Isomería conformacional Carmen Coronel Química Orgánica I Instituto de Química Orgánica Fac. de Bioquímica, Química y Farmacia Universidad Nacional de Tucumán

Isómeros Son compuestos que presentan la misma fórmula molecular, pero propiedades físicas y/o químicas distintas.

Clasificación De cadena De posición Constitucional o estructural De función Constitucional o estructural Isomería En C=C Cis-trans En ciclos Estereoisomería Conformacional Óptica

Isómeros constitucionales Los isómeros constitucionales o estructurales son los compuestos que a pesar de tener la misma fórmula molecular difieren en el orden en que están conectados los átomos, es decir, tienen los mismos átomos conectados de forma diferente (distinta fórmula estruc-tural).

Isómeros de cadena Los isómeros de cadena son compuestos que tienen distribuidos los átomos de carbono de la molécula de forma diferente. Por ejemplo, existen 3 isómeros de fórmula molecular C5H12.

Isómeros de posición Son compuestos que tienen las mismas funciones químicas, pero sobre átomos de carbono con números localizadores diferentes.

Isómeros de función Son compuestos de igual fórmula molecular que presentan funciones químicas diferentes.

La estereoquímica estudia a las moléculas en tres dimensiones. Estereoisómeros Los estereoisómeros son los isómeros cuyos átomos están conectados en el mismo orden, pero con disposición espacial diferente. La estereoquímica estudia a las moléculas en tres dimensiones.

Conformaciones Conformaciones son las distintas estructuras de un mismo compuesto que surgen como resultado de la “libre rotación” de los enlaces simples y la flexilibilidad de los ángulos de enlace.

Análisis conformacional El análisis conformacional es el estudio de las energías de las diferentes conformaciones. (Wade) El análisis conformacional es el estudio de la forma en la que los factores conformacionales afectan la estructura de una molécula y sus propiedades físicas y biológicas. (Carey)

Representaciones de moléculas orgánicas Proyecciones de Newman Carbono frontal Carbono posterior

Representaciones de moléculas orgánicas Caballete Tridimensional

Conformaciones del etano Enlace s sp3-sp3 “Libre rotación” alrededor del enlace s: diferentes conformaciones

Conformación alternada Conformaciones del etano Conformación alternada 60° 60º Vista a lo largo del enlace C-1 C-2

Conformación eclipsada Conformaciones del etano Conformación eclipsada Vista a lo largo del enlace C-1 C-2

Tensión torsional = ~ 3 kcal/mol Conformaciones del etano Tensión torsional = ~ 3 kcal/mol ~ 1 kcal/mol ~ 1 kcal/mol ~ 1 kcal/mol

Conformaciones del etano Estado de transición [Kcal/mol] 2,9

Energía rotacional o torsional Repulsión electrónica Es la energía que surge de la repulsión de la nubes electrónicas cuando se rota un enlace sigma. Se la conoce también como tensión de Pitzer.

Conformaciones del propano Conformación alternada 60º

Conformaciones del propano Confomación eclipsada Vista a lo largo del enlace C-1 C-2

Conformaciones del propano Tensión torsional = ~ 3,4 kcal/mol

Conformaciones del butano Libre de tensión torsional 180º Rotación de 60º Conformación anti Libre de tensión torsional

Conformaciones del butano 120º Eclipsada 120º H/H = 1 kcal/mol 2 (H/CH3) = 2 x 1,4 kcal/mol Tensión torsional = 3,8 kcal/mol

Conformaciones del butano 60º Conformación gauche Tensión estérica = 0,9 kcal/mol

Conformaciones del butano Conformación totalmente eclipsada o syn 0º Conformación totalmente eclipsada o syn Tensión total = 4,5 kcal/mol 2 interacciones H/H = 2 x 1 kcal/mol Interacción CH3/CH3 = 2,5 kcal/mol Tensión torsional Gran tensión estérica

Conformaciones del butano En el sentido estricto confórmero es la conformación de mínima energía, local o global. Por lo tanto, gauche y anti son confómeros.

Conformaciones del butano Ángulo de torsión [°] E [kcal/mol] 0,9 4,5 3,8 gauche anti

Estructura de los alcanos lineales Debido a la estructura del átomo de carbono los alcanos lineales adoptan la conformación más estable que es la alternada (forma de zig-zag) porque es la más estable. 28

Cicloalcanos: Introducción Los cicloalcanos, llamados también alcanos cíclicos o carbociclos, son compuestos que presentan átomos de carbono sp3 que forman anillos. Tienen fórmula general CnH2n.

Isomería cis-trans en ciclos Cis-1,2-dimetilciclopropano Trans-1,2-dimetilciclopropano Cis-1-cloro-3-yodociclobutano Trans-1-cloro-3-yodociclobutano

Cicloalcanos: tensión de Baeyer 1874 - Le Bel y van’t Hoff: geometría tetraédrica del carbono 1884 - Baeyer: Los cicloalcanos debe sufrir tensión angular cuando los ángulos de enlace son diferentes a 109°.

Tensión angular La tensión angular es la tensión debida a la desviación del ángulo de enlace (109,5º para la hibridación sp3), ya sea por compresión o expansión.

Calores de combustión El contenido energético de los alcanos puede evaluarse midiendo su calor de combustión (DHºcomb). Los valores negativos de DHºcomb de los alcanos lineales aumentan en una cantidad prácticamente constante al aumentar en uno los átomos de carbono. La estabilidad de un cicloalcano cualquiera se puede calcular comparando su calor de combustión con el del alcano lineal de igual número de átomos de carbono.

Calores de combustión

Tensión anular en los cicloalcanos

Tensión anular en los cicloalcanos 1. Anillos pequeños (ciclopropano, ciclobutano). 2. Anillos corrientes (ciclopentano, ciclohexano, cicloheptano). 3. Anillos medianos (de ocho a doce miembros). 4. Anillos grandes (de trece miembros en adelante).

1. Anillos pequeños Ciclopropano Tensión torsional elevada porque todos los enlace C-C están eclipsados Proyección de Newman

Parámetros geométricos: comparación con el propano Ciclopropano Parámetros geométricos: comparación con el propano 1,508 Å 1,089 Å 115° 60° 112° 1,11Å 1,53Å

Ciclopropano Tensión angular elevada porque hay gran desviación del ángulo de enlace. Enlaces combados: superposición deficiente. Reactividad diferente a los alcanos: adición además de sustitución con apertura de anillo

Ciclobutano Si todos los átomos de carbono están en un plano se observa la siguiente estructura: Presenta tensión torsional mayor que el ciclopropano porque tiene mayor número de carbonos e hidrógenos.

Ciclobutano 90° 112,5° 113,2° Presenta tensión angular menor que en el ciclopropano porque la desviación del ángulo de hibridación es menor.

Ciclobutano Para disminuir la tensión torsional uno de los átomos de carbono sale fuera del plano adquiriendo la conformación “plegada”. 26°

Ciclobutano 88,2° Cuando uno de los átomos de carbono está fuera del plano dismimuye la tensión torsional a costa de un incremento de la tensión angular, de manera tal que resultado neto es una disminución de la energía global, siendo esta conformación la más estable.

2. Anillos corrientes Ciclopentano Conformación plana Libre de tensión angular Elevada tensión torsional

Ciclopentano Conformación de sobre Uno de los átomos de carbono sale fuera del plano. Disminuye la tensión torsional a costa de un aumento de la tensión angular.

Conformación de semisilla Ciclopentano Conformación de semisilla Hay tres átomos de carbono en el plano, un átomo desplazado hacia arriba y otro hacia abajo del plano. La energía es similar a la conformación sobre.

Ciclopentano Tanto en la conformación sobre como en la semisilla, los carbonos en el plano y fuera del plano intercambian las posiciones con rapidez. El equilibrio entre las conformaciones del ciclopentano es muy rápido y se conoce como pseudo-rotación.

Ciclohexano Según la teoría de Baeyer el ciclohexano debería presentar tensión angular ya que si todos los átomos de carbono están en el plano, el ángulo de enlace es mayor en 11,5º que el ángulo de hibridación.

Ciclohexano Conformación de silla El ciclohexano presenta una conformación en la que cuatro átomos de carbono están en un plano, uno hacia arriba y otro hacia abajo. Esta conformación se parece a una reposera y se la denomina conformación silla

Ciclohexano Conformación de silla Todos los enlaces están escalonados. Libre de tensión angular y tensión torsional, por lo tanto, es la conformación más estable.

Hidrógenos ecuatoriales Ciclohexano Conformación de silla Hidrógenos axiales Eje Hidrógenos ecuatoriales

Ciclohexano Conformación de bote

Hidrógenos en asta: respulsión estérica Ciclohexano Conformación de bote Hidrógenos en asta: respulsión estérica 1,83 Å Los H en “asta” presentan tensión estérica por la proximidad. Además, presenta tensión torsional por los enlaces eclipsados. Esta conformación es menos estable que la silla.

Ciclohexano Conformación de bote Proyección de Newman

Ciclohexano Conformación de bote torcido Hidrógenos en asta: mayor distancia (2,52 Å) Tensión torsional: menor que en la bote. Tensión estérica: menor que en la bote. Esta conformación es más estable que la bote, pero menos estable que la silla.

Conformación de semisilla Ciclohexano Conformación de semisilla Presenta gran tensión torsional (5 C en el plano) y tensión angular. Esta conformación es la de mayor energía y es solo “un paso” de interconversión de silla a silla .

Interconversión de la silla En un determinado instante de tiempo, la mayor parte de las moléculas en una muestra de ciclohexano adoptan conformación de silla. Sin embargo, la barrera de energía entre las conformaciones silla y bote es lo suficientemente baja para que se interconviertan muchas veces cada segundo. Se puede pasar de una conformación de silla a otra, pasando por las conformaciones intermedias.

Gráfica de Energía potencial

Construcción de la silla Dibuje dos líneas paralelas ligeramente inclinadas y ligeramente desviadas. Los átomos de estos enlaces se encuentran en un plano y definen el “asiento” de la silla.

Construcción de la silla Dibuje los carbonos del “reposacabeza” y del “reposapiés” y trace las líneas que conecten estos átomos con el “asiento”. 1 2 3 4 5 6 Reposacabeza Reposapiés 1 2 3 4 5 6

Construcción de la silla Los enlaces axiales se dibujan verticalmente, hacia arriba o hacia abajo. Cuando el vértice de la silla se haya dirigido hacia arriba el enlace axial también. H 1 2 3 4 5 6 H

Construcción de la silla Los enlaces ecuatoriales son más complicados. Cada enlace ecuatorial que parte de un vértice tiene una pendiente diferente a la pendiente de los enlaces que forman ese vértice. H H H H H H H H

Ciclohexano monosustituidos Sustituyente ecuatorial Metilciclohexano Sustituyente axial (5%) Sustituyente ecuatorial (95%)

Ciclohexano monosustituido Metilciclohexano Interacción 1,3-diaxial gauche 3 5 1 0,9 kcal/mol 2 x 0,9 kcal/mol = 1,8 kcal/mol La interacción 1,3-diaxial es una interacción de tipo estérica similar a la que se presenta en la conformación gauche del butano.

Ciclohexano monosustituido Metilciclohexano Interacción 1,3-diaxial gauche 3 1 5 6 gauche 5 3 1 2

Ciclohexanos monosustituidos Preferencia conformacional de algunos ciclohexanos monosustituidos. d1 < d2

Ciclohexano monosustituido Etinilciclohexano 0,1 kcal/mol Ciclohexano-carbonitrilo 0,2 kcal/mol Ciclohexanol 0,7-1 kcal/mol

Ciclohexano monosustituido La preferencia del grupo t-butilo por la posición ecuatorial es tan grande que este grupo “ancla” al ciclohexano en una sola conformación.

Ciclohexanos disustituidos Isómero trans 1,2-dimetilciclohexano Isómero cis

Ciclohexanos disustituidos Trans-1,2-dimetilciclohexano diaxial diecuatorial Interacción 1,3-diaxial gauche 2 x 1,8 kcal/mol = 3,6 kcal/mol 0,9 kcal/mol Más estable

Ciclohexanos disustituidos Cis-1,2-dimetilciclohexano ecuatorial-axial axial-ecuatorial Interacción 1,3-diaxial gauche Interacción 1,3-diaxial gauche (1,8 + 0,9) kcal/mol = 2,7 kcal/mol (1,8 + 0,9) kcal/mol = 2,7 kcal/mol Isoenergéticas

Conformaciones de heterociclos La semejanza entre el ciclohexano y los heterociclos de seis miembros, se manifiesta al observarse que la forma más estable en ambos casos es la conformación silla. b-D-glucopiranosa 1,4-dioxano

Decalinas Cis-decalina Trans-decalina

Ciclopentanoper-hidrofenantreno Esteroides Ciclopentanoper-hidrofenantreno epiandrosterona

Bibliografía Carey, F. Química Orgánica. Ed. Mc Graw Hill. 6° ed. 2006. Vollhardt, K., Schore, N. Química Orgánica. Ed. Omega, S.A. 3° ed. 2000. Wade, L.G. Jr Química Orgánica.Ed. Pearson, 5º Ed. 2004