Понятие барьера вращения. Барьер вращения — это энергетическая преграда, которая препятствует свободному вращению вокруг одинарной σ-связи. Несмотря на то что σ-связь обеспечивает формально свободное вращение, взаимодействия между заместителями, стерическое напряжение и электронные эффекты создают предпочтительные конформации и препятствуют мгновенному вращению.
Энергетические характеристики. Величина барьера вращения выражается через разность энергий между наиболее стабильной (чаще всего «анти»-конформацией) и менее стабильной («эконфигурацией» или «гauche») формой. Барьеры вращения обычно измеряются в килокалориях на моль (ккал/моль) или килоджоулях на моль (кДж/моль). Для простого этана барьер вращения около 12 кДж/моль, что соответствует слабому стерическому взаимодействию между атомами водорода на соседних углеродах.
Стерическое взаимодействие. Главный фактор, влияющий на барьер вращения, — это пространственное взаимодействие заместителей. При сближении объёмных групп возникают положительные стерические взаимодействия, которые повышают энергию конформации. Например, в бутане конформация с заместителями в положении gauche менее стабильна, чем анти-конформация, где крупные группы расположены на противоположных сторонах, минимизируя столкновение.
Электронные эффекты. Помимо чисто стерических факторов, важны электронные взаимодействия, такие как гиперконъюгация. В этане и пропане стабилизация gauche-конформации обусловлена частичным перекрыванием σ-орбиталей C–H с анти-σ*-орбиталями соседнего C–H, что снижает энергетическую разницу между конформациями по сравнению с чисто стерическими ожиданиями.
Примеры молекул и значения барьеров.
Влияние функциональных групп. Барьеры вращения существенно возрастают при введении объёмных или полярных заместителей. В фенилацетоне, где фенильная группа присоединена к α-углероду, барьер вращения вокруг C–C-связи достигает 20–25 ккал/моль из-за стереоэлектронных взаимодействий и π-электронной делокализации фенильного кольца.
Тепловая динамика и кинетика вращения. При температурах, близких к комнатной, небольшие барьеры вращения позволяют молекулам быстро менять конформации. Для молекул с высокими барьерами вращение становится ограниченным, что важно для стабильности стереоизомеров и конформационного анализа биологически активных молекул, таких как сахара и аминокислоты.
Методы определения барьеров вращения.
Конформационная энергия и модель вращения. График потенциальной энергии вращения вокруг одинарной связи обычно имеет вид многовершинного профиля, где каждая вершина соответствует менее стабильной конформации (например, eclipsed), а впадина — более стабильной (anti или gauche). Амплитуда колебаний энергии определяет скорость и вероятность перехода между конформациями.
Значение в химии и биохимии. Барьеры вращения напрямую влияют на:
Барьер вращения является фундаментальной характеристикой молекулы, определяющей её конформационную подвижность, динамику и взаимодействия в химических и биохимических системах.