3.6: Konformationen von Ethan und Propan

In einem organischen Molekül führt die freie Rotation um die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Einfachbindung zu energetisch unterschiedlichen Konformeren des Moleküls. Aufgrund dieser Rotation, die als Innenrotation bezeichnet wird, weist Ethan zwei Hauptkonformationen auf – versetzt und ekliptisch.

Die gestaffelte Konformation ist eine energiearme und stabilere Konformation, bei der die C-H-Bindungen am vorderen Kohlenstoff in einem Diederwinkel von 60° relativ zu den C-H-Bindungen am hinteren Kohlenstoff angeordnet sind, was zu einer verringerten Torsionsspannung führt. In gestaffeltem Ethan interagiert das bindende Molekülorbital einer C-H-Bindung mit dem antibindenden Molekülorbital der anderen und stabilisiert dadurch die Konformation weiter. Die Rotation von weiter entferntem Kohlenstoff, während der Kohlenstoff näher am stationären Beobachter gehalten wird, erzeugt eine unendliche Anzahl von Konformeren. Bei einem Diederwinkel von 0° überdecken sich die C-H-Gruppen gegenseitig und bilden eine ekliptische Konformation. Diese Konformation weist eine um etwa 12 kJ/mol höhere Torsionsspannung auf als die gestaffelte Konformation und ist daher weniger stabil. Ethanmoleküle wandeln sich schnell zwischen mehreren versetzten Zuständen um, während sie die energiereicheren verfinsterten Zustände durchlaufen. Die molekularen Kollisionen liefern die Energie, die zum Überwinden dieser Torsionsbarriere erforderlich ist.

Ähnlich wie Ethan hat auch Propan zwei Hauptkonformere: das stabile gestaffelte Konformer (niedrige Energie) und das instabile ekliptische Konformer (höhere Energie).

Ein Ethanmolekül zeigt, wenn man es in die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung hinunterbetrachtet, die C-H-Gruppen in einem Abstand von 60° Flächenwinkeln. Dies ist die gestaffelte Konformation von Ethan.

Die gestaffelte Form von Ethan hat die geringste Energie. Dies liegt daran, dass die C-H-Bindungen am weitesten voneinander entfernt sind, wodurch die sterische Abstoßung zwischen den Elektronen in den Bindungen minimiert und somit das Molekül stabilisiert wird.

Ein weiterer Faktor, der die gestaffelte Konformation stabilisiert, ist die günstige Wechselwirkung zwischen dem besetzten, bindenden Molekülorbital und einem unbesetzten, antibindenden Molekülorbital.

Das Rotieren des weiter entfernten Kohlenstoffs, indem der nähere Kohlenstoff stationär gehalten wird, erzeugt eine unendliche Anzahl von Konformationen.

Bei 0° Flächenwinkeln liegen die C-H-Bindungen an den beiden Kohlenstoffatomen dicht beieinander und bedecken einander. Dies ist die verdunkelte Konformation von Ethan.

Aufgrund einer erhöhten sterischen Abstoßung und des Fehlens einer stabilisierenden Wechselwirkung nimmt die Energie von verfinstertem Ethan um 12 kJ/mol zu, und jeder bedeckungsveränderlichen H-H-Wechselwirkung wird 4 kJ/mol zugeordnet.

Die Energiedifferenz zwischen verdunkelten und gestaffelten Konformationen wird als Torsionsdehnung oder Torsionsbarriere bezeichnet.

Die Drehung des Moleküls von 0º bis 360º entlang der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung erzeugt mehrere entartete, gestaffelte und verdunkelte Zustände.

Eine Probe von Ethangas bei Raumtemperatur weist etwa 99 % seiner Moleküle in der gestaffelten Konformation mit der niedrigsten Energie auf.

Die durch molekulare Kollisionen gewonnene Energie wird genutzt, um durch die Überwindung der Torsionsbarriere eine innere Rotation zu durchlaufen, so dass das Molekül nach dem Durchlaufen des hochenergetischen Finsterniszustands in eine andere gestaffelte Form übergeht.

Der nächste Kohlenwasserstoff – Propan – hat ebenfalls zwei Hauptkonformere: eclipsed und staggered.

Das eclipsed-Konformer hat eine Torsionsdehnung von 14 kJ/mol. Jedes Paar bedeckungsbedeckender Wasserstoffatome trägt 4 kJ/mol bei, während die bedeckungsbedeckende CH 3-H-Wechselwirkung 6 kJ/mol beisteuert.