Клинья и штрихи: пространственные формулы

Зачем изучать форму молекул

До сих пор мы рисовали молекулы на плоскости и почти не думали об их форме в пространстве. Но молекулы трёхмерны и подвижны: вокруг одинарных связей группы атомов постоянно вращаются, и одна и та же молекула принимает разные формы — конформации. Связи при этом не рвутся, поэтому конформации — не разные вещества, а разные положения одной молекулы.

Конформации различаются энергией, и это важно для химии. Многие реакции идут только при определённом расположении групп: при отщеплении по механизму E2 уходящая группа и отщепляемый водород должны лежать по разные стороны связи C–C, а в производных циклогексана скорость реакций зависит от того, занимает ли заместитель аксиальное или экваториальное положение. Поэтому, прежде чем изучать реакции, нужно научиться изображать пространственное строение и сравнивать энергии конформаций.

Как построена эта тема

Сначала мы научимся читать клинья и штрихи (урок 41) и строить проекцию Ньюмена (урок 42). Затем сравним энергии конформаций этана, пропана и бутана и разберём виды напряжения (уроки 43–45). Вторая половина темы посвящена циклам: напряжению малых циклов (урок 46), креслу циклогексана, его аксиальным и экваториальным связям и инверсии (уроки 47–49) и выбору самого выгодного кресла для замещённых циклогексанов (уроки 50 и 51).

Как читать клинья и штрихи

В уроке 6 мы выяснили, что \(sp^3\)-атом — тетраэдр. Плоский лист не показывает третье измерение, поэтому для него есть договорённость: сплошной клин — связь к наблюдателю, штриховой клин — от наблюдателя. Этой договорённостью пользуются во всех следующих темах — в стереохимии и в механизмах замещения и отщепления, — поэтому читать клинья нужно без колебаний.

Как нарисовать тетраэдрический атом

1. Две связи нарисуйте обычными линиями в плоскости листа под углом около 110°.
2. Третью — сплошным клином (к вам), четвёртую — штрихом (от вас).
3. Клин и штрих ставьте рядом друг с другом, в сторону, противоположную плоским связям.

бромхлорфторметан: клин и штрих

бутан-2-ол

транс-1,2-диметилциклогексан

Примеры

1. Метан \(\ce{CH4}\). Две связи C–H в плоскости, одна клином, одна штрихом — это тетраэдр.

2. Бромхлорфторметан \(\ce{CHBrClF}\). Четыре разных заместителя: положение клина и штриха задаёт одну из двух зеркальных форм.

3. Бутан-2-ол \(\ce{CH3CH(OH)CH2CH3}\). Скелет — в плоскости; у атома C2 группа OH — клином, водород не рисуют (он штрихом).

4. Кольцо \(\ce{C6H10(CH3)2}\). В транс-1,2-диметилциклогексане один метил клином, другой штрихом: они по разные стороны кольца. В цис-изомере оба клином (или оба штрихом).

Перспективные формулы и повороты

Одну и ту же молекулу из первой части урока можно нарисовать по-разному. Нужно уметь узнавать её после поворота — и отличать поворот от перестановки групп.

Как проверить, одна ли это молекула

1. Поворот всей молекулы на 180° в плоскости листа не меняет клинья: клин остаётся клином.
2. Поворот на 180° вокруг оси в плоскости листа (переворот) меняет клин на штрих и наоборот.
3. Обмен любых двух заместителей у стереоцентра даёт зеркальную форму (энантиомер).
4. Вращение вокруг одинарной связи даёт ту же молекулу в другой конформации.

Примеры

1. Поворот в плоскости. \(\ce{CHBrClF}\), повёрнутый на 180° в плоскости листа, — та же молекула: клин остался клином, штрих — штрихом.

2. Переворот \(\ce{CHBrClF}\). Если «перевернуть» лист, клин станет штрихом, а штрих клином — это снова та же молекула.

3. Обмен двух групп. Поменяли местами \(\ce{Br}\) и \(\ce{Cl}\) — получили зеркальную форму.

4. Двойной обмен. \(\ce{Br}\leftrightarrow\ce{Cl}\), затем \(\ce{F}\leftrightarrow\ce{H}\): два обмена подряд возвращают исходную молекулу.