4.5. Конформации н-бутана. Вандерваальсово отталкивание

Рассмотрим подробнее молекулу н-бутана и конформации, в виде которых он существует. Если рассматривать молекулу вдоль связи то

получается молекула, аналогичная этану, только у каждого атома углерода один из водородов заменен на метальную группу. Как и в случае этана, торсионная энергия заторможенных конформаций меньше, и, следовательно, они более устойчивы, чем заслоненные.

Рис. 4.4. Зависимость потенциальной энергии н-бутана от угла поворота вокруг связи

Но благодаря наличию метальных групп появляются два новых аспекта для рассмотрения: во-первых, существует несколько различных заторможенных конформаций, и, во-вторых, кроме торсионного напряжения, появляются другие факторы, влияющие на конформационную устойчивость.

Существует анти-конформация (I), в которой метальные группы максимально удалены друг от друга [двугранный угол равен 180° (3,141 рад)]. Существуют две скошенные, или гош-конформации (И и III), в которых метальные группы образуют угол 60° (1,047 рад); они представляют несовместимые зеркальные изображения друг друга (постройте модели и убедитесь, что это так).

Установлено, что -конформация более устойчива [на 0,9 ккал/моль чем скошенная (рис. 4.4). В обеих конформациях

торсионное напряжение отсутствует. Но в скошенной конформацни метальные группы находятся рядом, т. е. ближе, чем сумма их вандерваальсовых радиусов; при этих условиях вандерваальсовы силы являются силами отталкивания (разд. 1.16) и повышают энергию конформации. Говорят, что имеется вандерваальсово отталкивание (или пространственное отталкивание) между метальными группами и что молекула менее устойчива благодаря вандер-ваальсову напряжению (или пространственному напряжению).

Вандерваальсовы силы могут влиять не только на относительную устойчивость различных заторможенных конформаций, но также и на высоту энергетических барьеров между ними. Энергетический максимум, достигаемый, когда две метальные группы расположены одна за другой, а не за атомами водорода, представляет собой максимальный вращательный барьер; найдено, что он равен 4,4-6,1 ккал/моль .