Univrsitt Al. I. Cuz -Işi Fcultt d Chimi Ctdr d Chimi Orgnică şi Biochimi Anliz conformţionlă l sistml ciclic d 6 tomi (sturt si nsturt) Czul ciclohxnului Structur nplnră inlului ciclohxnului fost imgintă d Schs (890) su înfăţişr două form în cr tomii d cron sunt situţi în plnuri difrit. Cl două form dnumit d Schs form rigidă şi form flxiilă sunt cunoscut uzul su dnumir d scun şi rcă (i). ng. chir=scun; ot=rcă gr. sssl=scun; wn= vnă, i Tot Schs postulză xistnţ două tipuri d sustituinţi dnumiţi ultrior: cutorili () rsp xili (). Ipotz grşită lui Schs fost că prsupus imposiilitt izomrizării uni form ciclohxnului în clltă formă scun dcât l tmprturi înlt, dci implicit sugsti xistnţi doi izomri (dixil şi dicutoril)i cidului trns-ttrhidrotrftlic. Mohr (98) ri ipotz lui Schs şi rtă că cl două form l unui drivt sustituit l ciclohxnului sunt uşor intrconvrtiil, c rzultt l liri rotţii în jurul lgăturii şi c tr izomrii nu sunt sprili. Dmonstrţi xprimntlă xistnţi lgăturilor şi rvnit lui Kohlrusch (96) şi fost ultrior confirmtă d ssl (9) şi Pitzr (97). Bzl nlizi conformţionl ciclohxnului u fost pus d Brton odtă cu priţi lucrării sl Exprinti. 6, 6 (90).
..A.A.8A f f f Form scun Est lipsită d tnsiun ngulră (Byr, unghiul= 09 8 ) cât şi d tnsiun torsionlă (Pitzr), dorc nu s mnifstă intrcţiuni d rpulsi vn dr Wls dtorită distnţi dintr tomii d intrclţi cr dpăşsc sum rzlor vn dr Wls (,+,=,Å). În form scun idlă corspunzător modllor utilizt uzul, vlor unghiului d torsiun ( ) st 60º, corspunzător unghiului d vlnţă d 09 8. Acstă gomtri molculi st lipsit d tnsiun torsionlă (Pitzr) însă dpdv l tnsiunii ngulr (Byr) situţi st puţin difrită. După cum s- dovdit xprimntl, unghiul norml d vlnţă C-C -C în norml lcni=,º stfl încât în form scun idlă ciclohxnului trui s xist tnsiun ngulră clcultă l cc. kcl/mol. P d ltă prt o formă scun cu un unghi norml d,º r trui să iă unghiul d torsiun =º(clcult cu jutorul rlţii cos /=/cos /)gnrând o tnsiun Pitzr d 0,7-0,8 kcl/mol. Considrând conformţi cu minim d nrgi dtrminăm chilirul nrgii torsionl şi ngulr, punctul d chiliru r trui s fi stilit pntru =,8º şi unghiul d vlnţă=,º. Pntru cst vlori tnsiun totlă st rprtiztă 0, kcl/mol pntru ml form d tnsiun. Dtl xprimntl cu jutorul RMN confirmă vl =8, ir difrcţi lctronică d,9.
S dmit dci pntru gomtri rlă ciclohxnului o pltizr formi scun idl c corspund =6 şi unghiului d vlnţă=0, c urmr csti pltizări lgăturil xil sunt uşor dvit spr xtrior, stfl încât l nu mi sunt prfct prll, ci fc într l un unghi=7. Form rcă (flxiilă) Est mult mi puţin stilă dcât form scun, dorc (în ciud fptului că nu r tnsiun ngulră) clipsr clor 8 tomi d cutoril rcă () şi xil rcă () duc cu sin o tnsiun d torsiun, ir într ci tomi d c ocupă poziţiil flgpol distnţţi l.8ǻ s mnifstă intrcţiuni putrnic d rpulsi d tip vn dr Wls, cillţi tomi d ocupând poziţii owspirit sunt intrclţi într şi. Dtorită intrcţiunilor mnţiont, form rcă nu rprzintă o conformţi cu minim d nrgi, fiind cu 6,9 kcl/mol mi puţin stil c form scun. ng. flgpol=ctrg; owspirit=omprs Pntru s stiliz form rcă trc într-o formă distorsiontă dnumită skw ot su form twist dică rcă torsiontă (răsucită, olică), în cdrul cări intrcţiunil f-f sunt diminut (prin mărir distnţi), ir tomii d şi sunt puţin intrclţi. Conformţi rcă torsiontă st d fpt c mi stilă formi flxiil (rcă), cu,6 kcl/mol mi stilă dcât form rcă şi cu, kcl/mol mi puţin stilă dcât form scun. A E ic ic Poziţiil sustituinţilor în form rcă torsiontă (rprzntr uzulă II) sunt modifict fţă d cl l formi rcă oişnuită, purtând dnumir d izociclinl (ic) şi psi cutoril (Ψ E ) şi psi xil (Ψ A ). Molcul ciclohxnului pot trc dintr-o formă scun în clltă formă scun (chivlntă) prin intrmdiul formi rcă, rzultt l csti izomrizări conformţionl fiind trcr tuturor tomilor d cu orintr cutorilă l orintr xilă şi invrs (fig.).
Invrsi molculi ciclohxnului rprzintă d fpt convrsi într două form d clşi fl vând unghiul d torsiun d cşi vlor solută dr d smn contrr, ş cum ris din rprzntr chilirului I II - + - + - + - + + - + - - - + + - + I I ' f - + + - - + I I I ' I I I' Invrsi inlului ciclohxnic s rlizză prin intrmdiul uni form d trnziţi smiscun smănător cu ciclohxni, cr posdă ptru tomi d C în clşi pln (nottă cu ss în figur următor)şi cr rprzintă conformţi (cu mxim d nrgi) prin cr s trc d l form scun s l form flxiilă rcă c pot să-şi micşorz cv din surplusul d nrgi (cc.,6kcl/mol) torsionându-s l form twist (t). Form flxiilă (rcă su twist) r cumultă suficintă nrgi pntru dpăşi rir d nrgi formi smiscun, fi rvnind l form scun iniţilă s, fi trcând l form scun invrstă s (cu poziţiil dvnit şi invrs). Digrm nrgtică procsului d invrsi formlor scun într l trcând prin forml smiscun ss şi ss, rcă () şi rcă torsiontă (t), st rprznttă în figur următor, lături d procsul d izomrizr conformţionlă în cdrul cărui sunt înfăţişt ml posiilităţi d rprzntr formlor rcă.
E(kcl/mol) SS SS 6.9. 0 t t t S S coordont intrn t s 6 ss t t s 6 ss t Molcul ciclohxnului xistă prfrnţil în form stilă scun, cu,kcl/mol mi stilă dcât form twist şi cu 6,9kcl/mol dcât form rcă. Acstă difrnţă st suficint d mr pntru c form flxiilă să rprzint o proporţi nglijilă fţă d c scun, dr suficint d mică pntru c cl două form scun l ciclohxnului să nu fi spril ci dor dtctil cu jutorul mtodlor fizic d invstigr. Drivţii monosustituiţi i ciclohxnului Pot xist în două form d chiliru un cu sustituntul orintt cutoril (), clltă cu sustituntul orintt xil ().
Brir nrgtică c spră cl două form scun, fiind su limit d -0kcl/mol (cr r prmit sprr lor l tmprtur cmri) conformrii pot fi dor puşi în vidnţă c unităţi distinct cu jutorul mtodlor fizic d invstigr (RMN), dr nu pot fi vidnţiţi c tr. X X După cum m văzut în czul conformţii scun ciclohxnului nsustituit, distnţ dintr tomii d dicnţi din molcul ciclohxnului cis-,- su trns-,- c şi clor din poziţiil, sin-xil st d,ǻ şi dpăşşt sum rzlor vn dr Wls. În czul sustitunţilor mi voluminoşi dcât (utilizăm drpt xmplu grup C ) s osrvă că în timp c pntru sustitunţii din poziţii cutoril () distnţl dintr tomii d (,Ǻ) dpăşsc sum rzlor vn dr Wls (şi în conscinţă nu pr impdimnt), pntru sustitunţii în poziţii xil () cst distnţ s rduc l,8ǻ şi în conscinţă sustituntul xil v fi supus uni rpulsii vn dr Wls..8A.8A C Rzultă o mi mr stilitt conformţii cutoril, ş că vlor nrgii conformţionl (ntlpi liră conformţionlă) G =-RTlnK, pntru chilirul v fi ngtivă. Intnsitt rpulsiilor dintr grup C şi ci tomi d sin-xili s pot vlu osrvând că intrcţiunil în cuză s pot simil cu intrcţiunil guch din utn..a C X g g C C ' ' Digrm nrgtică procsului d intrconvrsi clor conformri i mtilciclohxnului s dosşt d digrm corspunzător ciclohxnului 6
E(kcl/mol) g c d f d c h,7 coordont intrn prin fptul că conformrul cutoril () st mi stil dcât cl xil (h) cu,7kcl/mol, ir în c c privşt nivlul nrgtic l formi flxiil cst nu mi sunt chivlnt, xistând difrnţ într conformrii rcă cu sustitunţii în poziţii flgpol (c), xil-rcă (d), cutorilrcă () şi owspirit (f). C C 6 C C C c d C C C 6 g C h C C C f Mximlor c, d,, f, rprzntând conformrii rcă l corspund în digrm nrgtică şi miniml dtort formlor rcă torsiontă, puţin mi stil. 7
În digrmă st rprznttă dor cl prcursă d o molculă l cr pltizr ciclului s rlizză prin trcr tomului C în clşi pln cu tomii vcini C şi C, dr istă posiilitt c pltizr să s producă şi l tomii C, C, C rzultă dci conformţii smiscun xtrm d smănător, dr totuşi nchivlnt din punct d vdr nrgtic. Din vlor riri nrgtic c spră ci doi conformri ( G =,7kcl/mol), s- găsit o distriuţi d 9% conformr cutoril şi % conformr xil. s-u vlut vloril ntlpii lir conformţionl G pntru difrit grup X dintr cr câtv rfritor l chilirul sunt rdt în tlul următor. Tot vloril G sunt ngtiv, vidnţiind stilitt mult mi mr conformrului cutoril: Grupr X F Cl Br I - G 0, 0, - 0, O OC OEt COO C Et ipr C 6 tbu 0,7 0,7 0,9,,7,8,,,6 Luând în considrţi vloril G pntru grupl ipr şi tbu din cst tl şi dtrminăm distriuţi clor doi conformri - s pot constt că pntru cl două czuri chilirul conformţionl st prctic complt dplst spr conformrul cutoril ( 97% rspctiv 99,99%). Acst st motivul pntru cr numros studii configurţionl şi conformţionl utilizză grupl ipr şi tbu c sustitunţi ( holding grup ) cr fixză molcul, înghţând chilirul conformţionl. Excpţii în cr sustituintul nu doptă o conformţi cutorilă: R R R R R X R R R R X R Întrucât intrcţiunil guch l sustituintului X cu ci sustitunţi R d l tomul d C vcin dpăşsc intrcţiunil lui X cu ci tomi d xili din poziţiil,. 8
R O O O R O În cst cz cionformţi xilă sustituntului R st crută d rlizr lgăturilor d dintr cl două grup O, lgături cr s rlizză tunci când cl două grup O sunt ml în poziţii cutoril. Drivţii disustituiţi i ciclohxnului Drivţii, disustituiţi cu sustitunţi idntici przintă chiliru conformţionl în cdrul cărui ci doi conformri sunt idntici suprpozili. C C C C În czul sustitunţilor difriţi chilirul s stilşt în fvor conformrului în molcul cărui sustituntul mi voluminos ocupă poziţi cutorilă. Drivţii, disustituiţi Pot xist în două configurţii distinct: cis şi trns, în cdrul căror pr chilirl conformţionl III, III, şi IV, IV, (sunt rprzntt dor forml scun, nglijândus cl flxiil rcă şi rcă torsiontă). 9
C C C C C III III, III, C C C Rfritor l drivţii cis-,-disustituiţi i ciclohxnului cu sustitunţi idntici (d xmplu cis-,-dimtil ciclohxnul), trui mnţinut fptul că nliz conformţionlă pun în vidnţă xistnţ două conformţii scun chirl III, şi III, (molcul nu mi r pln d simtri c în czul molculi III considrtă plnă), rprzntând doi ntipozi optici, innţls în cntităţi chimolculr, cr s trnsformă cu uşurinţă unul într-ltul. Dtorită josi rir nrgtic csti intrconvrsii, prch d ntipozi ± st nsprilă (l tmprtură normlă). În timp c modll pln l chimii orgnic clsic rtă că vor d o formă mzo, optic inctivă, cu pln d simtri, plicr principiilor nlizi conformţionl conduc l vidnţir uni prchi d,l nspril. Trns-, dimtil ciclohxnul xistă în două conformţii IV, şi IV, chilirul conformţionl fiind putrnic dplst spr conformrul dicutoril. Molcul nu posdă pln d simtri şi s v prznt su form doi ntipozi optici, sprili, dorc d dt cst i nu s mi trnsformă unul într-ltul c în czul izomrului cis. C C C C C C C IV,+(-) IV,+(-) IV,-(+) C IV,-(+) În c c privşt stilitt izomrilor cis şi trns s pot fctu clcul luând în considrţi intrcţiunil guch cr pr în structuril conformrilor corspunzători clor două configurţii. Comprând intr toţi confiormrii, ordin stilităţii pr stfl: trns, > (cis, =cis,) > trns, 0
Drivţii, - disustituiţi Su form distroizomrilor cis şi trns przintă o situţi invrstă stilităţii în snsul că izomrul cis putând xist su form unui conformr dicutoril V,, st mi stil dcât cl trns cr în ml configurţii (VI, şi VI,) posdă cât un sustitunt xil C C C C C C V V, V, C C C C C C VI VI, VI, Difrnţ d stilitt într conformrii, şi, i izomrului cis, dimtilciclohxnului st şi mi mr c în czul drivtului, (în czul, mi pr şi intrcţiuni într două grupări mtil, sin xil). Din punct d vdr l ctivităţii optic, în czul sustitunţilor idntici (, DMC), izomrul cis cu toţi conformrii săi, przintă pln d simtri, stfl că sustnţ st optic inctivă. În czul sustitunţilor difriţi sustnţ przintă ctivitt optică, nmivând pln d simtri. Izomrul trns l, DMC przintă ctivitt optică fiind vor d o molculă chirlă. Convrsi rpidă conformrilor, în, nu duc l ci doi ntipozi optici (c în czul, DMC) ci l oţinr două conformţii cr d fpt sunt idntic, suprpozil: C, C C C C C C C, Pornind însă d l oricr din ci doi ntipozi optici, izomrizr conformţionlă duc tot l prch d ntipozi optici. C,+(-) C C,+(-) C C C,-(+) C C,-(+)
Drivţii, disustituiţi Przintă o situţi similră cu drivţilor,, în snsul că izomrul trns (VII) st mi stil dcât cl cis (VIII), primul putând xist su form unui conformr dicutoril: C C C C VIII C C VIII, VIII, C C C VII C VII, C VII, C Aml configurţii şi tot cl conformţii u pln d simtri şi în conscinţă nu przintă ctivitt optică. Anliz conformţionlă drivţilor disustituiţi i ciclohxnului duc o xplicţi clră şi logică stilităţii difrită izomrilor, şi, fţă d izomrii, p z prdominnţi conformţiilor cu grupări cutoril. Înint d 97, (n c coincid cu încputul plicrii principiilor nlizi conformţionl) s considr că toţi izomrii trns în sistm ciclic sunt mi stili dcât ci cis şi s- triuit p cstă ză, în mod grşit, configurţi drivţilor, disustituiţi i ciclohxnului. Rcpitulăm su form unui tl dtl mnţiont cu oczi discutării stilităţii drivţilor disustituiţi i ciclohxnului. Izomr Conf. Nr. intr. guch * clc.* xp.* G xp.* t c cis,,7,,,8,87,66 trns,, 0,9,6 cis, 0 0,,,** -,8 -,96 -,9 trns,,8, cis,,8,,,8,9, trns,, 0 0,6 *vloril, şi G sunt xprimt în kcl/mol. Difrnţl sunt clcult într conformrii mi stili i ficări configurţii. **intrvin şi intrcţiunil, sindixil
Strochimi mntolilor Mntolul ( izopropil mtil ciclohxnolul) conţin în molculă tomi d C chirli, s pot prznt su form =8 izomri optici ( prchi d nntiomri) în funcţi d rnjmntul rciproc difrit l clor tri sustitunţi fţă d inlul ciclohxnic. O O C C O O C C nomntol,,,, O mntol,,,, O C 99% C 99,9% C C O C O O izomntol,, 8%,, C O C O noizomntol,,,, O C 6% După cum s osrvă cl mi stil st mntolul cr pot xist într-o conformţi tricutorilă. Ordin stilităţii clor izomri i izopropil mtil ciclohxnolului st: mntol nomntol izomntol noizomntol 6% % % % Ciclohxn şi ciclohxdin Ciclohxn, vând în molculă o lgătură dulă ndociclică, cu hiridizr sp, posdă o structură în cdrul cări din ci 6 tomi d C sunt situţi în clşi pln. Rzultă stfl două tipuri d conformţii crctristic: conformţi smircă () şi conformţi smiscun (). în timp c conformţi smiscun s dosşt snţil d conformţi scun ciclohxnului, c smircă st d fpt o conformţi fort propită d c clsică ciclohxnului.
' ' 6 ' ' ' ' ' ' 6 Conformţi distorsiontă smiscun rprzintă o structură chirlă, însă dtorită josi rir nrgtic cr spră cl două conformţii (ci doi nntiomri) smiscun şi, intrconvrtiil, ciclohxn nu przintă ctivitt optică. Conformţi smiscun mult mi stilă dcât c smircă s crctrizză prin xistnţ l tomii d C şi unor poziţii cutoril () şi xil (), în timp c tomii d C şi 6 posdă sustitunţi psudocutorili ( ) şi psudoxili ( ). Cu jutorul difrcţii cu rz X fost pusă în vidnţă pntru mulţi compuşi xistnţ conformţii stil smiscun în cr, dcă xistă sustitunţi, cşti ocupă prfrnţil poziţiil cutoril rspctiv psudocutoril. Un xmplu concrt îl constitui molcul (-) cis şi (+) trns mntni (9c şi 9t) cu conformţi stil în cr sustitunţii ocupă prfrnţil poziţii psudocutoril: ' ' C (') C (') (') 6 6 ' ' ' 9c 9c (',') 9c (',') 9t C ' (') 6 C (') ' (') ' 6 9t (',') 9t (',') ' C (') ' C (')
, Ciclohxdin s przintă într-o conformţi rcă simtrică în chiliru cu o ltă formă rcă chivlntă. p p l l l l p p (l,p) (p,l) În cdrul chilirului conformţionl, sprt printr-o fort josă riră nrgtică poziţiil prpndiculr (p) dvin linir (l) şi invrs. În czul drivţilor sustituiţi în poziţiil şi 6, izomrul cis (c) st mi stil dcât cl trns (t), putând xist su form unui conformr dilinir c (l,l), p când în izomrul trns unul din sustitunţi ocupă totdun o poziţi prpndiculră. X X l X X t (l,p) t (p,l) X X Xl X c (p,p) c (l,l) D rmrct fptul că în conformţi rcă ciclohxdini distnţ într sustitunţii p,p st mult mi mr dcât distnţ dintr sustitunţii flgpol în czul conformrului rcă l ciclohxnului, c urmr intrcţiunil vn dr Wls pntru cst poziţii sunt mult diminut în czul ciclohxdini..8a.6a A A B C În figură s przintă comprtiv conformţi rcă ciclohxnului (A), ciclohxni (B) şi ciclohxdini (C) scoţând în vidnţă difrnţl c pr c urmr pltizării ărcii dtorită hiridizării sp, rspctiv lărgirii unghiului d vlnţă l 0.
, ciclohxdin cu cl două lgături dul conjugt pot dopt două conformţii 6, c rprzintă d fpt structuri intrmdir într c smircă şi c smiscun. 6 6 6 6 Biliogrfi: S., Mgr, Strochimi orgnică. Distroizomri, Univ.<<Bş Bolyi>> - Cluj-Npoc; Fcultt d Thnologi Chimică, 980. 6.inuri.00 Moldovnu Costl Anul II Mstr scţi CBC 6