Análisis Conformacional

Química Orgánica Avanzada

Conformaciones

Son arreglos no idénticos de los átomos de una molécula, por rotación de enlaces sencillos.

<10 kcal mol-1 (Tamb)

Peróxido de Hidrógeno (H2O2)

Ángulo diedral

∞ confórmeros, aunque algunos son más estables

Análisis conformacional

Estudio de las propiedades físicas (E) y químicas

(reactividad) de los confórmeros de una molécula.

1874 Le Bel y van’t Hoff

1884Baeyer

los ángulos en los cicloalcanos ≠ 109.2º

> > < < <

60º 90º 108º 120º 138º

Sachse ciclohexano con conformaciones no planares

1943 Kohlrausch y Hassel demostró la existencia de

enlaces ecuatoriales y axiales (rayos X)

1950 Barton demostró la importancia de las

consecuencias de las distintas disposiciones axiales y

ecuatoriales de los hidrógenos

H

H

H

HH

H

H

H

H

H

H

H

Conformación de Moléculas acíclicas

Etano

Tensión torsional o de Pitzer = 3.0 kcal/mol

E

Degrees of Rotation

30060 120 180 2400 360

HH

HH

HH

H

HH

H

H H

DGº=3 kcal/mol

K=e-DGº/RT > 100

>99% de las moléculas de etano existen en conformación alternada

No se sabe con certeza la razón de la inestabilidad del confórmero eclipsado

La repulsión de van der Waals explica una diferencia de 0.5 kcal/mol

Se propone que un mejor argumento es la repulsión de los orbitales ocupados.

n-butano

E

Degrees of Rotation

A A

E

CC

D

B

30060 120 180 2400 360

HCH

3H

CH3

HH

HH

HCH

3 HCH

3

H

HH

H

HCH

3

H

HH

H

HCH

3

HCH

3

H

H

H

HCH

3

H

% del isómero

más estable

K DGº25ºC

(kcal/mol)

50 1.0 0.0

55 1.22 0.12

60 1.50 0.24

70 2.33 0.50

75 3.0 0.65

85 5.67 1.03

90 9.0 1.30

95 19.0 1.75

99 99.0 2.72

99.9 999.0 4.09

Proporciones de isómeros en equilibrio

Ciclohexano

Dos conformaciones de silla que se interconvierten a Tamb

H1

H2

H2

H1bote, bote torcído

X

X

X -DGº25ºC

(kcal/mol)

X -DGº25ºC

(kcal/mol)

F 0.25 SH 1.0

Cl 0.4 Me 1.74

Br 0.5 Et 1.8

I 0.4 i-Pr 2.1

OH 0.7 t-Bu 4.9

OMe 0.8 Ph 2.9

OEt 0.9 CN 0.2

XH

HX

H

Hvs

CH3

CH3 CH3CH3

H

H

H

HH

Hdoble bote torcido

H

HH

HH

H

H

H

H

HH

H

H

H

H

H

H

HH

H

H

H

H

H H

H

H

HH

HH

HH

H

Otros ciclos

El análisis conformacional de

1,3-Dioxanos monosustituidos

Necesidad de estudio conformacional

de compuestos heterocíclicos

Ciclohexano y anillos heterocíclicos

Semejanzas Diferencias

• Conformación silla más estable

• Barreras energéticas de inversión comparables

Diferencias entre sistemas cabocíclicos

y heterocíclicos

• Longitudes de enlaces C-X

– C-C (1.54 Å) - C-N (1.47 Å)

– C-O (1.43 Å) - C-S (1.82 Å

– C-S-C ≈ 100°

• Presencia de momentos dipolares

• Radios de Van der Waals.

La ausencia de ligandos (N, O, S) disminuye las

interacciones estéricas.

• Otros factores

– Puente de hidrógeno intramolecular (-OH)

– Inversión del Nitrógeno

1,3-Dioxano

Águlos torsionales

O-C-O-C 63°

C-O-C-C 59°

O-C-C-C 55° 1.41 Å

1.43 Å

1.50 Å

111° 109.5°

111°

Barrera de inversión del anillo:

1,3-dioxano < ciclohexano

(ΔG 9.5 kcal/mol) (ΔG 10.5 kcal/mol)

1,3-Dioxanos-2-Sustituidos

R: CH3 CH2CH3 i-Pr C6H5

ΔG° (1,3-dioxano) -4.0 -4.0 -4.2 -3.1

ΔG° (ciclohexano) -1.7 -1.8 -2.1 -2.9

Mayor preferencia por la posición ecuatorial en los 1,3-

dioxanos

Repulsión estérica

1.42 Å 1.54 Å

Repulsión estérica

≈

Modelos Anancoméricos

• Modelos conformacionalmente rígidos

• Poseen un sustituyente R’ que ancla el anillo en una

sola conformación.

• La equilibración de los modelos diastereoméricos se

logra mediante catálisis ácida.

R: CH3 CH2CH3 i-Pr C6H5

ΔG° (1,3-dioxano) -0.9 -0.8 -1.0 -1.4

ΔG° (ciclohexano) -1.74 -1.8 -2.1 -4.9

Repulsión esterica entre el sustituyente axial en

ciclohexano y los H sin-diaxales

Equilibrios Conformacionales en 1,3-Dioxanos

con Sustituyentes Polares en C(5)

Ciclohexanos monosustituidos

Estabilidad Ecuatorial Axial

excepcio

nes

• Acetato

• Cloruro de

ciclohexilmercurio

1,3-dioxanos con sustituyentes polares en C(5)

• Conformero ecuatorial posee menor repulsión dipolo-dipolo

X Disolvente ΔG° (Kcal/mol)

F C6H12 0.21

CH3CN 1.22

Cl CCl4 -1.40

CH3CN -0.25

CN CH3CN 0.55

OH C6H12 0.90

DME -0.50

SCH3 C6H12 -1.82

S(O)CH3 CHCl3 0.82

SO2CH3 CHCl3 1.19

No se cumple en disolventes poco polares

Grupo OH (efectos del disolvente)

Poco polares

Polares

Puente de hidrogeno intramolecular

Puente de hidrogeno intermolecular

δ-

δ+

X= F y CN (efecto gauche atractivo)

• Grupos pequeños y muy electronegativos

• Prefieren la conformación gauche en lugar de la anti

• El grupo SMe prefiere la posición ecuatorial(-ΔG°)

• Se esperaría que para el análogo S(O)Me, haya

mayor preferencia ecuatorial.

• Muestra preferencia axial

Para X= SO2CH3

• Un ligando forzosamente se ubica sobre el anillo

• Se espera un valor mayor de -ΔG°(ecuatorial)

• Tiene preferencia por el conformero axial

• Por RMN-H1 se observa que el grupo metilo

apunta hacia dentro del anillo.

La atracción electroestática explica el

predominio axial de X=S(O)CH3 y SO2CH3

δ+

δ-

δ+

δ-

Comportamiento conformacional de los grupos

t-Butil-tio, t-Butil-sulfinilo y t-Butil-sulfonilo en

C(5).

Dioxano X ΔG° (Kcal/mol)

118 S-t-Bu -1.90

119 SO-t-Bu +0.10

120 SO2-t-Bu -1.14

121 SCH3 -1.73

122 S(O)CH3 +0.82

123 SO2CH3 +1.19

Equilibración cis-trans de los sulfuros, sulfóxidos y sulfonas.

Sulfuros 118 y 121

• Valores de ΔG° similares

• Me y t-Bu se orientan hacia fuera del anillo