O documento fornece uma introdução à análise conformacional de moléculas orgânicas. Discute as diferentes conformações possíveis para moléculas como etano, propano e butano, analisando os ângulos diedros e as interações entre grupos. Também aborda as conformações cadeira e barco do cicloexano e derivados, e como desenhar corretamente as conformações cadeira.

1. Prof. Nunes
Análise Conformacional
Universidade Federal do Ceará
Centro de Ciências
Química Orgânica I
Prof. Dr. José Nunes da Silva Jr.
nunes.ufc@gmail.com
2 Atualizado em jan/2018

2. Prof. Nunes
À temperatura ambiente em solução, todas as ligações simples na molécula
estão constantemente rotacionando.
Feromômio da traça de ervilha: acetato de cis-10-dodecen-1-ila
Análise ConformacionalAnálise Conformacional
3

3. Prof. Nunes
As possibilidades de que duas moléculas terem exatamente a mesma forma,
em qualquer momento são bastante pequenas.
No entanto, mesmo que não haja duas moléculas com exatamente a mesma
forma, em qualquer momento,
 elas são mesmo composto químico, pois têm todos os mesmos
átomos ligados da mesma maneira.
Chamamos as diferentes formas de moléculas do mesmo composto de
conformações.
Análise ConformacionalAnálise Conformacional
4

4. Prof. Nunes
Para ir de uma conformação a outra,
 podemos girar em torno das ligações simples.
Análise ConformacionalAnálise Conformacional
5

5. Prof. Nunes
Um coisa que não podemos fazer, porém, é quebrar quaisquer ligações.
É por isso que não se pode rodar em torno de uma dupla ligação, pois
teríamos que quebrar a ligação p.
Análise ConformacionalAnálise Conformacional
6
x x
x

6. Prof. Nunes
A barreira rotação em torno de ligações simples é muito baixa à temperatura
ambiente, e a rotação se dá facilmente.
Já a barreira de rotação em torno de ligações duplas são significantemente
maiores.
Barreiras de RotaçãoBarreiras de Rotação
7

7. Prof. Nunes
Algumas conformações são mais estáveis que outras...
Análise ConformacionalAnálise Conformacional
8

8. Prof. Nunes
Considere os dois átomos de hidrogênio do etano destacados em vermelho na
projeção de Newman. Estes dois átomos de hidrogênio parecem estar
separados por um ângulo de 60°.
Este ângulo é o chamado ângulo diedro ou ângulo de torção.
Este ângulo diedro muda quando giramos a ligação C-C - por exemplo, se o
carbono da frente gira no sentido horário enquanto o carbono de trás é
mantido parado.
O valor para o ângulo diedro entre dois grupos podem ser de qualquer valor
entre 0° e 180°.
Análise Conformacional do EtanoAnálise Conformacional do Etano
9
Ângulo diedro = 60o

9. Prof. Nunes
Portanto, há um número infinito de possíveis conformações.
No entanto, existem duas conformações que requerem especial atenção:
 a de menor energia – conformação alternada
 a de maior energia – conformação eclipsada
Alternada Eclipsada
Análise Conformacional do EtanoAnálise Conformacional do Etano
10

10. Prof. Nunes
Análise Conformacional do EtanoAnálise Conformacional do Etano
11
EnergiaPotencial(KJmol-1
Ângulo diedro

11. Prof. Nunes
A diferença de energia entre as conformações alternada e eclipsada do etano,
é de 12 kJ/mol, como mostrado no diagrama de energia.
Observe que todas as conformações alternadas do etano são degeneradas; ou
seja, todas as conformações alternadas têm a mesma quantidade de energia.
Da mesma forma, todas as conformações eclipsadas do etano são
degeneradas.
Análise Conformacional do EtanoAnálise Conformacional do Etano
12
Ângulo diedro
Energia
Potencial
alternadas
eclipsadas

12. Prof. Nunes
Quando a ligação C-C é rodada (passando de uma alternada para uma
eclipsada), a interação favorável citada é temporariamente interrompida,
causando um aumento de energia.
No etano, este aumento de energia atinge 12 kJ/mol.
Uma vez que existem três interações eclipsada separadas, é razoável atribuir
4 kJ/mol para cada par de sobreposição H-H.
À temperatura ambiente, uma amostra do gás etano terá cerca de 99% das
suas moléculas em conformações alternadas em qualquer dado instante.
Análise Conformacional do EtanoAnálise Conformacional do Etano
13
Custo total = 12 KJmol-1
1%
99%

13. Prof. Nunes
O diagrama de energia de propano é muito semelhante ao de etano, com
exceção da tensão torsional ser de 14 kJ/mol em vez de 12 kJ/mol.
Mais uma vez, observe que todas as conformações alternadas são
degeneradas, assim como são todas as conformações eclipsadas.
Análise Conformacional do PropanoAnálise Conformacional do Propano
14
Ângulo diedro
Energia
Potencial
alternadas
eclipsadas

14. Prof. Nunes
Nós já atribuímos 4 kJ/mol para cada par de H eclipsados.
Se sabemos que a tensão torsional do propano é de 14 kJ/mol,
 é razoável atribuir 6 kJ/mol para a sobreposição de um H com um
grupo metila.
Análise Conformacional do PropanoAnálise Conformacional do Propano
15
… e já sabemos que cada par
de H eclipsando tem um
custo de energia de 4 KJ/mol
Se o custo de energia
total é 14 KJ/mol
… então podemos concluir que
o custo total de energia de um H
eclipsando um grupo CH3
deve ser 6 KJ/mol

15. Prof. Nunes
Análise Conformacional do ButanoAnálise Conformacional do Butano
16
Ângulo diedro
EnergiaPotencial(KJmol-1EnergiaPotencial(KJmol-1
Ângulo diedro

16. Prof. Nunes
A análise conformacional de butano é um pouco mais complexa do que as
análises conformacionais do etano ou do propano.
Análise Conformacional do ButanoAnálise Conformacional do Butano
17 Ângulo diedro
Energia
Potencial
alternadas - GAUCHE
alternadas - ANTI
eclipsadas
eclipsadas

17. Prof. Nunes
 3 conformações de menor energia - conformações alternadas.
 3 conformações de maior energia - conformações eclipsadas.
Mas, no caso de butano, note que uma das conformações eclipsadas
(ângulo diedro = 0) é maior em energia do que as outras duas
conformações eclipsadas. Em outras palavras, as três conformações
eclipsadas não são degeneradas.
Da mesma forma, uma conformação alternada (ângulo diedro = 180) é inferior
em energia do que as outras duas conformações alternadas.
Análise Conformacional do ButanoAnálise Conformacional do Butano
18

18. Prof. Nunes
3 conformações alternadas.
A conformação com um ângulo diedro de 180° é chamada de conformação
anti, e representa a conformação de menor energia do butano.
As outras duas conformações também são alternadas, porém com 3,8 kJ/mol
a mais de energia do que a conformação anti - são chamadas de
conformações gauche. Por quê?
Análise Conformacional do ButanoAnálise Conformacional do Butano
19
Anti
metilas estão o
mais afastadas
possivel
Gauche
metilas experienciam
uma interação gauche
Gauche
metilas experienciam
uma interação gauche

19. Prof. Nunes
Na conformação anti, os grupos metila conseguem a separação máxima um
do outro.
Nas conformações gauche, os grupos metila estão mais próximos uns dos
outros.
As nuvens de elétrons se repelem (tentando ocupar a mesma região do
espaço), causando um aumento da energia de 3,8 kJ/mol. Esta interação
desfavorável, chamada de interação gauche, é uma forma de impedimento
estérico, e é diferente do conceito de tensão torsional.
As duas conformações gauche que mostram essa interação são degeneradas.
Análise Conformacional do ButanoAnálise Conformacional do Butano
20

20. Prof. Nunes
Uma conformação eclipsada é superior em energia do que as outras duas
 porque os grupos metila estão se sobrepondo.
As experiências sugerem que esta conformação tem um custo total de energia
de 19 kJ/mol. Uma vez que já foi atribuído 4 kJ/mol para cada interação H-H, é
razoável atribuir 11 kJ/mol para a interação entre dois grupos metilas vizinhos.
A conformação com os dois grupos metila se sobrepondo é o maior
conformação de energia.
Análise Conformacional do ButanoAnálise Conformacional do Butano
21
… e já sabemos que cada par
de H eclipsando tem um
custo de energia de 4 KJ/mol
2 x 4 = 8 KJ/mol
Se o custo de energia
total é 19 KJ/mol
… então podemos concluir que
o custo total de energia de dois
grupos CH3 eclipsando
deve ser 11 KJ/mol

21. Prof. Nunes
As outras duas conformações eclipsadas são degeneradas.
Em cada caso, existe um par de H e dois pares H/CH3 eclipsados. Temos todas
as informações necessárias para calcular a energia dessas conformações.
Sabemos que eclipsando H de são 4 kJ/mol, e cada conjunto de H/CH3 eclipsado
é 6 kJ/mol. Portanto, calcula-se um custo total de energia de 16 kJ/mol.
Análise Conformacional do ButanoAnálise Conformacional do Butano
22
Custo total =

22. Prof. Nunes
Análise Conformacional - ResumoAnálise Conformacional - Resumo
23
Interação Tipo de Tensão Custo de Energia (KJ/mol)
torsional 4
torsional 6
torsional + estérica 11
torsional + estérica 3,8
eclipsada
eclipsada
eclipsada
gauche

23. Prof. Nunes
Um medicamento vai se ligar a um receptor biológico se possuir um arranjo
específico tridimensional de grupos funcionais, chamado de grupo farmacóforo.
Por exemplo, o farmacóforo de morfina é mostrado em vermelho:
A morfina é uma molécula muito rígida, uma vez que tem muito poucas ligações
que são submetidos a uma rotação livre. Como resultado, o farmacóforo é
bloqueado no seu lugar.
Em contraste, as moléculas flexíveis são capazes de adotar uma variedade de
conformações, e só algumas destas conformações podem se ligar ao receptor.
Por exemplo, a metadona tem muitas ligações simples, cada uma das quais
sofre uma rotação livre.
Medicamentos e suas ConformaçõesMedicamentos e suas Conformações
24
morfina metadona

24. Prof. Nunes
A metadona é utilizada para o tratamento de viciados em heroína, que sofrem de
sintomas de abstinência.
A metadona se liga ao mesmo receptor que a heroína, e acredita-se que a
conformação ativa é aquela em que a posição dos grupos funcionais
corresponde ao farmacóforo da heroína (e da morfina):
Medicamentos e suas ConformaçõesMedicamentos e suas Conformações
25
morfinametadona heroína

25. Prof. Nunes
Análise Conformacional
do
Cicloexano e Derivados
Universidade Federal do Ceará
Centro de Ciências
Química Orgânica I
Prof. Dr. José Nunes da Silva Jr.
nunes.ufc@gmail.com
26 Atualizado em jan/2018

26. Prof. Nunes
O cicloexano pode adotar muitas conformações, como veremos em breve. Por
enquanto, vamos explorar duas conformações:
 conformação cadeira, e
 conformação barco.
Em ambas as conformações, os ângulos de ligação são bem próximos de 109,5°
e,
 portanto, ambas as conformações possuem muito pouca tensão
angular.
cadeira barco
Conformações do CicloexanoConformações do Cicloexano
27

27. Prof. Nunes
A diferença significativa entre elas pode ser visto ao se comparar a tensão
torsional.
A conformação cadeira não tem tensão torsional. Isto pode ser melhor visto
com uma projeção de Newman.
Observe que todas os H estão alternados. Nenhum está eclipsado.
cadeira barco
Conformações do CicloexanoConformações do Cicloexano
28
Olhe para baixo
destas ligações
simultaneamente

28. Prof. Nunes
Na conformação de barco tem duas fontes de tensão torsional.
Muitos dos H estão eclipsados (esquerda), e os H de cada lado das interações
sentem efeitos estéricos no anel chamados de interações mastro, como
mostrado na figura à direita.
cadeira barco
H eclipsados interação mastro
Conformações do CicloexanoConformações do Cicloexano
29

29. Prof. Nunes
O barco pode aliviar um pouco essa tensão torsional “torcendo” sua estrutura,
 resultando em uma conformação chamada de barco torcido.
barco interação mastro
barco torcido
Conformações do CicloexanoConformações do Cicloexano
30

30. Prof. Nunes
31
Conformações do CicloexanoConformações do Cicloexano

31. Prof. Nunes
Existem duas conformações cadeira diferentes que se interconvertem
rapidamente através de uma via que passa por muitas conformações diferentes,
incluindo uma conformação meia-cadeira de alta energia, bem como
conformações de barco torcido e barco.
Conformações do CicloexanoConformações do Cicloexano
32

32. Prof. Nunes
Ao desenhar uma conformação cadeira, é importante desenhá-la com exatidão.
Certifique-se de evitar desenhos de cadeiras mal feitos, porque vai ser difícil
posicionar os substituintes corretamente se o esqueleto não for exato.
Desenhando o esqueleto de uma conformação cadeira
Desenhando as Conformações CadeiraDesenhando as Conformações Cadeira
33
Etapa 1
Etapa 2
Etapa 3
Etapa 4
Etapa 5
Desenhe um V largo
Desenhe uma linha indo para baixo em um ângulo
de 60o, terminando antes do centro do V.
Desenhe uma linha paralela para o lado esquerdo do V,
terminando antes da extremidade esquerda do V.
Desenhe uma linha paralela para a linha a partir da
etapa 2, indo para baixo até a linha pontilhada.
Conecte os pontos.

33. Prof. Nunes
Substituintes
Axiais
Substituintes
Equatoriais
Desenhando as Conformações CadeiraDesenhando as Conformações Cadeira
34

34. Prof. Nunes
Considere-se um anel que contém apenas um substituinte.
 Duas possíveis conformações de cadeira podem ser feitas:
O substituinte pode estar numa posição axial ou numa posição equatorial.
Estas duas possibilidades representam duas conformações diferentes que
estão em equilíbrio:
axial equatorial
Cicloexano MonossubstituídoCicloexano Monossubstituído
35

35. Prof. Nunes
O termo “anel invertido" é utilizado para descrever a transformação de uma
conformação cadeira em outra. Este processo não é feito simplesmente
movendo a molécula como uma panqueca.
Em vez disso, um “anel invertido” possui uma alteração conformacional que é
realizada apenas por meio de rotação de todas as ligações C-C individuais.
Isto pode ser visto com uma projeção de Newman.
axial equatorial
Cicloexano MonossubstituídoCicloexano Monossubstituído
36

36. Prof. Nunes
Quando duas conformações cadeira estão em equilíbrio,
 a conformação de menor energia será favorecida.
Por exemplo, considere as duas conformações cadeira do metilcicloexano.
À temperatura ambiente, 95% das moléculas estarão na conformação cadeira
que tem o grupo metila na posição equatorial.
 Esta deve, portanto, ser a conformação de menor energia, mas por quê?
axial equatorial
Estabilidade das Conformações CadeirasEstabilidade das Conformações Cadeiras
37

37. Prof. Nunes
Quando o substituinte está na posição axial, existem interações estéricas com
os outros de H axiais no mesmo lado do anel.
As nuvens eletrônicas do substituinte estão tentando ocupar a mesma região do
espaço ocupada pelos hidrogênios, causando impedimento estérico.
Estas interações são chamados interações 1,3-diaxiais,
 onde os números de "1,3" descrevem a distância entre o substituinte
e cada um dos hidrogênios.
axial equatorial
Estabilidade das Conformações CadeirasEstabilidade das Conformações Cadeiras
38

38. Prof. Nunes
Por esta razão, o equilíbrio entre as duas conformações cadeira geralmente
favorece a conformação com o substituinte equatorial. As concentrações dos
confôrmeros, no equilíbrio, dependerão do tamanho do substituinte.
Grupos maiores terão maior impedimento estérico resultando em interações
1,3-diaxiais maiores, e o equilíbrio favorecerá o substituinte na posição
equatorial.
Por exemplo, o equilíbrio de terc-butilcicloexano favorece quase completamente
a conformação cadeira com um grupo terc-butila na posição equatorial:
axial equatorial
Estabilidade das Conformações CadeirasEstabilidade das Conformações Cadeiras
39

39. Prof. Nunes
Estabilidade das Conformações CadeirasEstabilidade das Conformações Cadeiras
40
substituinte Impedimento estérico a partir
de interações 1,3-diaxiais
(KJ/mol)
Razão equatorial-axial
(no equilíbrio)
axial equatorial

40. Prof. Nunes
Ao desenhar conformações cadeira de um composto que tem dois ou mais
substituintes, há uma cuidado adicional. Especificamente, devemos também
considerar a orientação tridimensional, ou configuração, de cada substituinte.
Observe que o átomo de cloro está em uma cunha, o que significa que ele está
saindo da página: é para cima. O grupo metila está em ligação pontilhada, o que
significa que ele está abaixo do anel, ou para baixo.
As duas conformações cadeira para este composto são os seguintes:
Cicloexano DissubstituídoCicloexano Dissubstituído
41
Cl está para acima
Me está para baixo

41. Prof. Nunes
Conformação da esquerda: dois grupos são axiais (menos favorável).
Conformação da direita: dois grupos são equatoriais (mais favorável).
Cicloexano 1,2-DissubstituídoCicloexano 1,2-Dissubstituído
42
Cl está para acima
Me está para baixo

42. Prof. Nunes
Desenhe as conformações cadeira do seguinte composto.
Cicloexano trans-1,3-DissubstituídoCicloexano trans-1,3-Dissubstituído
43
etila está para cima
metila está para baixo
+ estável

43. Prof. Nunes
Desenhe as conformações cadeira do seguinte composto.
Cicloexano cis-1,3-DissubstituídoCicloexano cis-1,3-Dissubstituído
44
etila está para baixo
metila está para baixo
+ estável
dois grupos equatoriais dois grupos axiais

44. Prof. Nunes
Desenhe as conformações cadeira do seguinte composto.
Cicloexano trans-1,3-DissubstituídoCicloexano trans-1,3-Dissubstituído
45
etila está para cima
cloro está para baixo
+ estável
cloro axialetila axial

45. Prof. Nunes
Desenhe as duas conformações cadeiras para o cis- e trans-1,4-
dimetilcicloexano, e defina em cada par, qual a conformação mais estável.
ExercícioExercício
46

46. Prof. Nunes
Desenhe as conformações de menor energia para cada um dos seguintes
compostos.
ExercícioExercício
47