Unidad III curso QOI

Unidad III

Isomería

Dr. Edgar García HernándezDivisión de Estudios de Posgrado e Investigación/Departamento de Ingeniería Química y

Bioquímicae-mail: eddgarcia@hotmail.com

2015 ITZ

Tecnológico Nacional de México

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• Analizar las estructuras espaciales de un compuesto orgánico para predecir sus propiedades físicas y químicas.

Contenido

3.1. Conformación de las moléculas y estereoquímica3.1.1. Isómeros constitucionales:

3.1.1.1. De cadena

3.1.1.2. De posición

3.1.1.3. De función

3.1.2. Isómeros espaciales (estereoisómeros)3.1.2.1. Isomería conformacional: de alcanos y cicloalcanos.

3.1.2.2. Isomería configuracional (cis-trans): en dobles enlaces, en anillo, sistema E-Z

3.1.2.3. Isomería configuracional óptica: Enantiomeros y diasterómeros.

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3.1. Conformación de las moléculas y estereoquímica.

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Isomería

Isomería estructural o constitucionalDifieren en la conectividad

EstereoisomeríaDifieren en la orientación espacial

de funciónTienen grupos

funcionales distintos

de posiciónel grupo funcional es el mismo

pero están en otra posición

de cadenaMismo grupo funcional pero la forma de la cadena varía

ConformacionalPueden interconvertirse

por giro sobre enlace sencillo

ConfiguracionalNo se pueden

interconvertir mediante un giro

GeométricaIsómeros cis y trans

Óptica

EnantiómerosSon imágenes especulares

no superponibles

DiastereoisómerosNo guardan relación de

imagen especular

Misma composición química

3.1.1. Isómeros constitucionales

• Difieren entre sí en que sus átomos están unidos de diferente forma. Puede ser de tres tipos:

3.1.1.1. De cadena

3.1.1.2. De posición

3.1.1.3. De función

• Son moléculas muy diferentes tanto en sus propiedades físicas como químicas.

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3.1.1.1. De cadena

• Difieren en la forma en que están unidos los átomos de carbono entre sí para formar una cadena.

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CH3

CH3

y

• El C4H10 tiene dos isómeros de cadena:

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CH

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

HH

Butano, C 4H10

CHH

C CH

HH

C H

H

H

HH

Isobutano, C 4H10

9

C5H12

CH

H

C

H

H

C

H

H

C

H

C

HH

H

H

H

n-pentano, C5H12

C

CH3

CH3H3C

CH3

neopentano, C5H12

CH

H

C C

HH

C H

H

H

HH

C

H

H

H

isopentano, C 5H 12

• Cinco isómeros posibles para el hexano.

• 18 isómeros para el octano y 75 para el decano!.

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3.1.1.2. De posición.

• Difieren en las posiciones que ocupan sus grupos funcionales en la estructura de carbonos.

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OH

OH

2-pentanolC5H12O

1-pentanolC5H12O

C5H12O

• En los derivados del benceno se dan casos muy importantes de isomería de posición.

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CH2Cl CH3

Cl

CH3

Cl

CH3

Cl

C7H7Cl

3.1.1.3. De función.• Difieren en sus grupos funcionales. La forma en que

están unidos los átomos da lugar a grupos funcionales distintos.

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OH

2-pentanolC5H12O

1-metoxibutanoC5H12OC5H12O

O

Grupo funcional alcohol

Grupo funcional éter

Ejercicio

• Escriba todos los isómeros constitucionales para el compuesto de fórmula C4H10O.

• Agrupe los isómeros como isómeros constitucionales de función, de cadena y de posición.

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3.1.2. Isómeros espaciales (estereoisómeros)

• Sus átomos están unidos de igual forma. Pero difieren en su orientación espacial. Puede ser de tres tipos:

3.1.2.1. Isomería conformacional: de alcanos y

cicloalcanos.

3.1.2.2. Isomería configuracional geométrica

(cis-trans): en dobles enlaces, en anillo, sistema E-Z

3.1.2.3. Isomería configuracional óptica: Enantiomeros y diasterómeros.

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3.1.2.1. Isomería conformacional de alcanos

• Estructuras que resultan a partir de la libre rotación en enlaces sencillos C-C, a temperatura ambiente .

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3.1.2.1. Isomería conformacional de alcanos

• Pueden ser diferentes en energía, el confórmero de menor energía es el más favorable.

• Las moléculas rotan constantemente a través de todas sus conformaciones posibles.

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Conformaciones del etano

• Proyecciones de perspectiva:

• Proyecciones de caballete:

• Proyecciones de Newman:

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Alternada Eclipsada

Rotación del etano

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Energía

Eclipsada

Alternada Alternada

60º de ángulo diedro

0º de ángulo diedro

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Análisis conformacional para el etano

• Esfuerzo torsional: Resistencia a la rotación.

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Confórmeros del propano

Observe el ligero incremento en el

esfuerzo torsional (3.3 kcal/mol) respecto al etano (3.0 kcal/mol).

Debido a que el grupo metilo es más

voluminoso que el H.

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Confórmeros del butano C2-C3: Totalmente eclipsada

• El de mayor energía: Tiene los grupos metilo eclipsados.• Impedimento estérico• Ángulo Diedro = 0 grados

Totalmente eclipsada

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Confórmeros del butano C2-C3: anti

• El de menor energía: Tiene los grupos metilo lo más alejados (anti).

• Ángulo Diedro = 180 grados

anti

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• Grupos metilo eclipsados con hidrógenos.• Mayor energía que el confórmero alternado.• Ángulo Diedro = 120 grados.

eclipsada

Confórmeros del butano C2-C3: eclipsada

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• Confórmero alternado con los grupos metilos en un ángulo diedro de 60 grados.

Confórmeros del butano C2-C3: gauche

gauche

Anti vs. Totalmente eclipsada

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Análisis conformacional

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Alcanos superiores

• La conformación Anti es la más baja en energía.• La “cadena lineal” realmente está en zigzag.

3.1.2.1. Isomería conformacional de cicloalcanos

• Los ciclos de 6 miembros son los más comunes de encontrar en la naturaleza.

• En el ciclohexano los ángulos en conformación de silla son muy cercanos a 109.5 y todos los hidrógenos están alternados.

• No presentan esfuerzos torsionales ni esfuerzos angulares.

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30

Ciclohexano: Confórmero de silla

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Ciclohexano: Confórmero de bote

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Análisis conformacional

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Posición Axial y Ecuatorial

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Ciclohexanos monosustituidos

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Interacciones 1,3-Diaxiales

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Ciclohexanos Disustituidos

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• Debe haber dos grupos diferentes en los carbonos sp2.

3.1.2.2. Isomería configuracional geométrica:cis-trans en dobles enlaces

C CH3C

H H

HNo son posibles los isómeros cis-trans

Alquenos 1,2 disustituidos

cis: Grupos más importantes del mismo

lado.

trans: Grupos más importantes en lados

opuestos.

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• No es posible la rotación a menos que se rompa el enlace pi (63 kcal/mol).

• El isómero cis no se puede convertir en trans, a menos de que ocurra una reacción química.

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3.1.2.2. Isomería configuracional geométrica:cis-trans en anillos

• cis: Grupos más importantes del mismo lado del anillo.• trans: Grupos más importantes en lados opuestos del

anillo.

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3.1.2.2. Isomería configuracional geométrica: sistema E-Z

• ¿Cuál isómero es cis y cuál es trans?

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Sistema E-Z

Isómero E Isómero Z

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C C

Prioridad ALTA

Prioridad BAJAPrioridad ALTA

Prioridad BAJA

C C

Prioridad BAJA

Prioridad ALTAPrioridad ALTA

Prioridad BAJA

Cahn-Ingold-Prelog

• Regla 1. Un sustituyente con mayor número atómico tiene preferencia sobre los de número atómico inferior. El sustituyente con menor prioridad es el hidrógeno. En caso de isótopos prevalece la masa atómica:

I > Br > Cl > S > P > F > O > N > C > H

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Cahn-Ingold-Prelog

• Regla 1.

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Cl > C Br > H Cl > C Br > H

Isómero Z Isómero E

Cahn-Ingold-Prelog• Regla 2. Si la regla 1 no puede decidir la prioridad de los

grupos, ésta se determina por una comparación similar de los átomos siguientes en cada grupo. La decisión sobre la prioridad se toma en el primer punto de diferencia a lo largo de la cadena de dos sustituyentes. Una vez alcanzado este punto, la constitución del resto de la cadena no se tiene en cuenta.

• Regla 3. Los enlaces dobles y triples se tratan como si fueran sencillos, duplicando o triplicando los átomos de la cadena.

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Cahn-Ingold-Prelog

• Regla 2.

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C > C C > H

Isómero Z

C C

CH3

HCH3C

H

CH2

C

H

C

C

C

H

H

H

3.1.2.3. Isomería configuracional óptica.

• Se originan por la distinta orientación espacial de átomos (o grupos de átomos) alrededor de un carbono tetraédrico con 4 sustituyentes diferentes.

• Se clasifican en:– Enantiómeros (son imágenes especulares).– Diastereómeros (NO son imágenes especulares).

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Enantiómeros• Son imágenes especulares.

Diastereoisómeros• No son imágenes especulares.

COOH

H CH3

OH

ácido láctico

COOH

H3C H

OH

3.1.2.3. Isomería configuracional óptica: Enantiómeros

• Quiralidad: Es una propiedad según la cual un objeto no

es superponible con su imagen especular.

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La imagen especular de la mano izquierda es la mano derecha.

La mano izquierda y la mano derecha

no son superponibles

Mano izquierda Mano derechaEspejo

NUESTRAS MANOS SON OBJETOS QUIRALES!!!

• La palabra quiral, proviene del griego cheir, que significa mano.

• Cuando un objeto presenta quiralidad se dice que un

objeto y su imagen especular son enantiómeros.

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Carbonos Quirales

• Carbonos tetraédricos con 4 sustituyentes diferentes.• Su imagen especular es un compuesto diferente.

54

54

C

C

CH3

H3C

Br

H

H

H

C

C

H3C

CH3

Br

H

H

H

Espejo (plano especular)

Giro 180º

No se superponen!!!

• La quiralidad es un fenómeno muy frecuente en el universo.

• El cuerpo humano es estructuralmente quiral, con el corazón del lado izquierdo del centro y el hígado del lado derecho.

Importancia biológica de la quiralidad

• Antes de 1963 el fármaco talidomida fue usado para aliviar algunos síntomas de las mujeres embarazadas. En 1963 se descubrió que la talidomina fue la causa de horribles defectos de nacimiento en muchos niños

• Se encontró que mientras uno de los enantiómeros ayudaba a aliviar los malestares, el otro era el responsable de ocasionar los defectos en los bebes.

• 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.

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Nomenclatura (R), (S)

• Un par de enantiómeros tiene nombres diferentes.• Generalmente uno de los enantiómeros es

biológicamente activo.• La configuración del carbono quiral se especifica como

(R) o (S).

C

CO OH

H3CNH2

H

Alanina natural

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Reglas Cahn-Ingold-Prelog

• Asigne una prioridad numérica a cada átomo unido directamente al carbono quiral.

• Al átomo con mayor número atómico se le asigna la mayor prioridad, es decir, el número 1.

• En caso de empate, considere los átomos que siguen.• Los enlaces dobles y triples se consideran por duplicado

o triplicado respectivamente.

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Asignando prioridades

1

2

3 4

Cl

HCl

H

*

1

2

34

12

3

4C

C

O

H

CH CH2

CH2OHCH(CH3)2

* CC

C

CH2OHCH(CH3)2

HO

O

C

CH CH2

C

*

expandir

C

CO OH

H3CNH2

H

Alanina natural

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Asignando (R) or (S)

(R)(S)

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Propiedades de Enantiómeros

• Mismo punto de ebullición, punto de fusión, densidad.• Mismo índice de refracción.• Diferente dirección de rotación en el polarímetro.• Diferente interacción con otras moléculas quirales:

– Enzimas– sabor, aroma.

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Mezcla racémica

Si se combinan dos reactivos ópticamente inactivos para formar una molécula quiral, se obtiene una mezcla racémica.

3.1.2.3. Isomería configuracional óptica: Diastereómeros.

• Estereoisómeros que no son imágenes especulares:– Isómeros geométricos (cis-trans).– Moléculas con dos o más carbonos quirales.

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C CH H

CH3H3C

cis-2-buteno trans-2-buteno

C CH

H3C

CH3

H

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Anillos

• Isómeros cis-trans.• Ejemplo: trans-1,3-dimetilcilohexano.

CH3

H

H

CH3

CH3

H

H

CH3

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Dos o más carbonos quirales

• ¿Enantiómeros? ¿Diastereómeros? ¿Meso? Asignar (R) o (S) para cada carbono quiral.

• Los enantiómeros tienen configuraciones opuestas en cada carbono quiral especular.

• En los diastereómeros algunos carbonos quirales tienen la misma configuración y otros configuración opuesta.

• Los compuestos Meso tienen plano especular interno.• El número máximo de estereoisómeros posibles es 2n, donde

n = número de carbonos quirales en la molécula.

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EjemplosCOOH

H OH

HO H

COOH

COOH

COOH

HO H

H OH

Ácido (2R, 3R)-tartárico Ácido (2S, 3S)-tartárico

Ácido (2R, 3S)-tartárico

COOH

COOH

H OH

H OH

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Propiedades de Diastereómeros

• Tienen diferentes propiedades físicas: puntos de fusión, puntos de ebullición.

• Se pueden separar fácilmente.• Una mezcla racémica reacciona con un compuesto quiral

para formar diastereómeros, los cuales se pueden separar.

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Resolución de Enantiómeros

Fin de la unidad

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