4.3: Análisis de conformación de ciclohexano

Conformación de silla de ciclohexano

El ciclohexano es el cicloalcano más estable. Está libre de deformación, lo que significa que no se aplican cepas angulares ni torsionales, y muestra la misma estabilidad que los alcanos de cadena. Esta estabilidad especial se debe a una conformación única que adopta. La conformación más estable del ciclohexano se llama conformación de “silla “, ya que se asemeja un poco a una silla.

En la conformación silla del ciclohexano, todos los carbonos están en ángulos de unión de 109.5º, por lo que no se aplica ninguna deformación angular. Los hidrógenos en los carbonos adyacentes también están dispuestos en una conformación escalonada perfecta que hace que el anillo esté libre de tensión torsional también. Esto se ilustrará más claramente más adelante cuando nos enteremos de la proyección Newman de la conformación de la silla.

Propiedades de la conformación de la silla

En la conformación silla del ciclohexano, los doce enlaces C-H totales se pueden dividir en dos categorías en función de las orientaciones, que son axiales (“a”) y ecuatoriales (“e”). En la estructura de abajo, los seis enlaces de color rojo son axiales y los seis enlaces de color azul son ecuatoriales. Los enlaces axiales son verticales y perpendiculares al plano promedio del anillo, mientras que los enlaces ecuatoriales son más “planos” y se extienden desde el perímetro del anillo. Tanto para “a” como para “e”, pueden apuntar hacia arriba ↑ (por encima del anillo), o apuntar hacia abajo ↓ (debajo del anillo). La tendencia de los enlaces “a” y “e” en la conformación de la silla se puede resumir como:

• Cada carbono tiene un enlace “a” y un enlace “e”; si un enlace apunta hacia arriba ↑ (por encima del anillo), el otro tiene que apuntar hacia abajo ↓ (debajo del anillo);
• Para el mismo tipo de enlaces, la orientación hacia arriba ↑ y hacia abajo ↓ alterna de un carbono al carbono adyacente, es decir, si un cierto carbono tiene un ↑, entonces el carbono adyacente debe tener un ↓;
• Para el total de doce enlaces C-H: 3 a ↑, 3 a ↓, 3 e ↑, 3 e ↓.

Cómo dibujar la conformación de la silla

Es importante poder comprender y reconocer todos los vínculos en la conformación de la silla, y también se espera que puedas dibujar la conformación correcta y rápidamente. El procedimiento es:

1. Dibuja dos líneas paralelas de la misma longitud, ambas apuntan ligeramente hacia abajo (si están conectadas, formarían un paralelogramo con un ángulo interno de aproximadamente 60°/120°).
2. Conecte los puntos finales derechos de las dos líneas con forma de “V”, de modo que el vértice de la V apunte a la parte superior derecha
3. Conecta los puntos de partida izquierdos de las dos líneas con otra forma de “V”, para que el vértice de la V apunte a la parte inferior izquierda Sumar todos los enlaces “a” en cada carbono como las líneas verticales, seguir la tendencia alternante en carbonos adyacentes
   
4. Agregue todos los bonos “e” siguiendo la tendencia en la que sobre cierto carbono, si un enlace “a” apunta hacia arriba, entonces un enlace “e” debe apuntar hacia abajo, y viceversa. También observe que el enlace “e” es paralelo al enlace C-C que está a un enlace de distancia, como se muestra a continuación. La “e verde” es paralela al “enlace C-C verde”, y la “e azul” es paralela al “enlace C-C azul”. (Es más desafiante dibujar bonos “e”, y seguir la tendencia anterior lo hace más fácil).

Es muy recomendable utilizar un conjunto de modelos moleculares como herramienta de estudio en esta sección. Arme un anillo de ciclohexano con el modelo y familiarízate con todos los enlaces en la conformación de la silla.

¡La práctica hace la perfección! Se requiere mucha práctica para llegar a ser experto en dibujar y comprender la conformación de la silla.

Volteo de anillos

Cuando un anillo de ciclohexano sufre una conversión de conformación silla-silla, eso se conoce como volteo de anillo. El volteo del anillo proviene de la rotación del enlace C-C, pero dado que todos los enlaces están limitados dentro del anillo, la rotación solo puede ocurrir parcialmente, lo que lleva al anillo “volteando”. El ciclohexano se interconvierte rápidamente entre dos conformaciones estables de silla debido a la facilidad de rotación de la unión. La barrera energética es de aproximadamente 45 kJ/mol, y las energías térmicas de las moléculas a temperatura ambiente son lo suficientemente grandes como para provocar que se produzcan aproximadamente 1 millón de interconversiones por segundo.

Para el ciclohexano, el anillo después del volteo todavía parece algo idéntico al anillo original, sin embargo hay algunos cambios ocurriendo en los enlaces C-H. Específicamente, todos los bonos “a” se convierten en bonos “e” y todos los bonos “e” se convierten en bonos “a”, sin embargo sus posiciones relativas en términos del anillo, arriba o abajo, siguen siendo las mismas. El volteo del anillo se muestra en la siguiente ecuación. Compara el carbono con la misma numeración en las dos estructuras para ver qué pasó con los enlaces debido al volteo del anillo.

Tomando C #1 como ejemplo, notará que el rojo a ↓ se convirtió en un rojo e ↓, y el azul e ↑ convertido a un azul a ↑ después del anillo volteando.

Resumen de volteo de anillo para conformación de silla:

• Esto NO es rotación, sino volteo de anillo
• Las dos estructuras son isómeros de conformación (o confórmeros)
• todos los bonos “a” se convierten en bonos “e” y todos los bonos “e” se convierten en bonos “a”
• Estas dos conformaciones son equivalentes para el propio anillo de ciclohexano (sin ningún substituyentes), con el mismo nivel de energía

Un modelo molecular es muy útil para entender el volteo de anillos.

Proyección Newman de conformación de silla

La conformación de la silla es libre de tensión, con todos los enlaces C-H en posición escalonada. Sin embargo, no es tan fácil ver la conformación escalonada en los dibujos que tenemos hasta ahora, y la proyección de Newman ayuda para este propósito.

Para dibujar proyecciones de Newman para la conformación de la silla del ciclohexano, también necesitamos recoger el enlace C-C para ver a lo largo, tal como hicimos para los alcanos. Dado que hay un total de seis bonos C-C, elegiremos dos de ellos, y estos dos necesitan ser paralelos entre sí.

Para el ejemplo de conformación de silla aquí, los dos enlaces C-C paralelos azules se recogen para su visualización, que son C1-C2 y C5-C4. (Hay 3 pares de enlaces paralelos en la conformación de la silla, cualquier par se puede recoger con la proyección resultante de Newman luciendo igual).

Para el enlace C1-C2, C1 es el carbono 'delantero” y C2 es el carbono “trasero”; para el enlace C5-C4, C5 es el carbono 'delantero” y C4 es el carbono “trasero”. Estos dos enlaces estarán representados por dos “proyecciones de Newman” con las que estamos familiarizados (dos cosas de círculo) y cada una representa dos carbonos, como se muestra a continuación:

Ten en cuenta que hay un total de seis carbonos en el ring, y el dibujo anterior sólo muestra cuatro de ellos con C3 y C6 quedando fuera. Adicionalmente, las dos proyecciones Newman “separadas” anteriores están realmente conectadas tanto a C3 como a C6, por lo que la proyección general de Newman de la conformación de la silla del ciclohexano se ve así:

¡La conformación escalonada de los hidrógenos se muestra claramente en la proyección de Newman aquí!

Notas para las proyecciones Newman de la conformación de la silla (consulte el dibujo a continuación):

• Los enlaces “a” o “e” en cuatro carbonos (C1, C2, C4 y C5) se muestran explícitamente, mientras que los enlaces en C3 y C6 se muestran simplemente como CH ₂.
• Los enlaces C-H verticales rojos son los enlaces “a”, los enlaces C-H azules “planos” son los enlaces “e”.
• La línea discontinua en el dibujo a continuación puede considerarse como el plano promedio del anillo. Los que están por encima de la línea son los enlaces apuntan hacia arriba ↑, los que están debajo de la línea son los enlaces apuntan hacia abajo ↓.

Otra conformación de ciclohexano

La conformación de la silla es la más estable con la menor energía, pero no es la única conformación para el ciclohexano. Durante el volteo del anillo de una conformación de silla a otra conformación de silla, el anillo pasa por varias otras conformaciones, y aquí solo hablaremos brevemente sobre la conformación de la embarcación.

Figura 4.3a Conformación en bote de ciclohexano

La conformación de la embarcación proviene de rotaciones parciales de enlace C-C (solo volteando un carbono para convertir la silla en una embarcación) de la conformación de la silla, y todos los carbonos aún tienen ángulos de unión de 109.5º, por lo que no hay tensiones angulares. Sin embargo, los hidrógenos en la base de la embarcación están todos en posiciones eclipsadas, por lo que hay cepas torsionales. Esto se puede ilustrar con la proyección de Newman a continuación. La proyección de Newman se dibuja mediante la visualización a lo largo de los enlaces C6-C5 y C2-C3 de la conformación del barco anterior.

Figura 4.3b Proyección Newman de conformación de embarcación

Aparte de eso, los dos átomos de hidrógeno en C1 y C4 están muy cerca uno del otro y causa tensión estérica. Esto también se llama la interacción “asta de bandera” de la conformación del barco. Los dos tipos de cepas hacen que la conformación de la embarcación tenga una energía considerablemente mayor (aproximadamente 30 kJ/mol) que la conformación de la silla.