Часть II
   На главную I. Теоретические основы II. Углеводороды III. Кислородсодержащие соединения IV. Азотсодержащие соединения V. Высокомолекулярные соединения VI. Решение задач
Часть II. УГЛЕВОДОРОДЫ
 Оглавление (Часть II)
Поворотная изомерия алканов
Характерной особенностью σ-связей является то, что электронная плотность в них распределена симметрично относительно оси, соединяющей ядра связываемых атомов (цилиндрическая или вращательная симметрия). Поэтому вращение атомов вокруг σ-связи не будет приводить к ее разрыву.
σ-Связь, образованная при перекрывании sp3-атомных орбиталей.
Способность молекул при вращении по σ-связям принимать различные пространственные формы называется поворотной или конформационной изомерией.
В результате внутримолекулярного вращения по σ-связям С–С молекулы алканов, начиная с этана С2Н6, могут принимать разные геометрические формы (вращение по связям С–Н не влияет на геометрию молекулы).
Различные пространственные формы молекулы, переходящие друг в друга путем вращения вокруг σ-связей С–С, называют конформациями или поворотными изомерами (конформерами).

Поворотные изомеры молекулы представляют собой энергетически неравноценные ее состояния. Их взаимопревращение происходит быстро и постоянно в результате теплового движения. Поэтому поворотные изомеры не удается выделить в индивидуальном виде, но их существование доказано физическими методами. Некоторые конформации более устойчивы (энергетически выгодны) и молекула пребывает в таких состояниях более длительное время.

Рассмотрим поворотные изомеры на примере этана Н3С–СН3:
Конформации этана
VRML-модель

При вращении одной группы СН3 относительно другой возникает множество неодинаковых форм молекулы, среди которых выделяют две характерные конформации (А и Б), отличающиеся поворотом на 60°:

Конформации

Эти поворотные изомеры этана отличаются расстояниями между атомами водорода, соединенными с разными атомами углерода. В конформации А атомы водорода сближены (заслоняют друг друга), их отталкивание велико, энергия молекулы максимальна. Такая конформация называется "заслонённой", она энергетически невыгодна и молекула переходит в конформацию Б, где расстояния между атомами Н у разных атомов углерода наибольшее и, соответственно, отталкивание минимально. Эта конформация называется "заторможенной", т.к. она энергетически более выгодна и молекула находится в этой форме больше времени.

Энергия поворотных изомеров этана
Анимация

С удлинением углеродной цепи число различимых конформаций увеличивается. Так, вращение по центральной связи в н-бутане

н-Бутан
АнимацияlargeВид на модель молекулы вдоль оси центральной связи С2–С3, по которой происходит вращение.
приводит к четырем поворотным изомерам:

Конформации н-бутана

Наиболее устойчивым из них является конформер IV, в котором группы СН3 максимально удалены друг от друга. Зависимость потенциальной энергии н-бутана от угла вращения показана на рисунке.

Интерактивная анимация (используйте управляющую кнопку).



Цепь, содержащая 5 и более углеродных атомов, имеет ещё большее число поворотных изомеров и за счет вращения вокруг каждой σ-связи может принимать различные геометрические формы:


АнимацияC5H12

Клешневидные конформации, в которых оказываются сближенными способные к взаимодействию атомные группы, определяют возможность реакций циклизации (замыкания открытой цепи в цикл). Чаще всего такие реакции происходят, если образуются устойчивые пяти- и шестичленные циклы. Так протекают реакции отщепления водорода в алканах, главная цепь которых содержит не менее 5-ти углеродных атомов (раздел "Дегидрирование алканов", реакции дегидроциклизации).

В случае длинных цепных молекул полимеров обратимое изменение конформаций приводит к качественно новому свойству – гибкости макромолекул (часть V. Высокомолекулярные соединения).