Кратko — причины и как измерять.
1) Термодинамические причины (почему один изомер стабильнее)
- Разница свободных энергий: стабильно тот изомер, у которого ниже свободная энергия $G$. Популяции задаются Больцманом: $p_i=\frac{e^{-G_i/(RT)}}{{\sum }_j{e}^{-G_j/(RT)}}$.
- Вклад энтальпии и энтропии: $\Delta G=\Delta H-T\Delta S$. Стабильность зависит от конъюгации, ароматичности, водородных связей, напряжения в кольцах, стерических взаимодействий, солвации и протонной/электронной стабилизации (полярность растворителя, протонные доноры/акцепторы).
- Для таутомерии: различие в протонном расположении + солватация и кислотность/основность среды существенно смещают равновесие.
- Для конформаций: различие энергийнoе вследствие стерических/электронных эффектов и внутримолекулярных взаимодействий.
- Для стереоизомеров: различия в энергии из-за напряже́ния, солвации и внутримолекулярных взаимодействий; если барьер большой — изомеры конфигурационно стабильны.
2) Кинетические причины (почему наблюдаются нестабильные или долгоживущие изомеры)
- Активaционный барьер между формами ($\Delta G^{‡}$ или $E_a$) контролирует скорость перехода; при большом барьере переход медленный и нестабильный изомер может быть «пойман».
- Кинетически контролируемый продукт — тот, у которого меньший барьер на пути, даже если он термодинамически менее выгоден.
- Барьер зависит от механизма (перенос протона, разрыв/образование связей, вращение, инверсия), катализаторов и среды (кислота/щелочь, металл-катализ).
- Для межконформационного обмена — характерные времена обмена от фемтосекунд до год; для конфигурационных стереоизомеров — обычно высокие барьеры, не интерконвертируются при комнатной температуре.
3) Экспериментальная оценка соотношения (популяций) и кинетики
A. Определение равновесного соотношения
- NMR (интегралы сигналов) — самый прямой метод для в-ва в растворе. Для таутомерии/конформаций — различие химических сдвигов даёт интегралы.
- Хроматография (GC, HPLC) с калибровкой — для разделяемых изомеров.
- UV/IR/ Raman — при разных спектральных признаках (например, C=O vs OH в татуто́мерах).
- Мас-спектрометрия обычно не даёт прямого соотношения, но полезна с разделением.
- Вычисления (DFT) для оценки $\Delta G$ и предсказания популяций.
Связь с термодинамикой: измеренный константа равновесия $K$ даёт
$\Delta G^{\circ }=-RT\ln K$.
B. Измерение кинетики перехода
- Следить за временем приближения к равновесию (реакция A↔B). Для простого обратимого двухстадийного обмена:
$\mathrm{A}\underset{k_{BA}}{\overset{k_{AB}}{}}\mathrm{B}$, $K=\frac{k_{AB}}{k_{BA}}$, а наблюдаемая скорость релаксации к равновесию $k_{\text{obs}}=k_{AB}+k_{BA}$.
- Подбирают начальные условия (чистый A или B) и снимают кинетику (UV, NMR, HPLC) — аппроксимация экспонентой позволяет извлечь константы.
- Переменная температура → построение Аррениуса: $k=A{e}^{-E_a/(RT)}$ и/или Эйринг: $k=\frac{k_{B}T}{h}{e}^{-\Delta G^{‡}/(RT)}$. Из ВТ-зависимости $k(T)$ получают $E_a$, $\Delta H^{‡}$, $\Delta S^{‡}$ по соответствующим графикам.
C. Специальные методы для разных типов изомерии
- Динамическая (VT) NMR: при быстром обмене сигналы сливаются; при температуре когалазенса $T_c$ можно оценить скорость. Для двухэквивалентных состояний в точке когалазенса:
$k_c=\frac{\pi \Delta \nu }{2\sqrt{2}}$ (где $\Delta \nu$ — разность частот в Гц при медленном обмене). Затем по Эйрингу получают $\Delta G^{‡}$.
- Лайн-шейп-анализ (симуляция спектров) даёт скорости при разных T.
- NOE/ROESY для определения конфигурации/пространственной близости (стереоизомеры, конформеры).
- H/D обмен и изотопные эффекты: для таутомерии скорость и положение равновесия меняются, даёт механистическую информацию.
- Катализ/кислотно-основные тесты: проверка влияния кислот/оснований, ионов на скорость и равновесие.
- Хроматографическое разделение + последующий кинетический контроль состава даёт константы для медленно интерконвертирующих изомеров.
4) Практическая последовательность измерений (рецепт)
- 1) Определить равновесный состав (NMR/GC/HPLC/UV/IR) при заданных условиях → вычислить $K$ и $\Delta G^{\circ }$.
- 2) Измерить кинетику перехода (следить за концентрациями во времени); при необходимости использовать останов‑поток, быструю спектроскопию.
- 3) Выполнить VT-исследования (NMR или кинетика) → получить $k(T)$ и извлечь $E_a,\Delta H^{‡},\Delta S^{‡}$.
- 4) Изучить влияние растворителя, концентрации, катализаторов и изотопирования для механистических выводов.
- 5) Сравнить с расчётами (DFT) для уточнения энергетического профиля.
Краткий итог: существование изомеров определяется сочетанием разницы свободной энергии (термодинамика) и высоты барьера (кинетика). Экспериментально сначала измеряют равновесные популяции (NMR/GC/HPLC/спектры), затем кинетику и её температурную зависимость (извлечение $k$, $E_a$, $\Delta G^{‡}$), а также используют дополнительные приёмы (VT‑NMR, NOE, изотопирование, солватные/кислотно‑основные испытания) для разгадки механизма.