TL;DR La deformazione torsionale può essere pensata come la repulsione dovuta alle forze elettrostatiche tra elettroni in MO adiacenti. Nel frattempo, la deformazione sterica (conosciuta anche come deformazione di van der Waals) può essere pensata come la repulsione quando due gruppi voluminosi che non sono direttamente legati l’uno all’altro diventano troppo vicini l’uno all’altro e quindi non c’è abbastanza spazio per loro.
Ecco la versione più dettagliata.
La deformazione torsionale
Consideriamo una molecola di etano. Il legame sigma C-C è libero di ruotare e in linea di principio ci sono un numero infinito di conformazioni possibili. Tuttavia solo 2 sono significative, queste sono le conformazioni sfalsate ed eclissate. Le diverse conformazioni sono di solito disegnate come proiezioni Newman in quanto possono essere facilmente confrontate tra loro. Qui sotto ci sono le proiezioni Newman per il conformatore eclissato e sfalsato:
Il conformatore sfalsato è il conformatore più stabile mentre il conformatore eclissato è il meno stabile. Il conformatore sfalsato è approssimativamente $mathrm{12~kJ~mol^{-1}} più stabile del conformatore eclissato. La differenza di energia tra questi massimi e minimi è nota come barriera torsionale.
Cos’è dunque la barriera torsionale? La ragione per cui il conformatore eclissato ha un’energia più alta di qualsiasi altro conformatore è dovuta alla repulsione elettrostatica destabilizzante tra le coppie di elettroni dei legami sigma C-H sui due carboni. Inoltre, esiste anche una caratteristica stabilizzante che è maggiore nel conformatore sfalsato. Nel conformatore sfalsato c’è un’interazione orbitale costruttiva che coinvolge i MO di legame e anti-legame degli atomi H adiacenti. Questo provoca un’ipercongiunzione che stabilizza il composto.
I due effetti che ho menzionato sopra sono quelli a cui si riferisce la deformazione torsionale. Quindi si può pensare alla deformazione torsionale come alla deformazione che è il risultato delle forze elettrostatiche.
Tensione sterica
Ora consideriamo il butano. La rotazione del legame sigma di $mathrm{C_2-C_3}$ porta anche a infiniti possibili conformeri. Comunque ci sono 4 conformazioni principali mostrate qui sotto:
Qui ci sono 2 tipi di conformazioni eclissate che sono le meno stabili delle conformazioni. Il più instabile è conosciuto come la forma syn eclissata. La forma syn è approssimativamente $mathrm{20~kJ~mol^{-1}}$ più alta in energia del conformatore sfalsato. La ragione di ciò può essere in parte attribuita alla tensione torsionale, poiché c’è repulsione tra gli elettroni negli orbitali di legame sigma. Tuttavia, può anche essere in gran parte attribuito alla repulsione dei due gruppi metilici relativamente ingombranti, poiché diventano troppo vicini l’uno all’altro e non c’è abbastanza spazio per loro. Quindi la deformazione sterica può essere definita come la repulsione che si verifica quando gruppi non legati che non sono direttamente legati si avvicinano troppo l’un l’altro. Questa repulsione esiste solo per i sostituenti voluminosi, come i gruppi metile o etile. Quindi nell’etano non c’è alcun ostacolo sterico, poiché gli atomi di idrogeno non sono così voluminosi.