Различные пространственные формы молекулы, переходящие друг в друга путем вращения вокруг σ-связей С–С, называют конформациями или поворотными изомерами (конформерами).
Характерной особенностью σ-связей является то, что электронная плотность в них распределена симметрично относительно оси, соединяющей ядра связываемых атомов (цилиндрическая или вращательная симметрия).
Поэтому вращение атомов вокруг σ-связи не будет приводить к ее разрыву.
В результате внутримолекулярного вращения по σ-связям С–С молекулы алканов, начиная с этана С2Н6, могут принимать разные геометрические формы.
Поворотные изомеры молекулы представляют собой энергетически неравноценные ее состояния. Их взаимопревращение происходит быстро и постоянно в результате теплового движения. Поэтому поворотные изомеры не удается выделить в индивидуальном виде, но их существование доказано физическими методами.
Некоторые конформации более устойчивы (энергетически выгодны) и молекула пребывает в таких состояниях более длительное время.
Рассмотрим поворотные изомеры на примере этана Н3С–СН3:
При вращении одной группы СН3 относительно другой возникает множество неодинаковых форм молекулы, среди которых выделяют две характерные конформации (А и Б), отличающиеся поворотом на 60°:
Эти поворотные изомеры этана отличаются расстояниями между атомами водорода, соединенными с разными атомами углерода.
В конформации А атомы водорода сближены (заслоняют друг друга), их отталкивание велико, энергия молекулы максимальна. Такая конформация называется «заслоненной», она энергетически невыгодна и молекула переходит в конформацию Б, где расстояния между атомами Н у разных атомов углерода наибольшее и, соответственно, отталкивание минимально. Эта конформация называется «заторможенной», т.к. она энергетически более выгодна и молекула находится в этой форме больше времени.
С удлинением углеродной цепи число различимых конформаций увеличивается. Так, вращение по центральной связи в н-бутане
приводит к четырем поворотным изомерам:
Наиболее устойчивым из них является конформер IV, в котором группы СН3 максимально удалены друг от друга.
Алканы (предельные углеводороды)