3.6: エタンとプロパンの立体配座

有機分子では、炭素-炭素単結合の周りの自由回転により、分子のエネルギー的に異なる配座異性体が生成されます。 内部回転と呼ばれるこの回転により、エタンには 2 つの主要な立体配座 (ねじれ型と重なり形配座) が存在します。

ねじれ型構造は、フロント カーボンの C-H 結合がバック カーボンの C-H 結合に対して 60° の二面角で配置されており、低エネルギーでより安定した構造であり、ねじれ歪みの低減につながります。 互い違いのエタンでは、一方の C-H 結合の結合性分子軌道が、もう一方の C-H 結合の反結合性分子軌道と相互作用し、それによって立体構造がさらに安定化します。 観察者に近い炭素を静止させながら、遠方の炭素を回転させると、無限の数の配座異性体が生成されます。 二面角 0° では、C-H 基が互いに覆い合い、重なり形配座合った構造を形成します。 この立体配座は、ねじれ型立体配座よりも約 12 kJ/mol ねじれひずみが大きいため、安定性が低くなります。 エタン分子は、より高いエネルギーの重なり型配座を通過しながら、いくつかの交互状態の間で急速に相互変換します。 分子の衝突は、このねじれバリアを通過するのに必要なエネルギーを提供します。

エタンと同様に、プロパンにも 2 つの主要な配座異性体があります。安定なねじれ型配座異性体 (低エネルギー) と不安定な日食配座異性体 (高エネルギー) です。

エタンの分子は、炭素-炭素結合を見下ろすと、60°の二面角で間隔を空けたC-H基を示しています。これがエタンの千鳥形構造です。

エタンの千鳥形はエネルギーが最も低くなります。これは、C-H結合が互いに最も遠いため、結合内の電子間の立体反発が最小限に抑えられ、分子が安定するためです。

スタッガードコンフォメーションを安定させる別の要因は、占有されている結合性分子軌道と占有されていない反結合性分子軌道との間の良好な相互作用です。

近くの炭素を静止させたままにして、遠くの炭素を回転させると、無限の数のコンフォメーションが生成されます。

二面角が0°になると、2つの炭素原子のC-H結合は接近し、互いに覆い合っています。これは、エタンの食い立体配座です。

立体反発力の増加と安定化相互作用の欠如により、食されたエタンのエネルギーは12 kJ / mol増加し、各食H-H相互作用には4 kJ / molが割り当てられます。

日食型コンフォメーションとスタッガード型コンフォメーションのエネルギー差は、ねじりひずみまたはねじりバリアとして知られています。

分子を炭素-炭素結合に沿って0°から360°に回転させると、いくつかの縮退、ずら、および日食状態が生成されます。

エタンガスのサンプルは、室温で、その分子の約99%が最も低エネルギーの千鳥構造にあります。

分子の衝突から得られたエネルギーは、ねじり障壁を乗り越えて内部回転を起こすために使用されます。したがって、分子は高エネルギーの食状態を通過した後、異なる千鳥状に移動します。

次の炭化水素であるプロパンも、食と千鳥の2つの主要な配座異性体を持っています。

食配座異性体は、14 kJ/molのねじりひずみを持っています。食性水素の各ペアは4 kJ/molに寄与し、食性CH_3-H相互作用は6 kJ/molに寄与します。