Scienze e tecnologie erboristiche e dei prodotti per la salute (STEPS) himica rganica - 2. La Struttura dei omposti rganici e le Prof. Giuseppe Gerardo arbonara caratteristiche chimico-fisiche 5. Geometria molecolare. Stereochimica I Parte. onformazione e rotazione impedita Etano
La struttura dei composti organici 5. Geometria molecolare. onformazioni e rotazione impedita I. Modelli e rappresentazioni di molecole II. otazione impedita. Legami singoli III. Analisi conformazionale IV. Tensione angolare V. Analisi conformazionale di composti ciclici VI. otazione impedita. Doppi legami GG_FA-STEPS-G 2.5I_17-18 - 2
2.5I Modelli e rappresentazioni di molecole Formazione dei legami singoli sp 3 -sp 3 Etano 109.6 sp 3 -sp 3 1.54 Å 81 kcal/mole sp 3 -s 1.10 Å 109.4 3D proiezione di Newman 2 6 3 3 prospettica molecolare condensata di Kekulé GG_FA-STEPS-G 2.5I_17-18 - 3
2.5I Modelli e rappresentazioni di molecole Formazione dei legami singoli sp 3 -sp 3 Butano 3 111.4 sp 3 -sp 3 1.54 Å 81 kcal/mole 3 sp 3 -s 1.10 Å 107.8 3D proiezione di Newman 4 10 3 ( 2 ) 2 3 prospettica 3 molecolare condensata a linee 3 GG_FA-STEPS-G 2.5I_17-18 - 4
2.5I Modelli e rappresentazioni di molecole Formazione dei legami doppi = Etilene (o etene) sp 2 -s 1.08 Å 121,7 116,6 3D proiezione di Newman sp 2 =sp 2 1.33 Å 146 kcal/mole 2 4 2 = 2 prospettica molecolare condensata di Kekulé GG_FA-STEPS-G 2.5I_17-18 - 5
2.5I Modelli e rappresentazioni di molecole Formazione dei legami tripli. Acetilene (o etino ). 180 sp-s 1.06 Å 3D mappa di potenziale elettrostatico sp sp 1.20 Å 198 kcal/mole proiezione di Newman 2 2 molecolare condensata di Kekulé GG_FA-STEPS-G 2.5I_17-18 - 6
2.5I Modelli e rappresentazioni di molecole Formazione di legami doppi cumulati == 120 allene 180 sp=sp 2 1.30 Å sp 2 -s 1.1 Å 3D ball&stick prospettica 3 4 2 == 2 molecolare condensata di Kekulé GG_FA-STEPS-G 2.5I_17-18 - 7
Isomeria, ovvero la molteplicità delle strutture Isomeri costituzionali o strutturali: composti che hanno uguale bruta o molecolare (uguale peso molecolare), ma di struttura diversa. Formule di struttura isomere rappresentano molecole diverse e distinguibili, con caratteristiche chimicofisiche diverse. 2 6 P.M. 46 2.5I Modelli e rappresentazioni di molecole etanolo liquido, p.e. 78,4 dimetil etere gas, p.e. 23 3 8 3 2 2 3 () 3 3 2 3 P.M. 60 propan-1-olo liquido, p.e. 97,1 propan-2-olo liquido, p.e. 82,3 metil etil etere gas, p.e. 7,6 5 12 P.M. 72 pentano liquido, p.e. 36,1 isopentano liquido, p.e. 28 neopentano gas, p.e. 10 Il numero di isomeri strutturali possibili aumenta rapidamente all aumentare del numero di atomi di carbonio. GG_FA-STEPS-G 2.5I_17-18 - 8
2.5I Modelli e rappresentazioni di molecole ISMEI Si dicono isomeri i composti che hanno identiche formule molecolari ma che differiscono per il tipo o la sequenza dei legami tra i loro atomi oppure per la disposizione nello spazio dei loro atomi. STUTTUALI Molecole nella cui di struttura gli atomi ed i gruppi presenti occupano posizioni diverse STEEISMEI Molecole aventi la stessa di struttura (identica sequenza di legami tra gli atomi) e forme spaziali diverse NFMAZINALI NFIGUAZINALI GG_FA-STEPS-G 2.5I_17-18 - 9
2.5I Modelli e rappresentazioni di molecole ISMEI Formule di struttura per gli isomeri 6 12 Formula di Kekulé Formula condensata Formula a linea 3 ( 2 ) 4 esanale N.B. Non sono riportati tutti gli isomeri possibili STUTTUALI Molecole nella cui di struttura gli atomi ed i gruppi presenti occupano posizioni diverse 3 2 () 2 3 3 2 2 2 2 3 3 2 2 2 2 2 2 2 3 2 2 3 2-etilbutanale 3-etiltetraidrofurano 3,4-dimetiltetraidrofurano cicloesanolo (2E)-1-metossipent-2-ene GG_FA-STEPS-G 2.5I_17-18 - 10
2.5I Modelli e rappresentazioni di molecole STEEISMEI Molecole aventi la stessa di struttura (identica sequenza di legami tra gli atomi) e forme spaziali diverse NFMAZINALI NFIGUAZINALI sfalsata equatoriale trans eclissata assiale cis GG_FA-STEPS-G 2.5I_17-18 - 11
2.5II otazione impedita. Legami singoli STEEISMEI NFMAZINALI Molecole con forme spaziali diverse originate: onformazioni: orientazioni spaziali tridimensionali diverse assunte dagli atomi di una molecola per rotazione attorno ad un legame semplice. In ogni istante il composto è rappresentato dalla miscela all equilibrio delle diverse conformazioni che, normalmente, non sono isolabili. nei composti lineari, dalla rotazione attorno ad un legame semplice sfalsata nei composti ciclici, per spostamento di un atomo dal piano medio sui cui giace il ciclo piano equatoriale eclissata assiale GG_FA-STEPS-G 2.5I_17-18 - 12
2.5II otazione impedita. Legami singoli NFMAZINI Si interconvertono facilmente in quanto sono separate da barriere energetiche basse. MPSTI LINEAI rotazione attorno ad un legame semplice barriera energetica barriera energetica 2 2 3 180 anti 2 2 3 gauche 60 eclissata 2 2 3 MPSTI ILII spostamento di un atomo dal piano medio sui cui giace il ciclo barriera energetica barriera energetica equatoriale a sedia a barca a sedia assiale GG_FA-STEPS-G 2.5I_17-18 - 13
2.5II otazione impedita. Legami singoli Barriera energetica in legami singoli E conformeri 2 2 3 I II 2 2 3 DE bassa ~ 3 kcal/mole I II forma GG_FA-STEPS-G 2.5I_17-18 - 14
2.5II otazione impedita. Legami singoli otazione dei legami singoli sp 3 -sp 3 3D spacefilling conformazione sfalsasta piú popolata repulsione elettrostatica minore prospettica proiezione di Newman sfalsata Etano barriera energetica ~ 3 kcal/mole conformazione eclissasta meno popolata proiezione di Newman eclissata repulsione elettrostatica maggiore prospettica 3D spacefilling GG_FA-STEPS-G 2.5I_17-18 - 15
2.5III Analisi conformazionale Analisi conformazionale: valutazione di tutti i contributi di tensione presenti in una molecola per determinare la conformazione energeticamente più stabile. ontributi energetici di tensione: tensione angolare, rotazionale, ingombro sterico, allungamento dei legami, interazione di dipoli di legame, formazione di legame idrogeno intramolecolare. 1) stimare la stabilità dei vari conformeri; 2) valutare il più favorito o probabile nella molecola reale; 3) qualitativamente; 4) programmi di calcolo computerizzati per ottenere in modo dettagliato e affidabile le energie dei singoli conformeri e la/le conformazioni preferite. Valutazione dell energia necessaria (barriera energetica) per l interconversione di un conformero nell altro. Particolarmente importante nelle molecole cicliche: la presenza di uno o più anelli, e la presenza di uno o più contributi di tensione, limita il numero dei conformeri. GG_FA-STEPS-G 2.5I_17-18 - 16
2.5III Analisi conformazionale I contributi energetici di tensione sono rappresentati da: tensione angolare Aumenta all aumentare della differenza di un angolo di legame dal suo valore normale. tensione rotazionale E funzione dell angolo diedro formato tra due legami e cresce passando da un angolo di 60 ad un angolo di 0. da ingombro sterico E dovuta alla reciproca compressione elettronica di due gruppi di atomi che si trovano vicini nello spazio; aumenta al diminuire della distanza tra i gruppi e delle loro dimensioni. da allungamento dei legami Influisce in modo non significativo poiché l energia necessaria per tale deformazione è molto maggiore di quella coinvolta negli alti tipi di deformazione. da interazione di dipoli di legame Dovuta all interazione tra dipoli di legami adiacenti (effetto gauche) da formazione di legami idrogeno intramolecolari Dovuta alla possibilità di formare legami idrogeno tra gruppi adiacenti. < < < gauche 2 2 3 <<< 60 3 > 3 3 3 minore stabilità F F + + < + F + eclissata 0 2 2 3 F < GG_FA-STEPS-G 2.5I_17-18 - 17
2.5III Analisi conformazionale Barriere energetiche in legami singoli - etano 60 angolo diedro conformazioni eclissaste meno popolate angolo diedro 60 conformazioni sfalsaste piú popolate (99,9%) 180 180 E (kcal/mole) ~3 ~3 barriera energetica barriera energetica -120-60 0 +60 +120 +180 +240 Gradi di rotazione GG_FA-STEPS-G 2.5I_17-18 - 18
2.5III Analisi conformazionale Barriere energetiche in legami singoli - butano eclissata La popolazione dei diversi conformeri segue la distribuzione Boltzmann: - conformero anti 79% - conformeri gauche 21% E (kcal/mole) gauche 60 ~9,2 eclissata gauche 60 B ~5,4 anti A 180-120 -60 0 +60 +120 +180 +240 Gradi di rotazione GG_FA-STEPS-G 2.5I_17-18 - 19
2.5III Analisi conformazionale Tensione da ingombro sterico butano, esano, 2,2,5,5-tetrametilesano E dovuta alla reciproca compressione di due gruppi di atomi che si trovano vicini nello spazio a una distanza inferiore ai loro raggi di Van der Waals. Aumenta: al diminuire della distanza tra i gruppi 3 al crescere delle loro dimensioni 3 3 3 3 > maggiore stabilità maggiore stabilità 3 << X 2 3 2 3 ( 3 ) 3 Nell esano, che ha una catena più lunga del butano, oltre alle conformazioni dovute alla rotazione del legame 3-4, sono presenti altre conformazioni per rotazione degli altri legami (catena più flessibile). Nel 2,2,5,5-tetrametilesano a causa dell ingombro sterico dei due gruppi t- butilici posti su 3 e 4 l unica conformazione possibile è solo anti (catena bloccata). ( 3 ) 3 % conformeri anti/gauche 79/21 80/20 100/0 GG_FA-STEPS-G 2.5I_17-18 - 20
2.5III Analisi conformazionale Interazione tra dipoli di legame 1,2-difluoroetano, 1,2-etandiolo (etilen glicole) Dovuta all interazione tra dipoli di legami adiacenti -/-X. Effetto di iperconiugazione: il legame -, anti a -X, più ricco di elettroni (elett. 2,5 2,1) interagisce con l orbitale * del legame più polarizzato -X (elett. 3,5, F 4,0), stabilizzando la conformazione gauche tra i due legami -X (effetto gauche). Dipende dal tipo di interazioni che i dipoli di legame possono instaurare col solvente. anti maggiore stabilità F F F gauche F + + + + GG_FA-STEPS-G 2.5I_17-18 - 21
2.5III Analisi conformazionale Formazione di legami idrogeno intramolecolari Dovuta alla possibilità di formare un legame idrogeno intramolecolare tra gruppi che si trovino ad una distanza e con una orientazione opportuna. La forza del legame idrogeno (~5-7 kcal/mole) è dello stesso ordine di grandezza o maggiore della forza di repulsione dei legami in conformazione gauche (~5 kcal/mole). Dipende anche dal tipo di interazioni che i gruppi possono instaurare col solvente. 2 2 anti maggiore stabilità butan-1,4-diolo gauche 2-2 - 2 -N 2 = N 2 N acido 4-amminobutanoico o -amminobutirrico = 2 N GG_FA-STEPS-G 2.5I_17-18 - 22
2.5IV Tensione angolare Nei composti ciclici la mancanza di rotazione totalmente libera attorno ai legami semplici, a causa della chiusura su se stesse delle catene di atomi di carbonio, introduce delle tensioni di varia natura legate alla dimensione del ciclo. Dimensioni del ciclo Designazione Tensione 3-4 cicli piccoli elevata - angolare (3>4) 5-7 cicli comuni piccola 8-10 cicli medi elevata (massima in 10) - di vario tipo 12-. cicli grandi piccola GG_FA-STEPS-G 2.5I_17-18 - 23
icli piccoli Aumenta all aumentare della differenza di un determinato angolo di legame interatomico dal suo valore normale (sp 3 109,5 ; sp 2 120 ; sp 180 ). I legami sono possibili in quanto per la formazione degli orbitali molecolari vengono adottati angoli inter orbitalici maggiori di quelli interatomici. La tensione angolare li rende molto instabili. angolo interorbitalico 2.5IV Tensione angolare sp 3 sp 3 sp 3 sp 3 105 60 sp 3 sp 3 angolo interatomico 60 sp 2 sp 2 instabile esplode a t.a. 90 sp 3 sp 3 angolo interatomico I derivati eterociclici del ciclopropano, o del ciclobutano, sono meno stabili dei corrispondenti composti non ciclici e sono molto usati per la loro reattività. N S N aziridina o etilene immina ossirano o ossido di etilene tiirano o solfuro di etilene azetidina ossetano GG_FA-STEPS-G 2.5I_17-18 - 24
2.5V Analisi conformazionale di composti ciclici Nei cicli piccoli alla tensione angolare si aggiunge la tensione torsionale dovuta alla presenza di legami tutti eclissati per mancanza di rotazione attorno ai legami semplici. Tutti i legami sono eclissati Idrogeni sullo stesso lato dell anello Idrogeni su lati opposti dell anello GG_FA-STEPS-G 2.5I_17-18 - 25
iclopentano 2.5V Analisi conformazionale di composti ciclici Gli angoli di legame di 105 permettono di ridurre la tesione angolare (angolo tetraedrico di 109,5 ). E un composto stabile, in cui la tensione angolare e torsionale è allentata adottando una conformazione non completamente planare (angolo geometrico di 108 ) con un vertice piegato al di sopra del piano. 105 Idrogeni sullo stesso lato dell anello Ad ogni istante un vertice dell anello si trova sopra il piano in modo da ridurre la repulsione dei legami eclissati Idrogeni su lati opposti dell anello GG_FA-STEPS-G 2.5I_17-18 - 26
icloesano 2.5V Analisi conformazionale di composti ciclici La tesione angolare è ridotta al minimo poichè tutti gli angoli di legame sono di 109,5. I legami - sono tutti in conformazione gauche. In presenza di sostituenti è preferita la conformazione col sotituente equatoriale a causa della repulsione assiale/equatoriale. 109,5 a sedia barriera a barca distorta energetica conformero intermedio 11 kcal/mole a barca barriera energetica 11 kcal/mole a barca distorta conformero intermedio a sedia assiale 3 equatoriale 3 GG_FA-STEPS-G 2.5I_17-18 - 27
2.5V Analisi conformazionale di composti ciclici icloesani sostituiti L introduzione di sostituenti sull anello favorisce le conformazioni in cui il sostituente è equatoriale a causa delle repulsioni elettrostatiche tra gli atomi o i gruppi assiali. All aumentare dell ingombro sterico dei gruppi sostituenti aumenta la barriera energetica di interconversione ax/eq e di conseguenza si riduce la percentuale di conformazione assiale. Nel caso del tert-butil e fenilcicloesano, la molecola è praticamente bloccata nella conformazione col sostituente equatoriale. 3 3 3 3 3 3 3 3 Differenze di energia ax/eq per sostituenti del cicloesano tratte da end.,ram,amm., da sommare alla barriera energetica ax/eq di 11 kcal/mole del cicloesano (calc. Spartan 06 F6.31G*) Sostituente DE kcal/mole Sostituente DE kcal/mole - 3 1,7 (2,4) -l, Br, I 0,5 (1,09, 1,18, 1,23) - 2 3 1,8 (2,35) -, - 3 0,7 (0,24, 0,22) -( 3 ) 3 molto grande (6,12) - 3 () 1,1 (1,19, 1,16) - 6 5 3,1 (5,16) - N 0,2 (0,45) GG_FA-STEPS-G 2.5I_17-18 - 28
2.5V Analisi conformazionale di composti ciclici icloesani sostituiti Un cicloesano sostituito può assumere due conformazioni a sedia, a energia più bassa, in cui il sostituente può essere assiale o equatoriale. Sulla base delle diverse energie dei conformeri ax/eq per i diversi sostituenti, è possibile tentare l analisi conformazionale di cicloesani polisostituiti, in cui i sostituenti assiali abbiano dalla stessa parte solo atomi di. Sommando le energie dovute ai singoli sostituenti assiali (vedi tabella, valori calcolati con Spartan 06) è possibile valutare quale sarà il conformero più stabile: A = 1 gruppo assiale: (0,24 kcal/mole) B = 2 gruppi assiali: 3 e l (2,4 + 1,09 = 3,49 kcal/mole) Dalla differenza delle energie tra i due conformeri (3,49 0,24 = 3,25 kcal/mole; calc. 3,34 kcal/mole), il conformero A, con il maggior numero di sostituenti equatoriali, è quello più stabile. Es. l 3 3 l (1S,3,4)-3-cloro-4-metilcicloesanolo 3 l A 80% B 20% più stabile GG_FA-STEPS-G 2.5I_17-18 - 29
2.5VI otazione impedita STEEISMEI NFIGUAZINALI Molecole con forme spaziali diverse dovute alla differente connessione che atomi o gruppi possono avere nei confronti di un stesso atomo della molecola. Non si interconvertono in quanto sono separati da barriere energetiche elevate. PLANAI NN PLANAI trans -1-metossipent-2-ene cis-1-metossipent-2-ene GG_FA-STEPS-G 2.5I_17-18 - 30
Isomeria geometrica 2.5VI otazione impedita. Legami doppi I legami = hanno una rotazione impedita per la presenza del legame, per cui i sostituenti legati sui due lati del legame sono praticamente congelati in una sola posizione; l interconversione è impedita dalla presenza di una barriera energetica alta. iò da origine a due possibili molecole isomere, con i sostituenti per interconvertirsi hanno bisogno di molta energia. acido maleico (p.f. 130 ) o acido cis but-2-endioico o acido (2Z)-but-2-endioico 140-2 anidride maleica furan-2,5-dione in posizioni differenti nello spazio, che 275-2 acido fumarico (p.f. 270 ) o acido trans but-2-endioico o acido (2E)-but-2-endioico GG_FA-STEPS-G 2.5I_17-18 - 31
2.5VI otazione impedita. Legami doppi Barriera energetica in legami doppi E Isomeri geometrici DE elevata ~ 60 kcal/mole Energia necessaria per rompere il legame. Lunghezze ed energie di legame: - sp 3 -sp 3 1.54Å 81 kcal/mole - sp 2 =sp 2 1.33Å 146 kcal/mole - sp sp 1.20Å 198 kcal/mole I II forma GG_FA-STEPS-G 2.5I_17-18 - 32
2.5VI otazione impedita. Legami doppi Nomenclatura per indicare la stereochimica dei doppi legami Davanti al nome è necessario indicare con gli stereodescrittori cis/trans o E/Z la disposizione dei sostituenti sul doppio legame. acido cis-but-2-endioico o acido maleico I gruppi sostituenti sono sullo STESS LAT del doppio legame I gruppi sostituenti sono sul LAT PPST del doppio legame acido trans-but-2-endioico o acido fumarico GG_FA-STEPS-G 2.5I_17-18 - 33
onvenzione cis/trans 2.5VI otazione impedita. Legami doppi Usata solo quando il doppio legame è disostituito con un e un gruppo sostituente su ogni carbonio cis trans gruppi o atomi diversi da sullo STESS LAT del legame = gruppi o atomi diversi da su LATI PPSTI del legame = cis trans cis trans GG_FA-STEPS-G 2.5I_17-18 - 34
2.5VI otazione impedita. Legami doppi onvenzione E/Z Usata quando il doppio legame ha più di due sostituenti. Z (zusammen) gruppi o atomi a priorità piu alta sullo STESS LAT del legame = E (entgegen) gruppi o atomi a priorità piu alta su LATI PPSTI del legame = Per determinare la priorità si usa la convenzione di ahn, Ingold e Prelog. Si divide idealmente il doppio legame e si individua su ogni lato la priorità dei gruppi sostituenti: 1) in ordine crescente di numero atomico - I > Br > l > S > F > > N > > 2) a parità di atomo (es. arbonio) si controlla l atomo successivo sulla catena fino ad individuare una differenza di numero atomico - 2 5 > 3 > Z E E Z GG_FA-STEPS-G 2.5I_17-18 - 35
Isomeria del butene 2.5VI otazione impedita. Legami doppi but-1-ene cis-but-2-ene (Z)-but-2-ene trans-but-2-ene (E)-but-2-ene 2-metilpropene Isomeria nei dieni 3 3 Br 3 3 Br 3 3 acido (2E,4E)-esa-2,4-dienoico acido (2E,4Z)-esa-2,4-dienoico (3Z,5E)-6-bromoepta-3,5-dien-2-one (3E,5Z)-6-bromoepta-3,5-dien-2-one GG_FA-STEPS-G 2.5I_17-18 - 36
2.5VI otazione impedita. Legami doppi Isomeria in immine, ossime, idrazoni 3 3 N 3 3 N 3 3 N-[(1E)-1-metilpropiliden]metanammina N-[(1Z)-1-metilpropiliden]metanammina 3 N 3 N l 3 (2E)-4-cloropentan-2-one ossima l 3 (2Z)-4-cloropentan-2-one ossima 3 N N2 3 2 N N (1Z)-1-(3-idrossifenil)butan-1- one idrazone (1E)-1-(3-idrossifenil)butan-1- one idrazone GG_FA-STEPS-G 2.5I_17-18 - 37
2.5VI otazione impedita. icli IS Sostituenti sullo stesso lato dell anello Sostituenti su lati opposti dell anello Isomeria geometrica nei cicli (3,4,5 termini) TANS 1,2 1,2 1,3 1,2 1,3 1,2 1,2 1,3 1,2 1,3 GG_FA-STEPS-G 2.5I_17-18 - 38
2.5VI otazione impedita. icli Isomeria geometrica nel cicloesano IS Sostituenti sopra o sotto il piano medio dell anello TANS 1,2 ax/eq o eq/ax 1,3 ax/ax o eq/eq 1,4 ax/eq o eq/ax Sostituenti su lati opposti del piano medio dell anello 1,2 ax/ax o eq/eq 1,3 ax/eq o eq/ax 1,4 ax/ax o eq/eq GG_FA-STEPS-G 2.5I_17-18 - 39