UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERAFACULTAD DE INGENIERA QUMICA Y
TEXTIL REA ACADMICA DE INGENIERA QUMICA
INFORME N05ANLISIS CONFORMACIONAL Y CONFIGURACIONALQU-325
ARealizado por: Capillo Muoz, Carlos Jess Ricardo Nez Diestra, Ader
Fiorane Quispe Guzmn, Jorge Willianders NOTA DE PRCTICAProfesores
encargados de la prctica: Ing. Emilia Hermoza GuerraPerodo
acadmico: 2012-IFecha de realizacin de prctica: 24 de abrilFecha de
presentacin de informe: 02 de mayoLIMA-PERANLISIS CONFIGURACIONAL Y
CONFORMACIONAL1. Objetivo general:El objetivo general de la quinta
prctica de laboratorio es afianzar los conocimientos obtenidos en
las clases de teora de Qumica Orgnica, utilizando como material de
apoyo piezas con las cuales podemos armar molculas y analizar de
forma fctica los factores que intervienen en la estabilidad de una
molcula (tensin angular, tensin torsional y tensin de Van de
Waals), as como los diferentes fenmenos que ocurren debido a la
libre rotacin de tomos (conformaciones) y orientaciones en el
espacio (configuraciones).2. Desarrollo del tema:En la prctica de
laboratorio utilizamos el siguiente material didctico:
El cual nos permiti moldear todas las estructuras mencionadas en
este informe, debido a la cantidad limitada de figuras y colores,
cada unidad de este kit representar un tomo o un ligando segn sea
el caso.
Haciendo las primeras molculasLa primera molcula realizada por
nuestro grupo de trabajo es n-butano y la representacin espacial es
la siguiente:
Leyenda:tomo de carbonotomo de hidrgeno Fig. 1 Molcula de
n-butano
La molcula est representada y est siendo vista de tal forma que
nos permita tener una idea general de la disposicin espacial de sus
enlaces, la representacin Newman, que se da a lo largo del C2-C3 y
nos permite analizar con facilidad los factores que determinan la
estabilidad y niveles de energa relativas a las
conformaciones.Proyecciones principales de Newman para el
n-butano:
Fig.2 Conformacin: Totalmente Eclipsada
Fig.3 Conformacin: Anti
Fig.4 Conformacin: GaucheAnlisis de estabilidad para el
n-butano:Para la Fig.2 observamos que hay una fuerte interaccin
entre todos los enlaces pertenecientes al carbono-2 con el
carbono-3, es decir, se produce una tensin torsional la cual
conlleva al aumento de la energa de la molcula y disminuyendo su
estabilidad. Para cuantificar las diferencias de energa entre las
conformaciones usaremos los costos energticos relativos a las
posiciones que tienen los sustituyentes:Tipo de interaccinEnerga H
(kcal/mol)
Tensin estrica H-H (Gauche)0
Tensin estrica CH3-CH3 (Gauche)0.9
Tensin torsional H-H (Eclipsado)0.9
Tensin estrica y torsional CH3-H (Eclipsado)1.25
Tensin estrica y torsional CH3-CH3 (Eclipsado)3.4
Tabla 1Con estos valores podemos estimar la energa de cada
conformacin:Conf. Anti: 3 x (0) = 0Conf. Gauche: 1 x (0.9) + 2 x
(0) = 0.9kcal/molConf. Eclipsada: 2x(1.25)+0.9=3.4kcal/molConf.
Totalmente Eclipsada: 1x(3.4)+2x(0.9)=5.2kcal/molConclusiones: La
conformacin ms estable para el n-butano es la configuracin anti. La
conformacin menos estable para el n-butano es la configuracin
totalmente eclipsada.Grfica:
Molcula de isopentano.Representacin de la molcula con el
material de apoyo:
Leyenda:tomo de carbonotomo de hidrgenoGrupo metilo (CH3-) Fig.5
Molcula de isopentanoProyecciones principales de Newman para el
isopentano:
Fig.6 Conformacin: Anti
Fig. 7 Conformacin Eclipsada
Fig.8 Conformacin GaucheAnlisis de estabilidad para el
isopentano:Las configuraciones se obtuvieron manteniendo la parte
observable frontalmente de la proyeccin Newman fija y girando el
carbono de la parte posterior 60 cada vez. Utilizaremos los valores
de la tabla 1 para cuantificar la energa del isopentano.
De la imagen superior, vemos que al rotar la parte posterior,
las conformaciones principales se repiten. De esta forma
analizaremos slo una de ellas. Rep. 1 y 5E=0.9 kcal/mol Rep.
3E=0.9*2+2*0=1.8 kcal/mol Rep. 2 y 4E=3.4+1.25+0.9=5.55 kcal/mol
Rep. 6E=3*1.25=3.75 kcal/molConclusiones: La conformacin ms estable
(menor energa) es la conformacin anti y en una vuelta completa
(360), aparece 2 veces. La conformacin menos estable (mayor energa)
es la conformacin eclipsada y en una vuelta completa (360), aparece
2 veces. En el supuesto de poder congelar la molcula, observaramos
que la mayora de molculas se encontraran en la conformacin anti,
pues es la ms estable y recordemos que la materia siempre busca la
estabilidad.
Molcula del 1,2-etanodiolRepresentacin de la molcula con el
material de apoyo:
Leyenda:tomo de carbonotomo de hidrgenotomo de oxgeno Fig.9
Molcula del 1,2-etanodiolEsta molcula se merece una anlisis
especial pues contiene un tomos de oxgeno unidos a hidrgenos, lo
cual genera que a nivel molecular existan los interacciones Puente
hidrgeno que es una fuerza intermolecular muy intensa que
estabiliza a la molcula en una conformacin en especial y,
dependiendo del medio en el que se encuentre, podra estabilizar
otras conformaciones.Proyecciones principales de Newman para el
1,2-etanodiol: Fig.10 Conformacin Totalmente Eclipsada
Fig.11 Conformacin Gauche
Fig.12 Conformacin Anti
Fig.13 Conformacin EclipsadaAnlisis de estabilidad para el
1,2-etanodiol en forma aislada:
OBS: El prefijo anti- se emplea cuando los enlaces de los grupos
ms voluminosos forman ngulos obtusos. El prefijo sin- se emplea
cuando los enlaces de los grupos ms voluminosos forman ngulos
agudos. El sufijo periplanar se emplea cuando los enlaces de los
grupos ms voluminosos se encuentran en un mismo plano. El sufijo
clinal se emplea cuando los enlaces de los grupos ms voluminosos se
encuentran en diferentes planos.Analicemos primero las molculas
eclipsadas:
-En esta disposicin espacial, la tensin torsional es mxima, pues
los radicales oxidrilos que son muy voluminosos se encuentran en
contacto directo.
+Adems la molcula tiene un momento dipolar mximo y existe tensin
de Van der Waals del tipo Puente hidrgeno, lo cual ayuda a
estabilizar la molcula, pero no lo suficiente como para compensar
al 100% las otras tensiones: Esta conformacin posee alta
energa.
+-En esta disposicin espacial, la tensin torsional es menor a la
anterior, pues ahora interacta un radical oxidrilo (voluminoso) y
un hidrgeno (pequeo), esta molcula tambin posee momento dipolar,
pero de menor intensidad, debido al ngulo diedro entre los
electrones desapareados del oxgeno; adems, la molcula presenta
posibilidad favorable para el puente de hidrgeno, que es
estabilizador: Esta conformacin posee alta energa pero menor que la
anterior.Analizando las formas alternadas:
-+En esta conformacin la tensin torsional es intermedia, pues
los oxidrilos se encuentran alternados, esta molcula presenta
momento dipolar ms fuerte que la anterior, pues el ngulo diedro es
60 y la disposicin del hidrgeno con los electrones desapareados del
oxgeno es perfecta para la generacin del puente hidrgeno,
minimizando las tensiones antes generadas: Esta conformacin posee
energa mnima.En esta conformacin la tensin torsional es mnima, pues
no hay eclipsamiento en ninguno de los enlaces, el momento dipolar
es nulo pues los oxgenos estn simtricamente opuestos; y an ms
importante, su disposicin es ineficaz para formar enlace puente
hidrgeno, como sabemos el enlace puente hidrgeno es el ms intenso
en cuanto a fuerza de enlace intermolecular y en esta conformacin
al no poseerla la deja menos estable que la conformacin anterior:
Esta conformacin posee baja energa, pero es mayor a la energa en la
forma Gauche.En forma grfica:
Anlisis de estabilidad para el 1,2-etanodiol en un solvente
apolar a baja concentracin:Los cambios en esta situacin son mnimos
pues en la mayora de conformaciones existe momento dipolar el cual
no es afectado por un medio apolar, adems la baja concentracin del
1,2-etanodiol no permite una interaccin entre las mismas molculas y
si las hay, seran despreciables; al estar las molculas de
1,2-etanodiol separadas por efecto del volumen de molculas apolares
en el disolvente, con las que interactuar mnimamente, su
comportamiento conformacional es anlogo al de una molcula en el
vaco.Ver grfica adjuntadaAnlisis de estabilidad para el
1,2-etanodiol en un solvente apolar a alta concentracin:Si la
concentracin del 1,2-etanodiol es elevada, que significa que
existen gran cantidad de molculas en un volumen reducido, sus
molculas interactan unas con otras; por este motivo es que se
forman puentes de hidrgeno intermoleculares, hasta cuatro por
molcula, uno por cada orbital sp3 no compartido de los oxgenos, en
contraposicin al nico puente hidrgeno que se forma en el interior
de la molcula. Al igual que en los anlisis anteriores, el puente
hidrgeno favorece la estabilidad de la molcula, por lo tanto se
buscar la conformacin que permita la mayor cantidad de puentes de
hidrgeno, la conformacin gauche produce puentes de hidrgeno, 1
intramolecular y 4 intermoleculares, pero debido al acoplamiento
O:::H, el tamao aumenta y las fuerzas de repulsin se incrementan de
forma muy elevada, lo que produce que la conformacin gauche se
convierta en la conformacin anti debido a la repulsin de los pares
de electrones libres del oxgeno: Al aumentar la concentracin, las
molculas en conformacin anti son las dominantes debido al carcter
estabilizador del puente hidrgeno.
Fig.14 Representacin de los P.H. en la conformacin Anti
Anlisis de estabilidad para el 1,2-etanodiol en agua en baja
concentracin:Si bien la baja concentracin hace poco posible que las
molculas de 1,2-etanodiol interaccionen entre s, las molculas de
agua formaran enlaces intermoleculares del tipo puente hidrgeno con
los grupos OH del 1,2-etanodiol y, en realidad, se encontrarn en
una situacin muy semejante a la anterior. Por tanto, la presencia
del agua induce la formacin de enlaces puente hidrgeno para nuestra
molcula y como en el anlisis anterior, la molcula adoptar la
conformacin anti para maximizar el nmero de enlaces con el H2O del
medio: El perfil de energa ser anlogo al ejemplo anterior.Anlisis
configuracional:En esta parte del desarrollo del tema procederemos
a realizar los modelos moleculares del cis-1,2-dimetilciclohexano y
del trans-1,3-dimetilciclohexano.Molcula
trans-1,3-dimetilciclohexano:
Leyenda:tomo de carbonotomo de hidrgenoGrupo metilo (CH3-)
Para esta configuracin no existen diferencias energticas en las
dos posiciones que podra tomar en su forma trans, pues por simple
rotacin se convierte una en la otra; algo muy distinto pasa si
analizamos su forma cis:
De la figura se observa que el equilibrio se desplaza hacia la
derecha es su forma ms estable, y esto es debido a que en la
configuracin de la izquierda se producen interacciones diaxiales
entre los grupos metil y los hidrgenos axiales, en cambio en la
configuracin de la derecha no se produce dicha interaccin. Molcula
del cis-1,2-dimetilciclohexano:
Para esta configuracin no existen diferencias energticas en las
dos posiciones que podra tomar en su forma cis, pues por simple
rotacin se convierte una en la otra; algo muy distinto pasa si
analizamos su forma trans:
De la figura se observa que el equilibrio se desplaza hacia la
derecha es su forma ms estable, y esto es debido a que en la
configuracin de la izquierda se producen interacciones diaxiales
entre los grupos metil y los hidrgenos axiales, en cambio en la
configuracin de la derecha no se produce dicha interaccin.
construir usando los modelos moleculares, las siguientes molculas y
asignar la especificacin R/S a cada uno de los centros
quiriales.
312312231ESPECIFICACIN RESPECIFICACIN SESPECIFICACIN S
Leyenda:Grupo metilo (CH3-)tomo de carbonotomo de hidrgenotomo
de Bromo
(R)-2-clorobutano(S)-2-bromopentano(2S,3S)-2,3-dibromobutano(2R,3S)-2,3-dibromobutano(2S,3S)-2,3-dibromopentano
Representar usando los modelos moleculares, en la conformacin ms
estable(si es posible) las siguientes molculas:
Leyenda:Grupo metilo (CH3-)tomo de carbonotomo de hidrgenotomo
de Bromo
Bibliografa:
http://mazinger.sisib.uchile.cl/repositorio/ap/ciencias_quimicas_y_farmaceuticas/apquim-org1b/c26.html
http://www.acdlabs.com/download/