Análise Conformacional

Transcrição

1 Análise Conformacional Para cada ligação existe uma resistência da ligação ao giro, esta resistência é chamada Barreira Rotacional ou Energética. Diferentes tipos de ligação possuem diferentes barreiras rotacionais (diferentes energias). Ligações simples tem uma liberdade para rotação e, portanto, a rotação destas ligações pode levar a diferentes formas de arranjo que não envolvem quebra de ligação. Geralmente estes processos tem baixas energias associadas. Com isto, a molécula como um todo pode adotar diferentes formas. Claro que a geometria de cada átomo é mantida e, por exemplo, átomos tetraédricos continuam tetraédricos mesmo com as ligações girando. A barreira energética que limita o giro em ligações duplas é alta e, por isto, os isômeros E e Z podem ser separados e isolados sem que um se interconverta no outro. A barreira energética para ligações simples é bem menor e o valor depende dos substituíntes. Com isto, estes compostos não podem ser isolados como duas moléculas diferentes, pois o giro é livre (com baixa diferença de energia associada). Por isto, em geral, diferentes formatos podem ser interconvertidos. Estes formatos diferentes são chamados Conformações diferentes e, moléculas do mesmo composto com conformações diferentes são chamadas Confôrmeros. Para que a interconversão de um confôrmero no outro seja lenta e permita que estas espécies existam separadamente, a barreira deve ser maior que 100 kj/mol. A barreira no caso de ligações duplas é 260 kj/mol. Somente quando eles tem barreira energética de interconversão relativamente baixa são chamados confôrmeros. No caso de barreiras rotacionais maiores que 100 kj/mol, os compostos existem como isômeros. Dois isômeros são duas moléculas diferentes, pois a interconversão necessita de quebra de ligações. Diz-se que os compostos tem configurações diferentes. Já, qualquer molécula pode existir em conformações diferentes, ou seja, diferirem de maneira temporária sendo interconvertidas sem quebra de ligações. 1

2 A Análise Conformacional é a análise da variação de energia que a molécula sofre com os grupos girando em torno de uma ligação simples. É a análise da energia dos confôrmeros. Como pode-se representar as diferentes formas que estas moléculas assumem? Pode-se representar através de fórmulas em perspectiva, fórmula em cavalete ou projeção de Newman. Fórmula em Perspectiva Fórmula em Cavalete Projeção de Newman A partir dos desenhos pode-se analisar as formas ou confôrmeros. De acordo com o ângulo diedro, os grupos podem estar ECLIPSADOS (Conformação Eclipsada) ou ALTERNADOS (Conformação Alternada), conforme a figura abaixo. Ângulo 0 0 Ângulo 60 0 B A Conformação Eclipsada A B Conformação Alternada Grupos A e B: Gauche A Ângulo B Conformação Alternada Grupos A e B: Anti Como exemplo, pode-se começar pela molécula de etano. O etano existe em duas formas conformacionais ou, dois confôrmeros podem ser desenhados para o etano. Uma conformação é eclipsada e a outra é alternada. A conformação alternada é a mais estável para o etano. 2

3 Como a conformação alternada é mais estável, a molécula passa a maior parte do tempo nesta forma ou em forma aproximada. A conformação eclipsada é assumida na transição entre duas formas alternadas. A forma eclipsada é mais energética por uma série de fatores. Primeiro fatores estéricos, que no caso do etano não são tão importantes, pois os átomos de hidrogênio são muito pequenos. Para moléculas mais substituídas, no entanto, as interações estéricas podem ser importantes. Outra razão é que os elétrons nas ligações se repelem, e esta repulsão é máxima na conformação eclipsada. Além disto, a interação entre o obital C-H σ e o orbital C-H σ* na forma alternada pode estabilizar o orbital antiligante. Esta interação é correta somente na conformação alternada, pois os orbitais estão exatamente paralelos. Cada fator contribui mais ou menos dependendo da estrutura da molécula em questão. Conforme os átomos de hidrogênio vão sendo substituídos por grupos alquila, a barreira rotacional aumenta. Para o propano, por exemplo, tem muito a ver com a repulsão eletrônica aumentada pela metila que doa elétrons com maior intensidade que o hidrogênio. 3

4 Para o butano ocorre a troca de dois hidrogênios por duas metilas, que são maiores. O efeito estérico começa a contribuir significativamente para a barreira rotacional. Além disto, nem todas as conformações eclipsadas e alternadas são iguais. Existem seis principais conformações que são mostradas abaixo (cada uma com um movimento de 60 0 em relação a anterior). Existem algumas conformações que são imagens especulares e, por isto, tem mesma energia. Existem 3 tipos de conformações eclipsadas mas, duas delas tem a mesma energia entre si, e as coformações eclipsadas tem maior energia que as alternadas. Existem 3 tipos de conformações alternadas mas, duas delas tem energia igual, e as conformações alternadas tem menor energia que as eclipsadas. A energia da conformação sin-periplanar (eclipsada) é maior que a anticlinal (eclipsada) e, é a forma mais energética de todas. A conformação anti-periplanar alternada é a que tem menor energia de todas, pois os grupamentos metila estão o mais distante possível. A forma sinclinal ou gauche tem energia um pouco maior mas, ainda menor que as formas eclipsadas. As conformações eclipsadas representam uma forma intermediária entre duas formas alternadas, mas a molécula passa rapidamente por estas formas, pois são as mais energéticas. Os seis confôrmeros mostrados são os principais, mas o butano pode existir em mais formas. 4

5 Moléculas cíclicas também aparecem em diferentes conformações. Até agora desenhamos todos os ciclos planares, mas na verdade nem todos os ciclos são planares (alguns teriam maior tensão angular). Nos ciclos saturados os átomos, mesmo sendo sp 3, não tem ângulos de Isto ocorre por que as ligações são forçadas a certos ângulos. Os ciclos assumem diferentes conformações para aliviar a tensão angular. Alguns ciclos podem distorcer sua forma e para aliviar a tensão angular. Claro que nem todos os ciclos tem tal liberdade. O ciclopropano, por exemplo, acaba sendo forçado a ser planar, com uma tensão angular grande 5

6 e uma conformação eclipsada. Isto ocorre devido ao próprio tamanho do ciclo, onde as ligações não podem ser giradas como para moléculas acíclicas. Além de grande tensão angular, o ciclopropano tem todos os H da molécula na forma eclipsada (alta tensão torsional). No ciclobutano, a distorção da planaridade diminui a tensão torsional com relação ao ciclopropano. A tensão angular também é menor do que no ciclopropano. A tensão de anel no ciclopentano é menor do que no ciclopropano e no ciclobutano. Há uma maior liberdade, e o ciclopentano pode assumir diferentes conformações. A conformação mais estável é a conformação envelope. O ciclohexano adota várias conformações. A conformação mais estável é chamada cadeira e, não tem ligações eclipsadas. Com isto, esse sistema tem baixa energia. 6

7 O Cicloexano também pode assumir outras conformações menos estáveis. A conformação em bote tem todas as ligações eclipsadas e ainda possui uma interação estérica entre os átomos de H centrais. Isto explica, por que esta conformação é menos importante e tem maior energia que a conformação em cadeira do cicloexano. Girando as ligações levemente, as interações eclipsadas diminuem. A forma em que isto ocorre é chamada barco torcido. Esta conformação tem energia maior que a de cadeira, mas menor que a de barco. 7

8 Como a conformação em cadeira é mais estável do que as outras, mais de 99% das moléculas estão em um dado instante na conformação cadeira. Por isto, geralmente, desenha-se o cicloexano na forma de cadeira. Quando o cicloexano tem substituintes, podemos diferenciar duas conformações em cadeira que tem energias diferentes entre si. X X Substituinte em Axial Substituinte em equatorial Em um ciclohexano monossubstituído tem dois confôrmeros em cadeira em equilíbrio. Um onde o substituinte está em equatorial e o outro onde está axial. As formas são interconvertidas por um giro. Com uma inversão todas as ligações que estavam em equatorial ficam em axial e viceversa. Em quase todos os casos, o confôrmero com o substituinte em axial é mais energético e está presente em menor proporção. Existem duas razões para a forma axial ser mais energética. Primeira razão: no confôrmero 8

9 equatorial a ligação C-X é antiperiplanar a duas ligações C-C, enquanto no confôrmero axial a ligação C-X é sinclinal a duas ligações C-C. Outra razão para a conformação em cadeira com substituinte axial ser mais energética é que ocorre uma interação estérica entre o grupo em axial e os dois hidrogênios em axial, em interações que são conhecidas como 1,3- diaxiais. Quanto maior é o grupo X, mais importante é esta interação e mais energética é a forma axial. Para ciclohexanos com mais de um substituinte, a forma mais estável é a que tem o maior número de grupos em equatorial ou os grupos maiores em equatorial. Grupos como t-butila e i-propila geralmente, ficam em equatorial devido a grande interação estérica 1,3-diaxial. 9

10 Para cicloalcanos com mais de um substituintes podemos utilizar a nomenclatura Cis/Trans. Quando tem-se os substituintes do mesmo lado do ciclo, o composto é cis. Quando os substituintes estão em lados opostos o composto é trans. Pode-se utilizar a conformação em cadeira de cicloexanos para nomear os cicloexanos substituídos, conforme as figuras abaixo. 10

11 Bibliografia Material baseado em: 11

12 12