Las conformaciones de ciclohexano son cualquiera de varias formas tridimensionales adoptadas por las moléculas de ciclohexano . Debido a que muchos compuestos presentan anillos de seis miembros estructuralmente similares , la estructura y dinámica del ciclohexano son prototipos importantes de una amplia gama de compuestos. [1] [2]
Los ángulos internos de un hexágono plano regular son de 120°, mientras que el ángulo preferido entre enlaces sucesivos en una cadena de carbono es de aproximadamente 109,5°, el ángulo tetraédrico (el arco coseno de -1/3). Por lo tanto, el anillo de ciclohexano tiende a asumir conformaciones no planas (deformadas) , que tienen todos los ángulos más cercanos a 109,5° y, por lo tanto, una energía de deformación menor que la forma hexagonal plana.
Considere los átomos de carbono numerados del 1 al 6 alrededor del anillo. Si mantenemos estacionarios los átomos de carbono 1, 2 y 3, con las longitudes de enlace correctas y el ángulo tetraédrico entre los dos enlaces, y luego continuamos agregando los átomos de carbono 4, 5 y 6 con la longitud de enlace correcta y el ángulo tetraédrico, podemos variar los tres ángulos diédricos para las secuencias (2,3,4), (3,4,5) y (4,5,6). El siguiente enlace, del átomo 6, también está orientado mediante un ángulo diédrico, por lo que tenemos cuatro grados de libertad . Pero ese último enlace tiene que terminar en la posición del átomo 1, lo que impone tres condiciones en el espacio tridimensional. Si el ángulo de enlace en la cadena (6,1,2) también debe ser el ángulo tetraédrico, entonces tenemos cuatro condiciones. En principio, esto significa que no hay grados de libertad de conformación, suponiendo que todas las longitudes de los enlaces sean iguales y todos los ángulos entre los enlaces sean iguales. Resulta que, con los átomos 1, 2 y 3 fijos, existen dos soluciones llamadas silla , dependiendo de si el ángulo diédrico para (1,2,3,4) es positivo o negativo, y estas dos soluciones son iguales bajo una rotación. Pero también hay un continuo de soluciones, un círculo topológico donde la deformación angular es cero, incluyendo la torsión del barco y las conformaciones del barco . Todas las conformaciones de este continuo tienen un doble eje de simetría que atraviesa el anillo, mientras que las conformaciones de silla no lo tienen (tienen simetría D 3d , con un triple eje que atraviesa el anillo). Debido a la simetría de las conformaciones en este continuo es posible satisfacer las cuatro restricciones con un rango de ángulos diédricos en (1,2,3,4). En este continuo la energía varía debido a la deformación de Pitzer relacionada con los ángulos diédricos. El barco giratorio tiene una energía menor que el barco. Para pasar de la conformación de silla a una conformación de barco giratorio o a otra conformación de silla, es necesario cambiar los ángulos de enlace, lo que lleva a una conformación de media silla de alta energía. Entonces las estabilidades relativas son: silla > bote giratorio > bote > media silla . Todas las energías conformacionales relativas se muestran a continuación. [3] [4] A temperatura ambiente, la molécula puede moverse fácilmente entre estas conformaciones, pero sólo la silla y el barco giratorio pueden aislarse en forma pura, porque los demás no están en mínimos de energía locales.
Las conformaciones de barco y de barco giratorio, como se dijo, se encuentran a lo largo de un continuo de deformación de ángulo cero. Si hay sustituyentes que permiten distinguir los diferentes átomos de carbono, entonces este continuo es como un círculo con seis conformaciones de barco y seis conformaciones de barco giratorio entre ellas, tres "diestras" y tres "zurdas". (Lo que debería llamarse diestro no es importante.) Pero si los átomos de carbono son indistinguibles, como en el propio ciclohexano, entonces moverse a lo largo del continuo lleva a la molécula desde la forma de barco a una forma de barco giratorio "diestro", y luego de nuevo a la misma forma de barco (con una permutación de los átomos de carbono), luego a un barco giratorio "zurdo" y luego de nuevo al barco aquiral. El paso barco⊣barco-barco⊣barco⊣barco-giro⊣barco constituye una pseudorotación .
Otra forma de comparar la estabilidad dentro de dos moléculas de ciclohexano en la misma conformación es evaluar la cantidad de carbonos coplanares en cada molécula. [4] Los carbonos coplanares son carbonos que están todos en el mismo plano. Al aumentar el número de carbonos coplanares, aumenta el número de sustituyentes eclipsantes que intentan formar un ángulo de 120°, lo cual es inalcanzable debido a la superposición de hidrógenos. [5] Esta superposición aumenta la tensión torsional general y disminuye la estabilidad de la conformación. El ciclohexano disminuye la tensión de torsión causada por sustituyentes eclipsantes mediante la adopción de una conformación con un menor número de carbonos no planos. [6] Por ejemplo, si una conformación de media silla contiene cuatro carbonos coplanares y otra conformación de media silla contiene cinco carbonos coplanares, la conformación con cuatro carbonos coplanares será más estable. [4]
Las diferentes conformaciones se denominan "conformistas", una combinación de las palabras "conformación" e "isómero".
La conformación de silla es el conformador más estable. A 298 K (25 °C), el 99,99% de todas las moléculas en una solución de ciclohexano adoptan esta conformación.
El grupo de simetría es D 3d . Todos los centros de carbono son equivalentes. Seis centros de hidrógeno están colocados en posiciones axiales, aproximadamente paralelos al eje C3, y seis átomos de hidrógeno están paralelos al ecuador de la molécula.
Cada carbono contiene un hidrógeno "arriba" y uno "abajo". Por tanto, los enlaces C-H en los carbonos sucesivos están escalonados de modo que hay poca tensión de torsión . La geometría de la silla a menudo se conserva cuando los átomos de hidrógeno se reemplazan por halógenos u otros grupos simples . Sin embargo, cuando estos hidrógenos se sustituyen por un grupo más grande, se impone tensión sobre la molécula debido a las interacciones diaxiales. Se trata de una interacción (que suele ser repulsiva) entre dos sustituyentes en posición axial en un anillo de ciclohexano. [7]
Si uno piensa en un átomo de carbono como un punto con cuatro semienlaces que sobresalen hacia los vértices de un tetraedro , puede imaginarlos sobre una superficie con un semienlace apuntando hacia arriba. Mirando desde arriba, los otros tres parecerían ir hacia los vértices de un triángulo equilátero , por lo que los enlaces parecerían tener un ángulo de 120° entre ellos. Consideremos ahora seis de estos átomos situados en la superficie de modo que sus semienlaces no verticales se encuentren y formen un hexágono perfecto. Si luego se reflejan tres de los átomos hasta quedar debajo de la superficie, el resultado será algo muy similar al ciclohexano con conformación de silla. En este modelo, los seis semienlaces verticales son exactamente verticales, y los extremos de los seis semienlaces no verticales que sobresalen del anillo están exactamente en el ecuador (es decir, en la superficie). Dado que los enlaces C-H son en realidad más largos que la mitad de un enlace C-C, los átomos de hidrógeno "ecuatoriales" del ciclohexano de silla en realidad estarán debajo del ecuador cuando se unen a un carbono que está por encima del ecuador, y viceversa. Esto también es válido para otros sustituyentes. El ángulo diédrico de una serie de cuatro átomos de carbono que giran alrededor del anillo en este modelo alterna exactamente entre +60° y −60° (llamado gauche ).
La conformación de silla no puede deformarse sin cambiar los ángulos o longitudes de unión. Podemos pensar en ello como dos cadenas, imágenes especulares una de la otra, que contienen átomos (1,2,3,4) y (1,6,5,4), con ángulos diédricos opuestos. La distancia del átomo 1 al átomo 4 depende del valor absoluto del ángulo diédrico. Si estos dos ángulos diédricos cambian (aún siendo opuestos uno del otro), no es posible mantener el ángulo de enlace correcto tanto en el carbono 1 como en el carbono 4.
Las conformaciones de barco tienen mayor energía que las conformaciones de silla. La interacción entre los dos hidrógenos del asta de la bandera , en particular, genera tensión estérica . También existe tensión torsional entre los enlaces C2-C3 y C5-C6 (el carbono número 1 es uno de los dos en un plano especular), que están eclipsados , es decir, estos dos enlaces son paralelos entre sí a través de un plano especular. Debido a esta tensión, la configuración del barco es inestable (es decir, no es un mínimo de energía local).
La simetría molecular es C 2v .
Las conformaciones de barco se distorsionan espontáneamente a conformaciones de barco giratorio. Aquí la simetría es D 2 , un grupo de puntos puramente rotacional con tres ejes dobles. Esta conformación se puede derivar de la conformación de barco aplicando un ligero giro a la molécula para eliminar el eclipsamiento de dos pares de grupos metileno. La conformación del barco giratorio es quiral y existe en versiones para diestros y zurdos.
La concentración de la conformación de barco giratorio a temperatura ambiente es inferior al 0,1%, pero a 1.073 K (800 °C) puede alcanzar el 30%. El enfriamiento rápido de una muestra de ciclohexano de 1073 K (800 °C) a 40 K (-233 °C) se congelará en una gran concentración de conformación de barco giratorio, que luego se convertirá lentamente a la conformación de silla al calentarse. [8]
La interconversión de conformadores de silla se llama volteo de anillo o volteo de silla . Los enlaces carbono-hidrógeno que son axiales en una configuración se vuelven ecuatoriales en la otra y viceversa. A temperatura ambiente, las dos conformaciones de silla se equilibran rápidamente . El espectro de RMN de protones del ciclohexano es un singlete a temperatura ambiente, sin separación en señales separadas para los hidrógenos axiales y ecuatoriales.
En una forma de silla, el ángulo diédrico de la cadena de átomos de carbono (1,2,3,4) es positivo mientras que el de la cadena (1,6,5,4) es negativo, pero en la otra forma de silla, el ángulo la situación es la contraria. Entonces ambas cadenas tienen que sufrir una inversión del ángulo diédrico. Cuando una de estas dos cadenas de cuatro átomos se aplana hasta un ángulo diédrico de cero, tenemos la conformación de media silla , con una energía máxima a lo largo del camino de conversión. Cuando el ángulo diédrico de esta cadena se vuelve igual (tanto en signo como en magnitud) al de la otra cadena de cuatro átomos, la molécula ha alcanzado el continuo de conformaciones, incluyendo el barco de torsión y el barco, donde los ángulos de enlace y Todas las longitudes pueden estar en sus valores normales y, por lo tanto, la energía es relativamente baja. Después de eso, la otra cadena de cuatro carbonos tiene que cambiar el signo de su ángulo diédrico para alcanzar la forma de silla objetivo, por lo que nuevamente la molécula tiene que pasar a través de la media silla cuando el ángulo diédrico de esta cadena pasa por cero. Cambiar los signos de las dos cadenas secuencialmente de esta manera minimiza el estado de energía máxima a lo largo del camino (en el estado de media silla); hacer que los ángulos diédricos de ambas cadenas de cuatro átomos cambien de signo simultáneamente significaría pasar por una conformación de incluso mayor energía debida a la deformación angular en los carbonos 1 y 4.
El mecanismo detallado de la interconversión de presidente a presidente ha sido objeto de mucho estudio y debate. [9] El estado de media silla ( D , en la figura siguiente) es el estado de transición clave en la interconversión entre las conformaciones de silla y de barco giratorio. La media silla tiene simetría C 2 . La interconversión entre las dos conformaciones de silla implica la siguiente secuencia: silla → media silla → barco giratorio → media silla′ → silla′.
La conformación de barco ( C , a continuación) es un estado de transición que permite la interconversión entre dos conformaciones de barco giratorio diferentes. Si bien la conformación de barco no es necesaria para la interconversión entre las dos conformaciones de silla del ciclohexano, a menudo se incluye en el diagrama de coordenadas de reacción utilizado para describir esta interconversión porque su energía es considerablemente menor que la de la media silla, por lo que cualquier molécula con suficiente energía para pasar del bote giratorio a la silla también tiene suficiente energía para pasar del bote giratorio al bote. Por lo tanto, existen múltiples vías por las cuales una molécula de ciclohexano en la conformación de barco giratorio puede alcanzar nuevamente la conformación de silla.
En el ciclohexano, las dos conformaciones de silla tienen la misma energía. La situación se vuelve más compleja con los derivados sustituidos.
Un ciclohexano monosustituido es aquel en el que hay un sustituyente distinto de hidrógeno en el anillo de ciclohexano. La conformación energéticamente más favorable para un ciclohexano monosustituido es la conformación de silla con el sustituyente sin hidrógeno en la posición ecuatorial porque evita una tensión estérica alta debido a interacciones diaxiales 1,3. [10] En el metilciclohexano los dos confórmeros de silla no son isoenergéticos. El grupo metilo prefiere la orientación ecuatorial. La preferencia de un sustituyente hacia la conformación ecuatorial se mide en términos de su valor A , que es la diferencia de energía libre de Gibbs entre las dos conformaciones de silla. Un valor A positivo indica preferencia hacia la posición ecuatorial. La magnitud de los valores de A varía desde casi cero para sustituyentes muy pequeños como el deuterio, hasta aproximadamente 5 kcal/mol (21 kJ/mol) para sustituyentes muy voluminosos como el grupo terc-butilo. Por tanto, la magnitud del valor A también corresponderá a la preferencia por la posición ecuatorial. Aunque un sustituyente ecuatorial no tiene una interacción diaxial 1,3 que cause tensión estérica, tiene una interacción de Gauche en la que un sustituyente ecuatorial repele la densidad electrónica de un sustituyente ecuatorial vecino. [10]
Para los ciclohexanos 1,2 y 1,4 disustituidos, una configuración cis conduce a un grupo axial y otro ecuatorial. Estas especies sufren un rápido y degenerado movimiento de silla. Para el ciclohexano 1,2 y 1,4 disustituido, una configuración trans , la conformación diaxial se previene eficazmente por su alta tensión estérica. Para los ciclohexanos 1,3-disustituidos, la forma cis es diecuatorial y la conformación invertida sufre una interacción estérica adicional entre los dos grupos axiales. Los ciclohexanos trans -1,3-disustituidos son como cis -1,2- y cis -1,4- y pueden alternar entre las dos formas axiales/ecuatoriales equivalentes. [2]
El cis -1,4-di- terc -butilciclohexano tiene un grupo terc -butilo axial en la conformación de silla y la conversión a la conformación de barco giratorio coloca a ambos grupos en posiciones ecuatoriales más favorables. Como resultado, la conformación de barco giratorio es más estable en 0,47 kJ/mol (0,11 kcal/mol) a 125 K (-148 °C), según lo medido por espectroscopia de RMN . [9]
Además, para un ciclohexano disustituido, así como para moléculas más sustituidas, los valores A antes mencionados son aditivos para cada sustituyente. Por ejemplo, si se calcula el valor A de un dimetilciclohexano, cualquier grupo metilo en la posición axial contribuye con 1,70 kcal/mol; este número es específico de los grupos metilo y es diferente para cada posible sustituyente. Por lo tanto, el valor A global para la molécula es 1,70 kcal/mol por grupo metilo en la posición axial. [11]
1,3 Las interacciones diaxiales ocurren cuando el sustituyente distinto del hidrógeno en un ciclohexano ocupa la posición axial. Este sustituyente axial está en posición eclipsada con los sustituyentes axiales en los 3 carbonos con respecto a sí mismo (habrá dos de esos carbonos y, por lo tanto, dos interacciones diaxiales 1,3). Esta posición eclipsada aumenta la tensión estérica en la conformación del ciclohexano y la confirmación se desplazará hacia un equilibrio energéticamente más favorable. [12]
Las interacciones de Gauche ocurren cuando un sustituyente distinto del hidrógeno en un ciclohexano ocupa la posición ecuatorial. El sustituyente ecuatorial está en una posición escalonada con los carbonos 2 con respecto a sí mismo (habrá dos de esos carbonos y, por lo tanto, dos interacciones 1,2 gauche). Esto crea un ángulo diédrico de ~60°. [13] Esta posición escalonada generalmente se prefiere al posicionamiento eclipsado.
Una vez más, la conformación y posición de grupos (es decir, sustituyentes) más grandes que un hidrógeno singular son fundamentales para la estabilidad general de la molécula. Cuanto más grande es el grupo, es menos probable que prefiera la posición axial de su respectivo carbono. Mantener dicha posición con un tamaño mayor cuesta más energía de la molécula en su conjunto debido a la repulsión estérica entre los pares de electrones no enlazados de los grupos grandes y los electrones de los grupos más pequeños (es decir, hidrógenos). Estas repulsiones estéricas están ausentes en los grupos ecuatoriales. Por tanto, el modelo de ciclohexano evalúa el tamaño estérico de los grupos funcionales sobre la base de interacciones torpes. [14] La interacción gauche aumentará en energía a medida que aumente el tamaño del sustituyente involucrado. Por ejemplo, un sustituyente t-butilo mantendría una interacción torpe de mayor energía en comparación con un grupo metilo y, por lo tanto, contribuiría más a la inestabilidad de la molécula en su conjunto.
Por tanto, en comparación, se prefiere una conformación escalonada; los grupos más grandes mantendrían la posición ecuatorial y reducirían la energía de toda la molécula. Esta preferencia por la posición ecuatorial entre los grupos más voluminosos reduce las barreras de energía entre las diferentes conformaciones del anillo. Cuando la molécula se activa, habrá una pérdida de entropía debido a la estabilidad de los sustituyentes más grandes. Por lo tanto, la preferencia de las posiciones ecuatoriales por parte de moléculas grandes (como un grupo metilo) inhibe la reactividad de la molécula y, por tanto, hace que la molécula sea más estable en su conjunto. [15]
El equilibrio conformacional es la tendencia a favorecer la conformación donde el ciclohexano es más estable. Este equilibrio depende de las interacciones entre las moléculas del compuesto y el disolvente. La polaridad y la no polaridad son los factores principales para determinar qué tan bien interactúa un solvente con un compuesto. El ciclohexano se considera no polar, lo que significa que no existe una diferencia electronegativa entre sus enlaces y su estructura general es simétrica. Debido a esto, cuando el ciclohexano se sumerge en un solvente polar, tendrá una menor distribución del solvente, lo que significa una mala interacción entre el solvente y el soluto. Esto produce un efecto catalítico limitado. [16] Además, cuando el ciclohexano entra en contacto con un disolvente no polar, la distribución del disolvente es mucho mayor, lo que muestra una fuerte interacción entre el disolvente y el soluto. Esta fuerte interacción produce un mayor efecto catalítico.
Los análogos heterocíclicos del ciclohexano son omnipresentes en azúcares, piperidinas, dioxanos, etc. Existen generalmente y siguen las tendencias observadas para el ciclohexano, es decir, el confórmero de silla es el más estable. Sin embargo, los equilibrios axial-ecuatorial (valores A) se ven fuertemente afectados por la sustitución de un metileno por O o NH. Son ilustrativas las conformaciones de los glucósidos . [2] El 1,2,4,5-tetratiano ((SCH 2 ) 3 ) carece de las interacciones desfavorables 1,3-diaxiales del ciclohexano. En consecuencia, su conformación de barco retorcido está poblada; en la estructura de tetrametilo correspondiente, 3,3,6,6-tetrametil-1,2,4,5-tetratiano, domina la conformación de barco giratorio.
En 1890, Hermann Sachse , un asistente de 28 años en Berlín, publicó instrucciones para doblar una hoja de papel para representar dos formas de ciclohexano que llamó simétrica y asimétrica (lo que ahora llamaríamos silla y barco ). Entendió claramente que estas formas tenían dos posiciones para los átomos de hidrógeno (nuevamente, para usar la terminología moderna, axial y ecuatorial ), que dos sillas probablemente se interconvertirían, e incluso cómo ciertos sustituyentes podrían favorecer una de las formas de la silla (teoría de Sachse-Mohr). ). Debido a que expresó todo esto en lenguaje matemático, pocos químicos de la época entendieron sus argumentos. Hizo varios intentos de publicar estas ideas, pero ninguno logró capturar la imaginación de los químicos. Su muerte en 1893, a la edad de 31 años, significó que sus ideas se hundieran en el olvido. No fue hasta 1918 que Ernst Mohr , basándose en la estructura molecular del diamante que había sido resuelta recientemente utilizando la entonces muy nueva técnica de cristalografía de rayos X , [17] [18] pudo argumentar con éxito que la silla de Sachse fue el motivo fundamental. [19] [20] [21] [22] [23] [24] Derek Barton y Odd Hassel compartieron el Premio Nobel de Química de 1969 por su trabajo sobre las conformaciones del ciclohexano y varias otras moléculas.
El ciclohexano es el más estable de los cicloalcanos, debido a la estabilidad de adaptarse a su confórmero de silla. [4] Esta estabilidad del confórmero permite que el ciclohexano se utilice como estándar en análisis de laboratorio. Más específicamente, el ciclohexano se utiliza como estándar de referencia farmacéutica en el análisis de disolventes de compuestos y materias primas farmacéuticos. Esta norma específica significa que el ciclohexano se utiliza en análisis de calidad de alimentos y bebidas, pruebas de liberación de productos farmacéuticos y desarrollo de métodos farmacéuticos; [25] estos diversos métodos prueban la pureza, la bioseguridad y la biodisponibilidad de los productos. [26] La estabilidad del confórmero de silla del ciclohexano le da al cicloalcano una aplicación versátil e importante en lo que respecta a la seguridad y las propiedades de los productos farmacéuticos.
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