Utente:Giulia Barbu/Sandbox

Nel butano, ci sono tre legami sigma carbonio-carbonio che possono ruotare, ma ci concentreremo sul legame centrale tra C2 e C3. Di seguito sono riportate due rappresentazioni del butano in una conformazione che mette i due gruppi CH₃ (C1 e C4) in posizione eclissata.

I gruppi CH₃–CH₃ creano un’interazione eclissata significativamente maggiore, pari a 11,0 kJ/mol. Ci sono anche due interazioni eclissate H–H, ciascuna di 4,0 kJ/mol, per un totale di:

2(4,0 kJ/mol) + 11,0 kJ/mol = 19,0 kJ/mol di tensione.

Questa è la conformazione a energia più alta del butano, a causa della tensione torsionale provocata dalla repulsione elettrostatica degli elettroni nei legami eclissati, ma anche per un altro tipo di tensione chiamata repulsione sterica, tra i due gruppi metilici piuttosto ingombranti.

La tensione sterica si verifica quando due gruppi voluminosi, come due gruppi metilici, cercano di occupare lo stesso spazio. Ne risulta un’interazione repulsiva non covalente causata dalle rispettive densità elettroniche.

Se ruotiamo il carbonio anteriore (quello blu) di 60° in senso orario, la molecola di butano si trova ora in una conformazione sfalsata.

Questa viene più precisamente definita come la conformazione ‘gauche’ del butano.

Nota che, sebbene i gruppi siano sfalsati, i due gruppi metilici non sono il più lontano possibile l’uno dall’altro. C’è ancora una notevole repulsione sterica tra i due gruppi ingombranti.

Una rotazione ulteriore di 60° ci porta a una seconda conformazione eclissata (B), in cui entrambi i gruppi metilici sono allineati con atomi di idrogeno.

A causa della repulsione sterica tra i sostituenti metile e idrogeno, questa conformazione eclissata B ha un'energia più alta rispetto alla conformazione gauche. Tuttavia, poiché non c’è un allineamento metile-metile (eclissamento), la sua energia è più bassa rispetto alla conformazione eclissata A.

Un'ulteriore rotazione di 60° porta alla conformazione ‘anti’, in cui i due gruppi metilici sono posizionati opposti l’uno all’altro, e la repulsione sterica è minima.

La conformazione anti è quella a più bassa energia per il butano.

Il diagramma qui sotto riassume le energie relative delle varie conformazioni: eclissate, sfalsate e gauche.

A temperatura ambiente, il butano si trova più probabilmente nella conformazione anti, che è quella a energia più bassa, in un dato momento. Tuttavia, la barriera energetica tra la conformazione anti e quella eclissata non è abbastanza alta da impedire la rotazione costante, tranne che a temperature molto basse.

Per questo motivo (e anche semplicemente per comodità nel disegno), è convenzione rappresentare gli alcani a catena lineare in una forma a zigzag, che implica la conformazione anti in tutti i legami carbonio-carbonio.

Ad esempio, l’ottano viene comunemente disegnato così:

Disegnare le Proiezioni di Newman

Le proiezioni di Newman sono un metodo utile per visualizzare le posizioni relative dei gruppi all'interno di una molecola. Saper disegnare la proiezione di Newman per una data molecola è una competenza preziosa e sarà utilizzata ripetutamente in chimica organica. Poiché le molecole organiche spesso contengono più legami carbonio-carbonio, è importante sapere con precisione quale legame e in quale direzione si sta osservando per la proiezione di Newman. I dettagli della proiezione di Newman cambiano a seconda della molecola, ma per gli alcani tipici un'analisi conformazionale completa comporta una rotazione completa di 360° a incrementi di 60°. Questo produrrà tre conformazioni sfalsate e tre conformazioni eclissate. In genere, le conformazioni sfalsate sono più stabili e quelle eclissate meno stabili. La conformazione meno stabile avrà i gruppi più grandi eclissati, mentre la conformazione più stabile avrà i gruppi più grandi in posizione anti (180°) l’uno rispetto all’altro.

Esempio

Disegna la proiezione di Newman del 2,3-dimetilbutano lungo il legame C2–C3. Poi determina la conformazione meno stabile.

Per prima cosa, disegna la molecola e individua il legame indicato. Poiché la domanda chiede la conformazione meno stabile, concentrati sulle tre possibili proiezioni di Newman eclissate. Disegna tre proiezioni di Newman eclissate come modello. Poiché è difficile disegnare una vera proiezione di Newman sfalsata, è comune rappresentare i legami leggermente inclinati. Posiziona i sostituenti legati al secondo carbonio (C3) sui legami posteriori di tutte e tre le proiezioni di Newman. In questo esempio sono 2 gruppi CH₃ e un atomo di H. Posiziona i sostituenti nella stessa posizione in tutte e tre le proiezioni di Newman. Poi posiziona i sostituenti legati al primo carbonio (C2) sui legami anteriori della proiezione di Newman. In questo esempio, i sostituenti sono anch’essi 2 gruppi CH₃ e un atomo di H. Ruota i sostituenti del carbonio anteriore di due rotazioni da 60° per creare le altre due proiezioni di Newman eclissate. Lascia i sostituenti del carbonio posteriore al loro posto. Tentare di ruotare contemporaneamente i carboni anteriore e posteriore è un errore comune e spesso porta a proiezioni di Newman errate.

Confronta le proiezioni di Newman osservando le interazioni eclissate. Ricorda che l’ordine di intensità delle tensioni torsionali è CH₃–CH₃ > CH₃–H > H–H. La terza struttura ha due interazioni torsionali CH₃–CH₃, che la rendono la conformazione meno stabile del 2,3-dimetilbutano.

Disegna le proiezioni di Newman delle conformazioni eclissate e sfalsate del propano, come se si osservasse lungo il legame C1–C2.

Disegna una proiezione di Newman, guardando lungo il legame C2–C3, del 1-butene nella conformazione mostrata qui sotto.