Справочник от Автор24
Найди эксперта для помощи в учебе
Найти эксперта
+2

Конформации н-бутана

Для насыщенных углеводородов характерна структурная изомерия, связанная с разветвлением их углеродной цепи. Структурные изомеры отличаются между собой только порядком размещения атомов углерода в молекуле.

Структурная изомерия насыщенных углеводородов начинается с бутана. Бутан существует в виде двух, пентан - в виде трех изомеров:

Гексан имеет пять структурных изомеров, гептан - девять, октан - $18$ нонан - $35$, декан - $75$ и т. д. Чем больше в молекуле насыщенного углеводорода атомов углерода, тем больше изомеров он образует. Для углеводорода $C_{13}H_{28}$ возможно $802$ изомеров, для $C_{14}H_{30}$ - уже $1858$ изомеров, для $C_{15}H_{32} - 4347$, для $C_{20}H_{42}$ возможные $366319$ изомеров и т. д.

Конформационная изомерия бутана

Молекулу бутана удобно рассматривать как дизамещенный этан. В зависимости от угла поворота заместителей вокруг связи $C2-C3$ различают четыре характеристические конформации:

  • полностью заслоненная (син-планарная) - связи $C-H$ и $C-C$ расположены одна за другой, торсионный угол $\varphi = 0^\circ$;
  • скошенная (гош- или син-клинальная) - торсионный угол $\varphi = 60^\circ$
  • частично в заслоненная (анти-клинальная) - отличается от полностью заслоненной конформации тем, что $C-C$-связи не совпадают, торсионный угол $\varphi -120^\circ$;
  • заторможеная (анти-планарная) - торсионный угол $\varphi = 180^\circ$:



Рисунок 1.

Максимальную потенциальную энергию имеет син-планарная конформация, для которой наряду с торсионным напряжением существует и вандерваальсовы напряжение, возникающее в результате отталкивания групп, в этом случае метильных, которые смещены на расстояние, меньше суммы их вандерваальсовы радиусов.

«Конформации н-бутана» 👇
Помощь эксперта по теме работы
Найти эксперта
Решение задач от ИИ за 2 минуты
Решить задачу
Помощь с рефератом от нейросети
Написать ИИ

Минимальная внутренняя энергия характерна для анти-планарной конформации, которая не имеет торсионных напряжений. Барьер ротации для молекулы бутана составляет $26$ кДж / моль, вследствие чего при комнатной температуре заслоненные конформации не возникают, а $69\%$ молекул этого вещества находятся в самой стабильной заторможенной анти-конформации и $31\%$ - в гош-конформации (рис. 2).

Зависимость потенциальной энергии н-бутана от угла $\varphi$

Рисунок 2. Зависимость потенциальной энергии н-бутана от угла $\varphi$

Составы конформационных смесей насыщенных углеводородов

Точные составы конформационных смесей определяются разностями свободных энергий конформаций $\triangle G^\circ$(конф.) с помощью уравнения Гиббса. В табл. 1 указаны расчетные значения энергии взаимодействий различных групп в насыщенных углеводородах.

Расчетные значения энергии взаимодействий различных групп в насыщенных углеводородах

Рисунок 3. Расчетные значения энергии взаимодействий различных групп в насыщенных углеводородах

Характерными особенностями конформаций разветвленных насыщенных углеводородов является обязательное наличие скошенного (гош-бутанового) взаимодействия электронных оболочек метильных или других алкильных заместителей и атомов водорода основных углеродных цепей. Так моно-метилзамещенные алканы в наиболее стабильных конформационных формах имеют одно или два гош-взаимодействия. В 2-метилзамещенных углеводородах наблюдается лишь одно гош-взаимодействие. В 3-метил-, 4-метил- и более замещенных алканов в наиболее стабильных из гош-конформаций наблюдается два гош-взаимодействия метильных групп и атомов водорода основных углеродных цепей.

Энергия конформационых форм

Для оценки энергий конформационых форм разветвленных углеводородов пользуются принципом аддитивности энергий взаимодействий групп $H-H$, $H-CH_3$ и $CH_3-CH_3$, которые приведенны в табл. 1. В качестве примера на рисунке 4 приведены зависимости потенциальных энергий различных конформационных форм 2-метилбутана от торсионного угла поворота вокруг центральной углерод-углеродной связи.



Рисунок 4.

Различия в энергиях между заслоненной конформацией и гош-конформером 2-метилбутана соответствуют принципу аддитивности энергии взаимодействий атомов и групп.

Подобный подход оказывается верным и при оценке стабильности других разветвленных алканов. Так, например, из двух гош-конформацонных форм 2,3-диметилбутана наиболее стабильной оказывается та, где имеются два гош-взаимодействия метильных групп:



Рисунок 5.

Дата последнего обновления статьи: 22.07.2024
Найди решение своей задачи среди 1 000 000 ответов
Крупнейшая русскоязычная библиотека студенческих решенных задач
Все самое важное и интересное в Telegram

Все сервисы Справочника в твоем телефоне! Просто напиши Боту, что ты ищешь и он быстро найдет нужную статью, лекцию или пособие для тебя!

Перейти в Telegram Bot