Isomeria conformazionale

Isomeria conformazionale

L'isomeria confor­mazionale  de­riva dalla possibilità di rotazione at­torno al legame semplice carbonio-carbonio di una moleco­la, ed alle diverse disposizioni spaziali che gli atomi o i rag­gruppamenti atomici possono assumere come conseguenza di tale rotazione. Gli stereoisomeri che ne derivano sono detti conformeri o rotameri e sono convertibili l'uno nell'altro senza rompere legami, ma attraverso rotazioni attorno al legame semplice C-C. Non sono fisicamente separabili

La figura seguente mostra la molecola dell'etano (C₂H₆) osservata nello spazio secondo due diverse proiezioni: prospettiche o a cavalletto (saw-horse) e frontali o di Newman.

Se non vi sono impedimenti di tipo 'energetico', intorno al legame  vi è libera rotazione.

Per questo motivo la struttura dell'etano può assumere tutte le possibili posizioni intermedie tra due conformazioni limite: la sfalsata e la eclissata.

La conformazione sfalsata è più stabile (ha una energia potenziale inferiore alla eclissata di circa 3 kcal/mole) e ciò significa che la molecola dell'etano passa la maggior parte del suo tempo nella conformazione sfalsata.

Energia torsionale

Poiché la 'barriera energetica' non è molto elevata, intorno al legame carbonio-carbonio dell'etano si può avere libera rotazione che in effetti avviene attraverso un rapido passaggio da una conformazione sfalsata ad un'altra attraverso tutte le possibili conformazioni intermedie. La barriera di energia fra le due forme limite si dice energia torsionale ed è di 3 kcal/mol nel caso dell'etano.

Nella conformazione eclissata infatti gli atomi di idrogeno opposti si trovano più vicini che nella configurazione sfalsata.

Una barriera rotazionale di 3 kcal/mol è in tuttavia troppo elevata per dipendere solamente dall'ingombro sterico prodotto dagli atomi di idrogeno nelle conformazioni non sfalsate. Come si può infatti osservare dalla figura seguente il raggio di Van der Waals dell'idrogeno non è tale da produrre interazioni steriche rilevanti.

Si ritiene perciò che la maggior stabilità della conformazione sfalsata sia dovuta essenzialmente alla repulsione tra le nuvole elettroniche dei legami C-H, i quali tendono a disporsi il più lontano possibile gli uni dagli altri.

In generale gli orbitali di legame di atomi di carbonio adiacenti tendono sempre ad assumere una conformazione sfalsata ed ogni rotazione che provochi un allontanamento da tale disposizione genera una tensione torsionale (torsional strain), che rende la conformazione meno stabile

Ogni conformazione è caratterizzata da un valore dell'angolo di torsione.

Dati 4 atomi A-B-C-D legati in successione, si definisce angolo di torsione l'angolo diedro compreso tra il piano A-B-C ed il piano B-C-D. L'angolo di torsione misura dunque la rotazione attorno al legame B-C

La conformazione sfalsata dell'etano presenta ad esempio un angolo di torsione = 60°, mentre la conformazione eclissata presenta un angolo di torsione nullo.

A temperatura ambiente le molecole di etano possiedono sufficiente energia per essere in rotazione continua. A causa di ciò è impossibile isolare un particolare conformero.

In effetti, a causa della loro rapida interconversione, le conformazioni di una molecola non dovrebbero essere considerate veri e propri isomeri ed il termine "isomeri conformazionali" andrebbe più opportunamente sostituito con il termine "conformazioni molecolari".

Anche nel caso del n-butano la barriera torsionale è sufficientemente bassa da consentire la libera rotazione attorno al legame C₂-C₃. Le conformazioni possibili sono in questo caso più numerose.

Consideriamo in particolare le 2 conformazioni sfalsate (A C) e le 2 conformazioni eclissate (B  D) mostrate di seguito

Come nel caso dell'etano le conformazioni sfalsate (anti e gauche) sono più stabili di quelle eclissate.

La differenza di energia tra le diverse conformazioni è dovuta in questo caso non solo alla tensione torsionale, ma anche all'ingombro sterico prodotto dai gruppi metilici che genera la cosiddetta tensione sterica (steric strain).

La tensione sterica è correlata alle forze di Van der Waals, forze molto deboli che si generano tra gruppi non polari per la comparsa in essi di momentanee fluttuazioni di carica nelle nuvole elettroniche, con conseguente formazione di dipoli temporanei. Le forze di Van der Waals hanno un raggio di azione molto piccolo, differente per ogni atomo (o raggruppamento chimico). È quindi possibile definire, per ogni atomo, una distanza, detta Raggio di Van der Waals,  che ne definisce le dimensioni in termini di capacità di interazione con gli altri atomi. Quando due atomi non legati vengono avvicinati, l'attrazione dovuta alle forze di Van der Waals aumenta fino a diventare massima quando i loro nuclei si trovano ad una distanza pari alla somma dei loro raggi di Van der Waals. Qualora si tenti di avvicinare ulteriormente gli atomi, l'attrazione di Van der Waals si trasforma in una repulsione via via crescente, che tende ad aumentare l'energia potenziale del sistema, destabilizzandolo e generando una tensione sterica. Il raggio di Van der Waals di un atomo ne definisce il suo ingombro sterico (steric hindrance).

Si noti ad esempio come le conformazioni eclissate non siano tutte equivalenti e sia meno stabile quella in cui i gruppi metilici sono allineati (sinperiplanare) rispetto a quella in cui i gruppi metilici si allineano con gli atomi di idrogeno (anticlinale). Ciò è dovuto al fatto che in tutte le conformazioni, tranne che in quella 'anti', esiste una tensione sterica legata al fatto che i due gruppi metilici si trovano ad essere più vicini della somma dei loro raggi di Van der Waals (0,200 nm)

Se invece di gruppi metile, si avessero sostituenti più grossi o fortemente polarizzati (tipo bromo o cloro), la libera rotazione risulterebbe ostacolata sia per effetto delle forze di repulsione di van der Waals, più forti fra atomi di grosse dimensioni (il cosiddetto ingombro sterico), sia a causa di interazioni elettrostatiche. In questo caso, la molecola tenderebbe a disporsi preferenzialmente in una configurazione di tipo anti.

Anche i composti ciclici saturi possono presentarsi con conformazioni diverse. Rivestono particolare importanza le conformazioni dei composti ciclici saturi con anelli a 5 (ciclopentano) e 6 (cicloesano) atomi di carbonio poiché costituiscono i mattoni costruttivi di moltissimi composti biologici.

La stabilità delle diverse conformazioni cicliche dipende in questo caso essenzialmente da tre fattori: la tensione torsionale, la tensione sterica e la tensione angolare.

Delle prime due abbiamo già detto.

La tensione angolare (angle strain) è un fattore di instabilità che si genera quando gli atomi sono costretti a modificare gli angoli di legame naturali del loro stato ibridato. Ad esempio per un carbonio sp³, ogni deviazione da un angolo tetraedrico è accompagnata da una tensione angolare. Di conseguenza conformazioni cicliche (costituite da atomi di carbonio sp³) che presentino angoli interni diversi dal valore normale tetraedrico (109.5°)  risultano instabili.

Il ciclopentano in conformazione planare avrebbe angoli interni di 108°, quindi molto vicini all'angolo tetraedrico. In tali condizioni sarebbe praticamente assente la tensione angolare, ma la conformazione risulterebbe oltremodo instabile a causa della tensione torsionale prodotta dalla disposizione completamente eclissata dei legami C-H adiacenti.

In effetti il ciclopentano presenta due conformazioni non planari stabili di energia molto simile: la busta (envelope) e la semisedia (half-chair) o twist .

Nella busta 4 atomi di Carbonio giacciono sul medesimo piano, mentre il quinto sporge.

Nella semisedia 3 atomi formano un piano, 1 atomo sta sopra ed 1 sta sotto.

La differenza di energia tra le due conformazioni è così piccola che, a temperatura ambiente, si trasformano continuamente l'una nell'altra (flusso conformazionale).

In questo modo le pieghe che gli atomi situati fuori dal piano formano continuamente ai bordi dell'anello pentagonale sembrano muoversi intorno all'anello (pseudorotazione dell'anello).

Durante questo ciclo di pseudorotazione si formano 10 differenti buste e 10 differenti semisedie.

del cicloesano sono note quattro diverse conformazioni in equilibrio fra di loro: sedia (chair), semisedia (half-chair), barca (boat) e treccia (twist) o barca obliqua (skew boat).

La forma a sedia è la più stabile perché ad essa corrisponde una situazione priva di tensioni torsionali data dalla disposizione sfalsata di ogni coppia adiacente di legami carbonio-idrogeno. Nella figura successiva la conformazione a sedia viene osservata lungo le due direzioni individuate dai legami carbonio-carbonio C₂-C₃ e C₆-C₅ e quindi rappresentata tramite proiezioni di Newman che evidenziano la disposizione perfettamente sfalsata di tutti i legami Carbonio-Idrogeno

Inoltre gli atomi di carbonio posti alle due opposte estremità (C₁ e C₄) dell'anello del cicloesano presentano la massima separazione evitando qualsiasi ingombro sterico.

La forma a barca si ottiene flettendo una estremità della conformazione a sedia.

Nonostante anch'essa sia priva di tensioni angolari è meno stabile delle conformazione a sedia. Ad essa infatti corrisponde una tensione torsionale maggiore a causa della disposizione eclissata dei legami carbonio-idrogeno adiacenti:

Inoltre in tale conformazione è presente anche una tensione sterica dovuta agli idrogeni "ad asta di bandiera"  (flagpole) che si trovano ad una distanza di 0,183 nm, considerevolmente inferiore della somma dei loro raggi di Van der Waals (0.250 nm)

In effetti la conformazione a barca non si trova, come vedremo, ad un minimo di energia, ma ad un massimo Non andrebbe pertanto considerata un isomero conformazionale, ma una forma di transizione tra due minimi in conformazione a treccia.

Torcendosi nella conformazione a treccia, la barca attenua sia la tensione torsionale che quella sterica. La conformazione a treccia (twist) o barca obliqua (skew boat) è infatti intermedia, ma comunque più vicina alla barca che alla sedia come contenuto in energia potenziale.

La semisedia (half-chair), infine, è situata ad un massimo di energia potenziale e rappresenta una forma di transizione ad alta energia tra la sedia e la treccia.

Le forme a sedia e twist trovandosi in corrispondenza di due minimi di energia potenziale sono dunque isomeri conformazionali (il rapporto sedia/twist a temperatura ambiente è 10.000/1).

Derivati monosostituiti del cicloesano: legami assiali ed equatoriali

Nonostante il cicloesano non sia piano è possibile individuare un asse dell'anello ed un piano perpendicolare ad esso detto piano equatoriale. I dodici atomi di H occupano quindi alternativamente posizioni assiali (verticali) ed equatoriali (orizzontali).

Esistono due forme di cicloesano a sedia, aventi la medesima energia ed in continua rapidissima interconversione attraverso una inversione d'anello (ring flip). A 300 K il passaggio da una forma all'altra avviene 100.000 volte al secondo.  L'interconversione di una forma a sedia in un'altra forma a sedia rovesciata trasforma tutti i legami assiali in equatoriali e viceversa.

Le due conformazioni  in reciproco equilibrio che rappresentano il cicloesano sono le seguenti:

Quando al posto degli H ci sono atomi o gruppi atomici particolarmente ingombranti l'interconversione può essere impedita e le due conformazioni diventano distinguibili, fisicamente e chimicamente diverse (isomeria equato-assiale)

Ad esempio, se prendiamo un cicloesano nel quale un idrogeno è sostituito con un gruppo metilico, CH₃, si possono avere due forme isomere: una con il metile equatoriale ed una con il metile assiale. La forma col metile equatoriale è più stabile; in questa posizione infatti l'ingombro sterico del grosso gruppo metilico si fa sentire di meno.

Si può dire che un dato atomo o gruppo ha più spazio disponibile nelle posizioni equatoriali che in quelle assiali. Quindi, tra le configurazioni a sedia, sono più stabili quelle con i gruppi più voluminosi nelle posizioni equatoriali. Nella miscela di equilibrio la conformazione di metilcicloesano con il metile equatoriale è predominante (~95%). La tensione sterica che si manifesta tra un gruppo chimico in posizione assiale e l'idrogeno assiale posto sullo stesso lato del piano equatoriale è la conseguenza di una repulsione di Van der Waals nota come interazione 1,3 diassiale. Si noti infatti che se il gruppo è legato al carbonio in C₁ l'interazione interessa l'idrogeno legato al carbonio in C₃ (ma anche, come diremo, l'idrogeno legato al carbonio in C₅ che risulta perfettamente equivalente al C₃)

Tutto ciò è coerente con quanto avevamo visto a proposito della stabilità del butano 'anti' e 'gauche'. Infatti il metile assiale corrisponde ad una conformazione 'gauche' (meno stabile),

mentre il metile equatoriale corrisponde ad una conformazione 'anti' (più stabile).

La conformazione 'gauche' del n-butano presenta, rispetto alla conformazione 'anti'  una tensione sterica di 3.8 kJ mol^-1. Come si può osservare nell'immagine successiva il cicloesano con metile assiale presenta due 'interazioni gauche' ( tra gli atomi di carbonio C₁/C₃ e tra gli atomi C₁/C₅) e pertanto possiede una tensione sterica di 7.6 kJ mol^-1.

Tensione sterica causata da interazioni 1,3-diassiali