ISOMERIA

Ja en els inicis de la química es començà a observar la presència de substàncies amb propietats sovint molt diferents, però amb el mateix tipus i número d’àtoms, o sigui amb la mateixa fórmula molecular.

El químic suec Jakob Berzelius fou qui, cap a mitjans de segle XIX, va introduir la paraula isomeria (del grec isos “igual” i meros “part”) per denominar aquest fenomen.

Els àtoms de carboni poden unir-se entre sí, i amb altres àtoms com: hidrogen, halògens, oxigen i nitrogen, mitjançant diferents tipus d’enllaços D’aquesta manera es poden formar un gran nombre de molècules amb un nombre relativament reduït d’àtoms

Hidrocarbur C 167 H 336 fórmula molecular

Teòricament poden existir isòmers d’aquest hidrocarbur C 167 H 336

S’ha calculat que es necessitarien segles per obtenir tots aquests isòmers

Es coneixen al menys set substàncies químiques que tenen la fórmula molecular C 3 H 6 O 2.

Substàncies amb propietats molt diferents, com carbonat de metil i dihidroxiacetona, tenen una constitució diferent.. carbonat de metil i dihidroxiacetona, tenen diferent conectivitat (constitució, estructura)

Substàncies com àcid D-làctic i àcid L-làctic, amb propietat molt semblants, presenten la mateixa constitució.. àcid D-làctic i àcid L-làctic tenen igual conectivitat (constitució, estructura)

Isomeria Constitucional plana o estructural

Quan dues substàncies amb la mateixa fórmula molecular es diferencien degut a una diferent conectivitat (constitució, estructura)

És diu que: presenten isomeria constitucional (isomeria plana o estructural) són isòmers constitucionals

carbonat de metil i dihidroxiacetona presenten isomeria constitucional (isomeria plana o estructural) són isòmers constitucionals

La isomeria constitucional és la que provoca una major diferència entre propietats

Estereoisomeria

Quan per poder diferenciar dues substàncies, que són isòmers, no tenim prou en tenir en compte la seva constitució (ja que tenen la mateixa) hem de considerar la disposició en l’espai dels seus àtoms La seva configuració (la seva geometria)

Per què l’àcid D-làctic i l’àcid L- làctic són diferents? Per què hi ha dues substàncies que les anomenem com àcid D- làctic i àcid L-làctic?

L’àcid D-làctic i l’àcid L-làctic tenen la mateixa constitució

Quina és la geometria de cada un? Quina és la seva configuració?

Són diferents degut a que no són superposables Són dos (una parella) enatioisòmers o enatiòmers

Per què no són superposables? Cas àcid 2-hidroxiacètic

Què diferencia l’àcid D-làctic i l’àcid L-làctic de l’àcid 2-hidroxiacètic?

Els àcids D-làctic i L-làctic tenen un centre (carboni) estereogènic (quiral o asimètric)

Els àcids D-làctic i L-làctic són: molècules quirals estereoisòmers (estereòmers) imatge especular no superposable enantioisòmers (enantiòmers)

Una mescla que conté un 50 % de cada un dels dos àcids (D-làctic i L-làctic) Rep el nom de mescla racèmica (racemat) No desvia la llum polaritzada

Què passa quan una substància té més d’un centre estereogènic (quiral)? Hi ha dues possibilitats Els casos més senzills són aquells que tenen dos centres

Dos centres estereogènics que no tenen exactament els mateixos substituents

Hi ha llibertat de gir sobre un enllaç senzill entre dos àtoms Premissa que no es compleix només en casos molt excepcionals

Enantioisòmers Enantiòmers Enantioisòmers Enantiòmers Diastereoisòmers Diastereòmers

Quan tinguem dos centres estereogènics que no tenen exactament els mateixos substituents Hi hauran quatre substàncies diferents, que seran estereòmers Les quatre per separat tindran capacitat de desviar la llum polaritzada (seran òpticament actives)

Quan tinguem dos centres estereogènics que no tenen exactament els mateixos substituents Tindrem dues parelles d’enantiòmers Cada un d’una parella serà diastereòmer dels de l’altra parella

Dos centres estereogènics que tenen exactament els mateixos substituents

Representen a la mateixa substància Enantioisòmers Enantiòmers

Les substàncies que tenen més d’un centre estereogènic i al menys un pla de simetria es diu que són: FORMES MESO

Forma meso Diastereoisòmers /Diastereòmers Enantioisòmers Enantiòmers

Quan tinguem dos centres estereogènics que tenen exactament els mateixos substituents Tindrem tres substàncies diferents, que seran estereòmers Dos d’elles seran òpticament actives La forma meso serà òpticament inactiva

Quan tinguem dos centres estereogènics que tenen exactament els mateixos substituents Tindrem dos enantiòmers que seran òpticament actius La forma meso serà òpticament inactiva i serà diasteròmer dels altres dos

Substàncies amb n centres estereogènics Com a màxim hi hauran 2 n substàncies diferents, que seran estereòmers Totes elles, menys les que tinguin un pla de simetria (formes meso), seran òpticament actives

ESTEREÒMERS Substàncies amb la mateixa constitució (fórmula molecular) però diferent configuració

ENANTIÒMERS Parella de substàncies amb la mateixa constitució (fórmula molecular) però diferent configuració QUE SÓN IMATGE ESPECULAR

ENANTIÒMERS PARELLA DE SUBSTÀNCIES QUE SÓN IMATGE ESPECULAR NO SUPERPOSABLE

DIASTEREÒMERS Substàncies amb la mateixa constitució (fórmula molecular) però diferent configuració QUE NO SÓN IMATGE ESPECULAR

DIASTEREÒMERS Substàncies amb la mateixa constitució (fórmula molecular) però diferent configuració QUE NO SÓN ENANTIÒMERS

FORMA MESO Substància que té dos o més centres estereogènics i un pla de simetria, com a mínim Tindrà diastereòmers NO tindrà activitat òptica

ESTEREÒMERES Representació i nomenclatura

Com podem representar en un pla (bidimensionalment) molècules tridimensionals ? Projeccions de Fischer Bàsicament s’apliquen a monosacàrids

Posar la molècula de manera que: Projeccions de Fischer (procediment usual) 1.-tingui situada la cadena principal verticalment 2.-el grup principal a la part superior 3.- els àtoms o grups que quedin horitzontals mirant cap a l’observador

I si tenim dos centres estereogènics?

Hi ha llibertat de gir sobre un enllaç senzill entre dos àtoms.. RECORDAR

I si els dos centres estereogènics tenen els mateixos substituents?

Nomenclatura D, L

seguint el procediment abans indicat 1.- Representar la molècula segons Fischer cadena principal verticalment grup principal a la part superior àtoms o grups que quedin horitzontals mirant cap a l’observador

Si aquest grup està a la dreta 2.- Observar la posició del grup més gran unit a l’últim centre estereogènic Isòmer D Si aquest grup està a l’esquerra Isòmer L

D?L?

REGLES DE CAHN, INGOLD I PRELOG

ASSIGNACIÓ DE LA CONFIGURACIÓ ABSOLUTA A CENTRES ESTEREOGÈNICS

ASSIGNACIÓ DE LA CONFIGURACIÓ R S R o S A CENTRES ESTEREOGÈNICS

A diferència dels prefixos D i L, que s’apliquen al conjunt de la molècula, el sistema proposat per aquests tres científics s’utilitza per distingir cada un dels àtoms estereogènics presents en una molècula

RS A cada un d’aquests àtoms se’ls assigna la lletra R o S, del llatí rectus i sinister respectivament, depenent de l’ordre en que els diferents substituents estan disposats sobre l’àtom en qüestió

Per determinar aquest ordre, a cada grup unit a l’àtom quiral se li assigna un número comprès entre 1 i 4. Aquesta assignació es porta a terme segons les següents regles:

1.- S’ordenen els quatre grups units a l’àtom quiral considerant el número atòmic decreixent de l’àtom directament enllaçat a aquell S’assignen les prioritats de 1 a 4 segons aquest ordre.

2.- Si es dóna el cas que hi ha dos, o més grups, units per un àtom d’igual número atòmic es determina a quins àtoms estan units cada un d’aquests àtoms inicials.

1 ? ? 4

Ara, s’assigna el número major a aquell àtom que està unit a un àtom de major número atòmic el major nombre de vegades

Si a aquest segon nivell no solucionéssim l’ordenació passaríem a un tercer nivell i així successivament, aplicant sempre la mateixa regla fins arribar a la primera diferència

3.- Per aplicar la regla anterior es considerarà que un enllaç doble és equivalent a estar unit dos vegades al mateix àtom. Un enllaç triple significa estar unit tres vegades a l’àtom corresponent

4.- Una vegada assignat l’ordre de preferència, la molècula s’orienta amb el substituent de menor prioritat (de número major) el més allunyat possible de l’observador.

A continuació l’observador es situa en la posició de prioritat 1 i traça una trajectòria cap al substituent de prioritat 3 passant sempre primer pel de prioritat 2.

Si dita trajectòria segueix el sentit de les agulles del rellotge (va d’esquerra a dreta) s’assigna a l’àtom asimètric la lletra R

R

Si la trajectòria és la contrària el sentit de les agulles del rellotge (va d’esquerra a dreta) s’assigna la lletra S

S

Vigilar! El substituent 4 sempre ha d’estar situat el més allunyat possible de l’observador

RS

S R

no Si la situació del 4 no és correcta Àcid L-làctic = àcid (R)-làctic Àcid D-làctic = àcid (S)-làctic és Si la situació del 4 és correcta Àcid L-làctic = àcid (S)-làctic Àcid D-làctic = àcid (R)-làctic

La notació R/S també es pot assignar directament sobre una Projecció de Fischer S’han de tenir certes precaucions!

El número 4 sempre ha d’estar cap a dalt o cap a baix en la Projecció Sempre s’han de fer un nombre parell de canvis per tenir el mateix isòmer

S

Tant la notació D/L, com la R/S no tenen res a veure amb el signe de la rotació específica d’una molècula. La rotació específica d’una molècula és un valor experimental que no està correlacionat de cap manera amb aquestes notacions.

Tampoc no hi ha cap relació general entre D/L i R/S

ESTEREOISOMERIA SOBRE DOBLES ENLLAÇOS

A diferencia d’un enllaç senzill un enllaç doble provoca l’aparició de rigidesa sobre l’eix d’unió C-C NO sent possible la rotació independent de cap dels dos àtoms sobre el mateix.

Aquesta rigidesa es suposa responsable de l’aparició d’estereoisòmers en molècules que presenten un doble enllaç entre dos carbonis On cada carboni està unit a dos àtoms, o radicals, diferents entre sí

NO Qué passa si els àtoms, o radicals, NO són diferents entre sí?

Per distingir un de l’altre, existeixen dos convenis cistrans Dir a un isòmer cis i a l’altre isòmer trans Z E Denominar a un isòmer Z “zusammen” (junts), i a l’altre isòmer E “entgegen” (separats)

Si bé en molts casos cis i Z, o trans i E coincideixen, no sempre es dóna aquesta coincidència

cis En els seus orígens, cis significava dos grups iguals units a ambdós carbonis del doble enllaç i situats al mateix costat de l’eix definit per aquest trans trans implicava que els dos grups iguals es trobessin a costats diferents d’aquest eix imaginari

Z Z significa dos grups principals, escollits segons les regles de preferència de Cahn- Ingold-Prelog, units a ambdós carbonis del doble enllaç i situats al mateix costat de l’eix definit per aquest. E E significa que els dos grups principals es troben a costats oposats d’aquest eix imaginari.

La nomenclatura Z – E és més universal i introdueix menys errors que la cis – trans en el cas de dobles enllaços

ZE Els passos a realitzar per tal d’assignar a cada isòmer l’identificatiu Z o E són els següents:

Es consideren per separat cada parell de substituents units per un enllaç senzill a cada un dels carbonis del doble enllaç.

A cada parell se l’hi assigna un ordre de preferència segons les regles de Cahn- Ingold-Prelog ja comentades

Es mira sí els substituents de major preferència, units a cada un dels carbonis del doble enllaç, es troben disposats al mateix cantó o a cantons oposats d’una línia imaginària que conté el doble enllaç. Al mateix costatA diferent costat

Z E S’assigna la lletra Z a aquell isòmer que té els dos grups principals al mateix cantó de la mateixa. S’assigna la lletra E a l’altre isòmer, el qué té els dos grups principals a costats oposats (E)-2-Cloro-2-butè(Z)-2-Cloro-2-butè

Estereoisomeria ciclànica

Una tercera possibilitat de que es presenti estereoisomeria es dóna en compostos cíclics on per lo menys dos àtoms que formen part del cicle estan units a dos àtoms o radicals diferents. En aquest cas el compost cíclic defineix un pla, real o imaginari, respecte del qual els substituents poden situar-se per damunt o per davall

transcis

trans cis

trans cis trans trans trans  -D-glucopiranosa

trans cis trans trans trans  -D-glucopiranosa

 -D-glucopiranosa

 -D-glucopiranosa

 -D-glucopiranosa

s R s R R

R s R R  -D-glucopiranosa R

ANÀLISI CONFORMACIONAL

Per explicar certes propietats d’una substància no en tenim prou en considerar la seva configuració (geometria)

Per exemple Per què en la malaltia de les “baques boixes” les proteïnes passen a tenir una estructura de fulla en  ?

O també: Per què la  -D-glucosa és més estable que l’  -D-glucosa?  -D-glucopiranosa, 66%  -D-glucopiranosa, 33%

Aleshores hem de considerar les diferents conformacions que pot tenir una substància La possibilitat de diferents conformacions neix del fet de que hi ha llibertat de gir sobre els enllaços senzills

Anem a estudiar el cas més senzill L’età (C 2 H 6 )

conformació alternada conformació eclipsada

Les conformacions alternades són més estables que les eclipsades Hi han excepcions!

Anem a estudiar ara el butà Butà (C 4 H 10 ) Ens fixarem en l’enllaç entre els dos carbonis centrals

Antiperiplanar Sinclinal Sinclinal Sinperiplanar Anticlinal Anticlinal

Entre totes les conformacions alternades és més estable aquella que té els grups més grans el més allunyat possible Hi han excepcions! conformació ANTIPERIPLANAR

ANELLS DE 6 (CICLOHEXAGONS) CONSEQÜÈNCIES

conformació CADIRA conformació NAU

conformació CADIRA conformació NAU

Posicions axials Posicions equatorials

axial equatorial

La conformació cadira és més estable que la nau Hi han excepcions! De totes les “cadires” serà més estable aquella que té el màxim de grups voluminosos en posició equatorial

Ara ja podem contestar a la pregunta que ens fèiem Per què la  -D-glucosa és més estable que l’  -D-glucosa?

 -D-glucosa  D-glucosa D-glucosa forma oberta 66% 33%