TEMA 3 ESTEREOQUÍMICA Ing. NORA SOSA QUIMICA ORGANICA FCEQYN. UNaM. 2012 Original: Uhu

Isómeros Son compuestos que tienen la misma formula molecular pero diferentes propiedades. La esteroquímica se ocupa de las estructuras en tres dimensiones. Esteroisómeros son isómeros con diferente orientación espacial de sus átomos. En muchos pares de isómeros uno de ellos puede ser muy importante como nutriente o como medicamento, mientras el otro puede no tener una función definida para su existencia. Los estudios de estos isómeros son los que muchas veces dan la respuesta a cerca de los diferentes mecanismos de reacción.

CONCEPTO Y TIPOS DE ISOMERÍA Isómeros constitucionales o estructurales Dependiendo de la naturaleza de la diferencia entre las estructuras es posible clasificar los isómeros en varios subtipos Isómeros constitucionales o estructurales Se distinguen en el orden en el que los átomos están conectados entre sí. Pueden contener distintos grupos funcionales o estructuras Estereoisómeros Tienen los mismos grupos funcionales y conectividad, diferenciándose en la organización espacial de átomos y enlaces

Isomería plana o estructural Las diferencias que presentan estas moléculas se ponen en evidencia en el plano, presentan un acomodo diferente de sus enlaces. Pueden ser clasificadas como isómeros de cadena, isómeros de posición o isómeros de función ISOMERIA ESTRUCTURAL Isómeros de cadena de posición de función Mayo 2010 ALUMNA: Nora Mabel Sosa

Isómeros de cadena Son moléculas que presentan la misma formula molecular, sin embargo presentan distinta posición de los átomos de carbono en la cadena carbonada principal.

Isómeros de posición Son aquellas compuestos que teniendo las mismas funciones químicas, difieren en la posición del grupo funcional sobre el esqueleto carbonado

Isómeros de función Son compuestos de igual formula pero con diferente función. Propanol METOXIETANO PROPANOL

Numero de isómeros y carbono tetrahedrico Todo compuesto que tenga carbono unido a otros cuatro átomos puede ser considerado como un derivado del Metano J.H.Van´t Hoff (1874) propuso el átomo de carbono tetraédrico. Compuestos de fórmula CH3Y. Compuestos de fórmula CH2YZ La prueba del número de Isómeros limita la estructura del metano a la tetraédrica

ISOMERÍA ÓPTICA La mayoría de sustancias no desvían el plano de polarización de la luz, no son ópticamente activas, pero los isómeros ópticos sí lo son

Extraído del tejido muscular Una sustancia ópticamente activa es la que desvía el plano de la luz polarizada l= longitud celda c= concentración muestra D= longitud onda luz sodio El polarímetro mide la rotación específica de la muestra Giro en el sentido de las agujas del reloj Giro en sentido contrario de las agujas del reloj Sustancia dextrógira: Sustancia levógira: Ácido (+) Láctico Extraído del tejido muscular (-)2-metil-1-butanol

¿Por qué los isómeros ópticos desvían el plano de polarización de la luz? Las moléculas de los isómeros ópticos son quirales, existen en dos formas, imágenes especulares, que no son superponibles Esta falta de simetría en las moléculas puede estar producida por varías causas, la más frecuente es que en ellas exista un estereocentro, en general un carbono unido a cuatro sustituyentes diferentes (carbono quiral). Ojo: Existen moléculas quirales que no tienen estereocentro: Alenos, Bifenilos, .. y moléculas con estereocentros que no son quirales

Imagen especular original Molécula original Molécula quiral: La molécula rotada no puede superponerse a su imagen especular. Molécula aquiral: La molécula rotada se superpone a su imagen especular

Acción de las moleculas aquirales y quirales ante la luz polarizada

Quiralidad: Es una propiedad según la cual un objeto (no necesariamente una molécula) no es superponible con su imagen especular. Cuando un objeto es quiral se dice que él y su imagen especular son enantiómeros Presentan plano de simetría

Ejercicio: ¿Cuál de estas moléculas es quiral?

Moléculas No Quirales Superponibles Moléculas Quirales Imágenes especulares No Superponibles Cuando una molécula es superponible con su imagen especular se dice que no es ópticamente activa y, por tanto, es incapaz de desviar el plano de la luz polarizada. Dos enantiómeros desvían el plano de la luz polarizada en la misma magnitud pero en sentidos opuestos.

Las moléculas que contienen un estereocentro son siempre quirales Ojo: Existen moléculas sin estereocentro que son quirales y moléculas con más de un estereocentro que no son quirales Los enantiómeros tienen las mismas propiedades químicas y físicas, a excepción de su respuesta ante la luz polarizada (actividad óptica). Por ello se les denomina isómeros ópticos. Las moléculas aquirales son ópticamente inactivas La mezcla 1:1 de los enantiómeros (+) y (-) de una molécula quiral se denomina mezcla racémica o racemato y no desvía la luz polarizada

Ácido 2-hidroxipropanoico (ácido láctico) 2-butanol Ácido 2-hidroxipropanoico (ácido láctico) Ácido 2-aminopropanoico (alanina)

Moléculas quirales sin estereocentro Alenos No hay plano de simetría. La molécula y su imagen especular no son superponibles Bifenilos Binaftilos

ESTEREOISÓMEROS CONFORMACIONALES Presentan distintas conformaciones. Interconvertibles a temperatura ambiente

Las conformaciones son diferentes disposiciones en el espacio que pueden tomar los átomos cuando la cadena carbonada principal realiza un giro en un enlace simple C-C

ESTEREOISÓMEROS CONFIGURACIONALES Son estereoisómeros no convertibles entre sí a temperatura ambiente. Se clasifican según el origen o causa de la estereoisomería Isómeros geométricos, producidos por la presencia de un doble enlace en la molécula Isómeros ópticos, producidos normalmente por la presencia de un centro quiral (carbono asimétrico)

Dos estereoisómeros configuracionales pueden ser entre sí enantiómeros o diastereómeros Los enantiómeros son estereoisómeros configuracionales que son imágenes especulares no superponibles entre sí

Los diastereómeros son estereoisómeros configuracionales que NO son imágenes especulares entre sí.

Según la relación que guardan entre sí los estereoisómeros: No son imágenes especulares Imágenes especulares no superponibles

Configuración del estereocentro: R/S Cahn, Ingold y Prelog establecieron el sistema de nomenclatura R/S para nombrar la configuración absoluta de un estereocentro. Se deja el grupo de prioridad menor (d) hacia atrás y se observa el sentido de giro para ir desde el grupo de más prioridad (a) hacia el de menor (c) de los tres que quedan. Si el sentido es el de las agujas del reloj, la configuración es R (rectus). Al contrario es S (sinister).

Reglas de prelación El número atómico de los átomos directamente unidos al estereocentro determina su orden de prioridad. Por ejemplo: Cl > O > N > C > H Entre isótopos, tiene prioridad el de mayor peso atómico, Si uno de ellos es un hidrógeno, éste será el de prioridad menor.                                                                      Si hay dos átomos iguales unidos al estereocentro, se observa en la posición siguiente qué atomo tiene el número atómico mayor. En caso de nueva coincidencia se sigue a la siguiente posición, y así sucesivamente.                                                               Si alguno de los átomos unidos al estereocentro participa en un enlace doble o triple, se supone que aquél está unido por enlaces sencillos a un numero respectivamente doble o triple de átomos.                                      

PROYECCIÓN DE FISCHER En las proyecciones de Fischer cada carbono tetraédrico se representa como una cruz en la que, las líneas horizontales se dirigen hacia afuera del papel y las verticales hacia adentro.

orientar Construir proyección Fischer Determinar configuración Asignar prioridad

¿Cuál es la importancia de un estereoisómero óptico? La importancia radica en que los estereoisómeros ópticos tienen: 1.- gran similitud en sus propiedades químicas 2.- idénticas propiedades físicas, salvo la diferente acción sobre el plano de propagación de la luz polarizada 3.- pero diferentes propiedades biológicas

La talidomida fue comercializado como sedante y como calmante de las náuseas durante los tres primeros meses de embarazo. provocó miles de nacimientos de bebés afectados de focomelia. Se descubrió que había dos talidomidas distintas, en las cuales cambiaba la disposición de los grupos en un carbono. Una que producía el efecto sedante que se buscaba y la S que producía efectos teratogénicos.

Las enzimas de los seres vivos son quirales y son capaces de diferenciar entre enantiómeros. Generalmente, sólo uno de los enantiómeros encaja en el Sitio activo de una enzima. Cuando se suministra epinefrina sintética a un paciente, la forma levógira (-) tiene el mismo efecto estimulante que la hormona natural. La forma dextrógira carece de este efecto y es ligeramente tóxica.

(L)-(-)-adrenalina vs (D)-(+)-adrenalina La acción en el cuerpo de la adrenalina es ligarse a ciertos receptores y así aumentar la tensión arterial. La actividad presora (capacidad de elevar la tensión arterial) de (L)-(-)-adrenalina es 20 veces mayor que la (D)-(+)-adrenalina. Esto tiene que ver con que la (L)-(-)–adrenalina, por su conformación espacial, se une mejor al receptor “encaja “ mejor) que la (D)-(+)-adrenalina. Aspartamo El “aspartamo” es un edulcorante artificial muy utilizado en golosinas, bebidas gaseosas o simplemente como endulzante de infusiones. Se presenta en forma de dos diastereoisómeros, y sólo uno de ellos tiene sabor dulce. El otro es amargo

ISOMERÍA GEOMÉTRICA ¿Son isómeros geométricos estas dos formas de 1,2 dicloroetano? Estas dos formas no son isómeros geométricos ya que la libre rotación del enlace simple convierte una forma en otra (son confórmeros)

¿Son isómeros geométricos estas dos formas de 1,2 dicloroeteno? Estas dos formas sí son isómeros geométricos ya que el doble enlace no permite la libre rotación. Son las formas trans y cis del 1,2-dicloroeteno

Para que exista isomería geométrica se deben cumplir dos condiciones: 1- Rotación impedida (por ej. con un doble enlace) 2- Dos grupos diferentes unidos a un lado y otro del enlace

La isomería cis/trans se puede dar también en sistemas cíclicos donde la rotación en torno al enlace simple está impedida Los isómeros geométricos son diasteroisoméros porque entre ellos no son imágenes especulares

La isomería geométrica tiene efecto sobre las propiedades físicas 1,2-dicloroeteno Isómero Punto Fusión (°C) Punto Ebullición (°C) cis -80 60 trans -50 48 2- buteno Isómero Punto de Fusión (°C) Punto Ebullición (°C) cis -139 4 trans -106 1 El isómero cis tiene un punto de ebullición más alto que el trans El isómero cis tiene un punto de fusión más bajo que el trans

El isómero cis es más polar ¿Por qué el isómero cis tiene mayor punto de ebullición? cis-1,2-dicloroeteno El átomo de Cloro tira de los electrones de enlace polarizando la unión C-Cl El isómero cis es más polar

¿Por qué el isómero cis tiene menor punto de fusión? La forma en U del isómero cis dificulta el empaquetamiento en estado sólido. Las débiles fuerzas intermoleculares que se establecen en este caso explican que funda a menores temperaturas que el isómero trans, cuya forma permite un empaquetamiento más eficaz. Los grupos metilo empujan a los electrones hacia el C del doble enlace polarizando el encale C-C cis-2-buteno El isómero cis es menos simétrico

Nomenclatura de los isómeros geométricos La asignación de prioridad de los grupos se basa en las reglas de Cahn-Ingold y Prelog que establecen un orden de prioridad según el número atómico

Moléculas con más de un centro quiral Una molécula con n estereocentros tiene un máximo de 2n estereoisómeros.

HOCH2-CHOH-CHOH-CHOH-CHOH-CHO Ejercicio: Determinar el número de estereoisómeros de las aldohexosas, hidratos de carbono o azúcares de seis átomos de carbono, de fórmula general C6H12O6: HOCH2-CHOH-CHOH-CHOH-CHOH-CHO Construir los diagramas de Fischer y establecer las relaciones de enantiomería y disatereoisomería correspondientes

D-(+)-Alosa RRRR p.f. 148º                D-(+)-Altrosa SRRR p.f. 103º                D-(+)-Glucosa RSRR p.f. 154º                D-(+)-Manosa SSRR p.f. 136º                     D-(+)-Galactosa RSSR p.f. 169º                     D-(+)-Talosa SSSR p.f. 134º                 D-(-)-Gulosa RRSR D-(-)-Idosa SRSR A estos 8 diastereoisómeros naturales hay que añadir los 8 enantioméros correspondientes (sintetizados en el laboratorio)

LA FORMA MESO ¿Por qué en el caso del ácido tartárico (ácido 2,3-dihidroxibutanodioico), con dos estereocentros, sólo se producen tres estereoisómeros? (+)-tartaric acid: [α]D = +12º m.p. 170 ºC (–)-tartaric acid: [α]D = –12º meso-tartaric acid: [α]D = 0º m.p. 140 ºC

Una forma meso es un compuesto que contiene dos o más estereocentros y es superponible con su imagen especular. Los compuesto meso contienen un plano de simetría que divide la molécula en dos, de tal forma que una mitad es la imagen especular de la otra                                                                                                                                                                                                                               

REACTIVIDAD Y ESTEREOQUÍMICA CASO 1.- Si partimos de una sustancia aquiral y en el medio de reacción no hay sustancias quirales, aunque se forme un estereocentro, el producto no será ópticamente activo (dará lugar a una mezcla racémica) Ejemplo: halogenación de alcanos El carbono secundario que sufre la reacción no es quiral, pero se le denomina proquiral porque al reaccionar da lugar a un centro quiral o estereogénico

Síntesis de 2-butanol por hidrogenación catalizada con Ni de 2-butanona

Adición de HBr a 1-buteno para producir 2-bromobutano

Cloración en posición 3 del (S)-2-bromobutano ópticamente puro CASO 2.- Cuando ya existe un estereocentro en la molécula de partida y se crea otro en la reacción, se obtienen una pareja de diastereómeros generalmente en distinta proporción, porque los ET que conducen a ellos no tienen porqué poseer la misma energía. Cloración en posición 3 del (S)-2-bromobutano ópticamente puro Los estados de transición no tienen la misma energía Obtenemos pareja de diastereómeros en distinta proporción

Cloración en posición 3 del (R)-2-bromobutano ópticamente puro Los estados de transición no tienen la misma energía Obtenemos pareja de diastereómeros en distinta proporción Inducción asimétrica: La presencia de un centro quiral afecta en la formación de un nuevo centro.Una reacción que conduce a la formación predominante de uno de los varios productos estereoisoméricos posibles es estereoselectiva.

Cloración en posición 3 del 2-bromobutano racémico, es decir, de una mezcla 1:1 de (S)- y (R)-2-bromobutano Se sigue obteniendo una mezcla de diastereómeros, de los que uno predomina, pero ahora son racémicos, porque partimos de un compuesto que así lo era. Cuando ninguno de los productos de partida es enantioméricamente puro y en la reacción se producen estereocentros, el resultado de la misma es siempre un racémico

Reactivo(s) Producto(s) Simétrico no proquiral (opticamente inactivo)                  Simétrico (opticamente inactivo)                             Simétrico proquiral (opticamente inactivo)                                      Quiral racémico (opticamente inactivo)                                                                                              Quiral racémico (opticamente inactivo)                                                                Mezcla de diastereómeros racémicos (opticamente inactivo) Quiral enantioméricamente puro (opticamente activo) Mezcla de diastereómeros enantioméricamente puros (opticamente activo)                                                                  

RESOLUCIÓN DE RACEMATOS La separación de enantiómeros de mezclas racémicas se denomina resolución. Hay diferentes procedimientos para la resoluciónde mezclas racémicas pero los más utilizados son la resolución química y la resolución cromatográfica. La resolución química consiste en la separación de los enantioméros de la mezcla racémica mediante su conversión en una mezcla de diastereoisómeros. Para ello, la mezcla de enantiómeros se hace reaccionar con compuesto quiral que recibe el nombre de agente de resolución.

La resolución de una mezcla racémica puede llevarse a cabo aprovechando las diferencias en las propiedades físicas y/o químicas de los diastereoisómeros. Una tuerca de una helicidad determinada sólo casará bien con los tornillos de su misma helicidad.

1º.- Formación diastereómeros

2º.- Separación diastereómeros 3º.- Eliminación del agente de resolución

Método de resolucíón química: Resumen