Otros isómeros son el 1-buteno, el 2-buteno cis y el 2-buteno trans. ¿Por qué el 2-metilpropeno tendría menos energía si hay más impedimentos estéricos?
Respuesta
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Mike Schall
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Hay dos cosas que debemos entender antes de poder responder a la pregunta.
1) Los dobles enlaces más sustituidos suelen ser más estables que los dobles enlaces menos sustituidos.
Esto se debe a que el $\ce{sp^3}$ carbono hibridado en el grupo alquilo es donador de electrones hacia el $\ce{sp^2}$ carbono hibridado en el doble enlace. A la densidad de electrones le gusta fluir desde orbitales de bajo carácter s hacia orbitales de alto carácter s, ya que cuanto más carácter s hay en un orbital, menor es la energía de los electrones en ese orbital. A medida que los electrones fluyen del $\ce{sp^3}$ carbono al $\ce{sp^2}$ carbono disminuye la energía de los electrones (y, por tanto, la energía de la molécula).
Una forma "abreviada" de ilustrar este flujo de electrones es dibujando estructuras de resonancia hiperconjugadas como las siguientes.
Por consiguiente, el 2-buteno (donde podemos dibujar 6 estructuras de resonancia hiperconjugadas) es más estable que el 1-buteno (donde sólo podemos dibujar 2 estructuras de resonancia hiperconjugadas).
2) La estabilidad del carbanión disminuye en el orden primario > secundario > terciario.
Como acabamos de ver, los grupos alquilo liberan electrones. Si tenemos una carga negativa en un carbono (un carbanión), lo último que queremos es tener más grupos alquilo unidos a ese carbono liberando más densidad de electrones en un átomo de carbono ya negativo.
Ahora podemos volver a su pregunta y tratar de entender por qué el 2-metilpropeno es más estable que el trans -2-buteno. La hiperconjugación carbono-hidrógeno está en el centro de la respuesta. Comparemos algunas de las estructuras de resonancia hiperconjugadas que pueden dibujarse para estas dos moléculas.
Recordando que a) los dobles enlaces más sustituidos son más estables y b) que los carbaniones primarios son más estables que los secundarios, podemos comparar las estructuras de resonancia hiperconjugadas A y B. La estructura de resonancia A contiene un doble disustituido (más estable) y un carbanión primario (más estable), mientras que la estructura de resonancia B contiene un doble enlace monosustituido (menos estable) y un carbanión secundario (menos estable). Por lo tanto, la estructura de resonancia A debería ser más estable que la estructura de resonancia B. Puesto que la estructura de resonancia A es más estable que la estructura de resonancia B, El 2-metilpropeno será más estable que el trans-2-buteno.
Por último, observamos que cis -2-buteno es menos estable que trans -2-buteno por razones estéricas. Esto nos permite colocar estos $\ce{C_4}$ isómeros en el siguiente orden de estabilidad:
El 2-metilpropeno es más estable que trans -2-buteno que es más estable que cis -2-buteno, que es más estable que el 1-buteno. Si examinamos los calores de combustión de estos isómeros, vemos que se confirma nuestro orden de estabilidad.
