Was ist der Unterschied zwischen sterischer Belastung und Torsionsbelastung?

TL; DR Torsionsdehnung kann als Abstoßung aufgrund von Elektrostatizitätskräften zwischen Elektronen in benachbarten MOs angesehen werden. In der Zwischenzeit kann der sterische Stamm (auch als van der Waals-Stamm bekannt) als Abstoßung angesehen werden, wenn zwei sperrige Gruppen, die nicht direkt aneinander gebunden sind, zu nahe beieinander liegen und daher nicht genügend Platz für sie vorhanden ist.

Hier ist die detailliertere Version.

Torsionsdehnung

Betrachten wir ein Ethanmolekül. Die CC-Sigma-Bindung kann sich frei drehen, und im Prinzip gibt es unendlich viele mögliche Konformationen. Allerdings sind nur 2 signifikant, diese sind versetzt und verdunkeln Konformationen. Verschiedene Konformere werden normalerweise als Newman-Projektionen gezeichnet kann leicht miteinander verglichen werden. Nachfolgend sind die Newman-Projektionen für den verdeckten und gestaffelten Konformer aufgeführt:

Der versetzte Konformer ist der stabilste Konformer, während der verdeckte Konformer der am wenigsten stabile Konformer ist. Der versetzte Konformer Ersteres ist ungefähr $ \ mathrm {12 ~ kJ ~ mol ^ {- 1}} $ stabiler als der verdeckte Konformer. Diese Energiedifferenz zwischen diesen Maxima und Minima ist als Torsionsbarriere bekannt.

Was ist also Torsionsspannung? Der Grund dafür, dass der Eclipse-Konformer eine höhere Energie als alle anderen Konformere aufweist, liegt in der destabilisierenden elektrostatischen Abstoßung zwischen den Elektronenpaaren der CH-Sigma-Bindungen an den beiden Kohlenstoffen. Darüber hinaus gibt es auch ein Stabilisierungsmerkmal, das im versetzten Konformer größer ist. In dem gestaffelten Konformer gibt es eine konstruktive Orbitalwechselwirkung, an der die bindenden und anti-bindenden MOs der benachbarten H-Atome beteiligt sind. Dies führt zu einer Hyperkonjugation, die die Verbindung stabilisiert.

Die beiden Effekte, die Ich habe oben erwähnt, worauf sich die Torsionsspannung bezieht. Sie können sich Torsionsdehnung also als die Dehnung vorstellen, die das Ergebnis elektrostatischer Kräfte ist.

Sterische Belastung

Betrachten wir nun Butan. Die Rotation der Sigma-Bindung $ \ mathrm {C_2-C_3} $ führt ebenfalls zu unendlich vielen möglichen Konformern. Es werden jedoch unten 4 Hauptkonformere angezeigt:

Hier gibt es zwei Arten von verdeckten Konformern, die die am wenigsten stabilen der Konformere sind. Die instabilste ist als verdeckte Syn-Form bekannt. Die syn-Form ist ungefähr $ \ mathrm {20 ~ kJ ~ mol ^ {- 1}} $ energiereicher als der gestaffelte Konformer. Der Grund dafür kann teilweise auf die Torsionsspannung zurückgeführt werden, da zwischen den Elektronen in den Sigma-Bindungsorbitalen eine Abstoßung besteht. Es kann jedoch auch weitgehend auf die Abstoßung der beiden relativ sperrigen Methylgruppen zurückgeführt werden, da sie zu nahe beieinander liegen und nicht genügend Platz für sie vorhanden ist. Diese Abstoßung wird als sterische Belastung bezeichnet. Daher kann der sterische Stamm als die Abstoßung definiert werden, die auftritt, wenn sich nicht gebundene Gruppen, die nicht direkt gebunden sind, zu eng nähern. Diese Abstoßung existiert nur für sperrige Substituenten wie Methyl- oder Ethylgruppen. Daher gibt es in Ethan keine sterische Hinderung da die Wasserstoffatome nicht so sperrig sind.

Kommentare

• Schöne Antwort und schöne gestrichelte Linie unten rechts im Newman-Projektionsbild;)
• Es ist wahrscheinlich hilfreich, ' auf einige weitere Dinge hinzuweisen. Torsionsdehnung wird als nicht vorhanden definiert, wenn die Konformationen versetzt sind, sodass technisch keine Torsion vorliegt Dehnung bei 60, 120 und 180. Torsionsdehnung besteht auch immer nur zwischen Atomen, die durch drei Bon getrennt sind ds, wie die Wasserstoffatome in CH3-CH3, genauer gesagt, diese drei Bindungen sind H-CH2-CH2-H. Sterische Belastungen treten nur in Atomen auf, die durch vier oder mehr Bindungen getrennt sind, beispielsweise in Propan (H-CH2-CH2-CH2-H). ' ist wahrscheinlich hilfreicher, Bindungen von mehr als vier zu berücksichtigen, wie z. B. Butan.
• Führen Sie beide Torsionsspannungen aus, ohne den Effekt einer konstruktiven MO-Interferenz und sterische Belastung durch elektrostatische Abstoßung entstehen?Wenn Sie sagen, dass die sterische Belastung durch die Abstoßung sperriger Gruppen entsteht, weil nicht genügend Platz für sie vorhanden ist, ist dies auch eine Abstoßung zwischen den Elektronen dieser Gruppen, richtig? Wenn Sie den MO-Interferenzteil ignorieren würden, wäre es geeignet, die sterische Belastung in gewisser Weise als zusätzliche Torsionsbelastung zu betrachten?
• Vielen Dank für die fantastische Antwort. Um die Frage von lightweaver ' zu beantworten, wird es auch eine Elektronenabstoßung geben, da sich die beiden mit sperrigen Gruppen ' gefüllten Sigma-Bindungsorbitale nähern einander und fühlen eine " gefüllte " 4 E-Interaktion, die der obigen MO-Abbildung ähnlich ist.

Der Einfachheit halber Torsionsdehnung ist definiert als die Dehnung, die die Bindungen erfahren, wenn die Konformationen nicht versetzt sind. In jedem anderen Winkel als 60, 120 oder 180 gibt es also eine Torsionsdehnung. Zusätzlich ist Torsionsdehnung kann immer nur in Atomen existieren, die nur durch drei Bindungen .