Analiza konformacyjna

Analiza konformacyjna jest oszacowaniem względnych energii (lub stabilności termodynamicznych), reaktywności i właściwości fizycznych alternatywnych konformacji indywiduum molekularnego, zwykle przez zastosowanie jakościowych lub półilościowych reguł albo semiempirycznych obliczeń. Poszczególne konfiguracje reprezentują izomery, które można rozdzielić. Konformacje reprezentują konformery, które są szybko przekształcalne, a zatem nierozdzielne. Pojęcia „izomer konformacyjny” i „rotamer” są używane zamiast „konformer”. W celu określenia konformacji zastosowano szereg metod, do których należą dyfrakcja rentgenowska i elektronowa, IR, widma Ramana, UV, NMR, i widma mikrofalowe, spektroskopia fotoelektronów, optyczna dyspersja rotacyjna i pomiary dichroizmu kołowego. Niektóre z tych metod są przydatne tylko w przypadku ciał stałych. Należy pamiętać, że konformacja cząsteczki w stanie stałym niekoniecznie jest taka sama jak w roztworze Konformacje można obliczać metodami mechaniką falowej. Opracowano metodę, która scharakteryzuje konformacje pierścienia sześcioczłonowego jako liniową kombinację idealnych konformacji podstawowych. Termin konformacja absolutna został wprowadzony dla cząsteczek, dla których jedna konformacja jest optycznie nieaktywna, ale przez rotację wewnętrzną wokół C(sp³)–C(sp³), wytwarzane są optycznie czynne konformery.

Konformacje w układach łańcuchowych

Dla każdego wiązania pojedynczego o otwartym łańcuchu, które łączy dwa atomy węgla o hybrydyzacji sp³, możliwa jest nieskończona liczba konformacji, z których każda ma związaną z nią określoną energię. W praktyce liczba konformacji jest znacznie mniejsza. Jeśli zignoruje się powtórzenia wynikające z symetrii, liczbę konformacji można oszacować jako większą niż 3ⁿ, gdzie n jest liczbą wewnętrznych wiązań C–C. Na przykład n-pentan ma 11 konformerów, n-heksan 35, n-heptan 109, n-oktan 347, n-nonan 1101 i n-dekan 3263. Dla etanu istnieją dwie skrajne konformacje, konformacja o najwyższej i o najniższej energii potencjalnej, które można przedstawić na dwa sposoby:

Projekcja Newmana (wzór rzutowy), pokazana na dwóch schematach po prawej stronie, jest przedstawieniem przestrzennym rozmieszczenia wiązań dwóch sąsiadujących ze sobą atomów w indywiduum molekularnym. Strukturę przedstawia się jako widzianą wzdłuż wiązania łączącego te dwa atomy, a wiązania biegnące od nich do pozostałych podstawników są rysowane jako rzuty na płaszczyźnie papieru. Wiązania atomu bliższego do patrzącego są rysowane tak, że spotykają się w środku okręgu przedstawiającego ten atom. Wiązania atomu bardziej oddalonego rysuje się jako wystające spoza okręgu. Zmiany energii cząsteczki w funkcji zmian kąta torsyjnego przedstawia schemat:

Konformacja naprzemianległa ma najniższą energię potencjalną w przypadku etanu. Gdy następuje obrót wokół wiązania, energia stopniowo rośnie, aż do osiągnięcia konformacji naprzeciwległej, dla której energia osiąga maksimum. Dalszy obrót ponownie zmniejsza energię. Dla etanu różnica energii pomiędzy tymi konformacjami wynosi 2,9 kcal·mol^–1 (12 kJ·mol^–1), i określa wartość bariery energetycznej wynikającej z wzajemnego oddziaływania orbitali cząsteczkowych. W normalnych temperaturach dostępna jest wystarczająca energia, aby cząsteczka etanu mogła się obracać, chociaż większość czasu i tak spędza na poziomie energii minimalnej. Grupy większe niż wodór powodują wzrost wartości bariery, i gdy osiągają odpowiednią wysokość, jak w przypadku odpowiednio podstawionych bifenyli, rotacja w temperaturze pokojowej jest niemożliwa i wtedy mamy do czynienia z konfiguracjami, a nie konformacjami. Nawet w przypadku związków charakteryzujących się niewielkimi barierami rotacyjnymi schłodzenie do odpowiednio niskich temperatur może uniemożliwić przekroczenie bariery rotacyjnej i tym samym izomery konformacyjne, stają się izomerami konfiguracyjnymi.

Nieco bardziej skomplikowanym przypadkiem niż etan jest 1,2-dipodstawiony etan (YCH₂–CH₂Y lub YCH₂–CH₂X), taki jak n-butan, dla którego istnieją cztery skrajne przypadki: pełna konformacja naprzemianległa, określana przedrostkiem anti, trans lub jako antiperiplanarna; inna konformacja naprzemianległa, zwana synklinalną; oraz dwa typy naprzeciwległej konformacji, zwane synperiplanarną i antyklinalną

Generalnie, sterochemiczne ułożenie odpowiadające kątom torsyjnym pomiędzy 0^o i ±90^o nazywa się syn (s), kątom torsyjnym pomiędzy ±90⁰ i 180^o anti (a). Podobnie, ułożenie podstawników odpowiadające kątowi torsyjnemu pomiędzy –30^o i –150⁰ albo pomiędzy 30^o i 150⁰ nazywane jest klinalnym (c), a pomiędzy 0^o i ±30^o albo ±150^o i 180^o nazywane jest periplanarnym (p). Te dwa rodzaje terminów można połączyć tak, aby definiowały cztery zakresy katów torsyjnych: 0^o do ±30^o synperiplanarny (sp), 30^o do 90^o i –30^o do –90^o synklinalny (sc), 90^o do 150^o i –90^o do –150^o antiklinalny (ac), ±150^o do 180^o antiperiplanarny (ap). Ułożenie podstawników odpowiadające kątowi torsyjnemu 90^o nazywa się izoklinalnym (+ic, -ic).

Można łatwo stwierdzić, że konformacja synklinalna butanu, lub jakiejkolwiek innej podobnej cząsteczki, jest chiralna. Brak aktywności optycznej takich związków wynika z faktu, że konformery i ich lustrzane odbicie są zawsze obecne w równych ilościach i przekształcają się wzajemnie zbyt szybko, aby można było je rozdzielić.

W przypadku butanu i większości innych cząsteczek o wzorach YCH₂–CH₂Y i YCH₂–CH₂X antikonformer jest najbardziej stabilny, ale znane są wyjątki. Jedna grupa wyjątków składa się z cząsteczek zawierających małe atomy elektroujemne, zwłaszcza fluor i tlen. 2-fluoroetanol, 1,2-difluoroetan i trichlorooctan 2-fluoroetylu (FCH₂CH₂OCOCCl₃) występują głównie w postaci synklinalnej, a związki takie jak 2-chloroetanol i 2-bromoetanol, również preferują tę formę. Postuluje się, że preferencja dla konformacji synklinalnej (gauche) w tych cząsteczkach jest przykładem bardziej ogólnego zjawiska, znanego jako efekt gauche czyli

stabilizacji konformacji gauche (synklinalnej) we fragmencie dwuwęglowym związanym wicynalnie z atomami elektroujemnych pierwiastków, np. 1,2-difluoroetan, oraz destabilizacji konformacji gauche (synklinalnej) we fragmencie dwuwęglowym związanym wicynalnie z dużymi, miękkimi i polaryzowalnymi atomami pierwiastków, takich jak atomy siarki i bromu.

W przypadku 2-fluoroetanolu postulowano, że korzystna konformacja gauche jest wynikiem wewnątrzcząsteczkowego wiązania wodorowego, ale to wyjaśnienie nie dotyczy cząsteczek takich jak trichlorooctan 2-fluoroetylu i w rzeczywistości zostało wykluczone dla 2-fluoroetanolu.

Wszystkie omówione konformacje obejmowały rotację wokół wiązań sp³–sp³. Przeprowadzono również badania nad związkami, w których  mamy do czynienia z wiązaniami sp³–sp². Na przykład propanal (lub inna podobna cząsteczka) ma cztery skrajne konformacje, z których dwie nazywane są naprzeciwległymi, a dwie dwusiecznymi. W przypadku propanalu konformacje naprzeciwległe mają mniejszą energię niż pozostałe dwie, przy czym różnica energetyczna pomiędzy tymi konfiguracjami wynosi 1 kcal·mol^–1 (4 kJ·mol^–1). 

Konformacja w pierścieniach sześcioczłonowych

W przypadku cykloheksanu istnieją dwie skrajne konformacje, w których wszystkie kąty odpowiadają kątom w tetraedrze (109,5°); są to konformacje krzesłowa i łodziowa. Konformacja krzesłowa jest strukturą sztywną, ale forma łodzi jest elastyczna i może łatwo przejść do nieco bardziej stabilnej formy znanej jako konformacja skręcona. Forma skręcona jest o 1,5 kcal·mol^–1 (6,3 kJ·mol^–1) bardziej stabilna niż łódkowa, ponieważ występuje  tu mniejsze nakładanie. Forma krzesła jest bardziej stabilna niż forma skręcona o 5 kcal·mol^–1 (21 kJ·mol^–1). W zdecydowanej większości związków zawierających pierścień cykloheksanu dominująca formą jest konformacja krzesłowa.

Konformacje te można opisać następująco: Jeżeli atomy węgla 1, 2, 4 i 5 cykloheksanu leżą w jednej płaszczyźnie, a atomy 3 i 6 znajdują się po przeciwnych stronach tej płaszczyzny to konformacja pierścienia (o symetrii D_3d) nazywana jest formą krzesłową. Tym samym terminem określa się podobne konformacje nasyconych pierścieni sześcioczłonowych zawierających heteroatom i/lub mających podstawniki, ale te konformacje mogą być odkształcone od symetrii ściśle D_3d. Dla cykloheksanu i większości jego analogów forma krzesłowa jest najstabilniejszą konformacją. Jeżeli konformacja cykloheksanu nie ma środka symetrii, natomiast ma dwie płaszczyzny symetrii - jedną, przecinającą wiązania pomiędzy atomami 1 i 2 oraz pomiędzy atomami 4 i 5 i drugą, przechodzącą przez atomy 3 i 6 (leżące poza, ale po jednej stronie płaszczyzny wyznaczonej przez atomy 1, 2, 4, i 5) to ta konformacja (należąca do grupy symetrii C_2v) jest nazywana formą łodziową i na ogół jest formą niestabilną. I w tym przypadku termin łódź używany jest w odniesieniu do strukturalnych analogów. Konformacja o symetrii D₂ pojawiająca się w trakcie interkonwersji dwóch form łodziowych cykloheksanu jest nazywana formą skręconą (czasami także skośną łodzią, formą skośną lub formą rozciągniętą). W pierścieniu pięcioczłonowym konformacja, w której dwa sąsiadujące atomy są maksymalnie odsunięte w przeciwnych kierunkach od płaszczyzny wyznaczonej przez trzy pozostałe atomy węgla, była nazywana półkrzesłem. Lepiej nazywać ją konformacją skręconą (patrz także konformacja kopertowa). W chemii węglowodanów termin konformacja skręcona odnosi się do pierścienia pięcioczłonowego, a konformację pierścienia sześcioczłonowego o symetrii D₂ określa się jako skośną.

W formie krzesłowej cykloheksanu wiązania z atomami pierścienia (i indywidua molekularne przyłączone tymi wiązaniami) są nazywane aksjalnymi lub ekwatorialnymi w zależności od tego, czy tworzą względnie duży czy mały kąt z płaszczyzną zawierającą lub przechodzącą najbliżej większości atomów pierścienia. Tak więc wiązania aksjalne są w przybliżeniu równoległe do osi C₃, a wiązania ekwatorialne są w przybliżeniu równoległe do dwóch wiązań pierścienia. Takie nazwy są również stosowane dla krzesłowych form innych nasyconych pierścieni sześcioczłonowych. Analogiczne wiązania występujące w pozycjach allilowych mono-nienasyconych pierścieni sześcioczłonowych nazywane są pseudoaksjalnymi (lub quasi-aksjalnymi) i pseudoekwatorialnymi (lub quasi-ekwatorialnymi).