Struktura

Izomerie a konformace alkanů

Izomerie

U čtvrtého členu homologické řady alkanů – butanu – se můžeme setkat s jevem, který se nazývá řetězová izomerie. Řetězové izomery patří mezi izomery konstituční, neboť se od sebe liší konstitucí (různým uspořádáním atomů).

Znázorněme si řetězové izomery molekulového vzorce C4H10 a C5H12:

Tab. 1: Řetězové izomery molekulového vzorce C4H10

obrazek

Alkan C4H10 tvoří 2 řetězové izomery (butan, methylpropan).

Tab. 2: Řetězové izomery molekulového vzorce C5H12

obrazek

 

Počet řetězových izomerů alkanů se v homologické řadě prudce zvyšuje.

Alkan C6H14 tvoří 5 izomerů, C7H16 9 izomerů, C8H18 18 izomerů, C9H20 35 izomerů, C20H42 366 319 izomerů a alkan C60H122 2,2.1022 řetězových izomerů.

 

Konformace alkanů

Studiem energetického obsahu (a tedy pravděpodobnosti existence) molekul uhlovodíků chemici zjistili, že kolem jednoduchých sigma vazeb v molekulách může docházet k tzv. vnitřní rotaci. Při ní mohou části molekul, touto vazbou spojené, zaujímat vůči sobě rozdílnou polohu. Tato prostorová uspořádání, která lze ztotožnit zmíněnou rotací, se nazývají konformace.

Důsledkem otáčení kolem jednoduché vazby je přibližování a oddalování atomů a skupin atomů v molekule, čímž se zvyšuje nebo snižuje možnost jejich vzájemného ovlivňování. Toto vzájemné ovlivňování může nabýt charakteru přitažlivých nebo odpudivých sil.

Platí, že čím dále od sebe atomy nebo skupiny atomů jsou, tím menší je jejich vzájemné ovlivňování a tím energeticky výhodnější je toto uspořádání.

Například v ethanu dochází pootočením okolo vazby C-C o 60° ke vzniku dvou odlišných konformačních struktur, které nazýváme „zákrytová“ (synperiplanární nebo zkráceně syn-) a „střídavá“ (antiperiplanární nebo zkráceně anti-). V případě ethanu je střídavá konformace energeticky výhodnější, protože všechny atomy jsou od sebe maximálně vzdáleny. Pro znázornění konformací molekul se používají perspektivní a projekční vzorce:

Tab. 3: Konformace ethanu

obrazek

Tab. 4: Projekční vzorce ethanu

obrazek

 

Za pokojové teploty není možné jednotlivé konformery ethanu od sebe oddělit, protože tato teplota postačuje k tomu, aby jednotlivé konformery přecházely jeden v druhý. Teprve při dostatečně nízké teplotě (asi 50 K) je rotace dostatečně pomalá a konformery lze od sebe oddělit. Jakmile však oddělené konformery vystavíme vyšší teplotě, dojde k tomu, že začnou opět přecházet jeden v druhý.

Ke stejnému jevu může docházet i v molekule butanu. Pokud dojde k rotaci mezi druhým a třetím uhlíkem, získáme čtyři různé konformace butanu:

  • antiperiplanární – jedna CH3– skupina je nad a druhá pod rovinou,

  • antiklinální – CH3– skupina je v zákrytu s H–,

  • synklinální (gauche) – CH3– skupiny jsou si nejblíže, ale ne v zákrytu,

  • synperiplanární – CH3– skupiny jsou v zákrytu.

Konformery se liší svou energií, nejnižší energii má konformer v antiperiplanárním uspořádání a gauche konformer. Molekula preferuje konformace s nízkou energií. Nejméně stabilní konformací a tedy konformací s nejvyšší energií je synperiplanární konformace butanu.   

Tab. 5: Antiperiplanární a antiklinální konformace butanu (projekční vzorce)                                                                                                  obrazek 

 

  Tab. 6: Synklinální a synperiplanární konformace butanu (projekční vzorce)               

obrazek

Zdroje

  • FIKR, Jaroslav a Jaroslav KAHOVEC. Názvosloví organické chemie. Olomouc: Rubico, 2002, ISBN 80-7346-017-3.
  • HONZA, Jaroslav a Aleš MAREČEK. Chemie pro čtyřletá gymnázia 2. díl. Olomouc: Nakladatelství Olomouc, 2005, ISBN 80-7182-141-1.
  • JANECZKOVÁ, Anna a Pavel KLOUDA. Organická chemie. Ostrava: Nakladatelství Pavel Klouda, 1998, ISBN 80-902155-6-4/9802.
  • KOTLÍK, Bohumír a Květoslava RŮŽIČKOVÁ. Chemie v kostce II.. Havlíčkův Brod: Fragment, 1997, ISBN 80-7200-342-9.
  • PACÁK, Josef. Jak porozumět organické chemii. Praha: Karolinum, 1997, ISBN 80-7184-261-3.
  • SVOBODA, Jiří a kol. Organická chemie I. Praha: Vysoká škola chemicko-technologická, 2005, ISBN 80-7080-561-7.

Pokud není uvedeno jinak, autorem obrázků a animací je Mgr. Michal Bezděk.

Čti také

Izomerie

Izomerie je jev, kdy látky se stejným molekulovým vzorcem mají jinou strukturu a vlastnosti.

 

Řetězové izomery

Liší se větvením řetězce.

Procvič si

Vytvoř řetězové izomery hexanu a pojmenuj je.

Čti také

Konformace

Konformací se rozumí různá prostorová uspořádání atomů jedné sloučeniny, která vyplývají z rotace kolem jednoduchých vazeb Konformační izomer (konformer) je jedna konkrétní konformace, jeden konformer může přejít na druhý, aniž by došlo k přerušení vazby. 

Obrázek

Content ethan z k

Obr. 1: Zákrytová konformace ethanu - 3D model

Obrázek

Content ethan nez k

Obr. 2: Nezákrytová konformace ethanu - 3D model

Čti také

Newmanovy projekční vzorce

Zobrazují molekulu ve směru vazby C–C. Oba uhlíkové atomy se jeví jako překrývající se kroužky. Podle konvence se zadní uhlíkový atom označuje kroužkem a přední bodem. Vazby předního uhlíkového atomu proto vycházejí ze středu kroužku a vazby zadního uhlíku z obvodu kroužku.

Úvod do Newmanovy projekce - video

Obrázek

Content antiperiplanarni

Obr. 3: Antiperiplanární konformace butanu - 3D model

Obrázek

Content antiklinalni

Obr. 4: Antiklinální konformace butanu - 3D model

Obrázek

Content synklinalni

Obr. 5: Synklinální konformace butanu - 3D model

Obrázek

Content synperiplanarni

Obr. 6: Synperiplanární konformace butanu - 3D model

Logolink