ANALISIS ONFORMAIONAL uando las moléculas se estudian desde una forma tridimensional, encontramos, entre otros, los isómeros conformacionales. Este tipo de isómeros tienen el mismo esqueleto pero difieren en cuanto a la posición relativa de ciertos átomos en el espacio tridimensional. En los isómeros conformacionales, estas diferencias se eliminan por rotación en torno a uno o más enlaces?, es decir, luego de un giro en al menos un enlace?, la disposición de los átomos se hace idéntica. Este proceso, que se conoce como análisis conformacional, describe los aspectos energéticos de esta clase de interconversión relacionando las posiciones atómicas relativas durante la rotación con los cambios de energía potencial. Etano uando se examina la rotación en torno al enlace carbono-carbono del etano, se observa que, aunque hay un número infinito de conformaciones, solamente existen dos extremos. En una de las estructuras cada enlace - del -1 se encuentra directamente enfrente de los enlaces - del -2, esta estructura es llamada la conformación eclipsada del etano. En la segunda estructura, cada enlace - del -1 se encuentra exactamente entre dos enlaces - del -2 y es llamada la conformación alternada del etano. Estas dos estructuras pueden ser interconvertidas por un simple giro de 60 o en torno al enlace? -. onformación Eclipsada onformación Alternada Estas representaciones son llamadas proyecciones de Newman, en las cuales el enlace - se aleja del observador y tanto el enlace - como el -2 se encuentran ocultos detrás del -1. Los electrones de los enlaces - en los carbonos anterior y posterior se encuentran más próximos entre sí en la conformación eclipsada lo que origina una repulsión entre ellos, resultando que esta conformación es energéticamente menos favorable que la conformación alternada. Esta diferencia de energía se conoce como tensión torsional. Para la rotación en torno al enlace? - del etano podemos dibujar un perfil que relacione la energía potencial relativa con el ángulo diedro entre un par de átomos de hidrógeno de cada uno de los carbonos.
La diferencia de energía entre las conformaciones eclipsada y alternada es de alrededor de 2.8 kcal/mol (unas 0.9 kcal/mol por cada interacción -). La conformación alternada se encuentra en un mínimo de energía mientras que la conformación eclipsada se encuentra en un máximo. Propano El propano también tiene una barrera de torsión., esta barrera es un poco mayor que la del etano (3.4 kcal/mol). En el confórmero eclipsado del propano hay dos interacciones - del tipo de las del etano y una entre un enlace - y uno -. omo cada interacción eclipsada - contribuye con 0.9 kcal/mol, podemos atribuir un valor de 1.4 kcal/mol a la interacción eclipsada entre el enlace - y el -. onformación Alternada onformación Eclipsada Butano La situación de las conformaciones se complica a medida que el alcano es mayor. Por ejemplo las proyecciones de Newman del butano muestran que la rotación en torno al enlace - central genera varias disposiciones alternadas y eclipsadas, no todas las conformaciones eclipsadas tienen la misma energía como tampoco las conformaciones alternadas. El arreglo con mínima energía, llamado conformación anti (antiperiplanar) es aquel en que los dos grandes grupos metilo están lo más alejados posible. Al girar las partes en torno al enlace 2-3 se llega a una conformación eclipsada en que hay dos interacciones entre metilo e hidrógeno y una - (conformación anticlinal). Si asignamos los valores de energía vistas con anterioridad, podríamos decir que esta conformación anticlinal será 3.7 kcal/mol menos estable que la conformación antiperiplar. Al continuar la rotación en derredor del enlace se llega a un mínimo de energía en la conformación alternada en la cual los grupos metilo forman un ángulo de 60 o. Esta es la conformación gauche (gosh) o synclinal y tiene 0.9 kcal/mol más energía que la conformación anti, aún cuando carece de interacciones eclipsadas. Esta diferencia de energía se debe a la tensión estérica causada por la repulsión entre los hidrógenos de los dos grupos metilo. A medida que el ángulo entre los grupos metilo tiende a 0 o, se llega a un máximo de energía ya que se generan cantidades apreciables de tensión tanto torsional como estérica.
Para esta conformación se ha calculado una diferencia de energía de 4.5 kcal/mol, lo que nos permite calcular un valor de 2.7 kcal/mol para la interacción 3? 3. Antiperiplanar Anticlinal Synclinal (Gauche) Synperiplanar Ahora podemos construir un perfil de energía para la rotación en torno al enlace central - entre los diferentes confórmeros del butano. Los mismos principios que acabamos de explicar para el butano se aplican al pentano, hexano y todos los alcanos superiores. uando se dice que determinado confórmero es más estable que otro, no queremos decir que la molécula adopte y mantenga la conformación más estable. A temperatura ambiente existe la suficiente energía térmica para girar alrededor de los enlaces? con tal velocidad que todos los confórmeros estarán en equilibrio. iclopropano omo hemos visto anteriormente, los alcanos de cadena abierta pueden presentar tensión tanto torsional debida al eclipsamiento de los enlaces en átomos vecinos como estérica ocasionada por las interacciones de repulsión cuando los átomos se acercan demasiado. Los cicloalcanos, además de estos dos tipos de tensiones podrán presentar tensión angular de dos tipos, tensión de ángulo pequeño y tensión de ángulo grande originada al abrir o cerrar los ángulos entre los enlaces. El ciclopropano al ser plano con ángulos de 60 o tiene enlace doblados con un carácter s de aproximadamente 17% y los enlaces - tienen un carácter s de aproximadamente 33% por lo que son orbitales aproximadamente sp 2. El carácter p adicional de los enlaces - libera algo de tensión. En un alcano sin deformar, la superposición de los orbitales es máxima y estos apuntan directamente uno hacia el otro. En el ciclopropano los orbitales no pueden hacerlo, solo se traslapan en un ángulo pequeño. El resultado es que los enlaces del ciclopropano son más débiles y reactivos que los enlaces normales de los alcanos.
iclobutano El ciclobutano exhibe el mismo fenómeno pero en un grado menor, presenta menor tensión angular que el ciclopropano pero más tensión torsional, por su mayor cantidad de hidrógenos en el anillo. omo un resultado de esto la tensión total en ambos compuestos es muy similar 26.4 kcal/mol para ciclobutano y 27.5 kcal/mol para ciclopropano. El ciclobutano está ligeramente flexionado, de manera que un átomo de carbono está a unos 25 o arriba del plano de los otros tres (esta conformación recibe el nombre de medio sobre). El efecto de este ligero doblez es el aumento de las tensiones angulares y la disminución de la tensión torsional. iclopentano Aunque el ciclopentano plano prácticamente no tiene tensión angular, sí presenta gran tensión torsional. En consecuencia se tuerce y adopta una conformación no plana, cuatro de los átomos de carbono se encuentran más o menos en el mismo plano y el quinto se sale de este (conformación de sobre). En su mayor parte los hidrógenos están casi alternados respecto a sus vecinos. iclohexano
Los ciclohexanos sustituidos son los cicloalcanos más comunes, muchos agentes farmacéuticos importantes contienen anillos de ciclohexano. Si el ciclohexano fuera plano, los ángulos de enlace deberían ser de 120 o con todos sus enlaces - eclipsados. Los ángulos -- del ciclohexano pueden llegar a tener el valor tetraédrico si el anillo adopta una conformación de silla. Al observar a lo largo de cualquier enlace - se observa que todos los enlace - vecinos están alternados. En esta conformación existen dos clases de posiciones para los sustituyentes en el anillo: axiales y ecuatoriales. En la conformación de silla del ciclohexano existen seis hidrógenos axiales perpendiculares al anillo y paralelos al eje de éste y seis hidrógenos ecuatoriales que están más o menos en el plano del anillo en torno a su ecuador. Los hidrógenos axiales se encuentran alternados entre sí, uno arriba y los vecinos abajo. De la misma forma se encuentran los hidrógenos ecuatoriales, arriba-abajo. omo el ciclohexano en la conformación de silla tiene dos clases de posiciones, se podría esperar que existieran dos isómeros del ciclohexano monosustituido, sin embargo
solamente existe uno. Esto es debido a que los anillos de ciclohexano son conformacionalmente móviles a temperatura ambiente, la conversión de una conformación de silla en otra requiere una energía de activación de aproximadamente 10 kcal/mol. Un sustituyente axial en una conformación de silla se convierte en un sustituyente ecuatorial después de la conversión. Axial Ecuatorial Además de la conformación de silla del ciclohexano existen otras posibilidades llamadas conformación de bote y conformación de bote torcido. Aunque la tensión angular se alivia en la conformación de bote, existen dos enlaces eclipsados. Algunas moléculas prefieren esta conformación. La conformación de bote del ciclohexano es 7 kcal/mol menos estable que el ciclohexano de silla, aunque este valor se reduce a unas 5.5 kcal/mol por un ligero torcimiento, lo que desahoga algo de la tensión torsional. Incluso esta conformación de bote torcido está mucho más deformada que la conformación de silla y las moléculas solamente la adoptan en circunstancias especiales, por ejemplo cuando hay formación de puente de hidrógeno entre los sustituyentes 1,4-. O O Las tres conformaciones del ciclohexano están en equilibrio, no obstante que las barreras energéticas para la interconversión son significativamente mayores que en los alcanos de cadena abierta. La ruta de más baja energía para la conversión de la conformación de silla en las de bote y bote torcido pasa por la semisilla, una conformación en la cual cinco de los seis átomos de carbono se encuentran en el mismo plano. A
continuación se muestran las diferencias de energía entre diversas conformaciones para las interconversiones. Vale la pena destacar varios puntos en este perfil de energía. La energía de activación para la conversión de la conformación de silla a la de semisilla es de 11 kcal/mol, considerablemente mayor que cualquier barrera conformacional que hayamos encontrado hasta el momento. Por consiguiente, esta transformación del ciclohexano se produce con una rapidez alrededor de un millón de veces menor que la rotación en torno al enlace - del etano. Por otra parte, la barrera para la interconversión de las conformaciones de bote torcido, a través del bote, requiere sólo 1.6 kcal/mol y es por lo tanto más rápida que la rotación del etano. La diferencia de energía entre las conformaciones de silla y de bote torcido del ciclohexano son lo bastante grande para que el bote torcido constituya solamente una pequeña fracción de la concentración en el equilibrio a temperatura ambiente.