pienoiskuva|205px|Etaanin pallotikkumalli. Kaikki animaation kiertokulmat ovat erilaisia konformaatioita ja niitä on ääretön määrä. Kemiassa konformaatio tarkoittaa kaikkia molekyylin kolmiulotteisia muotoja, joita muodostuu molekyylin yksöissidosten kiertyessä ja joidenkin sidosten välisten sidoskulmien muuntuessa ilman että kummassakaan tapauksessa kemiallisia sidoksia rikkoutuu. Myös trigonaalisten pyramidien inversiot (kuten amiinien) ja niiden kaltaiset muutokset voidaan lukea konformaatioiksi. Sidosten rikkoutuessa ja muodostuessa jälleen samojen atomien välille, olisi konformaatiomuutoksen sijaan kyseessä konfiguraation muuntuminen toiseksi konfiguraatioksi.
Konformaatio- ja konfiguraatiomuutosten kautta molekyylit voivat muuntua eri stereoisomeereiksi. Konformeerit ovat stereoisomeerejä. Konformeerejä ovat molekyylit, jotka konformaatiomuutoksen kautta saavuttavat paikallisen potentiaalienergiaminimin. Konformeerin energia kasvaa jos sen konformaatio muuttuu mittaamattoman pienen määrän eli infinitesimaalisesti. Tällöin molekyyli ei enää ole konformeeri. Molekyylillä voi olla monia konformeerejä, eivätkä ne kaikki ole kaikkein pienienergisimpiä mahdollisista konformeereistä. Pienienergisimmän konformeerin voidaan sanoa olevan globaalissa energiaminimissä paikallisen minimin sijaan. pienoiskuva|400px|Etaanin C-C-sidoksen kiertokulmien potentiaalienergiaerot pinkkinä käyränä, jonka huippuja kutsutaan energiavalleiksi. Energiaminimiä vastaa käyrän pohjan konformaatio A ja huipun maksimia B (esitetty Newman-projektioina). B omaa 12 kJ/mol (2.9 kcal/mol) suuremman energian kuin A. A on minimissä eli se on rotameeri, jollainen taas B ei ole. Etaani on valtaosan ajasta muodossa A sen energeettisen suotuisuuden takia. Konformeria jaetaan alaluokkiin, kuten rotameereihin, joissa paikallinen energiaminimi saavutetaan vain yhden yksöissidoksen vapaalla kiertymisellä. Jos sidoskiertyminen ei ole vapaata vaikkapa steeristen esteiden takia, ovat nämä muuten samanlaiset molekyylit toistensa atropisomeerejä. Kiertyminen ei ole vapaata, jos siihen vaadittava energia on niin suuri (IUPAC ei ole määrittänyt kuinka suuri), ettei sitä käytännössä havaita.
Konformeriatyypit Konformeriamuotoja ovat muun muassa rotameria – yhden yksöissidoksen pienen energian vaatiman kiertymisen aiheuttama konformeria. Esimerkki: butaani. atropisomeria – kuten edellä, mutta kiertyminen vaatii esimerkiksi steeristen esteiden takia niin suuren energian, että toistensa atropisomeerit voidaan erotella toisistaan. Esimerkki: BINAP. rengaskonformaatiot – rengasrakenteiden molekyylien kuten syklohekseenin tuoli-kierrevene -konformeria. laskostuminen – sanaa käytetään tavasta, jolla proteiinit ovat muodostaneet sekundääri- ja tertiäärirakenteensa. akamptisomeria – 2018 löydetty tyyppi. Tämä ei kuitenkaan ole IUPAC:n tunnistama termi.
Rotameria Rotameeri muuntuu toiseksi rotameeriksi vain yhden yksöissidoksen kiertymisen kautta. Kierros vaatii vain pienen energian. Esimerkki rotameriasta on butaani (CH3-CH2-CH2-CH3), jonka edeltävän kaavan tummennettujen hiilten välisen yksöissidoksen kiertyessä muodostuu kaksi eri rotameeriä (kuva alla). pienoiskuva|528px|Butaanin keskisidoksen kiertokulmien potentiaalienergiaerot pinkkinä käyränä. Lomittaiset A ja B ovat paikallisissa energiaminimeissä ja ovat siten rotameerejä. A on kaikkein pienienergisin konformaatio, joten se on globaali energiaminimi. Konformaatioiden potentiaalienergiaerot suhteessa A:han ovat 16 kJ/mol (3.9 kcal/mol), 3.8 kJ/mol (0.9 kcal/mol) ja 19 kJ/mol (4.5 kcal/mol) kuten kuvassa. C ja D ovat kohdakkaisia konformaatioita.|tyhjä
Rotamerian analyysi
Sidosten kiertymisen suotuisuutta selitetään kahdella tavalla:
steerinen hyljintä – ryhmien ollessa kohdakkain, voivat niiden elektronein täytetyt molekyyliorbitaalit hylkiä toisiaan erityisesti jos ryhmät ovat suuria. vahventava hyperkonjugaatio – ryhmien ollessa lomittain, voi niissä oleva elektroniparilla täytetty sitova σ-orbitaali ja elektroneista tyhjä anti-sitova σ*-orbitaali mennä päällekkäin ja yhdistyä eli hyperkonjugoitua. Muodostuu yksi alkuperäistä hajottavaa orbitaalia korkeaenergisempi hajottava orbitaali ja sitovaa pienienergisempi sitova orbitaali. Sidoselektronipari siirtyy pienienergiselle orbitaalille, madaltaen konformaation potentiaalienergiaa lisäten siten tämän muotoisen konformaation suotuisuutta.
Hyperkonjugaation sijaan saatetaan myös sanoa kohdakkaisella konformaatiolla olevan kierto- eli torsionaalista jännitytystä (), erityisesti käsiteltäessä pieniä vedyn kaltaisia atomeja. Tällä viitataan ilmiöön, jossa kohdakkaisuus on epäsuotuisaa, muttei välttämättä kerrota, mistä epäsuotuisuus johtuu. Etaanilla lomittaisen konformaation suotuisuus johtuu lähinnä siitä, että energiaa madaltava hyperkonjugaatio on tässä muodossa mahdollinen. Etaanilla tämä selittää siis kohdakkaisen konformaation epäsuotuisuuden eli "torsionaalisen jännityksen" koska suotuisa hyperkonjugaatio lakkaa vaikuttamasta kohdakkaisessa muodossa.
Myös butaanissa hyperkonjugaatiota voidaan pitää merkittävimpänä tekijänä. Butaanin lomittaisessa konformaatiossa, joka on merkitty tämän osion alkukuvassa A:ksi, hyperkonjugaatio madaltaa konformaation energiaa hylkivien vaikutusten ollessa vähäisiä. B:ssä hyperkonjugaatio lisää suotuisuutta, mutta metyylit ovat lähellä toisiaan aiheuttaen vähäistä steeristä hyljintää. C:ssä hyperkonjugaatio ei pääse vaikuttamaan ja lähinnä tämä lisää C:n energiaa. D:ssä hyperkonjugaatio ei vaikuta ja metyylien toisilleen aiheuttama steerinen este lisää energiaa tästä vielä hieman. pienoiskuva|Butadieeni. s-cis (vas.) ja s-trans. Myös konjugaatio vaikuttaa. Konjugoimattomassa etaanissa kierähdys energiavallin yli vaatii 12 kcal/mol. Konjugoituneen sigma- eli s-cis-butadieenin yksöissidoksen kierto s-trans-muotoon vallin yli vaatii noin 30 kJ/mol, sillä konjugaatio antaa näennäiselle yksöissidokselle hieman kaksoissidosluonnetta. Dimetyyliformamidin tätä konjugoituneemman amidisidoksen 180° kierto vaatii jo 85 kJ/mol. Vertailun vuoksi 2-buteenin kierto vaatii energiaa jo noin 260 kJ/mol koska tässä on varsinainen kaksoissidos, jonka kierto vaatii piisidoksen väliaikaista rikkomista. 2-buteenissa kyse ei enää kuitenkaan ole konformeriasta, koska sidoksia rikkoutuu.
Atropisomeria pienoiskuva|Orto-bifenyyleihin kuuluvan 6,6'-dinitro-2,2'-difeenihapon atropisomeerit. Nämä ovat toistensa aksiaalisia isomeerejä. Atropisomeereissä jonkin yksöissidoksen kiertyminen on osin estynyttä, koska sidoksen täydellinen kiertyminen vaatii niin paljon energiaa ettei kiertymistä havaita käytännössä. Toistensa atropismeerit eivät spontaanisti muunnu toisikseen ja ne voidaan teoriassa erottaa toisistaan erillisinä aineina. Atropisomeerit voivat ilmentää aksiaalista kiraalisuutta. Esimerkkejä atropisomeriasta ovat jotkin substituoidut orto-bifeenylit (kuva), 1,1,2,2-tetra-tert-butyylietaani, BINAP, BINOL ja telentsipiini.
Rengaskonformeria Rengaskonformeriaa ilmentävät molekyylit, joissa on rengasrakenteita. Esimerkki tästä on sykloheksaani, jossa energiaminimin muodostavat tuoliksi- ja kierreveneeksi kutsutut konformaatiot. Ne ovat siten toistensa konformeerejä.
pienoiskuva|527px|Sykloheksaanin eri energiamaksimeja ja minimejä vastaavat konformaatiot: tuoli (A1/2), kierrevene (B1/2), vene (C) ja puolituoli (D1/2). A1 voi huoneenlämmössä läpikäydä helposti rengaskäännöksen muuntuen A2:ksi muiden kuvan muotojen kautta järjestyksessä A1→D1→ jne. tai päinvastoin. Vene ei ole välttämätön välimuoto rengaskäännöksessä. Pinkki käyrä on konformaatioiden potentiaalienergiaeroja suhteessa tuoliin. Erot ovat 43 kJ/mol (10.3 kcal/mol), 25 kJ/mol (6 kcal/mol) ja 21 kJ/mol (5 kcal/mol) kuten kuvassa. A1/2 ja B1/2 muodostavat paikalliset minimit ja ovat siksi konformeerejä.|tyhjä
Rengasjännitys pienoiskuva|141px|Tetaedrinen metaani. Kulmat ovat noin 109.5°. Orgaanisissa rengasrakenteissa näiden pyrkimys päästä eri konformaatioihin esimerkiksi hiilirungoltaan täysin tasomaisten rakenteiden sijaan selittyy ensisijaisesti sillä, että renkaiden hiilet pyrkivät muodostamaan ympärilleen sidokset tetraedrimuotoisesti neljään eri atomiin. Hiilissä sidosten orbitaalit ovat sp3-hybridisoituneet ihannetilanteessa noin 109.5° (tarkempi arvo noin 109.4712°) kulmiin suhteessa muihin sidoksiin. Kulmat muodostavat tetraedrin. Täysin tasomaisissa molekyyleissä kulmat eivät ole 109.5°, joten niillä on konformaation potentiaalienergiaa lisäävää rengasjännitystä. Muissa kuin tasomaisissa komformaatioissa kulmat ovat lähempänä 109.5° ihannekulmaa.
Esimerkiksi tasomaisen sykloheksaanin hiilten välisten sidosten kulmat olisivat 120° (katso säännöllinen kuusikulmio) aiheuttaen rengasjännitystä. Tämä on niin suurta ettei tasomuotoa ole olemassa. Tuolisykloheksaanin sidoskulmat ovat teoriassa ihanteelliset (109.5°), eikä rengasjännitystä siten ole. Tuolin sanotaan usein olevan rengasjännityksetön. Tämä ei ole totta lähinnä siksi, koska aksiaalisiin (katso Aksiaalisuus ja ekvatoriaalisuus) vetyihin vaikuttavat hylkivästi toiset saman puolen aksiaaliset vedyt. Siksi rengas pyrkii vähentämään tätä vuorovaikutusta litistymällä hieman, jolloin aksiaaliset vedyt taipuvat ekvatoriaalisemmiksi. Tuolin hiilten kulmat siksi ovat rengasjännityksen ja steerisen vaikutuksen välisenä kompromissina oikeasti noin 111.5°. Tähän hiili-hiili kulmaan vaikuttavat hieman myös hiilen sitomat vedyt. Kulmat ovat myös erilaiset hiilten ja vetyjen, sekä vetyjen ja vetyjen välillä, koska nämä eivät ole identtisiä ja vievät toisiltaan steerisesti eri verran tilaa.
Renkaiden hyperkonjugaatio ja muut vaikutukset vasen|pienoiskuva|Veneen vedyt tulevat hylkivästi lähelle toisiaan. Hiilten väliset kulmat ovat lähes 109.5° myös venesykloheksaanissa. Siksi veneen voisi olettaa olevan energiallisesti suotuisa. Vedyt ovat kuitenkin veneessä kohdakkain, jolloin niiden σ- ja σ*-orbitaalit eivät voi kunnolla hyperkonjugoitua (katso Rotamerian analyysi). Tämä tekee veneestä epäsuotuisan. Lisäksi veneen päiden aksiaaliset vedyt tulevat lähelle toisiaan (kuva) aiheuttaen steerisen esteen, mutta tämä vaikutus on hyperkonjugaation osittaiseen puutteeseen verrattuna pieni. Kierrevenemuodossa vaikutukset ovat samankaltaiset kuin veneessä, mutta kiertynyt rakenne vähentää edeltäviä vaikutuksia; kiertymisen takia erityisesti hyperkonjugaatio pääsee vaikuttamaan potentiaalienergiaa madaltaen.
Hyperkonjugaation merkitys näkyy hyvin syklopentaanissa. Sen tasomuodossa, jota ei oikeasti ole olemassa, hiilten kulmat olisivat 108° (katso säännöllinen viisikulmio) – lähes ihanteelliset. Tasossa vedyt kuitenkin ovat kohdakkain, jolloin rakennetta vakauttavaa hyperkonjugaatiota ei ole. Siksi syklopentaanin kaikkein suotuisin konformeeri on taipunut kirjekuorikonformaatio, jossa hyperkonjugaatio vaikuttaa. Kompromissina kirjekuoressa kaikki rakenteen hiilikulmat kuitenkin pienenevät ja rengasjännitys kasvaa – kirjekuoren kulmat ovat 102–106°.
Renkaiden substituointi Substituoituun hiilivetyrenkaaseen on liittynyt vetyjen tilalle substituentteja eli muita atomeita tai atomiryhmiä. Ryhmä olla vaikka hydroksyyli (katso sykloheksanoli). Monosubstituoidussa renkaassa ryhmiä on yksi, disubstituoidussa kaksi jne. + SubstituenttivertailuSubsti-tuenttiTasapai-nova-kio, KAksiaalisenja ekvatoriaali-sen energiaero,kJ/molEkvatoriaali-muodonyleisyys, %H1050OMe2.72.573Me197.395Et207.595i-Pr429.398t-Bu>3000>20>99.9Ph11011.799