Konformatsioon

Konformatsioon [ladina k sõnatüvedest "con"- (koos) ja "formare" (moodustuma)] on keemiavaldkonda kuuluv mõiste, mis on seotud mitmeaatomilise molekuli ruumilise kujuga – täpsemalt molekuli moodustavate aatomite ja/või funktsionaalrühmade paigutusega üksteise suhtes. Üks ja seesama molekul võib esineda mitmes konformatsioonis, kusjuures need on omavahel dünaamilises tasakaalus (ehk on võimalikud nn konformatsioonilased üleminekud). Konformatsioonidest räägitakse enamasti orgaaniliste või bioorgaaniliste molekulide kontekstis. Orgaaniliste molekulide konformatsiooniline rikkus on põhiliselt tingitud sellest, et sp3-hübridisatsioonis süsinikuaatomite vahel moodustunud üksiksideme ümber võivad asendajad põhimõtteliselt vabalt pöörelda.
Konformatsioonide stabiilsus ja konformeerid.
Illustreerimaks molekuli konformatsioonilist mitmekesisust, vaatleme n-butaani sümmeetrilises molekulis üksiksidet 2. ja 3. süsiniku vahel. Kui vaatame piki sidet ning vaatlejast kaugema süsiniku asendajate positsioon on rangelt fikseeritud, siis vaatlejapoolne süsinik koos asendajatega võivad üksiksideme ümber vabalt pöörelda 360° ulatuses. Seejuures tekib põhimõtteliselt lõpmatu arv konformatsioone, mida on kõige mugavam eristada sellise nurga suuruse alusel, mis näiliselt tekib vaatlejast kaugema süsiniku metüülasendaja ning vaatlejapoolse süsiniku metüülasendaja vahel (nn dieedriline nurk).
Molekuli kõik konformatsioonid ei ole samas võrdselt stabiilsed – eriti juhul, kui süsinike asendajad on mõõtmetelt suured või laetud. Suurte asendajate puhul tekivad nn steerilised takistused, kuna eri süsinike asendajad ei mahu teineteise vahetusse lähedusse. Laetud asendajate puhul tulevad aga arvestada elektrostaatiliste teguritega (samanimelised laengud tõukuvad, erinimelised tõmbuvad). Esinevad ka muud konformatsioonide stabiilsust mõjutavad tegurid, nt hüperkonjugatsioon. Molekuli stabiilseid konformatsioone nimetatakse ka konformeerideks. Näiteks eelmises lõigus käsitletud n-butaani puhul on stabiilseimaks konfirmeeriks selline, kus nurk vaatlejast kaugema süsiniku metüülasendaja ning vaatlejapoolse süsiniku metüülasendaja vahel on 180°.
Mida energeetiliselt stabiilsem on konformeer, seda suurem on tõenäosus, et molekul viibib igal hetkel just selles konformatsioonis. Kuna aga tegemist on dünaamilise tasakaaluga, siis põhimõtteliselt saab molekul pidevalt ühest konformeerist teiseks üle minna, seejuures viibides vahepeal energeetiliselt mittesoodustatud konformatsioonis (mida võib vaadelda ka üleminekuolekuna). Konformatsiooniline isomeeria ongi selle poolest erandlik stereoisomeeria liik, et uue isomeeri tekkeks ei ole põhimõtteliselt vaja kovalentseid sidemeid lagundada või tekitada.
Konformatsioonid keerulisemates molekulides ja nende olulisus.
Suuremate molekulide puhul võib tekkida mulje, et ka stabiilsete konformatsioonide arv on praktiliselt hoomamatu, sest molekulides on hulgaliselt üksiksidemeid, mille ümber saab pöörlemine toimuda. Siiski esineb ka struktuurselt mitmekesisemates molekulides piiravaid tegureid, mis vähendavad konformeeride arvu. Näiteks tsüklilistes molekulides (tsükloalkaanides, aga nt ka sahhariidide tsüklilistes vormides) on aatomite liikumisvabadus tugevalt piiratud, võrreldes mittetsüklilise molekuliga.
Samuti esineb eriti suurtes molekulides olukord, kus molekuli ühe osa stabiilseima konformatsiooni saavutamine raskendab konformatsioonilisi üleminekuid molekuli teistes osades. Sel viisil võib näiteks valkude puhul vaadelda kõrgemat järku struktuuride tekkemist ehk voltumist (ingl k "folding") samuti konformatsioonilise üleminekuna mittevoltunud vormist voltunud vormi. Lisaks stabiliseerivad biomolekulides (nt valkudes, nukleiinhapetes) teatud konformatsioone nii biomolekulide sees tekkinud hüdrofoobsed vastastikmõjud ja vesiniksidemed kui ka vastastikmõjud ümbritsevas keskkonnas leiduvate veemolekulidega. Kuna biomolekulide ruumiline kuju ja selle lokaalne muutumine eri stiimulite toimel määravad molekuli võime seostuda teiste molekulidega, on biomolekulide konformatsiooniline dünaamilisus väga oluline näiteks ravimiarenduse seisukohalt.
Suuremate molekulide konformeeride ja ka konformatsiooniliste üleminekute uurimiseks kasutatakse sageli tuumamagnetresonantsspektroskoopiat, sest see uurimismeetod võimaldab vaadelda dünaamilisi muutusi. Staatilisemad meetodid nagu valkude röntgenkristallograafia annavad eelistatult infot stabiilseima konformeeri kohta.