Drawing Newman Projections
Tähän mennessä olemme nähneet erilaisia tapoja piirtää molekyylejä, kuten suora ketju, täysin kirjoitettu ja tiivistetty muoto. On vielä toinenkin tapa piirtää ja visualisoida molekyyli, jota kutsutaan Newman-projektioksi. Tässä osiossa keskitytään Newman-projektioiden ymmärtämiseen ja piirtämiseen
Jossain molekyylissä atomit pyörivät vapaasti yksittäisten sidosten ympärillä. Tämä on erittäin tärkeää muistaa Newman-projektioiden piirtämistä varten.
Newman-projektio on tapa ottaa tilannekuva siitä, miltä molekyyli näyttää tietyllä hetkellä eri kulmasta kuin mihin olemme tottuneet. Newman-projektioissa keskitytään molekyylin mihin tahansa kahteen hiileen ja niistä lähteviin ryhmiin siirtämällä näkymää, josta molekyyliä visualisoidaan.
Newman-projektioita piirtäessäsi tarkastele molekyyliä eri näkökulmasta katsomalla kahta hiiliatomia alaspäin niin, että näet vain etummaisen hiiliatomin etkä takimmaista hiiliatomia (koska etummainen hiili estää sen). Jos katsot hiilestä irtoavia ryhmiä, ne muodostavat Y-muodon (usein, mutta ei aina, oikeanpuoleinen Y tai ylösalaisin oleva Y).
Newman-projektioita piirtäessä etummainen hiili osoitetaan ”Y-muotoisesta” muodosta lähtevän keskipisteen avulla, eikä takimmaista hiiltä näytetä nimenomaisesti, vaikkakin oletetaan, että sen oletetaan sijaitsevan aivan etummaisen hiilen takana.
Yllä olevassa kuvassa olemme kiertäneet takahiiltä 60˚:n askelin korostaaksemme vapaata kiertoa yksittäisten sidosten ympärillä, mutta aina ei tarvitse kiertää 60 astetta. Lisäksi voimme kiertää sekä etu- että takahiiltä haluamallamme tavalla.
Kun kukin hiili pyörii, on jonkin verran päällekkäisyyttä atomien liikkuessa. Tämä johtuu steerisestä esteestä, joka on molekyylissä olevien substituenttien aiheuttama hylkivä voima. Pohjimmiltaan suuret ryhmät haluavat olla mahdollisimman kaukana toisistaan, mutta Newman-projektiossa atomien on pakko olla melko lähellä toisiaan, joten repulsiivinen voima on läsnä. Päällekkäisyys ja tähän päällekkäisyyteen liittyvä energiaero johtaa Newman-projektioiden kahteen energeettiseen alaryhmään: eclipsed ja staggered.
Eclipsed-konformaatiot johtavat siihen, että kahden atomin välille syntyy enemmän steeristä estettä kuin staggered-konformaatiot, koska atomit pääsevät niin lähelle toisiaan. Eclipsed-konformaatiot ovat siksi vähemmän stabiileja kuin staggered-konformaatiot.
Kestävyys ja energian määrä ovat kääntäen verrannollisia. Jos molekyylin stabiilisuus on suuri, sen energiamäärä on pienempi; jos molekyylin stabiilisuus on pieni, sen energiamäärä on suuri. Jos asiaa ajattelee, tässä on järkeä. Molekyylit yrittävät aina päästä matalan energian tilaan, joten jos molekyylillä on korkea energia, se on epästabiili, koska se haluaa päästä matalamman energian tilaan.
Klipsimäiset konformaatiot ovat korkeamman energian omaavia ja vähemmän stabiileja kuin porrastetut konformaatiot.
-
Staggered
Staggered-konformaatiot ovat melko stabiileja konformaatioita, koska atomit ovat levittäytyneet toisistaan steerisen esteen minimoimiseksi. Esimerkki porrastetusta konformaatiosta näyttää tältä:
Porrastettuja konformaatioita kuvaamaan käytetään myös 2 muuta termiä:
- Anti-konformaatio
- Gauche-konformaatio
Anti-konformaatio
Newmanin projisoinin stabiilein olomuoto on anti-konformaatio. Tässä muodossa etummaisesta hiilestä tuleva suurin substituentti on täsmälleen 180o asteen päässä takimmaisen hiilen suurimmasta substituentista; näin ollen Newman-projektiossa kummankin hiilen kaksi suurinta substituenttia ovat mahdollisimman kaukana toisistaan, mikä johtaa mahdollisimman pieneen steeriseen esteeseen. Edellä käytetyssä esimerkissä anti-konformaatio näyttää seuraavalta:
Gauche-konformaatiot
Gauche-konformaatiot ovat porrastettuja molekyylejä, joilla on jonkin verran steeristä estettä. Kun vakaimmassa anti-konformaatiossa kaksi suurinta substituenttia on 180°:n päässä toisistaan, gauche-konformaatioissa kaksi suurinta molekyyliä on 60°:n päässä toisistaan. Nämä konformaatiot ovat vakaampia kuin eclipsed-konformaatiot (ks. seuraava jakso), mutta vähemmän vakaita kuin anti-konformaatiot, koska niissä on jonkin verran steeristä estevaikutusta. Tarkastellaan saman molekyylin gauche-konformaatioita:
Mitä suuremmat ryhmät, sitä suurempi gauche-ilmiö, koska steeristä estevaikutusta olisi enemmän.
2. Eclipsed
Eclipsed-konformaatiossa ryhmät, jotka lähtevät kahdesta Newmanin projisoinnissa fokusoituneesta hiilestä, ovat vuorovaikutuksessa toisiinsa nähden ja hylkivät niitä toisiltaan ja synnyttävät siten steeristä estevaikutusta, koska ne ovat suoraan päällekkäin keskenään. Suuremmat substituentit – kuten esimerkiksi alkyyliryhmät, halogeenit ja happipitoiset ryhmät – aiheuttavat enemmän esteitä. Mitä suuremmat substituentit, sitä enemmän esteitä esiintyy.
Pohdi esimerkiksi seuraavia kolmea mahdollista pimennyskonformaatiota, joita seuraavalla molekyylillä voi olla:
Mahdollisista pimennyskonformaatioista yksi muoto on vähemmän stabiili kuin muut, kuten alla olevasta kaaviosta näkyy. Tämä syntyy kahden suurimman substituentin päällekkäisyydestä kahdessa Newman-projektiossa fokusoidussa hiilestä. Alla olevassa kaaviossa kunkin hiilen kaksi suurinta substituenttia on merkitty vaaleanpunaisella. Fluori on myös suuri atomi, mutta ei yhtä suuri kuin syklinen substituentti (joka on merkitty C6H8).