Per prima cosa parliamo delle conformazioni. Queste, chiamate anche conformazioni o isomeri conformazionali, sono diverse disposizioni degli atomi che si verificano come risultato della rotazione intorno a singoli legami. Per esempio, nella seguente molecola, possiamo avere una diversa disposizione degli atomi ruotando intorno al legame σ centrale:
La maggior parte delle volte, queste rotazioni avvengono molto velocemente a temperatura ambiente, ecco perché le conformazioni non sono considerate come composti diversi. Quindi, per ora, ricordate che solo perché le strutture sembrano diverse non significa che rappresentino composti diversi:
Diventa un composto diverso quando gli atomi sono collegati in modo diverso (isomeri costituzionali) o non è possibile interconvertire tra diverse disposizioni di atomi mediante rotazioni intorno a legami singoli. Buoni esempi sono gli isomeri cis e trans, gli isomeri e e z, che sono considerati diastereomeri – una classe di stereoisomeri. Sì, diventa un po’ opprimente, ma occupiamoci delle conformazioni e delle proiezioni di Newman per ora.
Le conformazioni possono essere mostrate da proiezioni Bond-line (zig-zag), Sawhorse o Newman:
Abbiamo fatto molta pratica sulle strutture Bond-line e sulla conversione tra strutture Lewis e bond-line prima: Bond-line, Lewis e strutture condensate con problemi pratici
Proiezioni Newman
Abbiamo detto che le conformazioni sono forme diverse di un composto che hanno origine da una rotazione intorno ad un singolo legame (sigma). A volte una migliore prospettiva di questa rotazione e delle conformazioni che si formano si ottiene guardando attraverso il legame sigma. E questo è ciò che chiamiamo una proiezione Newman.
Una proiezione Newman è una rappresentazione della molecola che guarda attraverso un singolo legame C-C.
Per ogni proiezione Newman, devi specificare il legame e la direzione che stai guardando. Per esempio, per la nostra molecola, possiamo guardare attraverso il legame C1-C2 (anche se può essere attraverso qualsiasi legame).
La direzione è di solito mostrata con un simbolo dell’occhio:
Quindi, in questa lattina, se stiamo guardando dall’alto a sinistra, e il carbonio davanti sarà il carbonio 1 e dietro, abbiamo il carbonio 2. La proiezione Newman corrispondente sarebbe la seguente:
Il cerchio è un oggetto immaginario che viene messo tra i due carboni in modo che i gruppi su ogni carbonio siano identificati chiaramente nella proiezione Newman.
Questo non era così chiaro, giusto?
Come hanno fatto i gruppi ad apparire dove sono nella proiezione Newman? E il motivo è che è importante vedere quali gruppi puntano dove, cioè in alto, in basso, in alto a sinistra, in alto a destra, ecc.
Qui si può vedere che Cl è in alto a destra (rivolto verso la mano destra), H è in alto a sinistra (mano sinistra) e il metile punta dritto in basso. E questo è tutto quello che c’è sul primo carbonio:
Sul secondo carbonio, abbiamo un OH che punta in alto, un Br in basso a sinistra, e un H in basso a destra. Molto meglio dell’occhio, dovrebbe essere.
Una molecola può avere proiezioni Newman multiple
Come detto prima, per disegnare una proiezione Newman di una molecola, bisogna dare il legame, e l’angolo dell’osservatore. A seconda dell’angolo, le proiezioni Newman di una data molecola possono apparire completamente diverse. Per esempio, se dovessimo guardare attraverso il legame C1-C2 della molecola precedente, dal basso a sinistra, questo è ciò che otterremmo:
Queste due proiezioni Newman rappresentano lo stesso composto che possiamo confermare capovolgendo una di esse di 180o attraverso un asse:
Nota anche, che lo schema del modello per le due proiezioni Newman è diverso. Nella prima, il carbonio anteriore, ha la forma a “Y”, mentre nella seconda, è una “Y” rovesciata. Oppure possiamo anche chiamarle front-up, back-down, e front-down-back-up.
Questo dipende semplicemente dal modello a zig-zag e se visualizzi il posizionamento di un modello con le braccia aperte invece di un semplice occhio, ti sarà molto più facile ottenere il modello corretto.
Quindi, una cosa da ricordare qui è che non c’è correlazione per quanto riguarda un gruppo a cuneo sullo zig-zag è sempre a destra, o un gruppo a trattino è a sinistra, ecc. E questo è un modello di confusione comune quando stai appena imparando la proiezione Newman.
Pensaci in questo modo – Solo perché la coda del cane è a destra, non significa che sia sempre un’affermazione corretta. Dipende dalla direzione in cui si guarda il cane:
La pratica è l’unico modo per aggirare questo e la maggior parte dei concetti in chimica organica. Prendete semplicemente un foglio e disegnate quello che potete il più possibile – non pensate troppo senza disegnare nulla. Se qualcosa è sbagliato, puoi aggiustarlo, ma se non disegni nulla, non saprai cos’è che devi lavorare.
Conformazioni sfalsate ed eclissate – Angolo diedro
Prendiamo la nostra molecola e facciamo una rotazione di 180o del primo carbonio attorno al legame C1-C2:
E ora, disegniamo la proiezione Newman sempre guardando dall’alto a sinistra:
Quello che notiamo è che tutti i gruppi sul carbonio posteriore sono esattamente dietro quelli sul carbonio anteriore. Sono tutti allineati. Questa è chiamata conformazione eclissata (eclissi lunare).
In altre parole, l’angolo tra ogni gruppo eclissato è 0o. L’angolo tra questi gruppi si chiama angolo diedro.
Nota che l’angolo diedro in tutte le proiezioni Newman che abbiamo fatto prima era 60o. Esso bisecava i gruppi su ogni carbonio. Tutte queste conformazioni erano conformazioni sfalsate – l’angolo diedro tra tutti i gruppi anteriori e posteriori è di 60o:
Le conformazioni sfalsate sono più stabili delle conformazioni eclissate perché agli atomi piace lo spazio e più sono vicini, più la conformazione diventa instabile.
A seconda dell’angolo diedro tra i due gruppi più grandi, la conformazione sfalsata può essere Anti (180o) o Gauche (60o).
Un buon esempio è il butano:
Di seguito il diagramma energetico di tutte le conformazioni sfalsate ed eclissate del butano. Per capire come avviene la trasformazione da una conformazione all’altra, immaginate di tenere fermo il carbonio anteriore e di ruotare il carbonio posteriore di 60o. Naturalmente, nella realtà, ruotano entrambi e lo facciamo solo per rendere più facile la visualizzazione. Si potrebbe anche tenere fermo il carbonio posteriore e ruotare il carbonio anteriore:
Più vicino si mettono i gruppi metilici grandi e più instabile diventa la conformazione. Oppure, che è lo stesso dire, maggiore è la distanza tra i gruppi grandi, più stabile è la conformazione.
Anche, più grandi sono i gruppi, più instabili sono le conformazioni eclissate e gauche.
Nota che qualsiasi conformazione sfalsata è più stabile della più stabile conformazione eclissata e le conformazioni gauche sono meno stabili delle conformazioni anti.
Puoi leggere di più sulle energie associate alle diverse conformazioni descritte come sforzo torsionale e sterico nel prossimo post.