Analisi conformazionale degli alcani

L’analisi conformazionale dei sistemi non ciclici fornisce gli elementi fondamentali per una trattazione più estesa, in quanto tali sistemi sono liberi da qualunque vincolo alla libera rotazione estraneo a considerazioni conformazionali.

Etano

L’etano è la molecola più semplice in cui la libera rotazione intorno al legame carbonio-carbonio produca diverse conformazioni. Kempt e Pitzer per primi nel 1936 ipotizzarono che la rotazione intorno a tale legame fosse libera e, con calcoli teorici dimostrarono che doveva esserci una barriera torsionale di 2.8-3.1 kcal mol^-1. Infatti delle infinite conformazioni possibili, ne esistono tre nelle quali gli atomi di idrogeno legati a un atomo di carbonio sono in posizione eclissata ( eclipsed ) e tre nelle quali sono in posizione sfalsata ( staggered ) come si può vedere in figura:

Nelle conformazioni eclissate esiste, a causa dell’interazione dei raggi di van der Waals degli idrogeni una forza repulsiva che non si verifica nelle configurazioni alternate: in queste, infatti, a causa delle maggiori distanze internucleari, l’interazione è praticamente nulla. Tutte le altre infinite conformazioni si trovano in condizioni intermedie. Riportando in grafico l’energia potenziale in funzione dell’angolo di rotazione si ottiene una curva dall’andamento sinusoidale in cui le conformazioni eclissate corrispondono ai massimi di energia potenziale, mentre configurazioni sfalsate corrispondono ai minimi di energia potenziale ovvero a una maggiore stabilità.

Le conformazioni corrispondenti ai minimi relativi di energia potenziale vengono dette conformeri o isomeri conformazionali. Le diverse conformazioni dell’etano, e analogamente di sistemi più complessi, possono essere rappresentate mediante formule di proiezione dette formule di proiezione di Newman.

Lo studio conformazionale del propano conduce a conclusioni  analoghe a quelle dell’etano: l’unica differenza sarà un aumento della molteplicità conformazionale e del variare delle barriere di energia potenziale, in quanto nelle conformazioni eclissate del propano si verificano due interazioni H-H e una CH₃-H, contro le tre interazioni H-H dell’etano.

Butano

La situazione conformazionale del butano è diversa con particolare riferimento al legame C₂ – C₃ della molecola. In questo caso esistono due valori diversi dei massimi di energia: il primo corrispondente a due interazioni H-H e a una interazione CH₃-CH₃; il secondo corrispondente a una interazione H-H e a due interazioni CH₃-H.

Analogamente esistono due valori dei minimi di energia, corrispondenti a due diversi tipi di conformeri.

La conformazione I rappresenta la conformazione anti o anti-periplanare; la   II rappresenta la conformazione eclissata; la conformazione III è detta obliqua ( gauche o skew) ; la conformazione IV rappresenta la conformazione completamente eclissata detta anche sin o sin-periplanare.

Per gli stati conformazionali intermedi è stata proposta da Klyne e Prelog la seguente nomenclatura in funzione degli angoli di torsione

L’analisi conformazionale dell’etano e, ancora di più quello del butano, forniscono utili argomentazioni per strutture analoghe anche più complesse. E’ necessario, tuttavia notare che la repulsione sterica è solo il primo, anche se spesso il più importante, dei fattori che influenzano la stabilità conformazionale.