Definiția periplanară în chimie

Definiția Periplanară în Chimie

Termenul “periplanar” descrie o relație geometrică specifică dintre două grupuri de atomi într-o moleculă, unde planurile care conțin aceste grupuri sunt paralele. Această definiție este fundamentală în înțelegerea conformației și stereochimiei moleculelor organice.

Introducere

În chimia organică, înțelegerea conformației moleculelor este esențială pentru a prezice și explica proprietățile lor fizice, chimice și biologice. Conformația se referă la aranjamentul spațial al atomilor într-o moleculă, care poate varia prin rotații în jurul legăturilor simple. O relație geometrică importantă în descrierea conformației este relația periplanară, care definește orientarea relativă a două grupuri de atomi într-o moleculă.

Definiția periplanară este strâns legată de conceptul de unghi diedru, care este unghiul dintre două plane care intersectează. În contextul conformației moleculare, unghiul diedru este folosit pentru a descrie unghiul dintre două legături, sau două grupuri de atomi, care sunt legate la un atom comun.

Această introducere va prezenta o analiză detaliată a definiției periplanare, explorând implicațiile sale în diverse aspecte ale chimiei organice, inclusiv stereochimia, geometria moleculară și izomerismul rotațional.

Conformații moleculare și rotamerie

Conformația moleculară se referă la aranjamentul spațial al atomilor într-o moleculă, care poate varia prin rotații în jurul legăturilor simple. Aceste rotații conduc la diferite conformații, care diferă prin energia lor, stabilitatea lor și proprietățile lor fizice și chimice.

Rotația în jurul legăturilor simple este o formă de izomerism numită izomerism rotațional sau rotamerie. Rotamerele sunt izomeri conformaționali, care sunt interconvertibili prin rotație în jurul legăturilor simple.

Definiția periplanară este strâns legată de conceptul de rotamerie, deoarece descrie relația geometrică dintre două grupuri de atomi într-o moleculă care poate fi modificată prin rotație în jurul unei legături simple.

Conformație

Conformația unei molecule se referă la aranjamentul spațial al atomilor săi, ținând cont de rotațiile în jurul legăturilor simple. Conformația este o proprietate dinamică, deoarece moleculele pot trece prin diferite conformații prin rotații în jurul legăturilor simple, proces care se poate întâmpla la temperatura camerei.

Conformația este importantă pentru proprietățile fizice și chimice ale moleculelor, inclusiv reactivitatea, punctul de topire, punctul de fierbere și solubilitatea. De exemplu, conformația unei molecule poate afecta modul în care aceasta interacționează cu alte molecule, inclusiv cu enzimele, receptorii și alte molecule biologice.

Conformația este adesea reprezentată prin proiecții Newman, care arată moleculele din perspectiva unei legături simple.

Dihedral Angle

Unghiul diedru, cunoscut și ca unghiul torsional, este un parametru geometric care descrie relația spațială dintre două plane care se intersectează. În contextul conformației moleculare, unghiul diedru este definit ca unghiul dintre cele două plane care conțin fiecare câte trei atomi consecutivi dintr-o moleculă.

Unghiul diedru este o măsură a rotației în jurul unei legături simple, cu valori cuprinse între $0^ rc$ și $360^ rc$.

Unghiurile diedre joacă un rol crucial în determinarea conformației moleculelor, deoarece ele influențează interacțiunile sterice și forțele intermoleculare.

Rotamere

Rotamerele sunt izomeri conformaționali care diferă prin rotația în jurul uneia sau mai multor legături simple. Ele reprezintă diferite conformații ale aceleiași molecule, care pot fi interconvertibile prin rotație.

Rotația în jurul legăturilor simple este posibilă datorită liberității de rotație a legăturilor σ. Această rotație poate duce la o varietate de conformații, dintre care unele sunt mai stabile decât altele.

Rotamerele sunt importante în studiul conformației și stereochimiei moleculelor, deoarece pot influența proprietățile fizice, chimice și biologice ale moleculelor.

Tipuri de Conformații

Conformația unei molecule se referă la aranjamentul spațial al atomilor săi, fără a lua în considerare legăturile chimice. Există două tipuri principale de conformații⁚

• Conformația eclipsată⁚ În această conformație, atomii sau grupurile de atomi legați de atomii adiacenți sunt aliniați unul cu celălalt, având un unghi diedru de 0°. Această conformație este mai puțin stabilă din cauza repulsiei sterice dintre atomii sau grupurile de atomi adiacenți.
• Conformația staggerată⁚ În această conformație, atomii sau grupurile de atomi legați de atomii adiacenți sunt decalate, având un unghi diedru de 60°. Această conformație este mai stabilă decât conformația eclipsată, deoarece repulsia sterică este minimizată.

Conformația staggerată poate fi împărțită în două subtipuri⁚

• Conformația anti⁚ În această conformație, cele două grupuri mari sunt la 180° unul față de celălalt.
• Conformația gauche⁚ În această conformație, cele două grupuri mari sunt la 60° unul față de celălalt.

Conformație Eclipsată

Conformația eclipsată este o conformație moleculară în care atomii sau grupurile de atomi legați de atomii adiacenți sunt aliniați unul cu celălalt, având un unghi diedru de 0°. Această conformație este caracterizată printr-o maximă repulsie sterică, deoarece atomii sau grupurile de atomi sunt foarte apropiați unul de celălalt. Repulsia sterică este o forță de respingere care apare între electronii orbitalilor atomici ai atomilor sau grupurilor de atomi din apropierea unuia de celălalt.

Conformația eclipsată este, de obicei, mai puțin stabilă decât conformația staggerată, deoarece repulsia sterică este mai mare. Totuși, în unele cazuri, conformația eclipsată poate fi mai stabilă din cauza interacțiunilor dipol-dipol sau a legăturilor de hidrogen.

Conformație Staggerată

Conformația staggerată este o conformație moleculară în care atomii sau grupurile de atomi legați de atomii adiacenți sunt poziționați la distanță maximă unul de celălalt, având un unghi diedru de 60°. Această conformație este mai stabilă decât conformația eclipsată, deoarece repulsia sterică este minimizată.

În conformația staggerată, atomii sau grupurile de atomi sunt aranjați într-un mod care permite o maximă separare a orbitalilor atomici, reducând astfel interacțiunile repulsive; Această conformație este caracterizată printr-o energie mai scăzută comparativ cu conformația eclipsată, ceea ce o face mai favorabilă din punct de vedere energetic.

Conformație Anti

Conformația anti este un caz special al conformației staggerate, în care două grupuri voluminoase legate de atomi adiacenți sunt situate la o distanță de 180° unul de celălalt. Această aranjare maximizează distanța dintre aceste grupuri, minimizând repulsia sterică.

Conformația anti este cea mai stabilă conformație staggerată, deoarece reduce la minimum interacțiunile repulsive dintre grupurile voluminoase. Această conformație este caracterizată printr-un unghi diedru de 180° între cele două grupuri voluminoase, ceea ce le permite să fie cât mai departe posibil unul de celălalt.

Conformație Gauche

Conformația gauche se referă la o conformație staggerată în care două grupuri voluminoase legate de atomi adiacenți sunt situate la un unghi diedru de aproximativ 60° unul față de celălalt. Această aranjare creează o oarecare repulsie sterică, dar este mai stabilă decât conformația eclipsată.

Există două conformații gauche posibile, denumite gauche plus și gauche minus, în funcție de orientarea grupurilor voluminoase. În conformația gauche plus, cele două grupuri voluminoase sunt situate pe aceeași parte a legăturii C-C, în timp ce în conformația gauche minus, ele sunt situate pe părți opuse.

Factori care influențează Conformația

Conformația unei molecule este influențată de o serie de factori, inclusiv⁚

• Bariera de energie⁚ Rotația în jurul unei legături simple este restricționată de o barieră de energie, care este energia necesară pentru a trece de la o conformație la alta. Această barieră este determinată de forțele intermoleculare și de hinderul steric.
• Forțe intermoleculare⁚ Forțele intermoleculare, cum ar fi forțele Van der Waals, interacțiunile dipol-dipol și legăturile de hidrogen, pot influența conformația unei molecule prin stabilizarea unor conformații specifice.
• Hinder steric⁚ Hinderul steric apare atunci când grupurile voluminoase din moleculă se apropie prea mult una de cealaltă, rezultând o repulsie sterică. Această repulsie poate favoriza conformații în care grupurile voluminoase sunt mai îndepărtate una de cealaltă.

Acesti factori interacționează pentru a determina conformația preferată a unei molecule.

Bariera de energie

Bariera de energie este o cantitate de energie care trebuie depășită pentru a roti o legătură simplă. Această barieră este cauzată de interacțiunile dintre atomii și grupurile atașate la legătura respectivă. De exemplu, în etan ($CH_3CH_3$), rotația în jurul legăturii C-C este restricționată de o barieră de energie de aproximativ 3 kcal/mol. Această barieră este cauzată de interacțiunile repulsive dintre atomii de hidrogen pe grupările metil. Conformația eclipsată, în care atomii de hidrogen sunt aliniați, are o energie mai mare decât conformația staggerată, în care atomii de hidrogen sunt mai îndepărtați unul de celălalt. Diferența de energie dintre aceste două conformații este bariera de energie.

Forțe intermoleculare

Forțele intermoleculare joacă un rol crucial în determinarea conformației moleculelor. Aceste forțe, care acționează între molecule, pot stabiliza anumite conformații în detrimentul altora. Există trei tipuri principale de forțe intermoleculare⁚ forțele Van der Waals, interacțiunile dipol-dipol și legăturile de hidrogen. Forțele Van der Waals sunt forțe slabe de atracție care apar între toate moleculele, indiferent de polaritatea lor. Interacțiunile dipol-dipol apar între moleculele polare, unde dipolii permanenți ai moleculelor se atrag reciproc. Legăturile de hidrogen sunt un tip special de interacțiune dipol-dipol, în care un atom de hidrogen este legat covalent la un atom electronegativ (de obicei oxigen, azot sau fluor) și este atras de un atom electronegativ din altă moleculă.

Forțe Van der Waals

Forțele Van der Waals, denumite după fizicianul olandez Johannes Diderik van der Waals, sunt forțe de atracție slabe care apar între toate moleculele. Aceste forțe sunt rezultatul fluctuațiilor temporare ale densității electronice în molecule, care creează dipoli temporari. Aceste dipoli temporari induc dipoli temporari în moleculele vecine, generând o atracție slabă. Forțele Van der Waals sunt importante în stabilizarea conformațiilor moleculare, în special în moleculele apolare. Deși sunt slabe individual, aceste forțe pot deveni semnificative atunci când un număr mare de molecule sunt implicate, influențând punctele de fierbere și de topire ale substanțelor.

Interacțiuni dipol-dipol

Interacțiunile dipol-dipol sunt forțe de atracție electrostatice care apar între molecule polare. Moleculele polare au o distribuție asimetrică a densității electronice, rezultând un moment dipolar permanent. Aceste molecule se orientează astfel încât polul pozitiv al unei molecule să fie atras de polul negativ al altei molecule. Interacțiunile dipol-dipol sunt mai puternice decât forțele Van der Waals, dar mai slabe decât legăturile de hidrogen. Ele joacă un rol important în stabilizarea conformațiilor moleculare, afectând punctele de fierbere și de topire ale substanțelor polare.

Legături de hidrogen

Legăturile de hidrogen sunt interacțiuni intermoleculare puternice care apar între un atom de hidrogen legat covalent la un atom electronegativ (cum ar fi oxigenul, azotul sau fluorul) și un atom electronegativ din altă moleculă. Aceste legături sunt mai puternice decât forțele Van der Waals și interacțiunile dipol-dipol, contribuind la punctul de fierbere ridicat al apei și la stabilitatea structurilor biologice, cum ar fi proteinele și acizii nucleici. Legăturile de hidrogen influențează conformația moleculară, stabilizând anumite conformații și favorizând interacțiunile intermoleculare specifice.

Hinder steric

Hinderul steric este o forță repulsivă care apare între atomii sau grupurile de atomi din moleculele adiacente, atunci când acestea sunt suficient de aproape pentru a se intersecta reciproc. Această repulsie crește rapid pe măsură ce distanța dintre atomi scade și este cauzată de interacțiunile electrostatice nefavorabile între norii electronici ai atomilor. Hinderul steric poate influența conformația moleculară, favorizând conformațiile în care grupurile voluminoase sunt mai departe unul de celălalt și minimizând repulsia. Această interacțiune joacă un rol crucial în determinarea stabilității conformaționale a moleculelor organice.

Aplicații ale definiției periplanare

Definiția periplanară are aplicații semnificative în diverse domenii ale chimiei. În stereochimie, relația periplanară ajută la descrierea relației spațiale dintre substituenții pe un atom chiral, contribuind la înțelegerea izomerilor optici. De asemenea, în geometria moleculară, conceptul periplanar este esențial pentru a prezice forma moleculelor, în special a celor cu legături multiple. În plus, definiția periplanară este crucială pentru studiul izomerismului rotațional, un tip de izomerie care se bazează pe rotația liberă în jurul unei legături simple.

Stereochimia

În stereochimie, conceptul periplanar este esențial pentru a descrie relația spațială dintre substituenții pe un atom chiral. De exemplu, în cazul unei molecule cu doi substituenți pe un atom chiral, aceștia pot fi fie periplanari, fie antiperiplanari. Această relație influențează proprietățile optice ale moleculei, determinând dacă aceasta va fi activă optic sau nu. De asemenea, relația periplanară este crucială pentru a înțelege reacțiile stereospecifice, unde stereochimia reactanților determină stereochimia produselor.

Geometrie moleculară

Geometria moleculară este strâns legată de conceptul periplanar. De exemplu, în cazul moleculelor cu legături duble, unghiul diedru dintre cei doi atomi legați prin dublă legătură și cei doi atomi legați la acești atomi este de 0° (periplanar). Această configurație este caracteristică pentru geometria planară a moleculelor cu legături duble. De asemenea, geometria moleculară poate fi influențată de relația periplanară dintre grupurile de atomi, determinând forma moleculei și proprietățile sale fizico-chimice.

Izomerism rotațional

Izomerismul rotațional, sau rotameria, este un tip de izomerism care apare din cauza rotației libere în jurul legăturilor simple. Diferența dintre rotamere este determinată de unghiul diedru dintre grupurile de atomi legate de atomii care formează legătura simplă. Relația periplanară joacă un rol crucial în rotameria, deoarece determină stabilitatea relativă a diferitelor conformații. De exemplu, conformația anti este mai stabilă decât conformația gauche din cauza minimizării interacțiunilor sterice.

Concluzie

Definiția periplanară este un concept esențial în chimia organică, oferind o perspectivă asupra aranjamentului spațial al atomilor în molecule. Această definiție permite o înțelegere aprofundată a conformației moleculelor, a stabilității lor relative și a proprietăților lor fizice și chimice. De asemenea, ea este crucială în elucidarea izomerismului rotațional, un fenomen care influențează reactivitatea și proprietățile moleculelor organice. În concluzie, conceptul periplanar este un instrument esențial pentru chimiștii organici, facilitând o înțelegere mai profundă a structurii și reactivității moleculelor organice.