Sind Stuhldrehungen Stereoisomere?
Cyclohexan ist ein sechsgliedriges Cycloalkan, das in mehreren Konformationen vorkommen kann, einschließlich der Stuhl- und Schiffchenform. In einer Stuhlform ragen alle Wasserstoffatome senkrecht nach oben oder unten senkrecht zum Ring, während sie in einer Schiffchenform entlang einer imaginären Linie parallel zum Ring herausragen. In einem Cyclohexan, das in Stuhlform vorliegt, werden die Wasserstoffatome, die gerade nach oben ragen, als axiale Wasserstoffatome bezeichnet, und diejenigen, die entlang des Äquators herausragen, werden als äquatoriale Wasserstoffatome bezeichnet.
Axiale und äquatoriale Protonen sind der Hauptweg, auf dem Cyclohexan NMR-Signale liefern kann. Alle Protonen erscheinen auf einem Molekül identisch, aber die NMR-Spektren von Cyclohexan sind ziemlich unterschiedlich, je nachdem, ob die Wasserstoffe in einem Molekül axial oder äquatorial sind.
Bei Raumtemperatur ist die Stuhldrehrate so schnell, dass beide Spitzen zu einem Signal verschmelzen, aber bei niedrigen Temperaturen verlangsamt sich die Stuhldrehrate so weit, dass zwei deutliche Spitzen entstehen. Da die Umwandlung von Sesselformen bei niedriger Temperatur so langsam ist, treten bei diesen Peaks sehr komplexe Spin-Spin-Kopplungen und chemische Verschiebungen auf.
Die axialen und äquatorialen Positionen von Substituenten an einem Cyclohexan sind wichtig für die Stabilität eines Moleküls, insbesondere wenn die Substitutionen groß sind. Wenn ein großer Substituent axial positioniert ist, kann die sterische Spannung, die durch 1,3-diaxiale Wechselwirkungen verursacht wird, viel größer sein als die, die durch eine äquivalente äquatoriale Position verursacht wird.
Diese sterische Belastung kann auch die Stabilität des Rings beeinträchtigen, insbesondere in Fällen, in denen der Ring ein asymmetrisches Kohlenstoffatom aufweist, wie das hier gezeigte trans-1,4-Dimethylcyclohexan. Beispielsweise ist die axiale Form von trans-1,4-Dimethylcyclohexan weniger stabil als die diquatoriale Form, da sie in axialer Position eine energetisch ungünstigere tert.-Butylgruppe aufweist.
Die stabilste Sesselkonformation eines Cyclohexans ist diejenige, die den sperrigsten Substituenten in äquatorialer Position platziert. Dies liegt daran, dass eine Methylgruppe anfälliger für äquatoriale 1,3-diaxiale Wechselwirkungen ist als ein tert-Butyl. Es ist eine gute Idee, die Stabilität von Cyclohexan und die relative Stabilität seiner Stuhlformen zu überprüfen, während wir durch das Labor gehen.