NEJSTABILNEJSI IZOMERY ZIDLICKOVE KONFORMACE

ZÁKLADY KONFORMAČNÍ ANALÝZY
CYKLOHEXANU
Potenciální energie mezních konformací cyklohexanového kruhu je znázorněna v
následujícím diagramu:
E
43 kJ/mol
položidlička
25 kJ/mol
vanička
21 kJ/mol
zkřížená vanička
0 kJ/mol
Základy konformační analýzy cyklohexanu
židlička
1
Z předchozího diagramu vyplývá, že nejstabilnější konformací cyklohexanu je
židličková, přesto ale existují sloučeniny, které jsou nejstabilnější ve vaničkové nebo zkřížené
vaničkové konformaci. Tento jev může být způsobený:
1. vazebnými nebo nevazebnými interakcemi mezi substituenty v polohách 1 a 4
cyklohexanu (např. tvorba vodíkových vazeb nebo spojení přes uhlíkový můstek)
H
O
H
N
bicyklo[2.2.2]oktan
pseudonortropin
twistan
2. zapojením do polycyklickém systému, kde je vyžadované napojení druhého
cyklohexanu dvěma cis-axiálními interakcemi (např. 8-isotestosteronu)
CH3
CH3
H
H
H
O
8-isotestosteron
3. vynucenou konformací kvůli nevazebným interakcím mezi objemnými substituenty,
které by se v židličkové konformaci dostaly do axiálních poloh (např. dva terc-butyly
u trans-1,3-diterc-butylcyklohexanu nebo cis-1,4-diterc-butylcyklohexanu)
H
H3C
CH3
H3C
H3C
CH3
CH3
H3C
H
H
CH3
H3C
H3C
CH3
CH3
H
trans-1,3-diterc-butylcyklohexan
Základy konformační analýzy cyklohexanu
cis-1,4-diterc-butylcyklohexan
2
Cyklohexany stabilní v židličkové konformaci
Je třeba si uvědomit, že každý substituent cyklohexanového skeletu zabírá v prostoru
určitou část, kterou nazýváme efektivní sterický objem tohoto substituentu, ten se dá
odvodit z van der Walsových poloměrů jednotlivých atomů (což je polovina nejmenší
vzdálenosti, na kterou se mohou přiblížit dva stejné atomy v homoatomové molekule, např.
dva vodíky v H2). Přiblížení substituentů na vzdálenost menší než jsou tyto poloměry pak
vede k odpudivým interakcím, které mohou vyvolat konformační inverzi (tato schopnost je
významná zvláště u velkých skupin, např. u terc-butylu, který se používá jako tzv.
konformační zámek).
CH3
H3C
CH3
H
U substituovaných cyklohexanů v židličkové konformaci se můžeme setkat s těmito
nevazebnými interakcemi:
H
1 x 1,2-diekvatoriální interakce
HA
H
H
B
H
1 x synklinální interakce
A
B
2 x 1,3-diaxiální interakce
Základy konformační analýzy cyklohexanu
H
3
1. MONOSUBSTITUOVANÝ CYKLOHEXAN
Ve většině případů je nejstabilnější konformace ta, ve které se substituent vyskytuje
v ekvatoriální poloze ( protože nevytváří 1,3-diaxiální interakce s vodíky).
H
H
A
inverze
konformace
A
H
H
Pamatujte si: po překlopení kruhu (inverzi konformace) se sice z axiálních substituentů
stanou ekvatoriální a naopak, ale orientace nad nebo pod rovinu cyklohexanového kruhu
zůstává vždy zachovaná (nemění se poloha substituentu, ale pouze jeho umístění vůči ose
souměrnosti), to stejné platí i pro di- a polysubstituované cyklohexany tzn. že cissubstituovaný cyklohexan v rámci překlopení kruhu nikdy nemůže přejít na trans a
samozřejmě ani opačně.
Základy konformační analýzy cyklohexanu
4
2. 1,2-DISUBSTITUOVANÝ CYKLOHEXAN
2.1 dva rozdílné substituenty v poloze 1,2-trans
H
H
A
inverze
konformace
H
A
HH
H
B
H
B
H
Nejstabilnější konformace je ta, která má substituenty v 1,2-diekvatoriálních
polohách, pak je jen jedna 1,2-diekvatoriální interakce mezi substituenty, na jejíž velikost
má vliv sterický objem substituentů. Existují však případy, kdy je tato interakce natolik
velká, že je kruh nucený přejít do konformace s oběma substituenty uloženými axiálně.
Tyto případy jsou ale méně časté a pro naše účely je můžeme zanedbat.
2.2 dva rozdílné substituenty v poloze 1,2-cis
H
inverze
konformace
H
H
HA
H
H
B
H
H
B
A
V tomto případě musí být vždy jeden ze substituentů v axiální a druhý v ekvatoriální
poloze, o tom, který substituent bude ekvatoriálně, rozhoduje velikost 1,3-diaxiálních
interakcí s vodíky. Ten substituent, který tvoří silnější 1,3-diaxiální interakce, způsobí
překlopení konformeru tak, aby se nacházel v ekvatoriální poloze, kde tyto interakce
pominou. Pokud tedy substituent B tvoří větší 1,3-diaxiální interakce než substituent A, tak
bude situaci vyjadřovat schéma uvedené výše.
Základy konformační analýzy cyklohexanu
5
Tabulka hodnot 1,3-diaxiálních interakcí (McMurry Organic Chemistry 8th eddition):
H
A
typ substituentu velikost jedné 1,3-diaxiální interakce
-CN
-F
-Cl, -Br
-OH
-COOH
-CH3
-CH2CH3
-CH(CH3)2
-C6H5
-C(CH3)3
Základy konformační analýzy cyklohexanu
0,4 kJ/mol
0,5 kJ/mol
1,0 kJ/mol
2,1 kJ/mol
2,9 kJ/mol
3,8 kJ/mol
4,0 kJ/mol
4,6 kJ/mol
6,3 kJ/mol
11,4 kJ/mol
6
2.3 dva stejné substituenty v polohách 1,2-cis a 1,2-trans
Zde platí stejná pravidla jako v předchozích případech, tedy trans-konformace, která
může mít oba substituenty v ekvatoriálních pozicích je obecně nejstabilnější formou, za
ní následují obě cis-konformace (jsou totožné), mající stejný obsah energie, a nejméně
stabilní je ve většině případů trans-konformace s oběma substituenty v axiálních
pozicích.
A
inverze
konformace
H
A
HH
A
A
H
inverze
konformace
H
H
H
HA
A
A
Základy konformační analýzy cyklohexanu
A
7
3. 1,3-DISUBSTITUOVANÝ CYKLOHEXAN
3.1 dva rozdílné substituenty v poloze 1,3-trans
H
B
H
inverze
konformace
H
B
A
H
H
H
A
Situace bude záviset na velikosti 1,3-diaxiálních interakcí jednotlivých substituentů
(stejně jako u 1,2-cis). Ten substituent, který tvoří silnější interakce s 1,3-diaxiálně
položenými vodíky, přejde do ekvatoriální polohy (ve schématu výše je to substituent B).
Existují případy, kdy jsou oba substituenty natolik objemné, že je vyžadováno, aby byly
oba v ekvatoriální poloze, pak ale musí přejít konformace cyklohexanu do zkřížené
vaničky (viz strana 2).
3.2 dva rozdílné substituenty v poloze 1,3-cis
H
H
inverze
konformace
A
B
H
H
H
B
A
Situace je podobná jako u 1,2-trans, nejstabilnější konformace je ta, s oběma
substituenty umístěnými ekvatoriálně (protože je prostá 1,3-diaxiálních interakcí).
Základy konformační analýzy cyklohexanu
8
3.3 dva stejné substituenty v poloze 1,3-trans a 1,3-cis
Zde platí stejná pravidla jako v předchozích případech, tedy cis-1,3-diekvatoriální
konformace je obecně nejstabilnější formou, za ní následují obě trans-konformace (jsou
totožné), mající stejný obsah energie a nejméně stabilní je cis-1,3-konformace s oběma
substituenty v axiálních pozicích.
H
H
inverze
konformace
A
A
H
H
A
A
H
A
inverze
konformace
A
H
Základy konformační analýzy cyklohexanu
H
A
H
A
9
4. 1,4-DISUBSTITUOVANÝ CYKLOHEXAN
4.1 dva rozdílné substituenty v poloze 1,4-trans
H
B
B
inverze
konformace
H
H
H
A
H
H
H
H
A
Nejstabilnější je konformace s oběma substituenty v ekvatoriálních polohách,
protože nejsou vytvářeny žádné 1,3-diaxiální interakce substituentů s vodíky (analogicky
jako u 1,2-trans a 1,3-cis).
4.2 dva rozdílné substituenty v poloze 1,4-cis
H
H
A
B
H
inverze
konformace
H
H
B
H
H
H
A
Tady je situace podobná jako u 1,2-cis a 1,3-trans disubstituovaných cyklohexanů,
tzn. že je rozhodující velikost 1,3-diaxiálních interakcí substituentů s vodíky a ten
substituent, který vytváří silnější interakce, se přesouvá do ekvatoriální polohy. Opět
existují případy, kdy jsou oba substituenty natolik objemné, že je vyžadované, aby byly
oba v ekvatoriální poloze, pak ale musí přejít konformace cyklohexanu do zkřížené
vaničky (viz strana 2).
Základy konformační analýzy cyklohexanu
10
4.3 dva stejné substituenty v poloze 1,4-trans a 1,4-cis
Zde platí stejná pravidla jako v předchozích případech, tedy trans-1,4-diekvatoriální
konformace je obecně nejstabilnější formou, za ní následují obě cis-konformace (jsou
totožné), mající stejný obsah energie, a nejméně stabilní je trans-1,4-konformace
s oběma substituenty v axiálních pozicích.
H
A
A
inverze
konformace
H
A
H
H
A
H
H
H
inverze
konformace
A
A
Základy konformační analýzy cyklohexanu
A
H
A
11
5. KONFORMACE POLYCYKLICKÝCH SYSTÉMŮ
5.1 Dekalin
Dekalin existuje ve dvou konformacích cis (obě jsou ale stejné) a jedné trans, v obou
cis-konformacích se vytváří 1,3-diaxiální interakce mezi červeně označenými částmi kruhu
A, B a vodíky, kdy se každá tato část chová jako axiální substituent druhého cyklohexanu.
1,2-diekvatoriální trans-dekalin, ve kterém žádné 1,3-diaxiální interakce nejsou je
nejstabilnější konformací dekalinu, překlopení této konformace na 1,2-diaxiální transdekalin není možné kvůli vysoké deformaci vazebných úhlů, která by v něm po překlopení
nastala. Trans-dekalin se dvěma 1,2-diaxiálními vazbami proto neexistuje. U cisdekalinu je naproti tomu překlopení kruhu zcela běžné a obě cis-konformační formy mají
stejný obsah energie (resp. jsou totožné).
H
H
B
A
H
A
H
B
H
H
H
H
Základy konformační analýzy cyklohexanu
12