine gestaffelte Konformation sieht so aus:
Es gibt 2 weitere Begriffe, die zur Beschreibung gestaffelter Konformationen verwendet werden:
- Antikonformation
- Gauche-Konformation
Antikonformation
Die stabilste Form der Newman-Projektion ist die Antikonformation. Bei dieser Form ist der größte Substituent am vorderen Kohlenstoff genau 180o Grad vom größten Substituenten am hinteren Kohlenstoff entfernt; daher sind die beiden größten Substituenten an jedem Kohlenstoff der Newman-Projektion so weit wie möglich voneinander entfernt, was zu der geringstmöglichen sterischen Hinderung führt. Im obigen Beispiel sieht die Antikonformation wie folgt aus:
Gauche-Konformationen
Gauche-Konformationen sind gestaffelte Moleküle, die eine gewisse sterische Hinderung aufweisen. Während bei der stabilsten Antikonformation die beiden größten Substituenten 180° voneinander entfernt sind, sind bei Gauche-Konformationen die beiden größten Moleküle 60° voneinander entfernt. Diese Konformationen sind stabiler als eclipsed-Konformationen (siehe nächster Abschnitt), aber weniger stabil als anti-Konformationen, da eine gewisse sterische Hinderungsinteraktion vorhanden ist. Betrachten wir die Gauche-Konformationen in diesem Molekül:
Je größer die Gruppen sind, desto größer ist der Gauche-Effekt, da mehr sterische Hinderung vorhanden ist.
2. Eclipsed
In der eclipsed-Konformation treten die Gruppen, die von den beiden Kohlenstoffen in der Newman-Projektion stammen, miteinander in Wechselwirkung und stoßen sich gegenseitig ab, wodurch sterische Hinderung entsteht, da sie sich direkt überlappen. Größere Substituenten – wie z. B. Alkylgruppen, Halogene und sauerstoffhaltige Gruppen – erzeugen mehr Hindernisse. Je größer die Substituenten sind, desto größer ist die Hinderung.
Denken Sie zum Beispiel an die drei möglichen eclipsierten Konformationen, die das folgende Molekül haben könnte:
Von den möglichen eclipsierten Konformationen ist eine Form weniger stabil als die anderen, wie das folgende Diagramm zeigt. Dies ergibt sich aus der Überlappung der beiden größten Substituenten an den beiden Kohlenstoffen, die für die Newman-Projektion im Mittelpunkt stehen. Im unten stehenden Diagramm sind die beiden größten Substituenten an jedem Kohlenstoff in rosa markiert. Fluor ist ebenfalls ein großes Atom, aber nicht so groß wie der zyklische Substituent (der als C6H8 gekennzeichnet ist).