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3.2: Conformaciones de moléculas orgánicas de cadena recta

  • Page ID
    2324
  • 3.1A: Conformaciones de etano

    Enlaces simples en moléculas orgánicas son libres para rotar, con el resultado de que las moléculas orgánicas pueden adoptar un gran número de conformaciones posibles. Considere el ejemplo muy simple de etano. Aunque hay siete enlaces s en la molécula de etano, la rotación alrededor de los seis enlaces carbono-hidrógeno no da lugar a ningún cambio en la forma de la molécula debido a que los átomos de hidrógeno son esencialmente esférico. La rotación alrededor del enlace carbono-carbono, sin embargo, da lugar a muchas diferentes posibles conformaciones moleculares.

    image008.png

    Con el fin de visualizar mejor estas diferentes conformaciones, es conveniente utilizar una convención de dibujo llamado la proyección Newman. En una proyección de Newman, miramos hacia abajo a lo largo de un enlace específico de interés - en este caso, el enlace carbono-carbono en el etano. Nosotros representamos el átomo "frente" como un punto, y el átomo de atrás "como un círculo más grande.

                                     image010.png

    Los seis enlaces carbono-hidrógeno se muestran como líneas continuas que sobresalen de los dos carbonos a los 120 ° ángulos, que es cómo la geometría tetraédrica real se ve cuando es mirada desde esta perspectiva y aplanada en dos dimensiones.

    La conformación de energía más bajo de etano, que se muestra en la figura anterior, se llama la conformación 'escalonada', en el que todos los enlaces CH en el carbono frontal están colocados en ángulos diedros de 60 ° con respecto a los enlaces CH en el carbono de atrás. En esta conformación, la distancia entre los bonos (y los electrones en ellos) se maximiza.

    Si ahora hacemos girar el grupo CH3 frontal 60 ° en sentido horario, la molécula está en la energía más alta, conformacion 'eclipsado', donde los hidrógenos en el carbono frontal están tan cerca como sea posible a los hidrógenos en el carbono de vuelta.

    image012.png

    Esta es la conformación de energía más alta debido a las interacciones desfavorables entre los electrones en la parte delantera y trasera de los enlaces CH. La energía de la conformación eclipsada es aproximadamente 3 kcal / mol más alto que el de la conformación escalonada.

    Otra rotación de 60° devuelve la molécula a una segunda conformación eclipsada. Este proceso se puede continuar por todo el círculo de 360 ​​°, con tres posibles conformaciones eclipsadas y tres conformaciones escalonadas, además de un número infinito de variaciones entre medio.

    El enlace carbono-carbono no es completamente libre para girar - en efecto, hay una pequeña, barrera de 3 kcal / mol para la rotación que debe ser superado por el bono para girar de una conformación escalonada a otra. Esta barrera de rotación no es lo suficientemente alta para evitar la rotación constante, excepto a temperaturas extremadamente frías. Sin embargo, en cualquier momento dado la molécula es más probable de estar en una conformación escalonada - uno de los "valles" de energía de rotación - que en cualquier otro estado.

    3.1B: Conformaciones de butane

    Ahora consideremos el butano, una molécula levemente más grande. Ahora hay tres enlaces carbono-carbono rotativos para tener en cuenta, pero nos centraremos en el lazo intermedio entre C2 y C3. A continuación se presentan dos representaciones de butano en una conformación que pone los dos grupos CH3 (C1 y C4) en la posición eclipsada.

    image014.png

    Esta es la conformación de energía más alta para el butano, debido a lo que se llama 'van der Waals repulsión', o 'repulsión estérica', entre los dos grupos metilo en lugar voluminosos. 

    ¿Qué es la repulsión van der Waals? ¿No acabamos de aprender en el capítulo 2 que la fuerza van der Waals entre dos grupos no polares es una fuerza de atracción? Considere esto: es probable que te gusta estar cerca de tus amigos, pero no importa qué cercanos son usted probablemente no quiere compartir un apartamento de una habitación con cinco de ellos. Cuando los dos grupos metilo se acerca demasiado juntos, la interacción no covalente global resultante es repulsivo en lugar de atractivo. El resultado es que sus respectivas densidades de electrones se repelen entre sí.

    Si giramos la parte delantera, (azul) de carbono en un 60° en sentido horario, la molécula de butano está ahora en una conformación escalonada.

    image016.png

    Esto es referido más específicamente como la conformación 'gauche' de butano. Tenga en cuenta que a pesar de que están escalonados, los dos grupos metilo no están tan distantes entre sí como podría ser. Hay todavía significativa repulsión estérica entre los dos grupos voluminosos.

    Una rotación adicional de 60 ° nos da una segunda conformación eclipsada (B) en la que ambos grupos metilo están alineados con átomos de hidrógeno.

    image018.png

    Debido a la repulsión estérica entre metilo e hidrógeno sustituyentes, esta conformación eclipsada B es más alta en energía que la conformación gauche. Sin embargo, porque no hay eclipse-metil-metilo, es inferior en energía que la conformación eclipsada A.

    Una rotación más de 60° produce la conformación "anti", donde los dos grupos metilo están colocados opuestos entre sí y la repulsión estérica se minimiza. 

    image020.png

    Esta es la conformación de energía más baja para butano. 

    El siguiente diagrama resume las energías relativas de las diversas conformaciones eclipsó escalonados, y gauche.

     

    image022.png

    A temperatura ambiente, el butano es más probable de estar en la menor energía conformación contra en cualquier momento dado en el tiempo, aunque la barrera de energía entre las conformaciones contra y eclipsada no son lo suficientemente altas para evitar la rotación constante, excepto a temperaturas muy bajas. Por esta razón (y también simplemente por la facilidad de dibujar), es convencional dibujar alcanos de cadena lineal en forma de zigzag, lo que implica contra conformación en todos los enlaces carbono-carbono.

     

    image024.png

     
     
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    Ejercicio 3.1:  Dibuja las proyecciones Newman de las conformaciones eclipsadas y escalonadas de propano.

    Ejercicio 3.2: Dibuja una proyección Newman, mirando hacia abajo el enlace C2-C3, de 1-buteno en la conformación mostrada abajo.

    image026.png

     
    Solutions
     
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