3.7: Konformationen von Butan

Im Gegensatz zu Ethan und Propan, die nur zwei Hauptkonformationen aufweisen, hat Butan mehr als zwei Konformere. Die gestaffelte Form von Butan, bei der die sperrigen Methylgruppen an den beiden Kohlenstoffatomen auf gegenüberliegenden Seiten, also in einem Diederwinkel von 180°, angeordnet sind, ist die energieärmste und stabilste Form – der so genannte Antikonformer. Diese Konformation wird durch das Fehlen einer sterischen Abstoßung zwischen den weit voneinander entfernten Methylgruppen stabilisiert. Die anderen beiden gestaffelten Konformationen sind degeneriert und haben 3,8 kJ/mol mehr Energie als die Anti-Konformation, was auf die sterische Abstoßung zwischen den Methylgruppen zurückzuführen ist, die jetzt in einem Diederwinkel von 60° positioniert sind. Diese ungünstigen sterischen Wechselwirkungen werden als Gauche-Wechselwirkungen bezeichnet, und die Konformere als solche werden als Gauche-Konformere bezeichnet.

Das vollständig verdunkelte Butan hat aufgrund der beiden verdunkelnden Methylgruppen bei einem Diederwinkel von 0° die höchste Energie (19 kJ/mol) und ist die instabilste Form. Die anderen beiden verfinsterten Konformationen – mit zwei CH₃-H-Verfinsterungen und einer H-H-Verfinsterung - sind degeneriert und haben jeweils einen Energieaufwand von 16 kJ/mol.

In Butan erzeugen Rotationen um die zentrale Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung unterschiedliche Konformationen des Moleküls. Die Konformere zeigen, wenn man sie entlang der C2-C3-Bindung betrachtet, die verschiedenen Newman-Projektionen.

Energieänderungen, die sich aus den C2-C3-Bindungsrotationen ergeben, erzeugen mehrere gestaffelte und verdunkelte Konformationen von Butan mit unterschiedlichen Flächenwinkeln zwischen den beiden Methylgruppen.

Die gestaffelte Form von Butan – mit einem Flächenwinkel von 180° – hat die niedrigste Energie und ist die stabilste Form. Es wird als Anti-Konformation bezeichnet.

Die erhöhte Stabilität von Anti-Butan ist auf die reduzierte sterische Dehnung zurückzuführen, die auf den großen räumlichen Abstand zwischen den beiden Methylgruppen zurückzuführen ist.

Bei den beiden anderen gestaffelten Formen sind die Methylgruppen durch Flächenwinkel von ± 60° getrennt. Diese werden Gauche-Konformationen genannt.

Da die beiden sperrigen Methylgruppen relativ näher beieinander liegen, stoßen sich ihre Elektronenwolken stark ab. Diese sterische Wechselwirkung, die als Gauche-Wechselwirkung bezeichnet wird, erhöht die Energie des Gauche-Konformers um 3,8 kJ/mol. Daher ist Gauche Butan weniger stabil als Anti-Butan.

Die beiden gauchen Konformationen sind entartet und spiegeln sich gegenseitig.

Unter den drei eclipsed-Konformeren hat die totally eclipsed-Form einen Flächenwinkel von 0° zwischen den beiden Methylgruppen.

Da die Methylgruppen in dieser Konformation sehr nahe beieinander liegen, erfahren ihre Wasserstoffatome starke Van-der-Waals-Abstoßungen.

Die resultierende sterische Dehnung macht zusammen mit der Torsionsdehnung die vollständig verdunkelte Form von Butan mit einem hohen Energieaufwand von 19 kJ/mol zum am wenigsten stabilen Konformer.

Die beiden anderen finsteren Formen mit Flächenwinkeln von 120° und 240° haben ähnliche Energien, und eine Form ist eine Reflexion der anderen Form.

Aufgrund der reduzierten sterischen Dehnung bei diesen Formen sinkt die Energie des eclipsed-Konformers auf 16 kJ/mol.