Chimica Organica-DiSTABiF

Analisi conformazionale dell’etano

Fattore che destabilizza il conformero eclissato: tensione torsionale (repulsione tra gli elettroni di legame di due sostituenti)
Fattore che stabilizza il conformeto sfalsato: iperconiugazione.

Analisi conformazionale del butano

In questo caso entra in gioco anche la tensione sterica (repulsione tra le nuvole elettroniche dei sostituenti)

Analisi conformazionale del cicloesano

Per i cicloalcani dobbiamo prendere in considerazione anche la tensione angolare o d’anello (dovuta alla deviazione dell’angolo dall’angolo tetraedrico).
Nel caso del cicloesano a sedia, l’angolo è di 111°, molto vicino all’angolo tetraedrico.

Perchè la conformazione a sedia è più stabile delle altre?

Cicloesani monosostituiti

Cicloesani disostituiti

Fattori che destabilizzano i conformeri a sedia:

-Interazioni 1,3-diassiali

-Altre interazioni gauche

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Risorse interattive:

Proiezioni di Newman del butano e dell’etano: seguendo questi link e cliccando sulle proiezioni di Newman è possibile confrontare quelle sfalsate e quelle eclissate, inoltre, cliccando sulle frecce è possibile visualizzare la rotazione intorno al legame sigma.

Conformazioni del butano (rispetto al legame C2-C3): anche qui è possibile interagire come descritto sopra per visualizzare tutte le diverse conformazioni e l’energia ad esse associata.

Conformazioni del cicloeasano (modalità interattiva: cliccare su conformeri e su frecce, come descritto sopra).

Diversi tipi di rappresentazioni strutturali dei composti organici sono disponibili e ciascuna di esse è utile per mettere in evidenza determinati aspetti spaziali (e non solo). Saperle scrivere e leggere è fondamentale. Inoltre, è importante saper convertire queste rappresentazioni tra loro.

Sicuramente una struttura che vedremo spesso è quella a segmenti, in cui l’orientamento nello spazio dei sostituenti viene indicato usando un cuneo pieno (verso l’osservatore) e un cuneo tratteggiato (lontano dall’osservatore). Questo tipo di rappresentazione però non è adatta per l’analisi conformazionale, nè utile per mostrare gli aspetti stereochimici delle reazioni.

Le proiezioni di Newman sono usate per rappresentare su carta le strutture tridimensionali che derivano dalla rotazione intorno ai legami sigma. Indicazioni su come scriverle sono riportate nel paragrafo 3.11 del Bruice. Le strutture a cavalletto mostrano il legame C-C in modo prospettico. In particolare, stiamo osservando la molecola da un angolo. I legami possono essere eclissati o sfalsati.

A questo punto, vVediamo la relazione esistente tra la proiezione a cavalletto e la proiezione di Newman. Se immaginiamo la proiezione di Newman come una rappresentazione 2D della struttura a cavalletto, che invece ci mostra il legame C-C da un certo angolo, il passaggio dall’una all’altra dovrebbe essere immediato.

Per passare dalla proiezione a cavalletto a quella di Newman, immaginiamo di proiettare i legami (e gli atomi) sul foglio; per fare il contrario, immaginiamo di estendere la proiezione di Newman fuori dal foglio.

ESEMPIO:
Nella figura in basso sono riportate la proiezione di Newman e la struttura a cavalletto corrispondenti di una delle conformazioni sfalsate (riquadro giallo) ed eclissate (riquadro verde) del 2-metilpentano, secondo il legame C2-C3.

Una nota a parte è essenziale per le rappresentazioni del cicloesano, che sono ampiamente trattate sul libro. Nel paragrafo 3.13 vedrete come disegnare i conformeri a sedia e come effettuare la conversione d’anello. A pagina 133 sono disponibili invece informazioni su come disegnare la proiezione di Newman del cicloesano.

*In questo post di fa spesso riferimento al libro: in questo caso ci riferiamo all’ultima edizione del Bruice. Chi ha un libro diverso, potrà avvalersi dell’aiuto dell’indice analitico

Gli isomeri conformazionali si interconvertono rapidamente l’uno nell’altro, in conseguenza della libera rotazione intorno al legame singolo. In genere, questi isomeri non possono essere separati l’uno dall’altro.

In virtù della rotazione intorno al legame sigma, per uno stesso composto è possibile scrivere diverse conformazioni.

In realtà, questa rotazione intorno al legame singolo non è completamente libera, dato che, nel momento in cui gli elettroni di legame vengono a trovarsi alla minima distanza (nelle conformazioni eclissate) ci sarà una repulsione tra di essi che porterà all’instaurarsi della tensione torsionale. La tensione torsionale è dunque la resistenza opposta alla rotazione dei legami ed è dovuta alla repulsione tra gli elettroni di legame. I conformeri sfalsati sono ulteriormente stabilizzati dall‘iperconiugazione, che vede la sovrapposizione momentanea di un orbitale di legame sigma, occupato da elettroni, e un orbitale di antilegame vuoto di un C-H adiacente. I due orbitali si trovano in una posizione favorevole per la sovrapposizione solo nei conformeri sfalsati.
A seguire, vediamo come questi due fattori determinano le differenze di energia nelle conformazioni dell’etano.

Se ai carboni sono legati dei gruppi più ingombranti dell’idrogeno, dobbiamo tener conto anche della tensione sterica, che è il risultato della repulsione tra le nuvole elettroniche di atomi o gruppi. Segue l’esempio delle conformazioni del butano secondo il legame C2-C3. Gruppi che danno maggiore ingombro sterico, contribuiranno maggiormente alla tensione sterica.

Infine, nel caso dei cicloalcani, è necessario tener presente un terzo tipo di tensione, che è quella angolare (o di anello), che si manifesta quando gli angoli di legame deviano dal valore ideale.

Nel caso del cicloesano, esistono diverse conformazioni caratterizzate da diverse energie. Le due conformazioni più stabili, quelle a sedia, sono prive di tensione angolare, dato che l’angolo di legame è molto vicino a quello tetraedrico, e di tensione torsionale, dato che tutti i legami C-H sono sfalsati. In presenza di sostituenti diversi dall’idrogeno, dobbiamo tener, invece, conto della eventuale tensione sterica. Il conformero a sedia con un sostituente in posizione equatoriale ha meno tensione sterica ed è perciò più stabile del conformero con il sostituente assiale. Un sostituente in posizione assiale ha interazioni 1,3-diassiali sfavorevoli.
In presenza di più sostituenti, dobbiamo valutare la stabilità relativa dei due conformeri a sedia caso per caso.

NB: questi appunti sono utili solo se prima si è studiata la teoria utilizzando il libro di riferimento.

Per informazioni su come scrivere le varie rappresentazioni, vedere https://chimicaorganicadistabif.com/2024/10/18/alcune-rappresentazioni-strutturali-dei-composti-org

Per i cicloesani a sedia e l’inversione dell’anello, vedere https://chimicaorganicadistabif.com/2024/10/18/cicloesano-inversione-di-anello/

Altro materiale utile si trova qui: https://chimicaorganicadistabif.com/2024/10/18/analisi-conformazionale-10/