6.7: Ciclohexano
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Finalmente, el ciclohexano es el anillo parafínico más común de todos, en parte porque es posible formar una conformación de ciclohexano que tiene muy poca energía de deformación. No obstante, tiene suficiente flexibilidad para que las cosas se vuelvan más complicadas que en los otros anillos que hemos mirado. Si el ciclohexano fuera plano, los ángulos de enlace C-C-C serían de 120 grados, como las esquinas de un hexágono regular. Eso es demasiado grande para un carbono tetraédrico, por lo que el ciclohexano utiliza su flexibilidad para adoptar una forma en la que se alivia esta energía de tensión.
Hay muchas formas que un ciclohexano podría adoptar. Solo veremos dos de ellos y usaremos nuestro conjunto de bases para pensar cuál es más estable y más probable. Una de estas formas se llama conformación de “barco”. En esta conformación, las esquinas opuestas del anillo de ciclohexano se elevan por encima del plano de los otros cuatro carbonos, formando la proa y popa de una embarcación.
Ir a Animación CA7.1. Un modelo tridimensional de ciclohexano, en una conformación tensada
Los ángulos de unión en la embarcación son de 109 grados. El barco no tiene tensión de anillo.
Hay cepas torsionales presentes a lo largo de los dos lados de la embarcación, aunque no en la proa y la popa.
La conformación de la embarcación sufre de cepas estéricas. Al tirar de los carbonos en la proa y la popa por encima del plano del anillo, los hidrógenos unidos se acercan muy entre sí.
En nuestro conjunto de bases, se trata de una interacción de seis átomos. Contamos el número de átomos para evaluar la interacción estérica potencial, comenzamos en uno de estos hidrógenos abarrotados, pasamos por el primero al cuarto carbono, y luego terminamos en otro hidrógeno abarrotado. Eso es un total de seis átomos incluyendo los dos átomos que parecen estar inclinados el uno hacia el otro, por lo que esta es una interacción estérica significativa. Si luego miramos a lo largo de uno de los lados de la embarcación en una proyección de Newman, nos encontramos con que la popa y la proa de la embarcación en realidad se eclipsan entre sí, por lo que esta interacción de seis átomos es bastante fuerte, alrededor de 1.5 kcal/mol.
Agregue a eso los 6 kcal/mol de tensión torsional, de tres pares de enlaces eclipsados en un lado de la embarcación y tres pares en el otro, y hay un total de 7.5 kcal/mol de energía de tensión en el conformador de barco de ciclohexano.
En realidad, la conformación de la embarcación no se produciría si hubiera otra conformación significativamente menor en energía.
- La conformación de la embarcación es una conformación inestable debido tanto a la tensión torsional como a la tensión estérica.
Una segunda forma se llama conformación de la silla. En un modelo de mano, esta forma se puede obtener agarrando la proa de la embarcación y girándola por debajo de la embarcación, manteniendo la popa en su misma posición sobre la embarcación.
Ir a Animación CA7.2. Un modelo tridimensional de ciclohexano en su conformador estable
Una investigación exhaustiva de su modelo demostrará que ya no hay cepas torsionales en esta conformación.
Tampoco hay cepas estéricas, porque aunque se pueden identificar pares de hidrógenos que están separados por seis átomos entre sí, estos pares siempre parecen estar apuntando bien alejados el uno del otro.
De hecho, si el modelo se ve desde arriba, para que parezca un hexágono, seis de los átomos de hidrógeno apuntan directamente hacia afuera alejándose del anillo; no pueden separarse mucho más que eso. Todos estos átomos se llaman hidrógenos ecuatoriales.
Los únicos átomos que se acercan entre sí en absoluto son los tres hidrógenos por encima del anillo, que están todos aproximadamente en la misma área del espacio, y los tres debajo del anillo. Estos átomos se denominan hidrógenos axiales.
La peor tensión estérica en la silla es la interacción de 5 átomos entre los hidrógenos axiales. En nuestro conjunto de bases, esta interacción cuesta 0 kcal/mol. La silla es más estable que la embarcación por 7.5 kcal/mol.
Esta conformación de ciclohexano es el conformador preferido.
- El ciclohexano siempre se encuentra en el conformador de silla. Este conformador no tiene deformación torsional o estérica.
La silla se puede mostrar en un dibujo lineal como se muestra a continuación. Observe que tres hidrógenos apuntan hacia arriba desde la silla y tres apuntan hacia abajo. Los otros hidrógenos están apuntando hacia afuera desde el centro.
Fotos fijas de modelos obtenidos usando Spartan 14 de Wavefunction, Inc., Irvine, California.