Проекции Ньюмена в MolDraw: вращайте связь, определяйте конформацию и смотрите напряжение

Что показывает проекция Ньюмена

Проекция Ньюмена — это взгляд строго вдоль одной связи углерод–углерод. Передний атом углерода — точка, задний — окружность, а три связи каждого атома направлены наружу. Вращение заднего атома вокруг связи меняет конформацию без разрыва связей. Угол между передней и задней связью называется двугранным углом (или торсионным углом).

Теорию кресел, аксиальных и экваториальных групп и A-значений смотрите в руководстве по конформации кресла и проекциям Ньюмена. Эта статья показывает, как исследовать конформации на практике с инструментом Newman в редакторе.

Как открыть проекцию Ньюмена

1. Нарисуйте молекулу в редакторе. Для классического примера нарисуйте бутан в виде зигзага из четырёх атомов углерода. Атомы водорода рисовать не нужно.
2. Щёлкните правой кнопкой связь, вдоль которой хотите смотреть, — здесь центральную связь C–C — и выберите Newman Projection. На сенсорном экране нажмите и удерживайте связь, затем коснитесь Newman в быстром меню.
3. Откроется проекция. Она строится по 3D-модели вашей структуры, поэтому видимые углы — настоящие. Если 3D-модель ещё строится, диалог сообщит об этом, и проекция появится чуть позже.

Обзор диалога проекции Ньюмена

Вращайте связь: анти, гош, заслонённая и син

Перетаскивайте ползунок и смотрите, как поворачивается задний атом углерода. Название на значке меняется при прохождении каждой конформации, а точка на кривой напряжения следует за ним. Четыре кнопки сразу переходят к учебным конформациям двух самых крупных групп.

В заслонённой конформации задняя связь находится точно за передней. MolDraw рисует её на несколько градусов в стороне, как в учебниках, чтобы обе группы были видны и подписаны. Двугранный угол на значке — истинное значение.

Кривая энергии напряжения

Кривая показывает, как меняется энергия связи за полный оборот. Она оценивается по стандартным учебным инкрементам для каждой пары групп в заслонённом или гош-положении:

Для бутана эти инкременты дают: анти 0,0, гош 0,9, заслонённая (CH₃ напротив H) 3,8 и син 4,6 ккал/моль (0, 3,8, 16 и 19 кДж/моль), что согласуется со значениями из учебников органической химии (гош около 0,9, заслонённая около 3,6, син около 4,5–5 ккал/моль). Для этана три заслонённые пары H/H дают привычный барьер 3,0 ккал/моль.

Эти числа — учебная оценка, а не расчёт силовым полем. Чтобы ранжировать реальные конформеры всей молекулы по энергии, используйте Conformers… в 3D-панели: там каждый конформер оптимизируется в MMFF94.

Читаемые подписи групп

Каждая группа записывается так, как в учебнике, с учётом атомов водорода 3D-модели:

• Один тяжёлый атом: CH₃, OH, NH₂, Cl.
• Короткая цепь: CH₂CH₃, CH₂OH, CH₂CH₂CH₃.
• Разветвление из одинаковых групп: CH(CH₃)₂.
• Всё, что крупнее, заканчивается на R, например CH₂R.
• Атом с псевдонимом или сокращением на вашем рисунке (Ph, OTs, Boc) сохраняет эту подпись.

Связи в цикле и остальная часть молекулы

Нажмите Show rest of molecule, чтобы нарисовать и атомы за пределами двух связанных атомов углерода. Задняя половина поворачивается вместе с ползунком. Это особенно полезно для циклов. В циклогексане-кресле каждая связь цикла находится в гош-конформации, и проекция показывает, как цикл замыкается за окружностью.

Swap front and back показывает ту же связь с другого конца. Конформация не меняется, но передние и задние группы меняются местами — это частый экзаменационный вопрос.

Вставьте проекцию в рабочий лист

• Add to canvas помещает проекцию как изображение рядом со структурой. Перемещайте и масштабируйте её, как любой другой объект; она сохраняется и экспортируется вместе с рисунком.
• Download PNG сохраняет изображение высокого разрешения (в три раза больше экранного размера) для документов, слайдов и тестов в LMS.

Разобранные примеры

1. Этан: заторможенная и заслонённая

Нарисуйте два атома углерода и откройте проекцию Ньюмена. Когда есть только атомы водорода, значок показывает Staggered или Eclipsed. На кривой три одинаковых пика по 3,0 ккал/моль — по одному на каждые 120° поворота.

2. Бутан вдоль C2–C3

Начните с 3D-позы (анти), затем нажмите Gauche, Eclipsed и Syn. Энергии идут так: 0,0 → 0,9 → 3,8 → 4,6 ккал/моль. Анти — глобальный минимум, а две гош-формы — локальные минимумы.

3. Бутан вдоль C1–C2

Щёлкните правой кнопкой концевую связь. На переднем атоме углерода три атома водорода, поэтому существуют только заторможенная и заслонённая конформации. Это показывает, почему анти- и гош-формы есть только у центральной связи бутана.

4. Циклогексан

Щёлкните правой кнопкой любую связь цикла и нажмите Show rest of molecule. Значок показывает Gauche с двугранным углом около 55–60° — поэтому у кресла нет напряжения заслонения.

Сводка

Частые ошибки

• Выбор связи с концевым атомом углерода. У конца CH₃ с одной стороны только атомы водорода, поэтому анти- и гош-конформаций нет. Выберите внутреннюю связь.
• Путаница переднего и заднего атомов. Точка — передний атом углерода; связи, начинающиеся от окружности, принадлежат заднему. Проверьте с помощью Swap front and back.
• Называть любую заторможенную форму анти. Анти означает, что самые крупные группы находятся под углом 180°. При 60° это гош, хотя конформация по-прежнему заторможенная.
• Принимать смещение на рисунке за угол. Заслонённые задние связи для наглядности нарисованы чуть в стороне; двугранный угол на значке — настоящий.
• Считать напряжение точной энергией. Это оценка по инкрементам, идеальная для сравнения конформаций, но не рассчитанная энергия.

Советы к экзамену

• Сначала рисуйте самую устойчивую конформацию: заторможенную, с двумя самыми крупными группами в анти-положении.
• Считайте взаимодействия: каждая гош-пара CH₃/CH₃ добавляет около 0,9 ккал/моль, каждая заслонённая пара — свой инкремент.
• Поворот на 120° переводит заторможенную конформацию в заторможенную, а заслонённую — в заслонённую; поворот на 60° переключает между ними.
• Тренируйтесь: предскажите название и энергию, затем нажмите кнопку, чтобы проверить.

Связанные инструменты

Полезные руководства