Arrow Lab

Química Orgánica Física · Orbitals, conformation and selectivity

Efectos estereoelectrónicos y control conformacional

Una lección resuelta gratis y 40 problemas de práctica en los que dibujas tú mismo cada flecha curva.

¿Atascado con efectos estereoelectrónicos y control conformacional? Escanea el problema.

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Lo que aprenderás

  • Explain hyperconjugation, the gauche effect and the anomeric effect as donation from a filled orbital into an aligned, anti-periplanar empty orbital, and predict the conformations and spectroscopic signatures that follow.
  • Use A-values, 1,3-diaxial and allylic (A1,3) strain to calculate conformational equilibria and to predict which chair or rotamer a molecule adopts.
  • Apply the anti-periplanar requirement to E2 eliminations, epoxide formation and opening, and 1,2-shifts, and recognise reactions that instead need syn geometry.
  • Predict the face of attack on a carbonyl group from the Bürgi–Dunitz trajectory, axial versus equatorial approach, the Felkin–Anh model and chelation control.
  • Classify ring closures with Baldwin's rules and use them, with ring strain, to predict the ring size formed.

Lección gratis

El texto de la lección resuelta. En Arrow Lab, cada paso incluye sus estructuras y sus flechas dibujadas.

Leer la lección gratis (7 partes)

Hiperconjugación: los orbitales llenos alimentan a los vacíos

Un orbital enlazante lleno (σC–H, σC–C, σC–Si) o un par solitario puede donar hacia un orbital vacío cercano: un orbital p vacío, un orbital π* o un orbital σ*. La interacción es más fuerte cuando los dos orbitales son paralelos y están en el mismo plano, lo que para dos enlaces σ sobre átomos vecinos significa antiperiplanar (ángulo diedro de 180°). La hiperconjugación explica por qué el catión tert-butilo (nueve enlaces C–H junto al orbital p vacío) es mucho más estable que el catión metilo (ninguno). También explica el efecto gauche: el 1,2-difluoroetano prefiere el confórmero gauche, porque solo ahí cada buen donor (σC–H) está anti respecto a un buen aceptor (σ*C–F). El silicio es el mejor donor σ común: un enlace C–Si antiperiplanar a un grupo saliente acelera la ionización en muchos órdenes de magnitud (el efecto β del silicio).

El efecto anomérico

En un tetrahidropirano (oxano), un grupo electronegativo sobre C2, el carbono contiguo al oxígeno del anillo, suele preferir la posición axial aunque el impedimento estérico favorezca la ecuatorial. Cuando el enlace C2–X es axial, un par solitario del oxígeno del anillo queda antiperiplanar respecto a él y dona hacia σ*C–X (n → σ*). La preferencia axial crece con la calidad aceptora del C–X: el 2-clorooxano es casi por completo axial, el 2-metoxioxano es moderadamente axial en disolventes apolares y el 2-metiloxano (mal aceptor) es ecuatorial como cualquier grupo alquilo. En agua, la glucosa sigue siendo 64% β (el OH anomérico ecuatorial) porque los puentes de hidrógeno reducen el efecto, pero el 36% α es mucho más de lo que permitiría la preferencia estérica de un OH por sí solo. Esa misma donación debilita un enlace C–H antiperiplanar: un C–H anomérico axial muestra un acoplamiento ¹³C–¹H a un enlace menor (unos 160 Hz) que uno ecuatorial (unos 170 Hz). Los espirocetales adoptan la conformación en la que cada enlace C–O es axial en el otro anillo, con lo que ganan dos interacciones anoméricas.

Energías conformacionales: valores A y tensión alílica

El valor A de un sustituyente es el ΔG° de llevarlo desde la posición ecuatorial a la axial de un ciclohexano; un grupo axial sufre dos interacciones 1,3-diaxiales del tipo gauche-butano con el anillo. Valores A típicos (kJ/mol): F 1,0; OH ≈ 3,6; CH₃ 7,3; CH₂CH₃ 7,5; CH(CH₃)₂ 9,2; C₆H₅ 11,7 y C(CH₃)₃ ≈ 20. El isopropilo puede girar un C–H hacia el anillo, así que cuesta poco más que el etilo; el tert-butilo tiene que apuntar un metilo hacia dentro y prácticamente bloquea el anillo con el tert-butilo ecuatorial. La constante de equilibrio se obtiene de ΔG° = −RT ln K: 7,3 kJ/mol a 298 K dan K ≈ 19, es decir, alrededor del 95% de metilciclohexano ecuatorial. Los valores A son aproximadamente aditivos cuando los grupos están en 1,3 o 1,4. La tensión alílica 1,3 (A1,3) es el choque entre un sustituyente sobre el carbono lejano del alqueno (cis) y un grupo sobre el carbono alílico cuando ambos están en el plano del alqueno; por eso el carbono alílico gira su grupo más pequeño, normalmente H, hacia ese plano. Las amidas se comportan aquí como alquenos, así que una N-acil-2-alquilpiperidina coloca su grupo 2-alquilo en axial.

Requisitos antiperiplanares

Las reacciones que rompen un enlace σ mientras un par vecino se desplaza necesitan que el orbital σ* que se rompe esté alineado con los electrones entrantes. En una reacción E2, los enlaces C–H y C–grupo saliente deben ser antiperiplanar; en un ciclohexano eso significa que ambos sean axiales (trans-diaxial). La geometría fija el producto: el meso-1,2-dibromo-1,2-difeniletano elimina HBr para dar (E)-1-bromo-1,2-difenileteno, y el diastereómero racémico da el alqueno Z. La misma regla gobierna la SN2 intramolecular y los desplazamientos 1,2: el trans-2-clorociclohexanol cierra a óxido de ciclohexeno porque su alcóxido puede situarse anti respecto a C–Cl, mientras que el isómero cis no puede y, en su lugar, el C–H axial anti respecto al C–Cl axial migra como hidruro para dar ciclohexanona. Los epóxidos sobre anillos de ciclohexano se abren a productos trans-diaxiales (regla de Fürst–Plattner). Los átomos de cabeza de puente de los biciclos pequeños no pueden alinear los orbitales necesarios (regla de Bredt). Las eliminaciones térmicas Ei (Cope, selenóxido) son la excepción: pasan por un estado de transición cíclico y necesitan geometría syn-periplanar.

¿Qué cara del carbonilo?

Los nucleófilos se acercan al carbono del carbonilo formando unos 107° con el enlace C=O (el ángulo de Bürgi–Dunitz), no a 90°, porque deben solaparse con el π* y a la vez evitar el orbital π lleno y el oxígeno. Sobre una ciclohexanona, los nucleófilos pequeños como el LiAlH₄ atacan axialmente (dan el alcohol ecuatorial, trans-4-tert-butilciclohexanol, aproximadamente 9 : 1), porque la trayectoria axial evita la tensión torsional con los enlaces C–H axiales vecinos; el L-Selectride, voluminoso, ataca ecuatorialmente para evitar los hidrógenos axiales en 3 y 5 y da el alcohol axial. Para un carbonilo acíclico junto a un estereocentro, el modelo de Felkin–Anh sitúa el sustituyente α más grande (o más electronegativo) perpendicular al carbonilo, anti respecto al nucleófilo entrante, que pasa entonces junto al grupo más pequeño. Cuando el sustituyente α es un grupo alcoxi y el metal puede unirse a ambos oxígenos (Mg²⁺, Zn²⁺, Ti⁴⁺), un quelato de cinco miembros fija el C=O y el C–OR en syn, y el nucleófilo ataca desde la cara del grupo pequeño, lo que da el diastereómero opuesto (anti-Felkin). Los éteres de sililo voluminosos y los ácidos de Lewis monodentados como el BF₃ impiden la quelación.

Reglas de Baldwin para el cierre de anillos

Nombra un cierre de anillo con tres etiquetas: el tamaño del anillo que se forma, exo o endo (si el enlace que se rompe queda fuera o dentro del nuevo anillo) y la geometría del átomo atacado (tet para sp³, trig para sp², dig para sp). Los cierres se favorecen cuando el nucleófilo puede alcanzar al electrófilo siguiendo la trayectoria que exigen los orbitales: por el lado opuesto (180°) para tet, el ángulo de Bürgi–Dunitz para trig y unos 120° para dig. Favorecidos: 3- a 7-exo-tet, 3- a 7-exo-trig, 6- y 7-endo-trig, 5- a 7-exo-dig y 3- a 7-endo-dig. Desfavorecidos: 5- y 6-endo-tet, 3- a 5-endo-trig y 3- y 4-exo-dig. El 5-endo-trig falla porque la cadena es demasiado corta para llevar el nucleófilo sobre la cara π, mientras que el 5-endo-dig funciona porque un alquino ofrece un segundo π* en el plano del anillo. Dentro de los cierres favorecidos, los anillos de cinco miembros suelen formarse más rápido, así que el ácido pent-4-enoico con yodo da una γ-lactona (5-exo-trig) en lugar de una δ-lactona.

Lo que conviene recordar

Casi todos los efectos estereoelectrónicos son una sola idea: un orbital lleno dona mejor hacia un orbital vacío paralelo a él, lo que para enlaces σ vecinos significa antiperiplanar. Esa idea explica las preferencias conformacionales (efectos gauche y anomérico), las exigencias geométricas de la E2, la química de los epóxidos y los desplazamientos 1,2, el ángulo y la cara del ataque nucleofílico sobre carbonilos y las reglas de Baldwin para el cierre de anillos. Los costos estéricos (valores A, tensión 1,3-diaxial y alílica) deciden entonces qué confórmero reactivo está disponible.

Problemas de práctica (40)

Practicar es gratis con una cuenta.

Dibuja el mecanismo 8

Ataque a las caras del carbonilo

  • Adición de bromuro de metilmagnesio a una cetona α-metoxilada controlada por quelaciónUsa el modelo de quelato de Cram para predecir el diastereómero que se forma cuando el bromuro de metilmagnesio se adiciona a la (S)-2-metoxi-1-fenilpropan-1-ona, y dibuja la adición y el tratamiento con amonio.
  • Adición de bromuro de metilmagnesio a (S)-2-fenilpropanal según Felkin–AnhUsa el modelo de Felkin–Anh para elegir la cara del (S)-2-fenilpropanal que ataca el bromuro de metilmagnesio, y luego dibuja la adición y el tratamiento que dan (2S,3S)-3-fenilbutan-2-ol como diastereómero mayoritario.
  • Ataque axial del hidruro: reducción de 4-terc-butilciclohexanona con LiAlH₄Dibuja la entrega de hidruro a la 4-terc-butilciclohexanona desde la cara axial y el tratamiento (workup) que da el alcohol ecuatorial, trans-4-terc-butilciclohexan-1-ol.

Requisitos antiperiplanares

  • La cis-2-clorociclohexan-1-ol da ciclohexanona mediante un desplazamiento de hidruro anti-periplanarExplica por qué la cis-2-clorociclohexan-1-ol no puede cerrarse a óxido de ciclohexeno en medio básico, y dibuja el desplazamiento de hidruro 1,2 anti-periplanar que convierte su alcóxido en ciclohexanona.
  • E2 anti del dibromuro de meso-estilbeno da (E)-1-bromo-1,2-difeniletenoUsa el requisito anti-periplanar de la E2 para dibujar la eliminación única de HBr a partir del dibromuro de meso-estilbeno y predecir la geometría del bromoalqueno que produce.

Reglas de Baldwin para el cierre de anillos

  • Yodolactonización del ácido pent-4-enoico: un cierre de anillo 5-exo-trigDibuja la formación del carboxilato, la formación del ion yodonio y el cierre de anillo 5-exo que da 5-(yodometil)oxolan-2-ona, y clasifica el cierre según las reglas de Baldwin.
  • Adición oxa-Michael intramolecular: un cierre de anillo 5-exo-trigDibuja la adición conjugada catalizada por base de un alcóxido unido por una cadena a un éster α,β-insaturado que cierra un anillo de cinco miembros, y clasifica el cierre con las reglas de Baldwin.

Hiperconjugación y efecto anomérico

  • Formación de espirocetal catalizada por ácido a partir de 1,9-dihidroxinonan-5-onaDibuja la formación catalizada por ácido del 1,7-dioxaspiro[5.5]undecano a través de un hemicetal y un ion oxocarbenio, y explica con el efecto anomérico qué conformación adopta el espirocetal.

Predice el producto 7

Energías conformacionales y tensión alílica

  • La tensión alílica decide el rotámeroPredice el rotámero preferido alrededor de un enlace alílico a partir de la tensión alílica 1,3 con un sustituyente cis del alqueno.
  • ¿Qué isómero mantiene su OH axial?Usa un grupo tert-butilo que bloquea la conformación y las relaciones cis/trans para decidir si un hidroxilo del anillo es axial o ecuatorial.

Requisitos antiperiplanares

  • ¿Por qué se forma más (E)- que (Z)-but-2-eno?Predice el estereoisómero mayoritario del alqueno en la E2 de un bromuro secundario comparando los confórmeros antiperiplanar que conducen a cada uno.
  • E2 del dibromuro de estilbeno racémicoPredecir la geometría del alqueno a partir de una E2 antiperiplanar de un diastereómero acíclico con dos estereocentros.
  • E2 del trans-1-bromo-2-metilciclohexanoPredecir el producto de E2 de un bromuro de ciclohexilo trans-1,2-disustituido determinando qué hidrógeno β puede estar trans-diaxial respecto al bromo.

Ataque a las caras del carbonilo

  • Un hidruro voluminoso sobre una ciclohexanona bloqueadaPredice el diastereómero del alcohol que se forma cuando un reactivo de hidruro voluminoso ataca ecuatorialmente a una ciclohexanona bloqueada.

Hiperconjugación y efecto anomérico

  • ¿Cuál de estos prefiere un sustituyente axial?Reconocer el requisito estructural del efecto anomérico: un sustituyente electronegativo en el carbono contiguo a un oxígeno del anillo.

Clasificar 5

Hiperconjugación y efecto anomérico

  • ¿Qué estabiliza un grupo 2-cloro axial?Identifica la interacción orbital responsable del efecto anomérico en un oxano 2-sustituido.

Reglas de Baldwin para el cierre de anillos

  • Clasificar un cierre de anillo de Williamson intramolecularAsigna el tamaño de anillo, exo/endo y tet/trig/dig a un cierre de anillo SN2 intramolecular.
  • ¿Qué cierre de anillo está desfavorecido?Identifica un cierre de anillo desfavorecido entre varios cierres clasificados mediante las reglas de Baldwin.

Ataque a las caras del carbonilo

  • La trayectoria de Bürgi–DunitzIdentifica el ángulo con el que un nucleófilo se aproxima al carbono de un carbonilo y la razón orbital que lo explica.

Requisitos antiperiplanares

  • ¿Qué eliminación debe ser syn?Clasificar las eliminaciones según su requisito geométrico e identificar la reacción Ei térmica que necesita geometría synperiplanar.

Comparar 2

Energías conformacionales y tensión alílica

  • Ordenar sustituyentes según el valor AOrdena sustituyentes comunes según su preferencia ecuatorial en un anillo de ciclohexano.

Hiperconjugación y efecto anomérico

  • Ordenar oxanos 2-sustituidos según la preferencia axialOrdena oxanos 2-sustituidos según la fuerza de su preferencia anomérica a partir de la calidad aceptora del enlace C2–X.

Calcular 5

Energías conformacionales y tensión alílica

  • Preferencia conformacional del cis-1-metil-4-fenilciclohexanoUsa valores A aditivos para calcular la diferencia de energía libre entre las dos sillas de un ciclohexano cis-1,4-disustituido.
  • Estima el valor A del metilo a partir de interacciones gaucheEstima el valor A de un grupo metilo contando las interacciones gauche del butano en el confórmero axial.
  • Relación ecuatorial : axial del metilciclohexanoConvierte un valor A en una constante de equilibrio conformacional con ΔG° = −RT ln K.

Ataque a las caras del carbonilo

  • De ΔΔG‡ a la diastereoselectividad a −78 °CConvierte una diferencia de energías libres de los estados de transición en el porcentaje del diastereómero mayoritario a baja temperatura.

Hiperconjugación y efecto anomérico

  • ¿Cuánto se favorece la β-glucosa en agua?Calcula la diferencia de energía libre entre los anómeros de la glucopiranosa a partir de su relación de equilibrio y relaciónala con el efecto anomérico.

Encuentra el error 1

  • Una eliminación en cabeza de puente que no puede ocurrirDiagnostica una E2 imposible en cabeza de puente usando el requisito de orbitales p paralelos en el alqueno producto (regla de Bredt).

Interpreta la evidencia 1

  • Cómo leer el anómero a partir de un acoplamiento C–HInterpretar las constantes de acoplamiento C–H a un enlace en un carbono anomérico como evidencia de donación n → σ* hacia un enlace C–H axial.

Trabaja hacia atrás 1

  • ¿Qué alquenol da 2-(yodometil)oxolano?Trabaja hacia atrás desde un yodoéter hasta el alquenol cuyo cierre 5-exo lo forma.

Planea una síntesis 1

  • Elegir las condiciones para el control por quelaciónPlanifica el grupo protector y la estequiometría que permiten una adición de Grignard controlada por quelación sobre un aldehído α-oxigenado.

Explica por qué 9

Energías conformacionales y tensión alílica

  • Un metilo axial junto a un nitrógeno amídicoExplica por qué una N-acil-2-metilpiperidina prefiere el metilo axial, usando la tensión alílica 1,3 a través del enlace C–N de la amida.
  • ¿Por qué el tert-butilo da un salto tan grande?Explica el salto del valor A del isopropilo al tert-butilo según los rotámeros disponibles para un grupo alquilo axial.

Hiperconjugación y efecto anomérico

  • Un átomo de silicio que acelera la ionizaciónExplica el efecto β del silicio como hiperconjugación σC–Si que requiere alineación antiperiplanar con el enlace C–O que se rompe.
  • El efecto gauche en el 1,2-difluoroetanoExplica la preferencia gauche del 1,2-difluoroetano apareando los mejores donadores σ con los mejores aceptores σ* en disposición antiperiplanar.
  • ¿Por qué el catión tert-butilo es mucho más estable que CH₃⁺?Explica la estabilización del carbocatión por grupos alquilo como hiperconjugación desde enlaces σC–H alineados hacia el orbital p vacío.

Reglas de Baldwin para el cierre de anillos

  • ¿Por qué se permite el 5-endo-dig cuando el 5-endo-trig no?Explica, a partir de los orbitales de alquenos y alquinos, por qué los cierres 5-endo-dig están favorecidos mientras que los cierres 5-endo-trig están desfavorecidos.

Requisitos antiperiplanares

  • ¿Por qué un grupo metilo se niega a migrar de forma intramolecular?Explica el resultado del test de restricción endocíclica a partir de la geometría colineal que exige un estado de transición SN2.
  • La regla trans-diaxial para la apertura de epóxidosExplica la regioselectividad de la apertura nucleofílica de un óxido de ciclohexeno con la conformación bloqueada mediante la regla de Fürst–Plattner.

Ataque a las caras del carbonilo

  • ¿Qué grupo se coloca anti en un aldehído α-clorado?Aplicar el modelo de Felkin–Anh polar, en el que un sustituyente α electronegativo se coloca anti al nucleófilo entrante.

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