Utente:Elisabettamichielin111/Sandbox

Isomeria cis-trans nei cicloalcani

Obiettivi

Dopo aver completato questa sezione, dovresti essere in grado di

• disegnare le formule strutturali che distinguono tra cicloalcani disostituiti cis e trans .
• costruire modelli di cicloalcani disostituiti cis e trans utilizzando modelli molecolari a sfere e bastoncini.

Termini chiave

Assicurati di saper definire e utilizzare nel contesto i termini chiave riportati di seguito.

• isomero costituzionale
• stereoisomero
• cis - trans isomeri

In precedenza, gli isomeri costituzionali sono stati definiti come molecole che hanno la stessa formula molecolare, ma una diversa connettività degli atomi. In questa sezione verrà introdotta una nuova classe di isomeri, gli estereoisomeri. Gli estereoisomeri sono molecole che hanno la stessa formula molecolare, la stessa connettività degli atomi, ma differiscono nell'orientamento spaziale relativo degli atomi.

I cicloalcani sono simili agli alcani a catena aperta sotto molti aspetti. Entrambi tendono ad essere non polari e relativamente inerti. Una differenza importante è che i cicloalcani hanno molta meno libertà di movimento rispetto agli alcani a catena aperta. Come discusso nelle Sezioni 3.6 e 3.7, gli alcani a catena aperta sono in grado di ruotare attorno ai loro legami sigma carbonio-carbonio. Le strutture ad anello dei cicloalcani impediscono tale rotazione libera, rendendoli più rigidi e in qualche modo planari.

I cicloalcani diadotti sono una classe di molecole che mostrano isomerismo stereochimico. Il 1,2-dibromociclopentano può esistere come due diversi estereoisomeri: il cis-1,2-dibromociclopentano e il trans-1,2-dibromociclopentano. Gli estereoisomeri cis-1,2-dibromociclopentano e trans-1,2-dibromociclopentano del 1,2-dibromociclopentano sono mostrati di seguito. Entrambe le molecole hanno la stessa formula molecolare e la stessa connettività degli atomi. Esse differiscono solo nell'orientamento spaziale relativo dei due atomi di bromo sull'anello. Nel cis-1,2-dibromociclopentano, entrambi gli atomi di bromo si trovano sulla stessa "faccia" dell'anello di ciclopentano, mentre nel trans-1,2-dibromociclopentano, i due atomi di bromo si trovano su facce opposte dell'anello. Gli estereoisomeri richiedono che venga aggiunto un prefisso di nomenclatura aggiuntivo al nome IUPAC per indicare il loro orientamento spaziale. Gli estereoisomeri dei cicloalcani diadotti sono designati dai prefissi di nomenclatura cis (dal latino, che significa "da questa parte") e trans (dal latino, che significa "attraverso").

Rappresentazione di strutture 3D

Per convenzione, i chimici utilizzano legami pesanti a forma di cuneo per indicare un sostituente situato sopra il piano dell'anello (che sporge dalla pagina), una linea tratteggiata per i legami con atomi o gruppi situati sotto l'anello (che vanno indietro nella pagina), e linee solide per i legami nel piano della pagina.

In generale, se due atomi di carbonio sp³ in un anello hanno due gruppi sostituenti diversi (escludendo gli altri atomi dell'anello), è possibile l'isomerismo stereochimico cis/trans. Tuttavia, le designazioni cis/trans non vengono utilizzate se entrambi i gruppi sono sullo stesso carbonio. Ad esempio, il cloro e il gruppo metile si trovano sullo stesso carbonio nel 1-cloro-1-metilcicloesano, e quindi non dovrebbe essere usato il prefisso trans.

Se più di due atomi di carbonio dell'anello hanno sostituenti, la notazione stereochimica che distingue i vari isomeri diventa più complessa e i prefissi cis e trans non possono essere usati per nominare formalmente la molecola. Tuttavia, la relazione tra due sostituenti qualsiasi può essere descritta informalmente utilizzando cis o trans. Ad esempio, nel cicloesano trisostituito sottostante, il gruppo metile è cis rispetto al gruppo etile e anche trans rispetto al cloro. Tuttavia, l'intera molecola non può essere designata come isomero cis o trans. Le sezioni successive descriveranno come nominare queste molecole più complesse.

Esempio

Nomina i seguenti cicloalcani:

Soluzione:

Questi due esempi rappresentano i due modi principali di mostrare l'orientamento spaziale nei cicloalcani.

Nell'esempio "a", il cicloalcano è mostrato come se fosse piatto e nel piano della pagina. La posizione dei sostituenti è indicata usando legami a cuneo e a tratteggio. La posizione cis/trans può essere determinata osservando il tipo di legame associato ai sostituenti. Se i sostituenti si trovano entrambi dallo stesso lato dell'anello (cis), avranno entrambi legami a cuneo o legami a tratteggio. Se i sostituenti sono su lati opposti dell'anello (trans), uno avrà un legame a cuneo e l'altro un legame a tratteggio. Poiché entrambi i sostituenti bromo hanno un legame a cuneo, si trovano sullo stesso lato dell'anello e sono cis. Il nome di questa molecola è cis-1,4-Dibromocicloesano.

Nell'esempio "b", il cicloalcano è mostrato con l'anello approssimativamente perpendicolare al piano della pagina. Quando viene fatto così, viene definita la faccia superiore e inferiore dell'anello, e ogni carbonio nell'anello avrà un legame sulla faccia superiore e un legame sulla faccia inferiore. I sostituenti cis si troveranno entrambi sulla faccia superiore o entrambi sulla faccia inferiore. I sostituenti trans avranno uno sulla faccia superiore e l'altro sulla faccia inferiore. Nell'esempio "b", uno dei gruppi metile si trova sulla faccia superiore dell'anello e l'altro sulla faccia inferiore, il che li rende trans tra di loro. Il nome di questa molecola è trans-1,2-Dimetilciclopropano.

Esercizio 1

Disegna le seguenti molecole:

1. trans -1,3-dimetilcicloesano
2. trans- 1,2-dibromociclopentano
3. cis -1,3-diclorociclobutano

Risposta

Esercizio 2

La nomenclatura Cis/Trans può essere utilizzata per descrivere il posizionamento relativo dei sostituenti su molecole con strutture ad anello più complesse. Qui sotto è rappresentato il testosterone, il principale ormone sessuale maschile. L'OH e il gruppo metilico adiacente sono cis o trans tra loro? Cosa puoi dedurre dalle posizioni relative degli idrogeni indicati?

Risposta

Sia l'OH che il gruppo metilico presentano legami a cuneo. Ciò implica che si trovino entrambi dallo stesso lato dell'anello del testosterone, rendendoli cis. Due degli idrogeni presentano legami a cuneo, mentre uno ha un legame a cuneo. Ciò significa che due degli idrogeni si trovano da un lato dell'anello del testosterone, mentre uno si trova dall'altro.

Esercizio 3

Nomina i seguenti composti:

Risposta

Cis -1-bromo-3-clorociclobutano

Trans -1,4-dimetilcicloottano

Trans -1-bromo-3-etilciclopentano

Esercizio 4

Disegna le seguenti molecole:

1. trans -1,3-dimetilcicloesano
2. trans- 1,2-dibromociclopentano
3. cis -1,3 -diclorociclobutano

Risposta

Conformazioni del cicloesano

Obiettivi

Dopo aver completato questa sezione, dovresti essere in grado di

1. spiegare perché gli anelli del cicloesano sono privi di deformazione angolare.
2. disegnare la struttura di un anello cicloesano nella conformazione a sedia.

Termini Chiave

Assicurati di saper definire e utilizzare nel contesto i termini chiave riportati di seguito.

• conformazione della sedia
• conformazione a barca a torsione

Scopriremo che i cicloesani tendono ad avere la minima tensione angolare e, di conseguenza, sono i cicloalcani più comuni presenti in natura. Una vasta gamma di composti, tra cui ormoni, farmaceutici e agenti aromatizzanti, contiene anelli di cicloesano sostituiti.

Testosterone, che contiene tre anelli cicloesani e un anello ciclopentano

Gli anelli più grandi del ciclopentano presenterebbero tensione angolare se fossero planari. Tuttavia, questa tensione, insieme alla tensione da eclissamento intrinseca a una struttura planare, può essere alleviata incurvando l'anello. Il cicloesano è un buon esempio di sistema carbociclico che elimina virtualmente la tensione da eclissamento e quella angolare adottando conformazioni non planari. Il cicloeptano e il cicloottano presentano una maggiore tensione rispetto al cicloesano, in gran parte a causa dell'affollamento transannulare (ostruzione sterica causata da gruppi situati su lati opposti dell'anello). Il cicloesano ha la possibilità di formare più conformazioni, ciascuna delle quali presenta differenze strutturali che portano a diversi livelli di tensione dell'anello.

struttura planare deformazione angolare grave (120°) deformazione eclissante grave (tutti i legami) piccola deformazione sterica	conformazione a barca leggera deformazione angolare deformazione eclissante a due legami affollamento sterico di due idrogeni	conformazione a barca a torsione leggera deformazione angolare, piccola deformazione eclissante, piccola deformazione sterica	conformazione a sedia nessuna deformazione angolare nessuna deformazione eclissante piccola deformazione sterica

Conformazioni del cicloesano

Una struttura planare per il cicloesano è chiaramente improbabile. Gli angoli di legame sarebbero necessariamente di 120°, 10,5° più grandi dell'angolo tetraedrico ideale. Inoltre, ogni atomo di carbonio in una struttura del genere, la tensione d'anello verrebbe eclissata. L'angolo risultante e le tensioni eclissanti destabilizzerebbero gravemente questa struttura. La tensione d'anello del cicloesano planare è superiore a 84 kJ/mol, quindi raramente viene discussa se non in teoria.

Cicloesano nella configurazione piana tesa che mostra come gli idrogeni diventino eclissati.

Conformazione a sedia di cicloesano

La flessibilità del cicloesano consente una conformazione quasi priva di tensione dell’anello. Se due atomi di carbonio su lati opposti dell’anello a sei membri vengono piegati fuori dal piano dell’anello, si forma una struttura che ricorda una sedia da spiaggia reclinata. Questa conformazione a sedia è la conformazione a energia più bassa per il cicloesano, con una tensione complessiva dell’anello pari a 0 kJ/mol. In questa conformazione, i legami carbonio-carbonio dell’anello possono assumere angoli di legame di circa 111°, molto vicini all’angolo tetraedrico ottimale di 109,5°, eliminando così la tensione angolare.

Inoltre, i legami dell'anello CH sono sfalsati così lo sforzo torsionale è stato eliminato. Questo è chiaramente visibile quando si guarda una Proiezione di Newman della sedia cicloesano avvistata lungo i due legami CC centrali.

Come disegnare la conformazione a sedia

Conformazione a barca del cicloesano

La conformazione a barca del cicloesano si crea quando due atomi di carbonio, posti su lati opposti dell'anello a sei elementi, vengono entrambi sollevati dal piano dell'anello, creando una forma che ricorda vagamente una barca. La conformazione a barca è meno stabile della conformazione a sedia per due motivi principali. La conformazione a barca presenta interazioni steriche sfavorevoli tra una coppia di idrogeni 1,4 (i cosiddetti idrogeni "a bandiera") che sono costretti a essere molto vicini tra loro (1,83 Å). Questo ingombro sterico crea un'energia di repulsione di circa 12 kJ/mol. Un'ulteriore causa della maggiore energia della conformazione a barca è che gli atomi di idrogeno adiacenti sul "fondo della barca" sono costretti in posizioni eclissate. Per questi motivi, la conformazione a barca è circa 30 kJ/mol meno stabile della conformazione a sedia.

Conformazione a barca a torsione del cicloesano

La forma a barca è piuttosto flessibile e ruotandola alla base si crea il conformero a barca a torsione . Questa conformazione riduce la deformazione che caratterizzava il conformero a barca. Gli idrogeni dell'asta della bandiera si allontanano (gli atomi di carbonio a cui sono attaccati si spostano in direzioni opposte, uno in avanti e uno indietro) e gli otto idrogeni lungo i lati diventano in gran parte, ma non completamente, sfalsati. Sebbene più stabile della conformazione a barca, la conformazione a barca a torsione (a volte a barca obliqua) è di circa 23 kJ/mol meno stabile della conformazione della sedia.

Conformazione a mezza sedia di cicloesano

Il cicloesano può ottenere una conformazione parzialmente piana chiamata "mezza sedia", ma solo con quantità eccessive di tensione d'anello. La mezza sedia si forma prendendo il cicloesano planare e sollevando un atomo di carbonio dal piano dell'anello. La conformazione a mezza sedia presenta molti degli stessi effetti di deformazione previsti dal cicloesano completamente planare. Nella porzione planare del cicloesano a mezza sedia gli angoli di legame CC sono forzati a 120 °, il che crea quantità significative di deformazione angolare. Inoltre, i legami CH corrispondenti sono completamente eclissati, il che crea sforzo torsionale. Il carbonio fuori dal piano consente ad alcuni angoli di legame dell'anello di raggiungere 109,5 ° e ad alcuni legami CH di non essere completamente eclissati. Nel complesso, la conformazione a mezza sedia è circa 45 kJ/mol meno stabile della conformazione a sedia.

Cambiamenti di conformazione nel cicloesano - "Ring Flips"

Il cicloesano ruota rapidamente tra le due più stabili conformazioni conosciuta come la sedia in quello che viene chiamato il "ribaltamento dell'anello" mostrato di seguito. L'importanza del ribaltamento dell'anello sarà discussa nella prossima sezione.

Il termine 'flip del ciclo' descrive l'equilibrio rapido tra le due conformazioni a sedia delle molecole di cicloesano.

È importante notare che una sedia non diventa immediatamente l'altra sedia, piuttosto l'anello deve viaggiare attraverso l'energia superiore conformazioni come transizioni. A temperatura ambiente la barriera energetica creata dalla metà conformazione della sedia è facilmente superabile consentendo l'equilibrio tra i due nell'ordine di 80.000 volte al secondo. Sebbene il cicloesano si converta continuamente tra questi diverse conformazioni, la stabilità della conformazione a sedia fa sì che costituisca più del 99,9% della miscela in equilibrio a temperatura ambiente.

Esercizio

1) Considerare le conformazioni del cicloesano: mezza sedia, sedia, barca, barca a torsione. Ordinali in ordine crescente di tensione d'anello nella molecola

Risposta

1) Sedia < Barca a torsione < Barca < mezza sedia (la maggior parte della tensione dell'anello)

Conformazioni dei cicloesani disostituiti

Obiettivo

Dopo aver completato questa sezione, dovresti essere in grado di utilizzare l'analisi conformazionale per determinare la conformazione più stabile di un dato cicloesano disostituito.

Termini chiave

Assicurati di saper definire e utilizzare nel contesto il termine chiave riportato di seguito.

• analisi conformazionale

Appunti di studio

Quando ci si trova di fronte al problema di dover decidere quale delle due conformatori di un dato cicloesano disostituito è il più stabile, potresti trovare utili le seguenti generalizzazioni.

1. Una conformazione in cui entrambi i sostituenti sono equatoriali sarà sempre più stabile di una conformazione in cui entrambi i gruppi sono assiali.
2. Quando un sostituente è assiale e l'altro è equatoriale, la conformazione più stabile sarà quella con il sostituente più voluminoso in posizione equatoriale. Il volume sterico diminuisce nell'ordine terz-butile > isopropile > etile > metile > idrossile > alogeni

Cicloesani monosostituiti

Nella sezione precedente è stato affermato che la conformazione a sedia in cui il gruppo metile è in posizione equatoriale è più stabile perché minimizza la repulsione sterica; di conseguenza, l’equilibrio favorisce il conformero più stabile. Questo vale per tutti i cicloesani monosostituiti.

La conformazione a sedia che colloca il sostituente in posizione equatoriale è la più stabile e sarà favorita nell’equilibrio del flip dell’anello.

Cicloesani disostituiti

Determinare la conformazione a sedia più stabile diventa più complesso quando sul cicloesano sono presenti due o più sostituenti. Per stabilire quale conformazione sia più favorevole, è necessario tenere conto degli effetti sterici di ciascun sostituente, oltre a eventuali interazioni steriche aggiuntive, in entrambe le conformazioni a sedia.

In questa sezione, si analizza come le conformazioni influenzino la stabilità relativa dei cicloesani disostituiti, applicando due principi fondamentali:

1. I sostituenti preferiscono le posizioni equatoriali piuttosto che quelle assiali, per minimizzare la tensione sterica dovuta alle interazioni 1,3-diaxiali.
2. La conformazione più stabile è quella in cui il sostituente più ingombrante si trova in posizione equatoriale.

Questi principi permettono di prevedere quale conformazione a sedia sarà energeticamente più favorevole per un dato cicloesano disostituito.

Cicloesani disostituiti 1,1-

La conformazione a sedia più stabile può spesso essere determinata in modo empirico oppure utilizzando i valori energetici delle interazioni steriche discussi in precedenza in questo capitolo. Va notato che, in alcuni casi, non vi è alcuna differenza di energia rilevabile tra le due conformazioni a sedia, il che significa che esse sono equamente stabili. Un esempio è il 1,1-dimetilcicloesano, che non presenta isomeri cis o trans, poiché entrambi i gruppi metilici sono legati allo stesso atomo di carbonio dell’anello. In entrambe le conformazioni a sedia, uno dei due metili si troverà in posizione assiale e l’altro in posizione equatoriale, conferendo a entrambe le conformazioni la stessa stabilità relativa. La tensione sterica generata dalle interazioni 1,3-diaxiali di un gruppo metilico in posizione assiale (rispetto a una posizione equatoriale) è di 7,6 kJ/mol (secondo la Tabella 4.7.1), quindi entrambe le conformazioni avranno lo stesso livello di tensione sterica. Di conseguenza, l’equilibrio tra le due conformazioni non favorisce né l’una né l’altra. Va sottolineato che non è possibile avere entrambi i gruppi metilici in posizione equatoriale contemporaneamente senza rompere legami e creare una molecola diversa.

Tuttavia, se i due gruppi sono diversi, come nel caso del 1-terz-butil-1-metilcicloesano, allora l’equilibrio favorisce il conformero in cui il gruppo più ingombrante (in questo caso il terz-butile) si trova nella più stabile posizione equatoriale. Il costo energetico di avere un gruppo terz-butile in posizione assiale (anziché equatoriale) può essere calcolato utilizzando i valori riportati nella Tabella 4.7.1, ed è di circa 22,8 kJ/mol. Se il gruppo metile è in posizione assiale (anziché equatoriale), la tensione associata è di 7,6 kJ/mol. Pertanto, il conformero con il terz-butile assiale risulta essere circa 15,2 kJ/mol meno stabile (22,8 – 7,6) rispetto a quello in cui il terz-butile è in posizione equatoriale. Calcolando la costante di equilibrio K tra i due conformeri, si ottiene un rapporto di circa 460:1 a favore della conformazione con il gruppo terz-butile equatoriale. Questo significa che il 1-terz-butil-1-metilcicloesano trascorrerà la stragrande maggioranza del tempo nella conformazione più stabile, con il gruppo terz-butile in posizione equatoriale.

Cis e trans stereoisomeri del 1,2-dimetilcicloesano

Nel cis-1,2-dimetilcicloesano, entrambe le conformazioni a sedia presentano un gruppo metile in posizione equatoriale e un gruppo metile in posizione assiale. Come discusso in precedenza, il gruppo metile assiale genera una tensione sterica di 7,6 kJ/mol a causa delle interazioni 1,3-diaxiali. È importante notare che entrambe le conformazioni a sedia presentano anche una tensione sterica aggiuntiva di 3,8 kJ/mol causata da un’interazione gauche tra i due gruppi metilici. Nel complesso, entrambe le conformazioni a sedia hanno quindi una tensione sterica totale di 11,4 kJ/mol e sono di pari stabilità.

Nel trans-1,2-dimetilcicloesano, una conformazione a sedia ha entrambi i gruppi metilici in posizione assiale, mentre l’altra conformazione ha entrambi i gruppi metilici in posizione equatoriale. La conformazione con entrambi i metili in posizione equatoriale non presenta interazioni 1,3-diaxiali, tuttavia rimane una tensione di 3,8 kJ/mol dovuta a un’interazione gauche tra i due gruppi metilici.

La conformazione con entrambi i metili in posizione assiale presenta quattro interazioni 1,3-diaxiali, che generano una tensione sterica pari a 2 × 7,6 kJ/mol, cioè 15,2 kJ/mol. Questa conformazione è quindi (15,2 kJ/mol - 3,8 kJ/mol) 11,4 kJ/mol meno stabile rispetto all’altra conformazione.

Di conseguenza, l’equilibrio favorirà la conformazione con entrambi i gruppi metilici in posizione equatoriale.

Isomeri cis e trans del 1,3-dimetilcicloesano

Un’analisi conformazionale simile può essere fatta per gli isomeri cis e trans del 1,3-dimetilcicloesano.

Nel cis-1,3-dimetilcicloesano, una conformazione a sedia ha entrambi i gruppi metilici in posizione assiale, causando interazioni 1,3-diaxiali, mentre l’altra conformazione presenta entrambi i metili in posizione equatoriale, eliminando quindi le interazioni 1,3-diaxiali.

Poiché i gruppi metilici non si trovano su carboni adiacenti nell’anello di cicloesano, le interazioni gauche non sono possibili.

Anche senza effettuare calcoli energetici, è facile determinare che la conformazione con entrambi i gruppi metilici in posizione equatoriale sarà la conformazione più stabile.

Riassunto delle conformazioni a sedia del cicloesano disostituito

Considerando le analisi conformazionali discusse sopra, si evidenzia un modello chiaro. Esistono solo due possibili relazioni tra le conformazioni a sedia correlate dal flip dell’anello:

1. AA/EE: Una conformazione a sedia posiziona entrambi i sostituenti in posizione assiale, causando interazioni 1,3-diaxiali. L’altra conformazione ha entrambi i sostituenti in posizione equatoriale, eliminando tali interazioni. Questo conformero diequatoriale è il più stabile, indipendentemente dalla natura dei sostituenti.
2. AE/EA: Ogni conformazione a sedia posiziona un sostituente in posizione assiale e l’altro in posizione equatoriale. Se i sostituenti sono uguali, entrambe le conformazioni presentano uguali interazioni 1,3-diaxiali e quindi hanno la stessa stabilità. Se invece i sostituenti sono diversi, le interazioni 1,3-diaxiali saranno diverse e sarà favorita la conformazione che pone il sostituente più ingombrante in posizione equatoriale.

Tipo di sostituzione	Relazione
cicloesani cs -1,2-disostituiti	AE/EA
cicloesani trans -1,2-disostituiti	AA/EE
cicloesani cis -1,3-disostituiti	AA/EE
cicloesani trans -1,3-disostituiti	AE/EA
cicloesani cis-1,4-disostituiti	AE/EA
cicloesani trans -1,4-disostituiti	AA/EE

Esempio 1

Per il cis-1-cloro-4-metilcicloesano, disegna la conformazione a sedia più stabile e determina la differenza di energia tra i due conformeri a sedia.

Soluzione 1

In base alla tabella sopra, i cicloesani cis-1,4-disostituiti dovrebbero presentare due conformazioni a sedia, ciascuna con un sostituente in posizione assiale e l’altro in posizione equatoriale. Da ciò, si può dedurre che la differenza di energia tra le due conformazioni a sedia dipenderà dalla differenza nelle interazioni 1,3-diaxiali create dai sostituenti metile e cloro.

Come previsto, in ciascuna conformazione a sedia uno dei sostituenti si trova in posizione assiale. Poiché il gruppo metile è più ingombrante e genera un’interazione 1,3-diaxiale maggiore rispetto al cloro, la conformazione più stabile sarà quella che lo pone in posizione equatoriale, come mostrato nella struttura a destra.

Utilizzando i valori di energia delle interazioni 1,3-diaxiali indicati nelle sezioni precedenti, possiamo calcolare che la conformazione a destra è (7,6 kJ/mol - 2,0 kJ/mol) 5,6 kJ/mol più stabile dell’altra.

Esempio 2

Per il trans-1-cloro-2-metilcicloesano, disegna la conformazione a sedia più stabile e determina la differenza di energia tra i due conformeri a sedia.

Soluzione 2

In base alla tabella sopra, i cicloesani trans-1,2-disostituiti dovrebbero avere una conformazione a sedia con entrambi i sostituenti in posizione assiale e una conformazione con entrambi i sostituenti in posizione equatoriale. Da ciò, possiamo prevedere che il conformero che pone entrambi i sostituenti in posizione equatoriale sarà il più stabile. La differenza di energia tra le due conformazioni a sedia sarà basata sulle interazioni 1,3-diaxiali create sia dal gruppo metile che dal gruppo cloro.

Come previsto, una conformazione a sedia pone entrambi i sostituenti in posizione assiale, mentre l’altra li pone entrambi in posizione equatoriale. La conformazione più stabile è quella con entrambi i sostituenti in posizione equatoriale, come mostrato nella struttura a destra.

Utilizzando i valori di energia delle interazioni 1,3-diaxiali indicati nelle sezioni precedenti, possiamo calcolare che la conformazione a destra è (7,6 kJ/mol + 2,0 kJ/mol) 9,6 kJ/mol più stabile dell’altra.

Analisi conformazionale di strutture complesse a sei termini

Il cicloesano può avere più di due sostituenti. Inoltre, esistono molti anelli a sei termini che contengono atomi diversi dal carbonio. Tutti questi sistemi solitamente assumono conformazioni a sedia e seguono gli stessi vincoli sterici discussi in questa sezione. Poiché gli anelli a sei termini sono i più comunemente presenti in natura, l’analisi conformazionale può spesso aiutare a comprendere le forme usuali di alcune molecole biologicamente importanti.

Nelle strutture complesse a sei termini, un calcolo diretto delle energie di interazione 1,3-diaxiali può risultare difficile. In questi casi, la determinazione della conformazione a sedia più stabile può essere fatta applicando empiricamente i principi delle interazioni steriche.

Un capitolo successivo discuterà come molti zuccheri possono esistere in forme cicliche, spesso anelli a sei termini. In soluzione acquosa, lo zucchero a sei carboni, il glucosio, si presenta solitamente come un anello a sei termini che assume una conformazione a sedia. Considerando le due possibili conformazioni a sedia del glucosio, una ha tutti i sostituenti in posizione assiale e l’altra tutti in posizione equatoriale. Anche senza calcoli, è evidente che la conformazione con tutti i sostituenti equatoriali è la più stabile, e il glucosio si troverà comunemente in questa conformazione.

Esempio 3

Lo zucchero a sei carboni, il fruttosio, in soluzione acquosa è anch’esso un anello a sei termini in conformazione a sedia. Quale delle due possibili conformazioni a sedia ci si aspetterebbe essere la più stabile?

Soluzione 3

La conformazione a sedia a energia più bassa è quella con tre dei cinque sostituenti (incluso il voluminoso gruppo –CH₂OH) in posizione equatoriale (rappresentata a destra). La struttura a sinistra ha 3 sostituenti equatoriali, mentre quella a destra ne ha solo 2.

Esercizi

1. Disegna le due conformazioni a sedia per il cis-1-etil-2-metilcicloesano utilizzando strutture a linea di legame e indica quale conformazione è energeticamente più favorita.

2. Disegna la conformazione più stabile per il trans-1-etil-3-metilcicloesano usando strutture a linea di legame.

3. Disegna la conformazione più stabile per il trans-1-terz-butile-4-metilcicloesano usando strutture a linea di legame.

4. Disegna la conformazione più stabile per il trans-1-isopropil-3-metilcicloesano.

5. Può un «ring flip» trasformare un cicloesano disostituito cis in trans? Spiega.

6. Disegna le due conformazioni a sedia dello zucchero a sei carboni, il mannoso, assicurandoti di mostrare chiaramente ogni sostituente non idrogeno in posizione assiale o equatoriale. Prevedi quale conformazione è probabilmente più stabile e spiega il motivo.

Soluzioni

4.

Il gruppo isopropilico più ingombrante si trova in posizione equatoriale.

5. No. Per cambiare la relazione tra due sostituenti su un anello da cis a trans, sarebbe necessario rompere e riformare due legami covalenti. I ring flip comportano solo la rotazione di legami singoli.

6.