Rysowanie rzutów Newmana
Do tej pory widzieliśmy różne sposoby rysowania molekuł, takie jak prosty łańcuch, w pełni zapisane i skondensowane formaty. Istnieje jeszcze jeden sposób rysowania i wizualizacji molekuł, zwany projekcją Newmana. W tym rozdziale skupimy się na zrozumieniu i rysowaniu rzutów Newmana
W danej cząsteczce atomy obracają się swobodnie wokół pojedynczych wiązań. Jest to bardzo ważne, aby pamiętać o tym przy rysowaniu rzutów Newmana.
Projekcja Newmana to sposób na zrobienie zdjęcia cząsteczki w danym momencie pod innym kątem niż ten, do którego jesteśmy przyzwyczajeni. Projekcje Newmana skupiają się na dowolnych dwóch węglach i grupach od nich odchodzących w cząsteczce poprzez przesunięcie widoku, z którego cząsteczka jest wizualizowana.
Podczas rysowania projekcji Newmana spójrz na cząsteczkę z innej perspektywy, patrząc w dół na dwa atomy węgla, tak abyś mógł zobaczyć tylko przedni atom węgla, a nie tylny (ponieważ jest on zasłonięty przez przedni węgiel). Jeśli spojrzeć na grupy odchodzące od węgli, utworzą one kształt litery Y (często, ale nie zawsze, Y prawostronny lub Y odwrócony).
Przy rysowaniu rzutów Newmana, przedni węgiel jest wskazywany przez centralny punkt kształtu „Y-podobnego”, a tylny węgiel nie jest wyraźnie pokazany, chociaż zakłada się, że jest tuż za przednim węglem.
Na rysunku powyżej obróciliśmy tylny węgiel w krokach co 60˚, aby podkreślić swobodną rotację wokół pojedynczych wiązań, ale nie zawsze trzeba obracać o 60 stopni. Ponadto, możemy obracać zarówno przednie jak i tylne węgle, jak chcemy.
Jak każdy węgiel obraca się, istnieje pewne nakładanie się, gdy atomy się poruszają. Dzieje się tak z powodu przeszkody sterycznej, siły odpychającej wywieranej przez podstawniki w cząsteczce. Zasadniczo, duże grupy chcą być tak daleko od siebie, jak to możliwe, ale w Newman projekcji, atomy są zmuszone do być dość blisko siebie, więc jest siła odpychająca obecny. Nakładanie się, oraz różnica energii związana z tym nakładaniem się, prowadzi do powstania dwóch podgrup energetycznych projekcji Newmana: zaćmionych i zataczających się.
Konformacje zaćmione skutkują większą przeszkodą steryczną pomiędzy dwoma atomami niż konformacje zataczające się, z powodu tego, jak blisko atomy mogą się do siebie zbliżyć. Konformacje zaćmione są zatem mniej stabilne niż konformacje zataczane.
Stabilność i ilość energii są odwrotnie proporcjonalne. Jeśli cząsteczka ma dużą stabilność, to ma mniejszą energię; jeśli cząsteczka ma małą stabilność, to ma dużą ilość energii. Jeśli się nad tym zastanowić, to ma to sens. Molekuły zawsze próbują dostać się do stanu o niskiej energii, więc jeśli cząsteczka ma wysoką energię, będzie niestabilna, ponieważ chce się dostać do stanu o niższej energii.
Konformacje skośne mają wyższą energię i są mniej stabilne niż konformacje rozłożone w czasie.
-
Konformacje zataczane
Konformacje zataczane są dość stabilnymi konformacjami, ponieważ atomy są rozłożone w celu zminimalizowania przeszkód sterycznych. Przykład konformacji rozłożonej wygląda tak:
Istnieją 2 inne terminy używane do opisu konformacji rozłożonych:
- Konformacja anty
- Konformacja Gauche’a
Konformacja anty
Najbardziej stabilną formą rzutu Newmana jest antykonformacja. W tej formie, największy podstawnik schodzący z przedniego węgla jest oddalony o dokładnie 180o stopni od największego podstawnika na tylnym węglu; dlatego dwa największe podstawniki na każdym węglu projekcji Newmana są tak daleko od siebie, jak to tylko możliwe, co prowadzi do najmniejszej możliwej przeszkody sterycznej. W przykładzie użytym powyżej antykonformacja wygląda następująco:
Konformacje Gauche’a
Konformacje Gauche’a to zataczające się cząsteczki, które mają pewne utrudnienia steryczne. Podczas gdy najbardziej stabilna konformacja anti ma dwa największe podstawniki oddalone od siebie o 180°, konformacje gauche mają dwie największe molekuły oddalone od siebie o 60°. Konformacje te są bardziej stabilne niż konformacje zaćmione (patrz następny rozdział), ale mniej stabilne niż antykonformacje, ponieważ występuje w nich pewne oddziaływanie przeszkody sterycznej. Przyjrzyjmy się konformacjom gauche w tej samej cząsteczce:
Im większe grupy, tym większy efekt gauche, ponieważ występuje więcej przeszkód sterycznych.
2. zaćmiona
W konformacji zaćmionej, grupy schodzące z dwóch węgli skupionych w rzucie Newmana oddziałują ze sobą i odpychają się, tworząc przeszkodę steryczną, ponieważ bezpośrednio na siebie zachodzą. Większe podstawniki – takie jak grupy alkilowe, fluorowce i grupy zawierające tlen, na przykład – tworzą większą przeszkodę. Im większe podstawniki, tym większa przeszkoda.
Na przykład, pomyśl o 3 możliwych zaćmionych konformacjach, które może mieć następująca cząsteczka:
Z możliwych zaćmionych konformacji, jedna forma jest mniej stabilna niż inne, jak pokazuje poniższy diagram. Powstaje ona w wyniku nałożenia się dwóch największych podstawników na dwa węgle, na których skupia się projekcja Newmana. Na poniższym diagramie, dwa największe podstawniki na każdym z węgli są zaznaczone na różowo. Fluor jest również dużym atomem, ale nie tak dużym jak podstawnik cykliczny (który jest oznaczony jako C6H8).