5 - Conformazioni delle molecole e angolo diedro

Conformazioni delle molecole e angolo diedro

In chimica, la conformazione è riferita alla forma della molecola, cioè alla geometria o disposizione spaziale degli atomi della molecola, che cambia in genere attraverso la rotazione interna (o torsione) attorno ai legami semplici. Si dicono isomeri conformazionali (o conformeri) due molecole che differiscono per una diversa disposizione degli atomi nello spazio dovuta solo a una loro rotazione attorno a legami semplici. Di seguito è riportata la molecola organica più semplice, il metano:

Gli angoli di legami sono tutti uguali tra loro (109,5°). La rotazione intorno a un legame carbonio-idrogeno (indicato con una freccia sotto) non dà alcun effetto sulla molecola:

Immaginiamo che al posto di un idrogeno ci sia un gruppo metile (e, quindi, la molecola in questione è l’etano):

Se la molecola ruota intorno al legame carbonio-carbonio si ottengono diverse conformazioni, e cioè una disposizione spaziale diversa degli atomi. Ma non tutte le conformazioni sono equivalenti da un punto di vista energetico, vediamo perché.

Interazioni tra nubi elettroniche

Come sappiamo, intorno agli atomi ci sono le nubi elettroniche che contengono cariche negative e, quindi, avendo cariche dello stesso segno, tendono a respingersi tra loro. Per esempio, se consideriamo i due idrogeni indicati nell’immagine sotto e supponiamo che si vogliano allontanare tra loro a causa delle nubi elettroniche, come possiamo aumentare la loro distanza?

Potremmo aumentare la lunghezza del legame carbonio-carbonio oppure potremmo inclinare i due idrogeni di interesse in direzioni opposte. Per variare questi parametri ci vorrebbe troppa energia, l’unica cosa che si può fare è ruotare il legame carbonio-carbonio (aumento l’angolo diedro, detto anche angolo torsionale).

Aumentando il valore dell’angolo diedro, aumenta anche la distanza tra gli idrogeni di uno e dell’altro carbonio e quindi diminuisce la repulsione tra questi atomi. La massima stabilità si raggiunge quando l’angolo diedro ha un valore di 60°: a questo valore corrisponde la massima distanza tra gli atomi di idrogeno legati a un carbonio e gli atomi di idrogeno legati al carbonio adiacente.

Conformazione con massima stabilità

Se la rotazione intorno al legame singolo viene eseguita in senso orario, l’angolo torsionale è definito positivo; se la rotazione intorno al legame singolo viene effettuata in senso antiorario, l’angolo torsionale è definito negativo. Secondo la definizione di Klyne e Prelog, gli angoli torsionali sono compresi tra 0 e 180° per il quadrante sinistro e tra 0 e 180° per il quadrante destro, cioè non sono mai considerati con un valore compreso tra 0 e 360°, quindi quando considero gli angoli torsionali questi non saranno mai ottusi (gli angoli ottusi sono gli angoli che hanno ampiezza maggiore di 90°) ma comunque avranno sempre un valore inferiore a 180°.

Definizione di angolo diedro

Più nello specifico la definizione di angolo diedro è la seguente:

Si definisce angolo diedro la porzione di spazio compresa tra due semipiani che hanno per origine la stessa retta, detta spigolo.