Ciclohexanos con Sustituyentes

Cuando el ciclohexano tiene al menos un sustituyente, las dos sillas en equilibrio pueden dejar de estar degeneradas en energía. En general, la conformación con el(los) sustituyente(s) más voluminoso(s) en ecuatorial es más estable, como lo demuestran los datos experimentales.

Modelo compacto animado del equilibrio conformacional de un ciclohexano con un sustituyente

Vídeo: Ciclohexanos con sustituyentes: el sustituyente axial (menos del 0,1 %) frente al ecuatorial (más del 99,9 %)

Si planteamos el equilibrio como se indica, un desplazamiento hacia arriba (conformación ecuatorial) implica un cambio de energía libre positivo, según las ecuaciones mostradas:

R	ΔG° (kcal/mol)	R	ΔG° (kcal/mol)
H	0.0	F	0.3
CH₃	1.8	Cl	0.5
CH₃CH₂	1.8	Br	0.6
(CH₃)₂CH	2.2	I	0.5
(CH₃)₃C	>5.0	OH	0.9
CO₂H	1.4	CH₃O	0.8
CO₂CH₃	1.3	NH₂	1.4

Equilibrio entre las sillas con R axial y R ecuatorial: K = [axial]/[ecuatorial] y ΔG° = −RT ln K

¿Por qué el grupo metilo tiene una energía conformacional de 1.8 kcal/mol? Recordemos que la interacción gauche entre dos metilos en el butano tenía un coste energético de 0.9 kcal/mol.

Conformaciones anti y gauche del butano en proyección de Newman: ΔG° = 0,9 kcal/mol

El metilo axial del metilciclohexano tiene dos interacciones gauche (0,9 + 0,9 = 1,8 kcal/mol)

Por ello un grupo metilo en axial es más inestable por un valor de 1.8 kcal/mol. En general, los sustituyentes son menos estables en disposición axial debido a la interacción con los grupos metileno en posiciones 3 y 5. Dependiendo del tamaño del sustituyente la interacción será más o menos severa y el valor de la energía conformacional será más o menos grande.

Equilibrio de sillas de un isómero 1,1-disustituido

Equilibrios de sillas de los isómeros cis y trans 1,3-disustituidos

Equilibrios de sillas de los isómeros cis y trans 1,2-disustituidos

Equilibrios de sillas de los isómeros cis y trans 1,4-disustituidos

En cada caso el equilibrio conformacional estará desplazado hacia la forma silla que menos sustituyentes tenga en axial y/o la que tenga el sustituyente de mayor energía conformacional en disposición ecuatorial.