Conformation - Rittaihaiza (English spelling) conformation

This refers to the spatial arrangement of atoms that occurs due to rotation around a single bond in a molecule. It is also called a conformation. Simply put, it can be thought of as the three-dimensional shape that the atoms in a molecule actually take. When a molecule has different spatial atomic arrangements without breaking covalent bonds, each is called a conformer.

The most important conformational issue is the difference in the spatial arrangement of atoms that occurs when an organic molecule is twisted around a carbon-carbon single bond (CC). For example, when ethane CH ₃ -CH ₃ is twisted around the central CC bond, the ethane molecule can take countless shapes with different torsion angles (ω (omega)), as shown in the Newman projection in Figure A. Of these countless conformations, the "staggered conformation" with ω of 0° and the "twisted conformation" with ω of 60° are important typical conformations. In the case of CC bonds in saturated compounds, the twisted conformation with ω of 60° is the lowest and most stable conformation, so CC bonds in saturated compounds usually take the twisted conformation. Such a conformation with a minimum energy (not necessarily the minimum value) is called a conformer (stable conformation). In _XCH2 - _CH2X molecules such as butane (X = _CH3 ) and 1,2-dichloroethane (X = Cl) in Figure B , there are two types of conformational isomers, the gauche conformation and the trans conformation, which are twisted conformations with the lowest energy (these are sometimes called gauche and trans conformations, respectively). In the gauche conformation, the two Xs are close to each other, so there is a repulsion between them and it is slightly unstable. In the trans conformation, there is no such repulsive interaction, so the trans conformation is more stable and is the most stable conformation of molecules such as butane. The most stable conformation, such as the trans conformation, is the one with the lowest energy among the conformations of a molecule. In general, the lower the energy conformation, the more common it is, and at room temperature butane exists in approximately 65% ​​of trans conformations and 35% of gauche conformations. The conformations resulting from twisting around a single bond rapidly interconvert at room temperature, so the two conformers cannot be separated.

In saturated chain compounds (alkanes), three stable conformations are possible for each CC single bond (one trans conformation and two gauche conformations in Figure B ), so as the number of CC bonds increases, the number of possible stable conformations becomes very large. When the number of CC single bonds is n , the maximum number of twisted conformations is ³ⁿ .

In cyclic compounds (cycloalkanes), the number of conformations that can be taken is greatly restricted by the ring; cyclopropane (3 carbons) to cyclopentane (5 carbons) have only one conformation and no conformers. Cycloalkanes with six or more ring members can have multiple stable conformations. For example, cyclohexane can have two stable "chair conformations" ( Figure C , only one of which is shown). Also, the "boat conformation" and "twist conformation" shown in Figure C are typical conformations that a molecule can go through when interchanging between the two chair conformations, but they are not stable conformations.

Double bonds such as C=C and C=O have a planar conformation in which all the bonded atoms are aligned on the same plane, while triple bonds such as C≡C and C≡N have a linear conformation, and the shape of the molecule is fixed. Therefore, compounds with these unsaturated groups have fewer conformational isomers (stable conformations) than saturated compounds with the same number of carbon atoms.

[Mr. Hirota November 18, 2016]

"Conformational Analysis Exercises" edited by Inamoto Naoki et al. (1980, Nanzando)" ▽ "Three-dimensional Organic Chemistry: Stereochemistry and Conformational Analysis" by Johannes Dale, translated by Suginome Hiroshi and Osawa Eiji (1983, Youkendo)" ▽ "New Chemistry Library: Stereochemistry" by Harada Kaoru and Hidaka Hitoshi (1986, Dainippon Tosho)" ▽ "Stereochemistry, 4th edition by Oki Michinori (2002, Tokyo Kagaku Dojin)" ▽ "Introduction to Stereochemistry - Three-dimensional Organic Chemistry" by M.J.T. Robinson, translated by Toyoda Shinji (2002, Kagaku Dojin)" ▽ "Tutorial Chemistry Series 2: Basics of Stereochemistry" by David G. Morris, translated by Ishikawa Tsutomu (2003, Kagaku Dojin)"

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

分子中の単結合の周りの回転により生ずる原子の空間的配列をいう。配座、コンホメーションともいう。簡単には、分子中の原子が実際にとっている三次元的な形と考えてよい。一つの分子が共有結合の切断なしに異なる空間的原子配列をとるとき、それぞれを配座異性体という。

　有機化合物の炭素‐炭素単結合（C-C）を軸としてその周りで分子をねじった場合に生ずる原子の空間的配列の違いが、立体配座の問題としてもっとも重要である。たとえば、エタンCH₃-CH₃の中央のC-C結合の周りで分子をねじると、図Aのニューマン投影式で示したように、エタン分子はねじれ角（ω(オメガ)）が異なる無数の形をとることができる。無数にあるこれらの立体配座のうちで、ωが0°の「重なり配座」と、ωが60°の「ねじれ配座」が典型的な配座として重要である。飽和化合物のC-C結合の場合には、ωが60°のねじれ配座（ねじれ形）をとった場合に分子のエネルギーが最低でもっとも安定になるので、飽和化合物のC-C結合は通常ねじれ配座をとっている。このようなエネルギーが極小値（最小値でなくてもよい）をとっている配座を配座異性体（コンホマー、安定配座）とよんでいる。図Bのブタン（X＝CH₃）や1,2-ジクロロエタン（X＝Cl）のようなXCH₂-CH₂X型の分子では、エネルギー極小のねじれ配座としてゴーシュ（gauche）配座とトランス（trans）配座の2種類の配座異性体が存在する（これらはそれぞれゴーシュ形、トランス形とよばれることもある）。これらのうちゴーシュ配座では、二つのXが接近しているので両者の間に反発があり、すこし不安定になる。トランス配座にはこのような反発相互作用がないので、トランス配座のほうがより安定になり、ブタンなどの分子のもっとも安定な立体配座になる。トランス配座のように、一つの分子の配座のうちでエネルギーがもっとも低くもっとも安定な配座を最安定配座という。一般に、エネルギーが低い配座ほど多く存在し、常温のブタンはおよそ65％がトランス配座、35％がゴーシュ配座として存在する。単結合の周りのねじれによる配座は、常温では速やかに相互変換しているので、両配座異性体を別々に分けとることはできない。

　飽和の鎖式化合物（アルカン）では、C-C単結合1本について（図Bの一つのトランス配座と二つのゴーシュ配座のように）、3種類の安定配座が可能であるので、C-C結合の数が増えるにしたがって、とりうる安定配座の数は非常に多数になる。C-C単結合の数がn本になると、ねじれ配座の数は最大では3ⁿになる。

　炭素が環状に結合している環式化合物（シクロアルカン）では、環により束縛されてとりうる配座の数は大幅に制限されて、炭素数3のシクロプロパンから炭素数5のシクロペンタンはただ1種類の立体配座をとっていて、配座異性体をもたない。6員環以上のシクロアルカンは複数の安定配座をとることが可能である。たとえば、シクロヘキサンは二つの安定な「いす配座」をとることができる（図C。そのうちの一方のみを示す）。また、図Cにあるように「ふね配座」や「ひねり配座」は分子が二つのいす配座の間で相互変化する際に経由する典型的な配座であるが、安定配座ではない。

　C=C、C=Oなどの二重結合は、結合している原子がすべて同じ平面上に並んでいる平面配座、C≡CやC≡Nの三重結合は直線配座をとっていて、分子の形が固定されている。したがって、これらの不飽和基をもつ化合物では、同数の炭素原子をもつ飽和化合物と比べると配座異性体（安定配座）の数は少ない。

［廣田　穰　2016年11月18日］

『稲本直樹他編『立体配座解析演習』（1980・南江堂）』▽『Johannes Dale著、杉野目浩・大澤映二訳『三次元の有機化学　立体化学と立体配座解析』（1983・養賢堂）』▽『原田馨・日高人才著『新化学ライブラリー　立体化学』（1986・大日本図書）』▽『大木道則著『立体化学』第4版（2002・東京化学同人）』▽『M・J・T・ロビンソン著、豊田真司訳『立体化学入門――三次元の有機化学』（2002・化学同人）』▽『David G. Morris著、石川勉訳『チュートリアル化学シリーズ2　立体化学の基礎』（2003・化学同人）』

出典　小学館　日本大百科全書(ニッポニカ)日本大百科全書(ニッポニカ)について　情報 | 凡例