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.

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