LECCIÓN 4 Estereoquímica Prof. Lic. Carlos Timaná de La Flor QUÍMICA ORGÁNICA LECCIÓN 4 Estereoquímica Prof. Lic. Carlos Timaná de La Flor

Un problema de muchos años La isomería es una de las mayores "complicaciones" de la química orgánica que desconcertó durante muchos años a los químicos  y que no se resolvió hasta mediados del siglo XIX.

TIPOS DE ISOMERIA ¿QUE SON ISOMEROS? Dos especies químicas diferentes se dice que son isómeras cuando tienen la misma composición elemental y la misma masa molecular

TIPOS DE ISOMERIA ¿QUE SON ISOMEROS DE ESTRUCTURA? Son isómeros que difieren entre sí en que sus átomos están unidos de diferente forma - No todos los grupos están unidos a los mismos centros -Son moléculas muy diferentes tanto en sus propiedades físicas como químicas

ISOMERIA DE ESTRUCTURA - ISOMERIA DE CADENA -ISOMERIA DE FUNCION - ISOMERIA DE POSICION

ISOMEROS DE ESTRUCTURA ISOMEROS DE CADENA Difieren en la forma en que están unidos los átomos de carbono entre sí para formar una cadena C5H12

ISOMEROS DE ESTRUCTURA ISOMEROS DE FUNCION - Difieren en sus grupos funcionales - La forma en que están unidos los átomos da lugar a grupos funcionales distintos Aldehido Cetona

ISOMEROS DE ESTRUCTURA ISOMEROS DE FUNCION - Difieren en sus grupos funcionales - La forma en que están unidos los átomos da lugar a grupos funcionales distintos a-hidroxi aldehido Acido

ISOMEROS DE ESTRUCTURA ISOMEROS DE POSICION - Difieren en las posiciones que ocupan sus grupos en la estructura carbonada 1-Bromo 2-Bromo

a C b ISOMERÍA GEOMÉTRICA Isómero CIS Isómero TRANS CIS-2-buteno Ejemplo: CIS-2-buteno PF: – 139ºC TRANS-2-buteno PF: – 106ºC

Definiciones previas

Definiciones previas

Definiciones previas b d p q

Una onda electromagnética Una r.e.m. está formada por dos componentes, eléctrico y magnético, los que tienen la misma longitud de onda y frecuencia (están en fase) y en consecuencia la misma rapidez, pero viajan en planos mutuamente perpendiculares. |E| = c |B| B

Una onda electromagnética Un electrón sólo que vibra emite una r.e.m. polarizada. Si vibra verticalmente emite luz verticalmente polarizada, y si vibra horizontalmente emite luz polarizada horizontalmente. Solo se representa el vector eléctrico!

Luz Polarizada Podemos lograr luz polarizada seleccionando ciertos planos de vibración de un haz luminoso.

Prisma de Nicol

Actividad Óptica Ciertas sustancias tienen la propiedad de desviar el plano de la luz polarizada. Se dice que tiene actividad óptica. Son sustancias quirales. (Dextrorrotatorio si los desvía hacia la derecha, y levorrotatorio si lo desvía a la izquierda. Sino desvía la luz polarizada se denominan sustancias aquirales.

Actividad Óptica

Tipos de isomería

Tipos de isomería

Relación objeto a imagen especular Tipos de isomería SON ESTEREOISOMEROS AISLABLES POR SEPARADO A TEMPERATURA AMBIENTE O PROXIMA A ELLA En la mayor parte de los casos para transformar uno en otro, no basta con realizar giros alrededor de enlaces sencillos sino que es necesario romper y formar enlaces. Relación objeto a imagen especular

Enantiómeros Dos estereoisómeros son enantiómeros si la imagen especular de uno no puede ser superpuesta con la del otro. Dicho de otra forma: un enantiómero es una imagen especular no superponible de sí mismo. Tienen las mismas propiedades físicas y químicas, excepto por la interaccion con el plano de la luz polarizada (actividad óptica) o con otras moléculas quirales. Por ello se les denomina isómeros ópticos

Enantiómeros y quiralidad

Enantiómeros Un enantiómero que rota el plano de la luz polarizada, al pasar a su través, en el sentido de las agujas del reloj, se dice que es dextrorrotatorio o dextrógiro. Si lo hace al contrario, es levorrotatorio o levógiro. Las moléculas aquirales son ópticamente inactivas. Los enantiômeros del 1-cloroetanol, uno DEXTRÓGIRO, y otro LEVÓGIRO, no se pueden identificar como cual estructura es dextrógira y cual es levógira, esto solo es posible utilizando un polarímetro para observar cual de ellas desvía la luz para la izquerda y cual la desvía para la derecha.

Polarimetro La actividad óptica de las sustancias se mide en un polarímetro.

Polarímetros

Rotación Específica La rotación específica, []d de un compuesto depende del número de moléculas que la luz polarizada atraviesa, o sea, de su concentración, C, y también de la distancia que la luz recorre dentro de la muestra (camino óptico), L: Cuando C = 1g/mL y L = 1 dm, a rotación observada es igual a la rotaçión específica. En esas condiciones []d es una constante física característica del compuesto ópticamente activo. []d =  L . C Donde  es la rotación observada

Ejemplos

Quiralidad y Elementos de Simetría La presencia o ausencia de propiedades estereoquímicas (actividad óptica) en una molécula depende de si la molécula se puede superponer o no con su imagen especular (es decir si es la molécula quiral) . A su vez, esto último depende del grupo de simetría al que pertenece la molécula, ya que sólo ciertos grupos la presentan (Cn y Dn en la Notación de Shoenfliess). La clasificación en grupos de simetría se basa en la ausencia o presencia de ciertos elementos de simetría: ejes simples, ejes alternantes, centros y planos de simetría.

Eje de Simetría

Plano de Simetría

Plano de Simetría

Centro de Simetría

Eje Alternante de Simetría

Condición de Quiralidad Matemáticamente se puede demostrar que toda molécula que posea un plano, centro o un eje alternante de simetría se puede superponer con su imagen especular. Las moléculas que tengan estos elementos de simetría no exhiben actividad óptica. Las moléculas que sólo presentan ejes simples o ningún elemento de simetría son quirales o disimétricas y exhiben actividad óptica.

Designaciones de Simetría

Ejemplos de Elementos de Simetría

Moléculas Quirales Se dice que una molécula es quiral si puede escribirse de dos formas que sean una la imagen especular de la otra. Cada una de ellas presentará actividad óptica opuesta, la una a la otra. Una clase muy importante de moléculas quirales son aquellas que tienen uno o varios carbonos con cuatro sustituyentes diferentes. A esos carbonos se les denomina carbonos asimétricos (carbonos quirales) o, más modernamente, centros estereogénicos o estereocentros.

Moléculas Quirales El número máximo de estereoisómeros posibles para una molécula asimétrica (quiral), puede ser calculado por fórmula 2n, donde n es el número de carbonos asimétricos (quirales) que la molécula posee.

Moléculas Quirales Pero, para complicar un poco más el problema, existen moléculas quirales que no poseen ningún estereocentro. Los ejemplos más importantes se encuentran entre los alenos, bifenilos y binaftilos. Alenos Binaftilos Bifenilos

Configuración Cada una de las posibles distribuciones que los átomos pueden tomar en el espacio, cuando para una misma constitución hay más de un tipo de orientación espacial. Tienen la misma composición, y constitución, pero diferente configuración.

Configuraciones relativas D e L No es posible identificar en términos absolutos si este o aquel estereoisómero desvía la luz polarizada para este o aquel lado; esto último solo es posible si utilizamos un polarímetro. Es decir no hay como relacionar estructura y configuración absoluta de una molécula. De modo que tomaremos alguna sustancia como patrón de referencia. Esta es el gliceraldeído, del cual se han identificado los isómeros dextrógiro e levógiro. Al primero se le asigna configuración D y al segundo L. L-gliceraldeído D-gliceraldeído

Configuraciones relativas D e L L-gliceraldeído D-gliceraldeído L- -amino-ácido D- -amino-ácido

Configuraciones relativas R e S Los químicos Cahn, Ingold y Prelog establecieron el sistema de nomenclatura R/S (sistema CIP) para nombrar la configuración relativa de un estereocentro. Robert S. Cahn (1899-1981): Miembro del Instituto Real de Química de Londres. Christopher Ingold (1893-1970): Profesor de Química del University College de Londres. Vladimir Prelog (1906-1998): Químico yugoeslavo nacionalizado suizo. Especialista en estereoquímica, Nobel de Química 1975. 1966 Conferencia de Burgenstock (i a d: Cahn, Ingold, Prelog).

Configuraciones relativas R e S Se asigna a los 4 grupos diferentes unios a un estereocentro diferentes prioridades (importancias) de acuerdo a ciertas reglas. Se deja el grupo de prioridad menor (d) hacia atrás y se observa el sentido de giro para ir desde el grupo de más alta prioridad (a) hacia el de menor prioridad (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 prioridad

Proyecciones de Fisher (Emile Hermann Fischer (1852-1919): Ayudante de Baeyer en Münich y Profesor de Química en Erlangen, Wurzburgo y Berlín. Sus investigaciones demostraron el vínculo entre la estereoquímica, la química orgánica y la biología. En 1887 reprodujo por síntesis, a partir de sus elementos, varios azúcares. Premio Nobel de Química en 1902). Fischer ideó una forma sencilla de representar los estereocentros de una molécula. 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. Hacia atrás Hacia adelante

Ejemplos 1-cloroetanol 3-cloro-2-butanol Proyección en cuña Proyección de Fisher

Ejemplos de Configuración  (R)-2-Bromobutano (S)-2-Bromobutano

Rotación de la Configuración La rotación de una proyección de Fischer afecta a la configuración del estereocentro representado: El giro de 90º invierte la configuración

Rotación de la Configuración El giro de 180º conserva la configuración La permutación de los grupos en una proyección de Fischer afecta a la configuarción del estereocentro representado: Un número impar de permutaciones cambia la configuración Un número par de permutaciones mantiene la configuración

Ejemplo: ácido láctico 1 O H 4 H C O O H 2 C H 3 3

Sentido anti-horario, configuración S Ejemplo: ácido láctico 4 H 1 3 O H C H 3 H O C 2 Sentido anti-horario, configuración S ácido (S)-láctico

Diasteroisómeros c d a b enantiómeros enantiómeros Las moléculas que poseen dos o más C* presentan estereoisómeros que NO son imágenes especulares NI superponibles la una a la otra. Estos estereoisómeros son llamados diasteroisómeros. c d a b enantiómeros enantiómeros

diasteroisómeros c d a b diasteroisómeros El que los estereocentros tengan una configuración u otra da lugar a diferentes compuestos cuyas propiedades químicas, físicas y fisiológicas pueden ser muy diferentes.

Ejemplo Un ejemplo excelente lo tenemos en las aldohexosas, hidratos de carbono o azúcares de seis átomos de carbono, de fórmula general C6H12O6: HOCH2-CHOH-CHOH-CHOH-CHOH-CHO  Dependiendo de la configuración de los cuatro estereocentros tenemos ocho diastereómeros que son claramente compuestos diferentes con propiedades y nombres comunes distintos. ¿Cuántos son los isómeros posibles?. Son 24, es decir, 16. ¿Cuáles son los otros ocho que faltan?. Los enantiómeros de cada uno de ellos. Las aldohexosas representadas son los azúcares naturales. Los enantiómeros respectivos no son naturales aunque esto no impide que se hayan sintetizado en el laboratorio.

Resumen: estereoisómeros Los estereoisómeros que se relacionan entre sí como objeto e imagen especular se denominan enantiómeros. Los estereoisómeros que no se relacionan entre sí como objeto e imagen especular se denominan diastereómeros o diastereoisómeros. Una molécula con n estereocentros tiene un máximo de 2n estereoisómeros.

Isómeros Meso Dos estereocentros sustituidos idénticamente dan lugar a sólo tres estereoisómeros. Una forma meso es un compuesto que contiene dos o más estereocentros y es superponible con su imagen especular.

el trazado indica el plano de simetría del estereoisómero Isómeros Meso En esto isómeros existe un plano de simetria en la molécula, por lo que se generan estereoisómeros sin actividad óptica. C H 3 OH O HO C H 3 O OH HO O Isómero MESO el trazado indica el plano de simetría del estereoisómero enantiómeros

Clasificación de las relaciones entre moléculas ¿Tienen la misma fórmula molecular? ó ¿Son iguales sus pesos moleculares y sus composiciones elementales? SI NO ¿Son superponibles? SI NO No son isómeros Son la misma molécula Son isómeros ¿Difieren únicamente en el arreglo de sus átomos en el espacio? NO SI Son isómeros estructurales SI ¿Es uno de ellos superponible con la imagen en el espejo del otro? NO Son estereoisómeros SI ¿Son aislables a temperatura ambiente o próxima a ella? NO Son enantiómeros Son quirales Son diasteroisómeros Son estereoisómeros conformacionales Son estereoisómeros configuracionales ¿Son superponibles con sus respectivas imágenes en el espejo? SI NO Son aquirales

Resolución de Racematos La generación de una estructura quiral a partir de productos de partida aquirales, en ausencia de cualquier influencia quiral (catalizadores, disolvente), da lugar a una mezcla racémica. En muchos casos es necesario separar los enantiómeros de una mezcla racémica. Por ejemplo, el enantiómero de un fármaco útil puede resultar incluso tóxico. La talidomida racémica, utilizada para aliviar los típicos mareos en las mujeres embarazadas, causó en los años 50-60 graves malformaciones en fetos. El responsable de este terrible efecto fue uno de los enantiómeros. Este es un triste ejemplo ilustrativo de la necesidad de obtener enantiómeros puros. Los enantiómeros de una mezcla racémica pueden separarse. La resolución de una mezcla racémica, que es como se llama a ese proceso, puede llevarse a cabo aprovechando las diferencias en las propiedades físicas y/o químicas de los diastereoisómeros.

Resolución de Racematos Supón que tenemos juntos varios tornillos con helicidad para los dos lados. ¿Cómo los separaríamos?. Sería fácil si dispusiéramos de una tuerca de una helicidad determinada. Sólo casará bien con los tornillos de su misma helicidad. Cada tornillo tiene una configuración de su helicidad. El conjunto tornillo-tuerca es una nueva especie (diastereomérica) cuya estabilidad y propiedades son muy diferentes dependiendo de la helicidad del tornillo. Esta diferencia de propiedades nos permite establecer un método de separación de los tornillos según su helicidad.

Esquema de Resolución Esquemáticamente, el proceso es el siguiente:

Técnicas de Resolución Una resolución de racematos puede llevarse a cabo mediante:   Técnicas mecánicas.- Separación física de los enantiómeros. Técnicas biológicas.- Cultivo de microorganismos que consumen uno de los enantiómeros. Técnicas químicas.- Por la actividad óptica

Ejercicios: 1) Indique la fórmula y el nombre de los hidrocarburos y de los alcoholes saturados más simples que presentan estereoisomería óptica. 2) Indique la fórmula y el nombre del alcano más simple que presenta estereoisomería óptica. 3) Indique la fórmula estrutural de todos los ácidos carboxílicos con fórmula C5H10O2, estereoisómeros. 4) Indique o número de isómeros ópticos posibles y el número de mezclas racémicas posibles para los siguientes compuestos:

a) 2-metil-butan-1-ol b) 3-cloro-2-metilpentano c) ácido 2,3-di-hidroxibutanodioico d) 2,3,4-tricloropentanal e) 3-metil-pent-1-eno f) 3,4-dimetil hexano g) 2,4-dicloro -3-metilpentano h) 2,3-dicloro-4-metilpentano i) 2,3-dinitrobutano j) 2,3,4,5-tetra hidróxi hexano k) trans-1,2-dibromociclopropano l) trans-1,3-dimetilciclobutano

5) Trace las proyecciones de Fischer y de cuña para TODOS los estereoisómeros de los siguientes compuestos a) 2-metil-butan-1-ol b) 3-cloro-2-metilpentano c) ácido 2,3-di-hidroxibutanodioico d) 2,3,4-tricloropentanal e) 3-metil-pent-1-eno f) 3,4-dimetil hexano g) 2,4-dicloro -3-metilpentano h) 2,3-dicloro-4-metilpentano i) 2,3-dinitrobutano j) 2,3,4,5-tetra-hidróxi-hexano k) trans-1,2-dibromociclopropano l) trans-1,3-dimetilciclobutano