چرخش آزاد حول پیوند ساده کربن-کربن

3-3- چرخش آزاد حول پیوند ساده کربن – کربن، کنفورماسیونها. فشار پیچشی

این زوایا و طول پیوندها ما را محدود به یک نوع آرایش برای اتمها در مولکول آنان نمی‌کند، زیرا رابطة‌بین هیدروژنهای یک ««کربن و هیدروژنهای کربن دیگر شکل ثابتی ندارد. اگر مدلهای اتان را مورد بررسی قرار دهیم، در می‌یابیم که می‌توانیم آرایشی مانند I داشته باشیم که در آن هیدروژنها کاملاً مقابل هم قرار می‌گیرند. آرایشی مانند II که در آن هیدروژنها کاملاً نپوشیده هستند و یا آرایشهای نامحدودی بین این دو را داشته باشیم. کدام یک از این ساختمانها، ساختمان واقعی اتان است؟ پاسخ این است که| تمام آنها.

دیده‌ایم پیوندی که اتمهای کربن را به هم متصل می‌کند در حول خطی که هسته‌های دو کربن را به هم می‌پیوندد تقارن استوانه‌ای دارد؛ لذا همپوشانی و قدرت پیوند باید برای تمام این آرایشهای ممکنه یکسان باشد. اگر آرایشهای مختلف از نظر انرژی تفاوتی نداشته باشند. لذا مولکول به هیچ کدام از آنها محدود نمی‌شود، بلکه می‌تواند به آزادی از یکی به دیگری تبدیل شود. از آنجا که لازمه تغییر از یکی به دیگری، چرخش حول پیوند کربن – کربن است، لذا این آزادی برای تغییر با این عبارت بیان می‌شود که| آزادی چرخش در حول پیوند سادة کربن – کربن وجود دارد.

آرایشهای گوناگون اتمها که بتوانند به وسیلة چرخش حول پیوندهای ساده به یکدیگر تبدیل شوند کنفورماسیون خوانده می‌شود. آرایش I را کنفورماسیون پوشیده و آرایش II را کنفورماسیون نپوشیده می‌نامند. (کنفورماسیونهای نامحدود واسط را کنفورماسیون تابدار گویند.)

عکس پیدا نشد

برای نشان دادن چنین کنفورماسیونهایی، اغلب از دو نوع فرمول سه بعدی به نام فرمولهای اندیرون ؛ و طرحهای نیومن به نام ام.اس. نیومن از دانشگاه ایالتی اوهایو که اولین بار استفاده از آن را پیشنهاد کرد، می‌باشد.

این شکل هنوز کامل نیست. بعضی از خواص فیزیکی نشان می‌دهند که چرخش، کاملاً آزاد نیست و یک سد انرژی در حدود 3 کیلو کالری بر مول وجود دارد. انرژی پتانسیل مولکول برای کنفورماسیون نپوشیده، حداقل می‌باشد ولیکن در اثر چرخش افزایش یافته و در کنفورماسیون پوشیده به حداکثر می‌رسد. بیشتر مولکولهای آنان

عکس پیدا نشد

طبیعتاً به صورت کنفورماسیون نپوشیده و یا در پایدارترین فرم وجود دارند؛ یا به عبارت دیگر هر مولکول بیشتر اوقات خود را در پایدارترین کنفورماسیون می‌گذراند.
مولکولهای آنان تا چه حد برای چرخیدن از یک آرایش نپوشیده به دیگری آزاد هستند؟ سد 3 کیلوگالری خیلی زیاد نیست؛ حتی در دمای اتان کسری از برخوردها به آن اندازه انرژی دارند که تبدیل سریع آرایشهای نپوشیده را باعث شوند. برای بیشتر مقاصد عملی، فرض می‌کنیم که چرخش در حول پیوند سادة کربن – کربن آزاد باشد.

طبیعت سد چرخشی در اتان شناخته شده نیست و یا – دقیقاً آن چیزی که گفته می‌شود نیست – به سادگی قابل توصیف نیست. این انرژی زیادتر از حدی است که به نیروهای واندروالسی نسبت داده شود| اگر چه هیدروژنها در کنفورماسیون پوشیده نسبت به پوشیده نزدیکترند، اما کربنهای مقابل هم برای ایجاد ازدحام به اندازه کافی بزرگ نیستند.

عکس پیدا نشد

عکس پیدا نشد

به نظر می‌رسد که این سد از برهم کنش بین ابرهای الکترونی پیوندهای کربن – هیدروژن به وجود آید. محاسبات مکانیک کوانتومی نشان می دهند که این سد باید وجود داشته باشد و شاید «عدم درک کافی» به علت اشکال در برگرداندن عبارتهای ریاضی به فیزیکی باشد. دو سری اوربیتال در اتان مثل اوربیتالهای پیوندی متان، تمایل دارند تا سرحد امکان از یکدیگر دور و یا نپوشیده باشند.

انرژی لازم برای چرخش مولکول اتان در حول پیوند کربن – کربن را انرژی پیچشی می‌نامند. عدم پایداری نسبی کنفورماسیون پوشیده- یا هر کنفورماسیون تابدار واسط – مربوط به فشار پیچشی است.

وقتی که هیدروژنهای اتان به وسیلة سایر اتمها و یا گروهی از اتمها جایگزین شوند، عوامل دیگری که پایداری نسبی کنفورماسیونها را تحت تأثیر قرار می‌دهند. ظاهر می‌‌شوند؛ این عوامل، نیروهای وان‌دروالس، بر هم کنشهای دو قطبی – دو قطبی و پیوند هیدروژنی هستند. اما اوربیتالهای پیوندی کربنهای مجاور، همچنان تمایل دارند تا در فرم نپوشیده باقی بمانند و هر چرخشی که آن را از کنفورماسیون نپوشیده دور کند همراه با فشار پیچشی خواهد بود.