Isomería conformacional

[miniatura|300px|Rotación arredor dun enlace simple do [butano para interconverter unha conformación na outra. A conformación *gauche* da dereita é un confórmero, mentres que a conformación *eclipsada* da esquerda é un estado de transición entre os confórmeros. Arriba: Proxección de Newman; debaixo: representación da orientación espacial.]]
En química, a **isomería conformacional** é unha forma de estereoisomería na cal os isómeros poden interconverterse só por rotacións sobre enlaces formalmente simples (obsérvese a figura sobre rotación no enlace simple). Aínda que dúas disposicións calquera dos átomos dunha molécula que se dferencian pola rotación arredor de enlaces simples poden denominarse **conformacións** diferentes, son as conformacións que corresponden ao mínimo local na superficie de enerxía as que se chaman especificamente **isómeros conformacionais** ou **confórmeros**. As conformacións que corresponden ao máximo local na superficie de enerxía son os estados de transición entre os isómeros conformacionais de mínimo local. As rotacións arredor de enlaces simples implican superar a barreira de enerxía para interconverter un confórmero no outro. Se a barreira de enerxía é baixa, hai rotación libre e unha mostra do composto consiste nunha mestura que se equilibra rapidamente de múltiples confórmeros; se a barreira de enerxía é suficientemente alta entón hai unha rotación restrinxida, unha molécula pode existir durante un período de tempo relativamente longo como **isómero rotacional** estable ou **rotámero** (un isómero que se orixina pola rotación restrinxida dun enlace simple). Cando a escala de tempo para a interconversión é longa dabondo para o illamento de rotámeros individuais (usualmente definida arbitrariamente como vida media de interconversión de 1000 segundos ou máis), os isóomeros denomínanse **atropisómeros**. A inversión do anel (*ring flip*) de ciclohexanos constitúe outra forma común de isomería conformacional.

Os isómeros conformacionais son, pois, distitnos doutras clases de estereoisómeros (é dicir, isómeros configuracionais), onde a interconversión implica necesariamente a rotura e reformación de enlaces químicos. Por exemplo, as configuracións L/D- e *R*/*S*- de moléculas orgánicas teñen unha diferente orientación especular e actividades ópticas, e só poden ser interconvertidos rompendo un ou máis enlaces conectados ao átomo quiral e volvendo formar un enlace similar nunha dirección ou orientación espacial diferentes. Tamén difiren dos isómeros xeométricos (*cis*/*trans*), outra clase de estereoisómeros, que requiren a rotura do compoñente π de enlaces dobres para a interconversión. (Aínda que a distinción non é sempre nítida, xa que certos enlaces que son formalmente enlaces simples en realidade teñen un certo carácter de dobre enlace que soamente se fai aparente cando se consideran outros contribuíntes á resonancia secundarios, como ocorre nos enlaces C–N das amidas, por exemplo.) Debido á rápida interconversión, os confórmeros non son xeralmente illables a temperatura dunha habitación.

O estudo das enerxéticas entre diferentes conformacións denomínase **análise conformacional**. É útil para entender a estabilidade de diferentes isómeros, por exemplo, ao ter en conta a orientación espacial e interaccións a través do espazo dos substituíntes. Ademais, a análise conformacional pode usarse para predicir e  explicar a selectividade de produtos, mecanismos e velocidades das reaccións. A análise conformacional tamén xoga un importante papel no deseño de fármacos racional baseado na estrutura.

## Tipos 
[miniatura|400x400px|Diagrama da enerxía de conformación relativa do butano en función do ángulo diedro. A: antiperiplanar, anti ou trans. B: sinclinal ou gauche. C: anticlinal ou eclipsado. D: sinperiplanar ou cis.

Aínda que as moléculas simples poden describirse por estes tipos de conformacións, as moléculas máis complexas requiren o uso do [sistema de Klyne–Prelog para describir os diferentes confórmeros.
*Akamptisomería . Debida á inversión restrinxida dun ángulo de enlace.

## Enerxía libre e equilibrios dos isómeros conformacioais 
### Equilibrio de confórmeros 
miniatura|250px|Distribución de equilibrio de dous confórmeros a diferentes temperaturas dada a enerxía libre da súa interconversión.

Os isómeros conformacionais existen en equilibrio dinámico, no que as enerxías libres relativas dos isómeros determinan a poboación de cada isómero e a barreira de enerxía de rotación determina a velocidade de interconversión entre isómeros: 
: K = {e^{-\Delta G^\circ/RT}},

onde *K* é a constante de equilibrio, Δ*G°* é a diferenza en enerxía libre estándar entre os dous confórmeros en kcal/mol, *R* é a constante universal dos gases (1,987×10−3 kcal/mol&nbsp;K), e *T* é a temperatura do sistema en kelvins. En unidades de kcal/mol a 298 K,

: K \approx {10^{-\Delta G^\circ/(1,36\ \mathrm{kcal}/\mathrm{mol})}}.

Así, cada 1,36 kcal/mol corresponde a un factor de 10 en termos de equilibrio constante a temperaturas arredor da temperatura dunha habitación. (A "**regra do 1,36**" é útil en xeral para a estimación da constante de equilibrio a temperatura dunha habitación a partir das diferenzas en enerxía libre. A temperaturas máis baixas, cómpre unha diferenza de enerxía menor para obter unha constante de equilibrio dada.)

No diagrama represéntanse tres isotermas que mostran a distribución de equilibrio dos dous confórmeros a diferentes temperaturas. A unha diferenza de enerxía libre de 0&nbsp;kcal/mol, isto dá unha constante de equilibrio de 1, o que significa que existen os dous confórmeros nunha proporción de 1:1. Os dous teñen igual enerxía libre; ningún é máis estable, así que ningún deles predomina sobre o outro. Unha diferenza negativa en enerxía libre significa que un confórmero se interconveerte a unha conformación termodinamicamente máis estable, polo que a constante de equilibrio será sempre mior que 1. Por exemplo, a Δ*G°* para a transformación do butano do confórmero *gauche* ao confórmero *anti* é de −0,47&nbsp;kcal/mol a 298 K. Isto dá unha constante de equilibrio de 2,2 en favor do confórmero *anti*, ou unha mestura 31:69 dos confórmeros *gauche*:*anti* no equilibrio. Inversamente, unha diferenza positiva en enerxía libre significa que o confórmero é xa o máis estable, polo que a interconversión é un equilibrio desfavorable (*K*&nbsp; \frac{N_i}{N_\text{total}} 
= 
\frac 
 {e^{-E_i/RT}}
 {\sum_{k=1}^{M} e^{-E_k/RT} }
.

No lado esquerdo está a proporción do corfórmero *i* nunha mestura de equilibrio de confórmeros *M* en equilibrio termodinámico. No lado dereito, *E**k* (*k* = 1, 2, ..., *M*) está a enerxía do confórmero *k*, *R* é a constante dos gases ideais (aproximadamente igual a 8,314&nbsp;J/(mol·K) ou 1,987 cal/(mol·K)), e *T* é a temperatura absoluta. O denominador da dereita é a función de partición.

### Factores que contribúen á enerxía libre dos confórmeros 
Os efectos das interaccións electrostáticas e estéricas dos substituíntes así como as interaccións orbitais como a hiperconxugación son responsables da estabilidade relativa dos confórmeros e os seus estados de transición. As contribucións destes factores varían dependendo da natureza dos substituíntes e poden contribuír positiva ou negativamente á barreira de enerxía. Os estudos computacionais de pequenas moléculas como o etano suxiren que os efectos electrostáticos supoñen a maior contribución á barreira de enerxía; porén, tradicionalmente a barreira atribúese primariamente a interaccións estéricas.
center|miniatura|450px|Contribucións á barreira de enerxía rotacional
No caso dos sistemas cíclicos, o efecto estérico e a contribución da enerxía libre pode ser aproximada por valores A, que miden a diferenza de enerxía cando un substituínte do ciclohexano está en posición axial comparada coa que ten en posición ecuatorial.

## Illamento ou observación dos isómeros conformacionais 
A curta escala de tempo da interconversión impide a separación de isómeros conformacionais na maior parte dos casos. Os atropisómeros son isómeros conformacionais que poden ser separados debido á rotación restrinxida.

O pregamento de proteínas tamén xera isómeros conformacionais estables que poden ser observados. A ecuación de Karplus relaciona o ángulo diedro de protóns veciñais coas súas constantes de acoplamento J medidas por RMN. A ecuación axuda á dilucidar o pregamento das proteínas así como as conformacións doutras moléculas alifáticas. O equilibrio entre os isómeros conformacionais pode observarse utilizando diversas técnicas espectroscópicas.

En derivados do ciclohexano, os dous confórmeros cadeira interconvértense con rapidez a temperatura dunha habitación, e o propio ciclohexano sobre a inversión do anel (*ring-flip*) a unha velocidade de aproximadamente 105&nbsp;inversións de anel/seg, cunha barreira de enerxía global de 10 kcal/mol (42 kJ/mol), que impide a súa separación a temperatura ambiente.

A dinámica da isomería conformacional (e doutros tipos) pode monitorizarse por espectroscopía de RMN a varias temperaturas. A técnica aplícase a barreiras de 8–14&nbsp;kcal/mol, e as especies mostran esa dinámica a miúdo chamada "fluxional".

Ademais da espectrocopía RMN, tamén se usa a espectrocopía de infravermellos para medir as proporcións de confórmeros. Nos confórmeros axial e ecuatorial do bromociclohexano, νCBr difire en case 50&nbsp;cm−1.

## Reaccións dependentes de conformación 
As velocidades de reacción son moi dependentes das conformacións dos reactivos. En moitos casos o produto dominante orixínase da reacción do confórmero *menos frecuente*, debido ao principio de Curtin–Hammett. Isto é típico de situacións na que a equilibración conformacional é moito máis rápida que a reacción para formar o produto. A dependencia dunha reacción da orientación estereoquímica só é, por tanto, visible en isómeros configuracionais, nos cales unha conformación particular está bloqueada por substituíntes. A predición das velociddes de moitas reaccións que implican a transición entre estados sp2 e sp3, como a redución de cetonas, a oxidación de alcohois ou a substitución nuclleofílica, é posible se se teñen en conta todos os confórmeros e a súa estabilidade relativa determinada polas súas tensións.

Un exemplo con isómeros configuracionais proporciónano as reaccións de eliminación, que implican a eliminación simultánea dun protón e un grupo saínte de posicións veciñais ou *anti*periplanares baixo a influencia dunha base.

center|miniatura|350px|Deshidrohaloxenación bimolecular inducida por base (un mecanismo de reacción de tipo E2). A xeometría óptima para o estado de transición require que os enlaces que rompen sexan antiperiplanares, xa que están na conformación cambaleada apropiada.

O mecanismo require que os átomos ou grupos que saen sigan traxectorias antiparalelas. Para substratos de cadea aberta o seu requisito xeométrico cúmprese en polo menos un dos tres confórmeros cambaleados. Porén, para algúns substratos cíclicos como o ciclohexano pode non obterse un arranxo antiparalelo dependendo dos substituíntes que poderían establecer un bloqueo conformacional. Os substituíntes adxacentes nun anel de ciclohexano só poden conseguir a antiperiplanaridade cando ocupen posicións trans diaxiais.

Unha consecuencia desta análise é que o cloruro de *trans*-4-*ter*-butilciclohexilo non pode eliminarse facilmente pero no seu lugar sofre substitución (ver o diagrama de abaixo) porque a conformación máis estable ten o voluminoso grupo *t*-Bu na posición ecuatorial, e, por tanto, o grupo cloruro non é antiperiplanar con ningún hidróxeno veciñal. A conformación desfavorecida termodinamicamente ten o grupo *t*-Bu na posición axial, que ten unha enerxía de máis de 5 kcal/mol maior (ver valor A). Como resultado, o grupo*t*-Bu "bloquea" o anel na conformación na que está en posición ecuatorial e obsérvase a reacción de substitución. Por outra parte, o cloruro de *cis*-4-*ter*-butilciclohexilo experimenta eliminación porque a antiperiplanaridade de Cl e H poden alcanzarse cando o grupo *t*-Bu éstá na posición favorable ecuatorial.

A repulsión entre un grupo axial *t*-butilo e átomos de hidróxeno na posición 1,3-diaxial é tan forte que un ciclohexano reverte a unha conformación de bote torcido. A tensión nas estruturas cíclicas caracterízase xeralmente por desviacións dos ángulos de enlace ideais (tensión de Baeyer), ángulos de torsión ideais (tensión de Pitzer) ou interaccións transanulares (Prelog).

## Notas 
## Véxase tamén 
### Outros artigos 
* Isomería
* Ciclohexano