Tekenen van Newman Projecties
Tot nu toe hebben we verschillende manieren gezien om moleculen te tekenen, zoals rechte ketens, volledig geschreven, en gecondenseerde formaten. Er is nog een andere manier om een molecuul te tekenen en te visualiseren, een Newman projectie genaamd. Dit gedeelte zal zich richten op het begrijpen en tekenen van Newman projecties
In een gegeven molecuul roteren atomen vrij rond enkelvoudige bindingen. Dit is heel belangrijk om te onthouden bij het tekenen van Newman-projecties.
Een Newman-projectie is een manier om een momentopname te maken van hoe een molecuul er op een bepaald moment uitziet, vanuit een andere hoek dan we gewend zijn. Newman-projecties richten zich op twee willekeurige koolstofatomen en de groepen die daar vanaf komen in een molecuul door het gezichtspunt van waaruit het molecuul wordt gevisualiseerd te verschuiven.
Bij het tekenen van Newman-projecties bekijk je het molecuul vanuit een ander perspectief door twee van de koolstofatomen naar beneden te kijken, zodat je alleen het voorste koolstofatoom kunt zien en niet het achterste koolstofatoom (omdat dit wordt geblokkeerd door het voorste koolstofatoom). Als u naar de groepen kijkt die van de koolstofatomen afkomen, zullen ze een Y-vorm vormen (vaak, maar niet altijd, een omgekeerde Y of een omgekeerde Y).
Bij het tekenen van Newman-projecties wordt de voorste koolstof aangegeven door het centrale punt van de “Y-achtige” vorm, en wordt de achterste koolstof niet expliciet weergegeven, hoewel wordt aangenomen dat deze zich direct achter de voorste koolstof bevindt.
In bovenstaande figuur hebben we de achterste koolstof in stappen van 60˚ geroteerd om de vrije rotatie rond enkelvoudige bindingen te benadrukken, maar je hoeft niet altijd 60 graden te roteren. Bovendien kunnen we zowel de voorste als de achterste koolstof draaien zoals we willen.
Als elke koolstof roteert, is er enige overlap als de atomen bewegen. Dit komt door sterische hinder, een afstotende kracht die wordt uitgeoefend door substituenten in een molecuul. In wezen willen grote groepen zo ver mogelijk uit elkaar staan, maar in een Newman-projectie worden de atomen gedwongen vrij dicht bij elkaar te staan, zodat er een afstotende kracht aanwezig is. De overlapping, en het energieverschil dat met deze overlapping samenhangt, leidt tot twee energetische subgroepen van Newman-projecties: verduisterde en verspringende.
Eclipsed conformaties resulteren in meer sterische hinder tussen twee atomen dan verspringende conformaties, omdat de atomen zo dicht bij elkaar kunnen komen. Eclipsed conformaties zijn daarom minder stabiel dan staggered conformaties.
Stabiliteit en hoeveelheid energie zijn omgekeerd evenredig. Als het molecuul een hoge stabiliteit heeft, heeft het een lagere energie; als het molecuul een lage stabiliteit heeft, heeft het een hoge hoeveelheid energie. Als je erover nadenkt, is dit logisch. Moleculen proberen altijd naar een lage energietoestand te gaan, dus als een molecuul veel energie heeft, zal het instabiel zijn omdat het naar een lagere energietoestand wil.
Gesprongde conformaties zijn hoger in energie en minder stabiel dan gesprongde conformaties.
-
Staggered
Staggered conformaties zijn een vrij stabiele conformatie, omdat de atomen uit elkaar zijn geplaatst om sterische hinder te minimaliseren. Een voorbeeld van een verspringende conformatie ziet er zo uit:
Er zijn nog 2 andere termen die worden gebruikt om verspringende conformatie te beschrijven:
- Anti-conformatie
- Gauche-conformatie
Anti-conformatie
De meest stabiele vorm van de Newman-projectie is de anti-conformatie. In deze vorm is de grootste substituent die van de voorste koolstof afkomt precies 180o graden verwijderd van de grootste substituent op de achterste koolstof; daarom liggen de twee grootste substituenten op elke koolstof van de Newman projectie zo ver mogelijk uit elkaar, wat leidt tot de kleinst mogelijke sterische hinder. In het hierboven gebruikte voorbeeld ziet de anticonformatie er als volgt uit:
Gauche-conformaties
Gauche-conformaties zijn verspringende moleculen die enige sterische hinder ondervinden. In de meest stabiele anti conformatie staan de twee grootste substituenten 180° van elkaar af, in gauche conformatie staan de twee grootste moleculen 60° van elkaar af. Deze conformatie is stabieler dan de verduisterde conformatie (zie volgende sectie), maar minder stabiel dan de anticonformatie, omdat er enige sterische hinderinteractie aanwezig is. Laten we eens kijken naar de gauche-conformaties in ditzelfde molecuul:
Hoe groter de groepen, hoe groter het gauche-effect, omdat er dan meer sterische hinder optreedt.
2. Eclipsed
In de eclipsed-conformatie werken groepen die van de twee focuskoolstenen in de Newman-projectie afkomen met elkaar in wisselwerking en stoten ze elkaar af, waardoor sterische hinder ontstaat omdat ze elkaar direct overlappen. Grotere substituenten – zoals alkylgroepen, halogenen, en zuurstofhoudende groepen, bijvoorbeeld – creëren meer hinder. Hoe groter de substituenten, hoe groter de hinder.
Bedenk bijvoorbeeld eens welke drie mogelijke verduisterde conformaties het volgende molecuul kan hebben:
Van de mogelijke verduisterde conformaties is er één vorm minder stabiel dan de andere, zoals blijkt uit het onderstaande diagram. Dit wordt veroorzaakt door de overlapping van de twee grootste substituenten op de twee koolwaterstoffen waarop de Newman-projectie is gericht. In het diagram hieronder zijn de twee grootste substituenten op elke koolstof in het roze aangegeven. Fluor is ook een groot atoom, maar niet zo groot als de cyclische substituent (die is gelabeld als C6H8).