Per seguire questa lezione dovete avere già visto la 1^ e la 2^ lezione di modellistica molecolare con ArgusLab nelle quali sono state spiegate le procedure di base che qui verranno date per conosciute.
Questa lezione può essere svolta in due modi
1) Online. Potete leggere le istruzioni, eseguire l'esercizio con ArgusLab, usare le illustrazioni per vedere quel che dovreste ottenere.
2) In aula informatica con la classe. Se siete insegnanti di chimica, potete adattare la lezione alle esigenze della vostra classe e poi riproporla in aula informatica ai vostri allievi. La durata della lezione è di circa due ore.
N.B. Cliccando sulle immagini potrete vederle a pieno schermo!

Gli argomenti di questa lezione sono:
-- Conformazioni dell'etano e del butano
-- Calcolo delle barriere energetiche per la rotazione attorno al legame sigma carbonio-carbonio

Etano in conformazione sfalsata
Il legame carbonio-carbonio dell'etano dovrebbe essere libero di ruotare, quindi possiamo immaginare che i due metili ruotino uno rispetto all'altro come le eliche di una nave. Durante la rotazione, però, la posizione reciproca degli idrogeni dei metili cambia leggermente. Si possono individuare due conformazioni per l'etano chiamate conformazione sfalsata (fig. 1) ed eclissata (fig. 2).
Con ArgusLab potete disegnare la molecola dell'etano e osservarla mentre ruota. Potete anche calcolare l'energia delle due conformazioni per capire qual è più stabile e di quanto.

Usate ArgusLab per creare il modello molecolare dell'etano. Nella finestra Calculation, Optimize Geometry, ottimizzate la molecola col metodo UFF (figura 1).
Ruotate la molecola lungo il legame carbonio-carbonio per vedere come cambia la sua struttura durante la rotazione (cliccate sul legame e poi, tenendo premuti i tasti Alt-Shift, trascinate sù o giù il mouse col pulsante sinistro premuto). Potete valutare meglio la conformazione osservandola anche lungo il legame C-C in accordo con le proiezioni di Newman come si vede nella figura a destra.

Ruotate i metili fino a portate la molecola in posizione sfalsata come in figura 1.
Ottimizzate la geometria prima col metodo UFF, poi col metodo AM1.
Calcolate l'energia della molecola con la procedura: Calculation, Energy, AM1, start. Cliccate quindi sulla quarta icona col simbolo del foglio per leggere un resoconto dei calcoli. In fondo al documento troverete i dati di DH di formazione. Dovreste ottenere DH = -17,4236 kcal/mol che leggeremo come DH = -17,42 kcal/mol. Annotate questo dato per ulteriori calcoli.

Conformazioni del butano
Esaminate ora le conformazioni che può assumere il butano. Disegnate la molecola di butano con ArgusLab. Ottimizzatela col metodo UFF. Ruotate la molecola rispetto al legame centrale carbonio-carbonio come si vede qui a sinistra in figura 3.
Valutate in modo intuitivo la stabilità delle diverse conformazioni che essa può assumere durante la rotazione. Osservate la molecola non solo di fianco, ma anche lungo il legame C2-C3 come nelle proiezioni di Newman (vedi figura qui a destra).

Si intuisce subito che nel butano la barriera di rotazione per gli isomeri conformazionali deve essere maggiore rispetto all'etano perchè l'ingombro sterico dei due metili è molto maggiore di quello dei semplici
atomi di idrogeno.

Butano in conformazione sfalsata anti
Ruotate la molecola fino ad ottenere la conformazione sfalsata anti, cioè con i due metili da parti opposte come in figura 4. L'angolo tra i metili dovrebbe essere esattamente di 180° come si può apprezzare anche dalla proiezione di Newman qui a destra.
Ottimizzate la molecola col metodo UFF e poi con il metodo AM1. Calcolate l'energia della molecola con AM1. Annotate il DH di formazione. Dovreste ottenere DH = -31,14 Kcal/mol.

Barriera di potenziale
Calcolate innanzitutto la differenza di entalpia tra la conformazione del butano sfalsata anti e quella eclissata a 0° relativa alla trasformazione:
Butano 0° => Butano anti ..................... DH = - 3,28 Kcal/mol
DH = - 31,14 + 27,86 = - 3,28 Kcal/mol (il valore sperimentale è 4,5 Kcal/mol)
La K di equilibrio per la reazione è quindi circa:
lnK = 3,28 . 4184 / 8,13 . 298 = 5,54
Si ottiene K = 255. Quindi una molecola di butano che resta per un attimo nella conformazione eclissata a 0° resta poi un tempo 255 volte più lungo nella conformazione sfalsata anti più stabile.

Nello stesso modo si può valutare la differenza di energia tra la conformazione anti e quella gauche.
Butano gauche 60° => Butano anti ..................... DH = - 0,72 Kcal/mol
DH = - 31,14 + 30,42 = - 0,72 Kcal/mol (in ottimo accordo con il valore sperimentale di 0,8 Kcal/mol)
Qui la differenza di energia è moto minore quindi anche la forma gauche è relativamente stabile.
Nei cicloalcani, per esempio, la forma gauche è la conformazione più stabile che la molecola può assumere.
Quando invece consideriamo alcani lineari, la conformazione che assumono in fase solida è quella anti, mentre in fase liquida la molecola ha più libertà di movimento. In ogni caso quando si disegna un alcano è preferibile utilizzare la conformazione anti che porta a disegnare le catene disponendo i carboni a zig-zag come in figura 7.

Autore: prof Mauro Tonellato

Chimica al Computer

PianetaChimica home