الدوران الحر حول الرابطة الاحادية كربون – كربون. التهايؤات. إجهاد الفتل.

Free rotation about the carbon-carbon single boud. Conformations. Torsional strain

يتيح لنا موضوع زوايا الربط وأطوال الروابط عدم الاكتفاء يترتب واحد للذرات في جزيء الايتان، طالما أن العلاقة بين هيدروجينات أحد الكربونين وهيدروجينات الكربون الآخر غير موضحة.

وإذا تفحصنا النماذج الجزيئية للإيتان (الشكل 1.1)، نجد أنه يمكننا الحصول على ترتيب مثل (1) حيث تعاكس الهيدروجينات بعضها البعض الآخر تماماً، وترتيب مثل (II) حيث تكون الهيدروجينات مزيوحة تماماً، وعدد لا نهائي من الترتيبات المتوسطة. أي من هذه الترتيبات يوافق بنية الإيتان؟ يكون الجواب؛ جميعها.

الشكل 1.1: نموذج لجزيء الايتان في التهايؤ المخسوف والمزيوح

لقد رأينا أن الرابطة (a) التي تجمع ذرتي الكربون، ذات تناظر أسطواني حول الخط الذي يربط نواتي الذرتين ببعضهما، ويجب أن يكون التراكب، وكذلك طول الرابطة، هو نفسه من أجل جميع هذه الترتيبات الممكنة. إذا كانت مختلف الترتيبات لا تختلف بالطاقة فإن الجزيء، إذن، غير ملتزم بأي منها دون الآخر، بل يستطيع التحول، بحرية، من أحدهما الى الآخر. وطالما أن التحول من أحدها الى الآخر حر يشمل عملية دوران حول الرابطة كربون – كربون، فإننا نصف هذه الحرية في التحول بالقول:

(بوجود دوران حر حول الرابطة كربون – كربون الأحادية)

تسمى ترتيبات الذرات، المختلفة التي يمكن أن تحصل بالدوران حول الروابط الاحادية تهايؤات.

يسمى الترتيب (I)، تهايؤاً مخسوفاً، ويسمى الترتيب (II) تهايؤاً مزيوحاً. (تسمى التهايؤات المتوسطة اللامتناهية العدد، بالمنحرفة skew). سنستعمل لتمثيل مثل هذه التهايؤات غالباً، نوعين من الصيغ ثلاثية البعد: نماذج أنديرون andiron ((الكرات والقضبان)، الشكل 2.1).

الشكل 2.1: صيغ أنديرون للإيتان في التهايؤين المخسوف والمزيوح

وكذلك إسقاطات نيومان (الشكل 3.1)، التي سميت باسم (M.S Newman) من جامعة أوهايو، الذي اقترح استخدامها أول مرة.

الشكل 3.1: اسقاطات نيومان للإيتان في التهايؤين المخسوف والمزيوح

حتى الآن لم تكتمل الصورة بعد. تظهر الخواص الفيزيائية أن الدوران ليس حراً تماماً: هنالك حاجز طاقة من رتبة 3 كيلو حريرة/ مول. وتكون الطاقة الكامنة للجزيء في حدها الأصغر من أجل الامتثال المزيوح، وتزداد مع الدوران لتبلغ حداً أعظمياً من أجل الامتثال المخسوف (الشكل 4.1).

ويكون، طبعاً، أكثر جزيئات الإيتان على شكل هذا التهايؤ المزيوح، الأكثر استقراراً؛ أن أي جزيء يقضي (لكن بشكل مختلف)، أغلب وقته على شكل التهايؤ الأكثر استقراراً.

ما مدى حرية جزيئات الإيتان في الدوران من أحد التهايؤات المزيوجة الى الآخر؟ إن حاجز الطاقة الذي هو من رتبة 3 كيلو حريرة ليس مرتفعاً؛ وحتى في درجة حرارة الغرفة تكون نسبة التصادمات ذات الطاقة الكافية كبيرة بحيث تكفي إحداث التحول بين التهايؤات المزيوجة.

يمكننا اعتبار أن الرابطة الأحادية كربون – كربون تسمح بالدوران الحر في أغلب التطبيقات العملية.

الشكل 4.1: تغيرات الطاقة الكامنة أثناء الدوران حول الرابطة الأحادية كربون – كربون في الإيتان

لم تفهم طبيعة حاجز طاقة الدوران في الايتان أو أنها لم تشرح بعد. إنه أعلى من أن يعزى، فقط، لقوى فاندرفالس  ومع أن ذرات الهيدروجين أكثر تقارباً من التهايؤ المخسوف منه في التهايؤ المزيوج، فإن ذرات الهيدروجين عند ذرتي الكربون المتقابلتين ليست كبيرة الحجم بحيث تؤدي الى ازدحام ملحوظ (الشكل 1.1).

ويعزى وجود حاجز الطاقة هذا، بعض الشيء، الى التأثيرات المتبادلة بين السحابات الالكترونية للروابط كربون – هيدروجين.

وقد أظهرت الحسابات بوساطة ميكانيك الكم أن الحاجز يحسب أن يكون موجوداً وربما يعود نقصان إدراكنا لذلك الى صعوبة ترجمة النتائج الرياضية الى عبارات فيزيائية.

وكما هو الحال في المدارات الرابطة في الميتان، فإن مجموعتي الروابط في الايتان تميلان الى أن تكون أبعد ما يمكن عن بعضهما أي أن تكونا في الوضع المزيوج (التهايؤ المزيوج).

تسمى الطاقة اللازمة لإحداث الدوران في جزيء الايتان حول الرابطة كربون – كربون (طاقة الفتل). وتحدث عن عدم الاستقرار النسبي الذي يميز التهايؤ المخسوف، أو أي من التهايؤات المتوسطة المنحرفة كأن يعزى الى (إجهاد الفتل).

وإذا استبدلت ذرات أخرى أو مجموعات ذرية بذرات الهيدروجين في الايتان، فإن عوامل أخرى، تؤثر في الاستقرار النسبي للتهايؤات، تظهر مثل قوى فاندرفالس، وتأثيرات ثنائي قطب – ثنائي قطب والارتباط الهيدروجيني. غير أن المدارات الرابطة، المتصلة بذرات الكربون المحاورة تسعى لكي تبقى مزيوجة، ويترافق أي دوران، بعيداً عن التهايؤ المزيوج، بإجهاد فتلي.