Introducción al análisis conformacional de ciclohexanos y 1,3-dioxanos monosustituidos

1. Análisis Conformacional
Química Orgánica Avanzada

2. Conformaciones
Son arreglos no idénticos de los átomos de una
molécula, por rotación de enlaces sencillos.
<10 kcal mol-1 (Tamb)
Peróxido de Hidrógeno (H2O2)
 Ángulo diedral
∞ confórmeros, aunque algunos son más estables

3. Análisis conformacional
Estudio de las propiedades físicas (E) y químicas
(reactividad) de los confórmeros de una molécula.
1874 Le Bel y van’t Hoff
1884Baeyer
los ángulos en los cicloalcanos ≠ 109.2º
> > < < <
60º 90º 108º 120º 138º

4. Sachse ciclohexano con conformaciones no planares
H H
H H
H
H H
H
H H
H H
1943 Kohlrausch y Hassel demostró la existencia de
enlaces ecuatoriales y axiales (rayos X)
1950 Barton demostró la importancia de las
consecuencias de las distintas disposiciones axiales y
ecuatoriales de los hidrógenos

5. Conformación de Moléculas acíclicas
Etano
HH H H
H
H H H
HH H H
E
0 60 120 180 240 300 360
Degrees of Rotation 
Tensión torsional o de Pitzer = 3.0 kcal/mol

6. DGº=3 kcal/mol
K=e-DGº/RT > 100
>99% de las moléculas de etano existen en
conformación alternada
No se sabe con certeza la razón de la inestabilidad del
confórmero eclipsado
La repulsión de van der Waals explica una diferencia
de 0.5 kcal/mol
Se propone que un mejor argumento es la repulsión de
los orbitales ocupados.

7. n-butano
H CH3 H
CH3 CH3 CH3
CH CH3 H H H H
H H3
H
H H H H H
H CH3
H
H H HH H CH3
H H
H
A A
C C
E
B E
D
0 60 120 180 240 300 360
Degrees of Rotation 

8. Proporciones de isómeros en equilibrio
% del isómero K DGº25ºC
más estable (kcal/mol)
50 1.0 0.0
55 1.22 0.12
60 1.50 0.24
70 2.33 0.50
75 3.0 0.65
85 5.67 1.03
90 9.0 1.30
95 19.0 1.75
99 99.0 2.72
99.9 999.0 4.09

9. Ciclohexano
Dos conformaciones de silla que se interconvierten a Tamb
H1
H2 bote, bote torcído H1
H2

10. X

X
X -DGº25ºC X -DGº25ºC
(kcal/mol) (kcal/mol)
F 0.25 SH 1.0
Cl 0.4 Me 1.74
Br 0.5 Et 1.8
I 0.4 i-Pr 2.1
OH 0.7 t-Bu 4.9
OMe 0.8 Ph 2.9
OEt 0.9 CN 0.2
H
X
H
vs X
H
H

11. H3C
H3C H3C
H3C
H
H
H
H
H
H doble bote torcido

12. Otros ciclos
H H H
H H H
H
H H H
H H H
H
H HH H H
H H
H H
H H H H
H H H
H H H
H

13. El análisis conformacional de
1,3-Dioxanos monosustituidos

14. Necesidad de estudio conformacional
de compuestos heterocíclicos

15. Ciclohexano y anillos heterocíclicos
Semejanzas Diferencias
• Conformación silla más estable
• Barreras energéticas de inversión comparables

16. Diferencias entre sistemas cabocíclicos
y heterocíclicos
• Longitudes de enlaces C-X
– C-C (1.54 Å) - C-N (1.47 Å)
– C-O (1.43 Å) - C-S (1.82 Å
– C-S-C ≈ 100°
• Presencia de momentos dipolares
• Radios de Van der Waals.
La ausencia de ligandos (N, O, S) disminuye las
interacciones estéricas.
• Otros factores
– Puente de hidrógeno intramolecular (-OH)
– Inversión del Nitrógeno

17. 1,3-Dioxano
109.5° 111° Águlos torsionales
1.43 Å O-C-O-C 63°
1.50 Å C-O-C-C 59°
1.41 Å
O-C-C-C 55°
111°
Barrera de inversión del anillo:
1,3-dioxano < ciclohexano
(ΔG 9.5 kcal/mol) (ΔG 10.5 kcal/mol)

18. 1,3-Dioxanos-2-Sustituidos
R: CH3 CH2CH3 i-Pr C6H5
ΔG° (1,3-dioxano) -4.0 -4.0 -4.2 -3.1
ΔG° (ciclohexano) -1.7 -1.8 -2.1 -2.9
Mayor preferencia por la posición ecuatorial en los 1,3-
dioxanos
Repulsión estérica
1.42 Å 1.54 Å

19. ≈
Repulsión estérica

20. Modelos Anancoméricos
• Modelos conformacionalmente rígidos
• Poseen un sustituyente R’ que ancla el anillo en una
sola conformación.
• La equilibración de los modelos diastereoméricos se
logra mediante catálisis ácida.

21. R: CH3 CH2CH3 i-Pr C6H5
ΔG° (1,3-dioxano) -0.9 -0.8 -1.0 -1.4
ΔG° (ciclohexano) -1.74 -1.8 -2.1 -4.9
Repulsión esterica entre el sustituyente axial en
ciclohexano y los H sin-diaxales

22. Equilibrios Conformacionales en 1,3-Dioxanos
con Sustituyentes Polares en C(5)
Ciclohexanos monosustituidos
Axial Estabilidad Ecuatorial
excepciones
• Acetato
• Cloruro de
ciclohexilmercurio

23. 1,3-dioxanos con sustituyentes polares en C(5)
• Conformero ecuatorial posee menor repulsión dipolo-dipolo
X Disolvente ΔG° (Kcal/mol)
F C6H12 0.21
CH3CN 1.22
Cl CCl4 -1.40
CH3CN -0.25
CN CH3CN 0.55
OH C6H12 0.90
DME -0.50
SCH3 C6H12 -1.82
S(O)CH3 CHCl3 0.82
SO2CH3 CHCl3 1.19
No se cumple en disolventes poco polares

24. Grupo OH (efectos del disolvente)
δ+
Poco polares
δ-
Puente de hidrogeno intramolecular
Polares
Puente de hidrogeno intermolecular

25. X= F y CN (efecto gauche atractivo)
• Grupos pequeños y muy electronegativos
• Prefieren la conformación gauche en lugar de la anti

26. • El grupo SMe prefiere la posición ecuatorial(-ΔG°)
• Se esperaría que para el análogo S(O)Me, haya
mayor preferencia ecuatorial.
• Muestra preferencia axial

27. Para X= SO2CH3
• Un ligando forzosamente se ubica sobre el anillo
• Se espera un valor mayor de -ΔG°(ecuatorial)
• Tiene preferencia por el conformero axial
• Por RMN-H1 se observa que el grupo metilo
apunta hacia dentro del anillo.

28. La atracción electroestática explica el
predominio axial de X=S(O)CH3 y SO2CH3
δ+
δ+
δ- δ-

29. Comportamiento conformacional de los grupos
t-Butil-tio, t-Butil-sulfinilo y t-Butil-sulfonilo en
C(5).
Equilibración cis-trans de los sulfuros, sulfóxidos y sulfonas.
Dioxano X ΔG° (Kcal/mol)
118 S-t-Bu -1.90
119 SO-t-Bu +0.10
120 SO2-t-Bu -1.14
121 SCH3 -1.73
122 S(O)CH3 +0.82
123 SO2CH3 +1.19

30. Sulfuros 118 y 121
• Valores de ΔG° similares
• Me y t-Bu se orientan hacia fuera del anillo