3.6: Conformazioni di etano e propano

In una molecola organica, la libera rotazione attorno al singolo legame carbonio-carbonio si traduce in conformeri energeticamente diversi della molecola. A causa di questa rotazione, chiamata rotazione interna, l’etano ha due conformazioni principali: sfalsata ed eclissata.

La conformazione sfalsata è a bassa energia e più stabile con i legami C-H sul carbonio anteriore posizionati ad angoli diedri di 60° rispetto ai legami C-H sul carbonio posteriore, portando ad una deformazione torsionale ridotta. Nell'etano sfalsato, l'orbitale molecolare di legame di un legame C-H interagisce con l'orbitale molecolare di antilegame dell'altro, stabilizzando così ulteriormente la conformazione. La rotazione del carbonio più lontano, mantenendo stazionario il carbonio più vicino all'osservatore, genera un numero infinito di conformeri. Ad angoli diedri di 0°, i gruppi C-H si coprono l'un l'altro per formare una conformazione eclissata. Questa conformazione ha circa 12 kJ/mol in più di deformazione torsionale rispetto alla conformazione sfalsata e quindi è meno stabile. Le molecole di etano si interconvertono rapidamente tra diversi stati sfalsati mentre attraversano gli stati eclissati a energia più elevata. Le collisioni molecolari forniscono l'energia necessaria per attraversare questa barriera torsionale.

Similmente all'etano, anche il propano ha due conformatori principali: il conformero sfalsato stabile (bassa energia) e il conformero eclissato instabile (energia più elevata).

Una molecola di etano, se osservata lungo il legame carbonio-carbonio, mostra i gruppi C-H distanziati di 60° diedri. Questa è la conformazione sfalsata dell'etano.

La forma sfalsata dell'etano ha l'energia più bassa. Questo perché i legami C-H sono i più lontani l'uno dall'altro, riducendo al minimo la repulsione sterica tra gli elettroni nei legami e, quindi, stabilizzando la molecola.

Un altro fattore che stabilizza la conformazione sfalsata è l'interazione favorevole tra l'orbitale molecolare occupato e legante e un orbitale molecolare antilegante non occupato.

Ruotando il carbonio più lontano mantenendo fermo il carbonio più vicino si genera un numero infinito di conformazioni.

Ad angoli diedri di 0°, i legami C-H sui due atomi di carbonio sono vicini e si coprono a vicenda. Questa è la conformazione eclissata dell'etano.

A causa di una maggiore repulsione sterica e dell'assenza di un'interazione stabilizzante, l'energia dell'etano eclissato aumenta di 12 kJ/mol e ad ogni interazione H-H eclissante viene assegnato 4 kJ/mol.

La differenza di energia tra conformazioni eclissate e sfalsate è nota come deformazione torsionale o barriera torsionale.

La rotazione della molecola da 0º a 360º lungo il legame carbonio-carbonio genera diversi stati degeneri, sfalsati ed eclissati.

Un campione di gas etano, a temperatura ambiente, ha circa il 99% delle sue molecole nella conformazione sfalsata a più bassa energia.

L'energia ottenuta dalle collisioni molecolari viene utilizzata per subire la rotazione interna superando la barriera torsionale. La molecola, quindi, si sposta in una diversa forma sfalsata dopo aver attraversato lo stato eclissato ad alta energia.

Anche il prossimo idrocarburo – il propano – ha due principali conformatori: eclissato e sfalsato.

Il conformatore eclissato ha una deformazione torsionale di 14 kJ/mol. Ogni coppia di idrogeni eclissanti contribuisce con 4 kJ/mol, mentre l'interazione CH_3-H con eclisse contribuisce con 6 kJ/mol.