Isomeria conformacional - Conformational isomerism

Rotação sobre ligação simples de butano para interconverter uma conformação em outra. A conformação gauche à direita é um conformador, enquanto a conformação eclipsada à esquerda é um estado de transição entre conformadores. Acima: projeção de Newman; abaixo: representação da orientação espacial.

Em química , isomerismo conformacional é uma forma de estereoisomeria em que os isômeros podem ser interconvertidos apenas por rotações sobre ligações formalmente simples (consulte a figura na rotação de ligação simples). Embora quaisquer dois arranjos de átomos em uma molécula que diferem por rotação sobre ligações simples possam ser referidos como conformações diferentes , conformações que correspondem a mínimos locais na superfície de energia potencial são especificamente chamadas de isômeros conformacionais ou conformadores . As conformações que correspondem aos máximos locais na superfície de energia são os estados de transição entre os isômeros conformacionais locais mínimos. As rotações sobre ligações simples envolvem a superação de uma barreira de energia rotacional para interconverter um conformador a outro. Se a barreira de energia for baixa, há rotação livre e uma amostra do composto existe como uma mistura de equilíbrio rápido de múltiplos conformadores; se a barreira de energia for alta o suficiente, então há rotação restrita, uma molécula pode existir por um período de tempo relativamente longo como um isômero rotacional estável ou rotâmero (um isômero que surge da rotação de ligação única impedida). Quando a escala de tempo para interconversão é longa o suficiente para o isolamento de rotâmeros individuais (geralmente definido arbitrariamente como uma meia-vida de interconversão de 1000 segundos ou mais), os isômeros são denominados atropisômeros ( ver: atropisomerismo ). O flip do anel de ciclohexanos substituídos constitui outra forma comum de isomerismo conformacional.

Os isômeros conformacionais são, portanto, distintos das outras classes de estereoisômeros (isto é, isômeros configuracionais ), onde a interconversão necessariamente envolve quebra e reforma de ligações químicas. Por exemplo, as configurações L / D - e R / S - de moléculas orgânicas têm diferentes mãos e atividades ópticas e só podem ser interconvertidas quebrando uma ou mais ligações conectadas ao átomo quiral e reformando uma ligação semelhante em uma direção diferente ou espacial orientação. Eles também diferem dos isômeros geométricos ( cis / trans ), outra classe de estereoisômeros, que requerem o componente π das ligações duplas para quebrar para a interconversão. (Embora a distinção nem sempre seja clara, uma vez que certas ligações que são formalmente simples têm, na verdade, o caráter de ligação dupla que se torna aparente apenas quando os contribuintes de ressonância secundária são considerados, como as ligações C – N de amidas , por exemplo.) Devido a rápida interconversão, os conformadores geralmente não são isoláveis ​​à temperatura ambiente.

O estudo da energética entre diferentes conformações é referido como análise conformacional . É útil para compreender a estabilidade de diferentes isômeros, por exemplo, levando em consideração a orientação espacial e as interações espaciais dos substituintes. Além disso, a análise conformacional pode ser usada para prever e explicar a seletividade do produto, mecanismos e taxas de reações. A análise conformacional também desempenha um papel importante no projeto racional de medicamentos com base na estrutura .

Tipos

Diagrama de conformação relativa de energia do butano em função do ângulo diedro. A: antiperiplanar, anti ou trans. B: sinclinal ou gauche. C: anticlinal ou eclipsado. D: sinperiplanar ou cis.

Girando suas ligações carbono-carbono, as moléculas de etano e propano têm três mínimos de energia locais. Eles são estrutural e energeticamente equivalentes e são chamados de conformadores escalonados . Para cada molécula, os três substituintes que emanam de cada ligação carbono-carbono são escalonados, com cada ângulo diédrico H – C – C – H (e ângulo diédrico H – C – C – CH 3 no caso do propano) igual a 60 ° (ou aproximadamente igual a 60 ° no caso do propano). As três conformações eclipsadas, nas quais os ângulos diédricos são zero, são estados de transição (máximos de energia) conectando dois mínimos de energia equivalente, os conformadores escalonados.

A molécula de butano é a molécula mais simples para a qual as rotações de ligação simples resultam em dois tipos de estruturas não equivalentes, conhecidas como anti - e gauche - conformadores (veja a figura).

Por exemplo, o butano tem três conformadores relacionados aos seus dois grupos metil (CH 3 ): dois conformadores gauche , que têm os metilos separados por ± 60 ° e são enantioméricos , e um anti- conformador, onde os quatro centros de carbono são coplanares e os substituintes são 180 ° de distância (consulte o diagrama de energia livre do butano). A diferença de energia entre gauche e anti é de 0,9 kcal / mol associada à energia de deformação do conformador gauche. O anti-conformador é, portanto, o mais estável (≈ 0 kcal / mol). As três conformações eclipsadas com ângulos diédricos de 0 °, 120 ° e 240 ° são estados de transição entre os conformadores. Observe que as duas conformações eclipsadas têm energias diferentes: a 0 °, os dois grupos metil são eclipsados, resultando em energia mais alta (≈ 5 kcal / mol) do que em 120 °, onde os grupos metil são eclipsados ​​com hidrogênios (≈ 3,5 kcal / mol )

Enquanto moléculas simples podem ser descritas por esses tipos de conformações, moléculas mais complexas requerem o uso do sistema Klyne-Prelog para descrever os diferentes conformadores.

Exemplos mais específicos de isomerismo conformacional são detalhados em outro lugar:

Energia livre e equilíbrio de isômeros conformacionais

Equilíbrio de conformadores

Distribuição de equilíbrio de dois conformadores em diferentes temperaturas, dada a energia livre de sua interconversão.

Os isômeros conformacionais existem em um equilíbrio dinâmico , onde as energias livres relativas dos isômeros determinam a população de cada isômero e a barreira de energia de rotação determina a taxa de interconversão entre os isômeros:

onde K é a constante de equilíbrio, Δ G ° é a diferença na energia livre padrão entre os dois conformadores em kcal / mol, R é a constante de gás universal (1,987 × 10 −3 kcal / mol K) e T é a temperatura do sistema em Kelvins . Em unidades de kcal / mol a 298 K,

Assim, cada 1,36 kcal / mol corresponde a um fator de cerca de 10 em termos de constante de equilíbrio em temperaturas próximas à temperatura ambiente. (A " regra 1.36 " é útil em geral para estimar constantes de equilíbrio à temperatura ambiente a partir de diferenças de energia livre. Em temperaturas mais baixas, uma diferença de energia menor é necessária para obter uma determinada constante de equilíbrio.)

Três isotérmicas são fornecidas no diagrama que descreve a distribuição de equilíbrio de dois conformadores em diferentes temperaturas. A uma diferença de energia livre de 0 kcal / mol, isso dá uma constante de equilíbrio de 1, o que significa que existem dois conformadores em uma proporção de 1: 1. Os dois têm energia livre igual; nenhum é mais estável, então nenhum predomina em comparação ao outro. Uma diferença negativa na energia livre significa que um conformador se interconverte em uma conformação termodinamicamente mais estável, portanto, a constante de equilíbrio será sempre maior que 1. Por exemplo, o Δ G ° para a transformação do butano do conformador gauche para o anti conformador é −0,47 kcal / mol a 298 K. Isso dá uma constante de equilíbrio de cerca de 2,2 a favor do anti- conformador, ou uma mistura 31:69 de gauche : anti- conformadores em equilíbrio. Por outro lado, uma diferença positiva na energia livre significa que o conformador já é o mais estável, então a interconversão é um equilíbrio desfavorável ( K  <1). Mesmo para mudanças altamente desfavoráveis ​​(grande Δ G ° positivo ), a constante de equilíbrio entre dois conformadores pode ser aumentada aumentando a temperatura, de modo que a quantidade do conformador menos estável presente no equilíbrio aumente (embora sempre permaneça o conformador menor).

Distribuição da população de conformadores

Distribuição de Boltzmann% da conformação de energia mais baixa em um sistema de equilíbrio de dois componentes em várias temperaturas (° C, cor) e diferença de energia em kcal / mol ( eixo x )

A distribuição fracionária da população de diferentes conformadores segue uma distribuição de Boltzmann :

O lado esquerdo é a proporção do conformador i em uma mistura de equilíbrio de conformadores M em equilíbrio termodinâmico. No lado direito, E k ( k = 1, 2, ..., M ) é a energia do conformador k , R é a constante de gás ideal molar (aproximadamente igual a 8,314 J / (mol · K) ou 1,987 cal / (mol · K)), e T é a temperatura absoluta . O denominador do lado direito é a função de partição.

Fatores que contribuem para a energia livre dos conformadores

Os efeitos das interações eletrostáticas e estéricas dos substituintes, bem como as interações orbitais, como a hiperconjugação, são responsáveis ​​pela estabilidade relativa dos conformadores e seus estados de transição. As contribuições desses fatores variam dependendo da natureza dos substituintes e podem contribuir positivamente ou negativamente para a barreira de energia. Estudos computacionais de pequenas moléculas como o etano sugerem que os efeitos eletrostáticos são os que mais contribuem para a barreira de energia; entretanto, a barreira é tradicionalmente atribuída principalmente às interações estéricas.

Contribuições para barreira de energia rotacional

No caso de sistemas cíclicos, o efeito estérico e a contribuição para a energia livre podem ser aproximados por valores A , que medem a diferença de energia quando um substituinte no ciclohexano está na posição axial em comparação com a equatorial.

Isolamento ou observação dos isômeros conformacionais

A curta escala de tempo de interconversão impede a separação de isômeros conformacionais na maioria dos casos. Atropisômeros são isômeros conformacionais que podem ser separados devido à rotação restrita. O equilíbrio entre os isômeros conformacionais pode ser observado usando uma variedade de técnicas espectroscópicas .

O dobramento de proteínas também gera isômeros conformacionais estáveis ​​que podem ser observados. A equação de Karplus relaciona o ângulo diedro dos prótons vicinais às suas constantes de acoplamento J conforme medido por NMR. A equação auxilia na elucidação do dobramento de proteínas, bem como nas conformações de outras moléculas alifáticas rígidas . As cadeias laterais das proteínas exibem rotâmeros, cuja distribuição é determinada por sua interação estérica com diferentes conformações do backbone. Isto é evidente a partir da análise estatística das conformações das cadeias laterais de proteínas na biblioteca de rotâmeros dependentes de backbone .

Em derivados de ciclohexano , os dois conformadores de cadeira se interconvertem rapidamente à temperatura ambiente, com o próprio ciclohexano passando por uma inversão de anel a taxas de aproximadamente 10 5  voltas de anel / s, com uma barreira de energia total de 10 kcal / mol (42 kJ / mol), o que impede a sua separação à temperatura ambiente. No entanto, em baixas temperaturas abaixo do ponto de coalescência, pode-se monitorar diretamente o equilíbrio por espectroscopia de NMR e por espectroscopia de NMR dinâmica e dependente da temperatura a interconversão de barreira.

A dinâmica do isomerismo conformacional (e outros tipos de) pode ser monitorada por espectroscopia de NMR em temperaturas variáveis. A técnica se aplica a barreiras de 8–14 kcal / mol, e as espécies que exibem tal dinâmica são freqüentemente chamadas de " fluxionais ".

Além da espectroscopia de NMR, a espectroscopia de IV é usada para medir as razões do conformador. Para o conformador axial e equatorial do bromociclohexano, ν CBr difere em quase 50 cm −1 .

Reações dependentes de conformação

As taxas de reação são altamente dependentes da conformação dos reagentes. Em muitos casos, o produto dominante surge da reação do conformador menos prevalente , em virtude do princípio Curtin-Hammett . Isso é típico para situações em que o equilíbrio conformacional é muito mais rápido do que a reação para formar o produto. A dependência de uma reação na orientação estereoquímica é, portanto, geralmente apenas visível em isômeros configuracionais , nos quais uma conformação particular é bloqueada por substituintes. A previsão das taxas de muitas reações envolvendo a transição entre os estados sp2 e sp3, como redução da cetona, oxidação do álcool ou substituição nucleofílica, é possível se todos os conformadores e sua estabilidade relativa governada por sua cepa forem levados em consideração.

Um exemplo com isômeros configuracionais é fornecido por reações de eliminação , que envolvem a remoção simultânea de um próton e um grupo de saída de posições vicinais ou anti- periplanares sob a influência de uma base.

Desidrohalogenação bimolecular induzida por base (um mecanismo de reação do tipo E2). A geometria ideal para o estado de transição requer que as ligações de ruptura sejam antiperiplanares, pois estão na conformação escalonada apropriada

O mecanismo requer que os átomos ou grupos que partem sigam trajetórias antiparalelas. Para substratos de cadeia aberta, este pré-requisito geométrico é atendido por pelo menos um dos três conformadores escalonados. Para alguns substratos cíclicos, como ciclohexano, no entanto, um arranjo antiparalelo pode não ser atingível dependendo dos substituintes que podem definir um bloqueio conformacional. Substituintes adjacentes em um anel de ciclohexano podem atingir antiperiplanaridade apenas quando ocupam posições trans- diaxiais (ou seja, ambos estão em posição axial, um subindo e outro descendo).

Uma consequência desta análise é que trans -4- terc -butylcyclohexyl cloreto não pode eliminar facilmente, mas em vez disso passa por substituição (ver diagrama abaixo) porque a conformação mais estável tem o volumoso t grupo Bu na posição equatorial, por conseguinte, o grupo de cloreto não é antiperiplanar com qualquer hidrogênio vicinal (é ruim para todos os quatro). A conformação termodinamicamente desfavorecida tem o grupo t- Bu na posição axial, que é mais alto em energia em mais de 5 kcal / mol (ver valor A ). Como resultado, o grupo t -Bu "trava" o anel na conformação onde ele está na posição equatorial e a reação de substituição é observada. Por outro lado, o cis -4- terc -butylcyclohexyl cloreto de sofre eliminação porque antiperiplanarity de Cl e H pode ser conseguida quando o t grupo Bu está na posição equatorial favorável.

Conformao termodinamicamente desfavorecida de trans -4- terc -butylcyclohexyl cloreto onde o t grupo Bu está na posição axial exercendo interacções 7 átomos.
O isômero trans pode atingir a antiperiplanaridade apenas por meio do conformador axial desfavorecido; portanto, não elimina. O isômero cis já está na geometria correta em sua conformação mais estável; portanto, elimina facilmente.

A repulsão entre um grupo t- butil axial e átomos de hidrogênio na posição 1,3-diaxial é tão forte que o anel de ciclohexano reverterá para uma conformação de barco torcido . A deformação em estruturas cíclicas é geralmente caracterizada por desvios dos ângulos de ligação ideais ( deformação de Baeyer ), ângulos de torção ideais ( deformação de Pitzer ) ou interações transanulares (Prelog).

Veja também

Referências