3.6: Conformations de l'éthane et du propane

Dans une molécule organique, la rotation libre autour de la liaison simple carbone-carbone donne naissance à des conformères énergétiquement différents de la molécule. En raison de cette rotation, appelée rotation interne, l’éthane a deux conformations principales : échelonnée et éclipsée.

La conformation échelonnée est une conformation à faible énergie et plus stable avec les liaisons C-H sur le carbone avant placées à des angles dièdres de 60° par rapport aux liaisons C-H sur le carbone arrière, conduisant à une contrainte de torsion réduite. Dans l'éthane échelonné, l'orbitale moléculaire de liaison d'une liaison CH interagit avec l'orbitale moléculaire anti-liante de l'autre, stabilisant ainsi davantage la conformation. La rotation du carbone le plus éloigné tout en gardant le carbone plus proche de l'observateur stationnaire génère un nombre infini de conformères. À des angles dièdres de 0°, les groupes C-H se recouvrent pour former une conformation éclipsée. Cette conformation a environ 12 kJ/mol de contrainte de torsion de plus que la conformation échelonnée et est donc moins stable. Les molécules d'éthane s'interconvertissent rapidement entre plusieurs états échelonnés tout en passant par les états éclipsés de plus haute énergie. Les collisions moléculaires fournissent l’énergie nécessaire pour franchir cette barrière de torsion.

Semblable à l’éthane, le propane possède également deux conformères majeurs : le conformère échelonné stable (faible énergie) et le conformère instable éclipsé (énergie plus élevée).

Une molécule d’éthane, lorsqu’elle est observée le long de la liaison carbone-carbone, montre les groupes C-H espacés à des angles dièdres de 60°. Il s’agit de la conformation échelonnée de l’éthane.

La forme décalée de l’éthane a l’énergie la plus faible. En effet, les liaisons C-H sont les plus éloignées les unes des autres, ce qui minimise la répulsion stérique entre les électrons des liaisons et, par conséquent, stabilise la molécule.

Un autre facteur qui stabilise la conformation décalée est l’interaction favorable entre l’orbitale moléculaire occupée et liante et une orbitale moléculaire inoccupée et antiliante.

La rotation du carbone le plus éloigné en maintenant le carbone le plus proche stationnaire génère un nombre infini de conformations.

À des angles dièdres de 0°, les liaisons C-H sur les deux atomes de carbone sont proches et se recouvrent l’une l’autre. C’est la conformation éclipsée de l’éthane.

En raison d’une répulsion stérique accrue et de l’absence d’interaction stabilisatrice, l’énergie de l’éthane éclipsé augmente de 12 kJ/mol, et chaque interaction H-H à éclipses se voit attribuer 4 kJ/mol.

La différence d’énergie entre les conformations éclipsées et décalées est connue sous le nom de déformation de torsion ou barrière de torsion.

La rotation de la molécule de 0º à 360º le long de la liaison carbone-carbone génère plusieurs états dégénérés, décalés et éclipsés.

Un échantillon de gaz éthane, à température ambiante, a environ 99 % de ses molécules dans la conformation échelonnée de l’énergie la plus faible.

L’énergie obtenue lors des collisions moléculaires est utilisée pour subir une rotation interne en surmontant la barrière de torsion. La molécule se déplace ainsi vers une forme décalée différente après être passée par l’état éclipsé à haute énergie.

L’hydrocarbure suivant, le propane, a également deux conformateurs principaux : éclipsé et décalé.

Le conformateur éclipsé a une contrainte de torsion de 14 kJ/mol. Chaque paire d’hydrogènes à éclipses contribue à hauteur de 4 kJ/mol, tandis que l’interaction CH_3-H à éclipses contribue à 6 kJ/mol.