Análisis Conformacional

ANALISIS CONFORMACIONAL
Cuando 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
Cuando 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 C-H del C-1 se encuentra directamente enfrente de los
enlaces C-H del C-2, esta estructura es llamada la conformación eclipsada del etano. En la
segunda estructura, cada enlace C-H del C-1 se encuentra exactamente entre dos enlaces CH del C-2 y es llamada la conformación alternada del etano. Estas dos estructuras pueden
ser interconvertidas por un simple giro de 60o en torno al enlace ? C-C.
Conformación Eclipsada
Conformación Alternada
Estas representaciones son llamadas proyecciones de Newman, en las cuales el
enlace C-C se aleja del observador y tanto el enlace C-C como el C-2 se encuentran ocultos
detrás del C-1. Los electrones de los enlaces C-H 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 ? C-C 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 H-H). 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
H-H del tipo de las del etano y una entre un enlace C-H y uno C-C. Como cada interacción
eclipsada H-H contribuye con 0.9 kcal/mol, podemos atribuir un valor de 1.4 kcal/mol a la
interacción eclipsada entre el enlace C-C y el C-H.
Conformación Alternada
Conformación 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 C-C 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 C2-C3 se llega a una conformación eclipsada en que hay dos
interacciones entre metilo e hidrógeno y una H-H (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 60o . 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 0o , 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 CH3 ? CH3 .
Antiperiplanar
Anticlinal
Synclinal (Gauche)
Synperiplanar
Ahora podemos construir un perfil de energía para la rotación en torno al enlace
central C-C 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.
Cuando 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.
Ciclopropano
Como 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 60o tiene enlace doblados con un
carácter s de aproximadamente 17% y los enlaces C-H tienen un carácter s de
aproximadamente 33% por lo que son orbitales aproximadamente sp2. El carácter p
adicional de los enlaces C-C 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.
Ciclobutano
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. Como 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 25o 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.
Ciclopentano
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.
Ciclohexano
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 120o con todos sus enlaces C-H eclipsados. Los
ángulos C-C-C del ciclohexano pueden llegar a tener el valor tetraédrico si el anillo adopta
una conformación de silla.
H
H
H
H
C
C
C
H
H
C
C
H
H
H
C
H
H
H
Al observar a lo largo de cualquier enlace C-C se observa que todos los enlace C-H
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.
Como 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.
H
H
C
H
H
C
C
H
H
H
H
C
H
C
C
H
H
C
H
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-.
H
H
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 C-C 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.