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Disegnatore di conformazioni a sedia e proiezioni di Newman

In breve: scegli i gruppi da C1 a C6 del cicloesano per disegnare entrambi i conformeri a sedia con i legami assiali ed equatoriali corretti, e ottieni la sedia più stabile dai valori A con la sua popolazione a 298 K. Una seconda scheda ruota qualsiasi legame C–C in una proiezione di Newman e ne traccia l'energia.

Usalo per controllare i compiti sui cicloesani cis/trans-disostituiti, per vedere un'inversione dell'anello o per capire perché il butano preferisce la conformazione anti. Scegli ogni gruppo in alto (cuneo) o in basso (tratteggio); lo strumento calcola quali legami sono assiali in ciascuna sedia.

Risposta rapida: metilcicloesano: il CH₃ assiale costa il suo valore A, 7,3 kJ/mol. K = e7300/(8.314 × 298) = 19, quindi il 95% delle molecole ha il metile equatoriale a 25 °C. Il trans-1,2-dimetilcicloesano preferisce la sedia diequatoriale di circa 10,8 kJ/mol (98,7%).
legame assialelegame equatorialei legami dell'anello più vicini a te sono più spessi

Gruppi su ciascun carbonio

In alto = cuneo (sopra l'anello), in basso = tratteggio (sotto). Due gruppi sulla stessa faccia sono cis; su facce opposte sono trans.

Come usare il disegnatore di sedie e proiezioni di Newman

  1. Scegli un esempio come trans-1,2-Dimetil, oppure imposta un gruppo In alto (cuneo) e In basso (tratteggio) per ogni carbonio da C1 a C6.
  2. Leggi entrambe le sedie. I legami assiali sono arancioni e puntano dritti in alto o in basso. I legami equatoriali sono blu e puntano verso l'esterno dell'anello.
  3. Il riquadro dei risultati somma la tensione di ciascuna sedia (valori A, interazioni 1,3-diassiali e interazioni gauche) e fornisce ΔG, K e la % di ciascuna sedia a 298 K.
  4. Premi Anima l'inversione dell'anello per vedere ogni gruppo assiale diventare equatoriale. Usa Scarica SVG o Scarica PNG per i tuoi appunti.
  5. Apri la scheda Proiezione di Newman, scegli una molecola e muovi il cursore o premi +60° per passare tra forme sfalsate ed eclissate. Il grafico dell'energia segue l'angolo diedro.

Legami assiali ed equatoriali nella sedia

Il cicloesano non è piatto. Si ripiega in una sedia con tutti gli angoli C–C–C vicini a 109,5° e ogni legame C–H sfalsato, quindi non ha quasi nessuna tensione d'anello. Ogni carbonio ha un legame assiale, parallelo all'asse dell'anello (dritto in alto o dritto in basso), e un legame equatoriale, che punta verso l'esterno lungo l'equatore dell'anello.

Inversione dell'anello

A temperatura ambiente l'anello si inverte circa 105 volte al secondo (barriera di circa 45 kJ/mol). Nell'inversione ogni legame assiale diventa equatoriale e ogni legame equatoriale diventa assiale, ma ciò che è in alto resta in alto e ciò che è in basso resta in basso. Quindi cis e trans non cambiano mai con l'inversione dell'anello.

Valori A e tensione 1,3-diassiale

Un gruppo assiale urta contro i due idrogeni assiali sulla stessa faccia, tre carboni più in là (interazioni 1,3-diassiali). Il valore A è il costo in energia libera di avere il gruppo in posizione assiale anziché equatoriale.

GruppoValore A (kJ/mol)% equatoriale a 298 K
F1.060%
Cl2.271%
Br2.069%
OH3.681%
NH₂5.992%
CH₃7.395%
CH₂CH₃7.595%
CH(CH₃)₂9.298%
C₆H₅11.799%
C(CH₃)₃20.5>99.9%

Quindi ΔG = −RT ln K, dove K = [sedia 2]/[sedia 1]. A 298 K, RT = 2,48 kJ/mol, quindi ogni 5,7 kJ/mol K cambia di dieci volte.

Come lo strumento somma la tensione

Sono stime additive da libro di testo. I gruppi polari possono risentire anche di legami a idrogeno o di effetti dipolari che la semplice somma trascura.

Proiezioni di Newman, sfalsate ed eclissate

Una proiezione di Newman guarda dritto lungo un legame C–C. Il carbonio anteriore è un punto dove si incontrano i suoi tre legami; il carbonio posteriore è un cerchio con i legami che partono dal bordo. L'angolo tra un legame anteriore e uno posteriore è l'angolo diedro (di torsione).

InterazioneEnergia (kJ/mol)
H/H eclissati4.0
H/CH₃ eclissati6.0
CH₃/CH₃ eclissati11
CH₃/CH₃ gauche3.8

Butano (C2–C3): anti 0, gauche 3,8, eclissata (CH₃/H due volte + H/H) 6 + 6 + 4 = 16, totalmente eclissata (CH₃/CH₃ + 2 H/H) 11 + 4 + 4 = 19 kJ/mol. Etano: barriera di 3 × 4,0 = 12 kJ/mol.

Esempi svolti

Metilcicloesano

Sedia con CH₃ assiale: 7,3 kJ/mol. Sedia con CH₃ equatoriale: 0. K = e7.3/2.479 = 19,0.

95% equatoriale, 5% assiale

trans-1,2-Dimetilcicloesano

Sedia diequatoriale: una interazione gauche CH₃/CH₃, 3,8. Sedia diassiale: 2 × 7,3 = 14,6. ΔG = 10,8 kJ/mol.

Diequatoriale, 98,7%

cis-1,3-Dimetilcicloesano

Diequatoriale: 0. Diassiale: 2 × 7,3 + circa 8 per l'interazione 1,3-diassiale CH₃/CH₃ = 22,6 kJ/mol.

Diequatoriale, oltre il 99,9%

cis-1,4-Di-terz-butilcicloesano

Ogni sedia ha un terz-butile assiale (20,5 kJ/mol). Una barca ritorta con entrambi i gruppi pseudo-equatoriali costa una quantità simile.

L'anello abbandona la sedia per una barca ritorta

Butano, gauche vs anti

La gauche è 3,8 kJ/mol sopra la anti. Con due forme gauche, K = 2e−3.8/2.479 = 0,43.

Circa 70% anti, 30% gauche a 298 K

Errori comuni

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Domande frequenti

Qual è la differenza tra assiale ed equatoriale?

I legami assiali sono paralleli all'asse della sedia e puntano dritti in alto o dritti in basso. I legami equatoriali puntano verso l'esterno, all'incirca nel piano dell'anello. Ogni carbonio dell'anello ne ha uno di ciascun tipo, e puntano verso facce opposte.

Perché la posizione equatoriale è più stabile?

Un gruppo assiale è vicino ai due idrogeni assiali che si trovano tre carboni più in là sulla stessa faccia (interazioni 1,3-diassiali). Un gruppo equatoriale punta lontano dall'anello e le evita. Per un gruppo metile la differenza è di 7,3 kJ/mol.

Che cos'è un valore A?

Il valore A è la differenza di energia libera tra un cicloesano monosostituito con il gruppo in posizione assiale e con il gruppo in posizione equatoriale. Valori A più grandi indicano una preferenza più forte per la posizione equatoriale: F 1,0, OH 3,6, CH3 7,3, terz-butile circa 20,5 kJ/mol.

Come calcolo la percentuale di ciascuna sedia?

Trova il ΔG tra le due sedie, poi usa K = e^(−ΔG/RT) con R = 8,314 J/(mol·K) e T in kelvin. La frazione della sedia più stabile è K/(1 + K) quando K è maggiore di 1. Per il metilcicloesano K = 19, quindi 95% equatoriale.

L'inversione dell'anello trasforma il cis in trans?

No. L'inversione dell'anello scambia assiale ed equatoriale su ogni carbonio, ma un gruppo che punta in alto resta in alto. Cis e trans dipendono solo dalla faccia su cui si trova ciascun gruppo.

Perché la conformazione anti del butano è la più stabile?

Nella forma anti i due gruppi metile sono a 180° e ogni legame è sfalsato. Il butano gauche è più alto di 3,8 kJ/mol perché i metili sono a 60°, e le forme eclissate sono più alte di 16 e 19 kJ/mol.

Il disegnatore di sedie e proiezioni di Newman è gratuito?

Sì. Funziona nel browser web senza registrazione, e puoi scaricare ogni disegno in SVG o PNG.

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