Пространственное строение предельных углеводородов
Молекула метана рассматривается как тетраэдр, в центре которого расположен атом углерода, а в четырех вершинах – связанные с углеродом атомы водорода. У молекулы метана при таком строении все четыре связи С-Н расположены в пространстве совершенно симметрично, что обуславливает их полную равнозначность (рисунок 7).
Углы между связями С-Н одинаковы и составляют 109о28/. Пространственные модели молекул, содержащих два и более атомов углерода, можно представить себе как сочетание нескольких тетраэдров, имеющих общие вершины (рисунок 9). Валентные углы в этом случае также будут иметь величину 109о28/.
Рисунок 9. Тетраэдрическая модель этана
Этан не имеет пространственных изомеров, т.к. тетраэдры, имеющие общую вершину, нежестко закреплены в пространстве друг относительно друга и находятся в состоянии свободного вращения вокруг оси, соединяющей атомы углерода. Этот принцип был назван принципом свободного вращения, в процессе которого молекула проходит ряд состояний, отличающихся своей внутренней энергией. Эти энергетически неравноценные состояния молекулы были названы конформациями.
Самой устойчивой является конформация наиболее симметричного расположения атомов. В таком состоянии молекула существует больший отрезок времени, поэтому оно было названо заторможенной конформацией. Заслоненная конформация наименее устойчива, т.к. обладает более высокой внутренней энергией. Для изображения конформаций могут быть использованы формулы Ньюмена (рисунок 10), где ближайший атом углерода обозначен точкой, а дальний – кругом, ось связи между ними перпендикулярна плоскости бумаги.
Рисунок 10. Формула Ньюмена
Кроме заслоненной и заторможенной конформаций существует целый ряд промежуточных конформаций. Разница энергий между различными конформациями невелика, поэтому выделить их в свободном состоянии не удается. В процессе теплового движения молекул в единицу времени происходит огромное число переходов одной конформации в другую.
Энергетический барьер перехода одной конформации в другую увеличивается с увеличением длины цепи. У полимеров, имеющих очень длинную цепь углеродных атомов, можно выделить отдельную конформацию в свободном виде. Такой вид пространственной изомерии называется поворотной изомерией.