Hyperconjugation not steric repulsion leads to the staggered structure of ethane

超共轭 位阻效应 化学 分子 蚀变 旋转(数学) 结晶学 立体化学 化学物理 计算化学 有机化学 几何学 数学
作者
Vojislava Pophristic,Lionel Goodman
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:411 (6837): 565-568 被引量:490
标识
DOI:10.1038/35079036
摘要

Many molecules can rotate internally around one or more of their bonds so that during a full 360° rotation, they will change between unstable and relatively stable conformations. Ethane is the textbook example of a molecule exhibiting such behaviour: as one of its two methyl (CH3) groups rotates once around the central carbon–carbon bond, the molecule will alternate three times between an unstable eclipsed conformation and the preferred staggered conformation. This structural preference is usually attributed to steric effects1,2,3,4,5,6,7; that is, while ethane rotates towards an eclipsed structure, the electrons in C–H bonds on the different C atoms are drawing closer to each other and therefore experience increased repulsion, introducing a rotation barrier that destabilizes the eclipsed structure8,9. Stabilization of the staggered structure through rotation-induced weakening of the central C–C bond10 and hyperconjugation11,12 has been considered to be involved, but evaluation of the contributions of these effects to ethane's internal rotation barrier and conformational preference remains difficult13,14. Here we report a series of ethane structure optimizations, where successive removal of different interactions indicates that ethane's staggered conformation is the result of preferential stabilization through hyperconjugation. Removal of hyperconjugation interactions yields the eclipsed structure as the preferred conformation, whereas repulsive forces, either present or absent, have no influence on the preference for a staggered conformation.
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