T2-Representacions 2D i 3D v2021 PDF

Preview

Summary

Explicació de com representar en 2D i 3D les molècules...

Description

REPRESENTACIÓNS BI- I TRIDIMENSIONALS DE LES MOLÈCULES REPRESENTACIONS BIDIMENSIONALS Fórmules estructurals (exemples sobre molècules orgàniques) Les molècules orgàniques estan constituïdes per la unió de molts (de vegades moltíssims) àtoms seguint una determinada seqüència per donar una estructura complexa sempre tridimensional. Per poder representar aquestes molècules, s’ha de recórrer a diferents tipus de representacions bidimensionals que descriguin el millor possible la molècula en el pla del paper. Això de vegades és difícil perquè en un paper no es poden dibuixar o representar fidelment estructures tridimensionals complexes. Aquestes representacions es coneixen amb el nom de fórmules. Existeixen diferents tipus de representacions bidimensionals que s’utilitzen indistintament segons la finalitat que es pretengui. Aquestos són: a) Fórmula empírica: És la fórmula més simple i ens indica únicament la proporció en què es troben els diferents elements. Així per CH3-CH3

CH3

b) Fórmula molecular: Expressa la veritable composició de la molècula i pot coincidir amb la fórmula empírica o ser un múltiple d’ella. Així per CH3-CH3

C2H6

c) Fórmula desenvolupada o de Lewis: Expressa en el pla la forma en què estan units tots i cada un dels àtoms de la molècula. Els enllaços covalents, seguint el concepte de Lewis, s’indiquen mitjançant una línia entre els àtoms que representen un parell d’electrons compartits. Per poder construir així les molècules només cal tenir present que tots els àtoms necessiten completar la capa de valència (regla de l’octet). Per poder aplicar això és imprescindible conèixer quants electrons té cada element en la seva capa de valència. Aquests electrons són: C: té 4 e- de valència, li falten 4 e-, 4 enllaços H, X: tenen 1 e- i 7 e- de valència respect., els hi falta 1 e-, 1 enllaç O, S; tenen 6 e- de valència, els hi falten 2 e-, 2 enllaços (normalment) N: té 5 e- de valència, li falten 3 e-, 3 anllaços (normalment) Exemples:

H

H

H

C

C

H

H

H H

H

C H

H O

H

H

C H

H N H

d) Fórmula condensada: Es basen en el mateix principi que les anteriors i el seu objectiu és simplificar la representació en el paper. Per això: - Normalment els enllaços C-H no es representen i només es dibuixen els enllaços C-C que formen l’esquelet de la molècula i els corresponents als substituients principals. CH3-CH3

CH3-CH2-OH

- Normalment per indicar que diversos hidrògens estan units a un mateix carboni es fan servir subíndexs: CH3-CH2-CH2-CH2-O-CH3 - L’esquelet principal es sol representar en horitzontal mentre que els substituients (diferents de H) es representen en vertical.

CH3

CH3 CH Br

- Els subíndexs també s’utilitzen per altres substituients i quan aquests són complexos es solen indicar entre parèntesi: (CH3)2CH-O-CH3 - Quan entre dos àtoms és possible, i existeix, més d’un enllaç, aquests es representen utilitzant una doble o triple línia entre ambdós. H

H C

CH2

C

H

CH2

H

e) Fórmula “bond line” o d’esquelet: És la notació més simplificada que s’utilitza per destacar sobretot l’estructura total de la molècula. Per això: - No s’escriuen ni els C ni els H i només es dibuixen les línies que formen els enllaços C-C i C-substituient. CH3 CH2 CH

CH3

CH3 - Els grups substiuients amb altres elements (que es denominen “grups funcionals”) s’indiquen complets incloent els hidrògens corresponents.

CH3 CH2 CH

CH2

NH2 NH2

CH3

- Els enllaços entre diversos carbonis es solen representar en “zig-zag” per aproximar-se a la veritable estructura de les cadenes carbonades.

CH3 CH2 CH2 CH3 -Els dobles i triples enllaços es representen com a línies dobles o triples. CH3 CH

C

CH2 CH3

linies rectes, no fem punxes

CH3 -IMPORTANT: en tots els casos, es sobrentèn que els hidrògens existeixen encara que no s’escriguin (tants hidrògens com valències li quedin lliures al carboni).

H

H

H

H

H

C C C

H

C

C

H

H

C

C H

H H

H H

H

REPRESENTACIONS TRIDIMENSIONALS – ESTEREOQUÍMICA L’estructura tridimensional de les molècules orgàniques. L’estereoisomeria. Fins ara hem analitzat l’estructura dels compostos orgànics sense fer menció al seu caràcter tridimensional, és a dir, a la seva estereoquímica. Ara bé, l’estructura tridimensional dels compostos orgànics és de gran importància fins al punt de què existeixen compostos isòmers que només es diferencien per la disposició espacial d’algun dels grups. Això passa amb molta freqüència en els productes naturals com els aminoàcids o els sucres que poden existir en dues formes D o L i que només es diferencien en la seva estructura espacial. Aquesta diferent estereoquímica dels compostos, lluny de considerar-se una curiositat de les molècules, té molta importància ja que amb freqüència només un dels isòmers té activitat farmacològica o biològica (és el cas dels L-aminoàcids a les proteïnes humanes).

L’estereoisomeria és un tipus d’isomeria que considera la diferent distribució espacials d’àtoms. Quan dos compostos amb la mateixa fórmula molecular només es diferencien en la distribució espacial dels àtoms i grups de la molècula, es diu que són estereoisòmers. A continuació es descriuen alguns exemples dels compostos que presenten isomeria.

CH3 C COOH

COOH H H2N

CH3

H

H C

H

CH3

CH3

CH3

NH2 CH3

C

C

H

H

Formes de representació de les estructures tridimensionals. La representació de compostos orgànics que tenen estructures tridimensionals és una de les tasques que presenta major dificultat per la limitació que suposa el fet de treballar en el pla. La representació unívoca dels compostos orgànics en dos dimensions suposa un esforç notable però absolutament necessari, i precisa en major o menor mesura un determinat grau de visió espacial que només s’adquireix realitzant molts exercicis.

Per representar aquestes molècules existeixen diferents tipus de projeccions sobre el pla que segueixen una sèrie de convenis universals que permeten que qualsevol persona comprengui a quin estereoisòmer ens estem referint. Tan sols veurem una d’elles. Projecció o representació en cunyes En aquest tipus de representació, l’àtom amb hibridació sp3 considerat no es dibuixa sinó que es representen únicament els quatre enllaços. Aquests enllaços es dibuixen utilitzant els següents criteris: -

els enllaços que es troben en el mateix pla del paper es dibuixen mitjançant una línia ( ) els enllaços que es dirigeixen cap a la zona anterior del paper es dibuixen davant mitjançant una cunya negra ( ) els enllaços que es dirigeixen cap a ala zona posterior del paper es dibuixen mitjançant una línia de traços discontínus. ( ) darrere

Exemples: H

H

H

OH

OH H

H

H

H

H

metanol

etanol

H

H

H

H

H H

H

H H

H

H

H

H

H

H

H

heptà

Rotació sobre enllaços senzills. Si considerem una molècula senzilla com l’età en la que els carbonis tenen una hibridació sp3 i considerem que l’enllaç C-C és un enllaç sigma que té simetria cilíndrica, és fàcil comprendre que aquesta molècula no es queda estàtica en el medi sinó que, al contrari, no sembla que existeixi cap obstacle per a que un grup metil roti respecte a l’altre. D’aquesta manera podem trobar infinites disposicions relatives dels hidrògens d’un metil respecte als de l’altre. Això és una característica general de tots els enllaços senzills: la lliure rotació al llarg dels seus enllaços. Des d’un punt de vista formal, totes les diferents disposicions d’una mateixa molècula podrien considerar-se com isòmers però com a conseqüència de la lliure rotació al voltant dels enllaços aquestes formes isòmeres, en condicions normals, s’interconverteixen amb molta facilitat per la qual cosa és impossible aïllar cada una d’elles per separat. En aquest sentit les diferents distribucions espacials dels àtoms i grups que resultin de la rotació al voltant d’un enllaç senzill s’anomenen conformacions o isòmers conformacionals. De fet, encara que la majoria de molècules a temperatura ambient posseeixen energia suficient com per a que la rotació entorn als seus enllaços senzills no estigui restringida, no totes les posicions o conformacions tenen la mateixa energia i encara que les diferències energètiques solen ser petites, no totes les conformacions són igual de probables....