3.6: Konformacje etanu i propanu

W cząsteczce organicznej swobodna rotacja wokół pojedynczego wiązania węgiel-węgiel skutkuje powstaniem energetycznie różnych konformerów cząsteczki. Z powodu tej rotacji, zwanej rotacją wewnętrzną, etan ma dwie główne konformacje – naprzemienną i zaćmioną.

Konformacja naprzemienna to konformacja o niskiej energii i bardziej stabilna, w której wiązania CH na przednim węglu są umieszczone pod kątem dwuściennym 60° w stosunku do wiązań CH na tylnym węglu, co prowadzi do zmniejszenia naprężenia skręcającego. W naprzemiennym etanie wiążący orbital molekularny jednego wiązania CH oddziałuje z antywiążącym orbitalem molekularnym drugiego, w ten sposób dodatkowo stabilizując konformację. Rotacja dalszego węgla przy jednoczesnym utrzymywaniu węgla bliżej obserwatora nieruchomo generuje nieskończoną liczbę konformerów. Przy kątach dwuściennych 0° grupy C-H pokrywają się nawzajem, tworząc konformację zaćmioną. Ta konformacja ma o około 12 kJ/mol większe odkształcenie skrętne niż konformacja naprzemienna i dlatego jest mniej stabilna. Cząsteczki etanu szybko przechodzą między kilkoma stanami naprzemiennymi, przechodząc przez stany zaćmienia o wyższej energii. Zderzenia molekularne zapewniają energię potrzebną do przekroczenia tej bariery skrętnej.

Podobnie jak etan, propan ma również dwa główne konformery: stabilny konformer naprzemienny (niska energia) i niestabilny konformer zaćmiony (wyższa energia).

Cząsteczka etanu, patrząc w dół wiązania węgiel-węgiel, pokazuje grupy C-H rozmieszczone pod kątami dwuściennymi 60°. Jest to rozłożona w czasie konformacja etanu.

Ułożona w czasie forma etanu ma najniższą energię. Dzieje się tak, ponieważ wiązania C-H są najbardziej oddalone od siebie, co minimalizuje odpychanie steryczne między elektronami w wiązaniach, a tym samym stabilizuje cząsteczkę.

Innym czynnikiem, który stabilizuje konformację rozłożoną, jest korzystna interakcja między zajętym, wiążącym orbitalem molekularnym a niezajętym, antywiążącym orbitalem molekularnym.

Rotacja węgla dalej poprzez utrzymywanie bliższego węgla w miejscu generuje nieskończoną liczbę konformacji.

Przy kątach dwuściennych 0° wiązania C-H na dwóch atomach węgla są blisko siebie i pokrywają się nawzajem. Jest to zaćmiona konformacja etanu.

Ze względu na zwiększone odpychanie steryczne i brak oddziaływania stabilizującego, energia zaćmionego etanu wzrasta o 12 kJ/mol, a każde zaćmieniowe oddziaływanie H-H ma przypisane 4 kJ/mol.

Różnica energii między konformacjami zaćmionymi i rozłożonymi w czasie jest znana jako odkształcenie skrętne lub bariera skrętna.

Obracanie cząsteczki od 0º do 360º wzdłuż wiązania węgiel-węgiel generuje kilka zdegenerowanych stanów rozłożonych i zaćmionych.

Próbka gazowego etanu w temperaturze pokojowej ma około 99% swoich cząsteczek w konformacji rozłożonej w czasie o najniższej energii.

Energia uzyskana ze zderzeń molekularnych jest wykorzystywana do rotacji wewnętrznej poprzez pokonanie bariery skrętnej. W ten sposób cząsteczka przechodzi w inną formę rozłożoną w czasie po przejściu przez stan zaćmienia o wysokiej energii.

Następny węglowodór – propan – również ma dwa główne konformatory: zaćmiony i rozłożony w czasie.

Zaćmiony konformer ma odkształcenie skrętne 14 kJ/mol. Każda para wodorów zaćmieniowych przyczynia się do 4 kJ/mol, podczas gdy oddziaływanie zaćmieniowe CH_3-H przyczynia się do 6 kJ/mol.