ESTEREOQUÍMICA II: ISOMERIA CONFIGURACIONALdiposit.ub.edu/dspace/bitstream/2445/2861/1/estereoq02.pdf · Estereoquímica II: Isomeria Configuracional 1 1. Quiralitat i simetria La

ESTEREOQUÍMICA II:

ISOMERIA CONFIGURACIONAL

Index 1. Quiralitat i simetria pàg. 1 2. Quiralitat de les molècules 3 Molècules aquirals 3

Molècules quirals i centres quirals 7 3. Nomenclatura de Cahn-Ingold-Prelog 10 4. Isòmers configuracionals: Enantiòmers i Diastereòmers 14 5. Activitat òptica 16 6. Projecció de Fischer 18 7. Isomeria cis/trans 25 Cicloalcans cis/trans 25 Alquens cis/trans ó E/Z 26 8. Equilibri conformacional i quiralitat 27 9. Molècules quirals sense centres quirals 30 Al.lens i cumulens 30 Bifenils 31 Helicens 32

Jordi Robles i Brau Departament de Química Orgànica

Curs 2006-07

Estereoquímica II: Isomeria Configuracional

1

1. Quiralitat i simetria

La quiralitat és la propietat de ser com les dues mans: una és imatge de l'altra, però si les intentem superposar, veiem que no coincideixen. Per tant, les dues mans que semblen iguals, realment no ho són. Aquesta propietat de les mans s’anomena quiralitat i els objectes que la manifesten diem que són quirals. De fet, els termes "quiral" i "quiralitat" deriven de la paraula grega χε´ρι (pronuncionat més o menys, kéri), que vol dir mà. Si hi pensem una mica veurem que la quiralitat no només es limita a les nostres mans, sinó que és una propietat habitual de la natura, i en particular, de les molècules. Veurem que moltes ho són i això té molta importància en les seves propietats i el seu comportament químic.

Quan podem dir que un cos és quiral? La forma més fàcil és fer com amb les dues mans. Si ens hi

fixem, una mà és imatge de mirall de l'altra. Aleshores, enfrontem l'objecte amb la seva imatge en un mirall i comparem-los. Si el cos es pot superposar amb la seva imatge de mirall, voldrà dir que el cos és no quiral o aquiral . Si no coincideixen, com feien les dues mans, aleshores podem dir que és quiral. Veiem-ho en els dos següents exemples:

Comencem amb una gerra. Per a saber si és quiral, comparem la seva imatge amb la que es veu en un mirall (al centre). La imatge de la dreta i la del mirall coincideixen quan se superposen una sobre l'altra (imatge de la dreta). Per tant, la gerra és aquiral.

Mirem-nos ara aquest vas de disseny. Fem el mateix que abans. Mirem-nos la seva imatge de

mirall (al centre) i provem de relacionar-la amb l'original. En aquest cas les dues imatges no coincideixen (a la dreta). Hem de concloure que el vas és quiral.


2

Segurament t'estaràs preguntant si hi ha alguna manera més fàcil que mirar en un mirall per saber si una cosa és quiral. Tornem als nostres exemples per a veure-ho. Havíem vist que la gerra no era quiral perquè era idèntica a la seva imatge de mirall. Quina és la propietat de la gerra que més ens crida l'atenció? Si t'hi fixes, la podem partir pel mig en dues parts que són imatge una de l'altra. El pla virtual que divideix la gerra en dues parts simètriques, imatge una de l'altra, en diem pla de simetria . Si un cos té un pla de simetria, aleshores és no quiral o aquiral (no té quiralitat, la propietat de ser com les mans). Fixem-nos ara en l'exemple del vas quiral que havíem vist abans. Provem de trobar-hi un pla de simetria. A diferència de la gerra, aquest vas no el podem dividir de cap manera en dues parts simètriques perquè té forma helicoïdal. Efectivament és quiral. Tots els objectes amb forma d’hèlix o de cargol són quirals .

La gerra és aquiral perquè un pla de simetria la divideix en dues parts simètriques. El vas té forma helicoïdal o de cargol, per tant, no es pot dividir en dues parts simètriques: és un objecte quiral.

Un pla de simetria o l'eix d'una hèlix són elements de simetria . Un element de simetria és aquella

operació de rotació i/o reflexió que aplicada sobre un objecte, el deixa inalterat. Els elements de simetria ens ajuden a caracteritzar la simetria d'un objecte i en el nostre cas, a reconèixer si és quiral o aquiral. Com? Doncs, un objecte és aquiral, és a dir, no mostra quiralit at, quan mostra almenys un pla de simetria i/o un centre de simetria . Si no en té cap, aleshores serà quiral com les mans o el vas helicoïdal. Veiem què volen dir pla i centre de simetria, i de com reconèixe’ls:

Els plans de simetria són aquells que divideixen el cos en dues meitats, imatge una de l'altra, de

forma que per a cada punt de l'objecte en trobem un altre d'idèntic i equidistant a l'altra banda del pla. Els representem amb la lletra grega σ (sigma). Un mateix objecte pot tenir varis plans de simetria. Fixem-nos en l'exemple d'un prisma rectangular:

El pla de simetria divideix l'objecte en dues meitats imatge una de l'altra. Cada punt de l'objecte troba un d'equivalent i equidistant a l'altra banda del pla.

σ

σ σ σσ

Pel que fa a quiralitat, quin efecte té un plà de simetria? Ho havíem vist amb la gerra: un objecte amb un pla de simetria és sempre aquiral . Comprova-ho amb l’anterior prisma.

Un objecte té un centre de simetria o d’inversió (i) quan es poden unir tot i cada un dels seus punts amb d'altres d'idèntics i equidistants per línies que passen pel centre geomètric. Una altra manera de reconèixer la presència d'un centre d'inversió consisteix en comprovar que la rotació de 180° de l'objecte i posterior reflexió a través d'un pla perpendicular a l'eix de rotació produeix una imatge idèntica a l'original. Veiem-ho amb les següents figures:


3

centre de simetria o d'inversió (i) i

180º

rotació reflexió

Pel que fa a la quiralitat, el centre

d'inversió té el mateix efecte que un pla de simetria. Un objecte amb centre d'inversió és aquiral . Comprovem-ho amb l'objecte que hem analitzat abans:

Un objecte amb un centre de simetria o d’inversió és aquiral: l’objecte i la seva imatge especular són idèntiques.

irotació 180º

Fins ara, només hem parlat d’objectes, però a nosaltres ens interessen les molècules. Hem dit que

hi ha molècules quirals i, també n’hi ha d’aquirals. Com les reconeixem? Quines propietats tenen? Veiem-ho a continuació.

2. Quiralitat de les molècules

Per a reconèixer la quiralitat de les molècules podem fer el mateix que per a distingir les dues mans. Si una molècula no és superposable amb la seva imatge de mirall o especular, aleshores és quiral. També ho podem saber analitzant la seva simetria. Si veiem que la molècula té un pla de simetria o un centre d'inversió , aleshores serà aquiral. Comencem per veure exemples de molècules aquirals i després veurem què caracteritza les molècules quirals :

2.1 Molècules aquirals

L'etè és una molècula plana per l'existència del doble enllaç. Si analitzem la seva simetria, veurem

que és altament simètrica. Té tres plans de simetria. Per tant, l'etè és una molècula aquiral. Les molècules planes són sempre aquirals perquè el prop i pla de la molècula és un pla de simetria .

H CH

CH

HH C

H

CH

HHC

H

CH

H

L'etè és una molècula plana i

altament simètrica per la presència

del doble enllaç i, per tant, aquiral.

σ

σ

σ

Els alquens que resulten de la substitució del doble enllaç continuen sent aquirals si els

substituents també ho són. Veiem-ho en aquests dos exemples, el propè i l’1-butè . Si t'hi fixes, ni el propè (a l'esquerra) ni l'1-butè (a la dreta) són perfectament plans ja que alguns

dels àtoms dels substituents es troben fora del pla del doble enllaç. Tot i així, són aquirals perquè els enllaços senzills C-C poden rotar per a adoptar una conformació caracteritzada per un pla de simetria.


4

En el grup metil, els hidrogens intercanvien tan ràpidament les seves posicions que fins i tot ens el podem mirar com si fos un conus simètric. El grup etil pot adoptar una conformació alternada antiperiplanar amb el mateix pla de simetria que el doble enllaç. Veurem que qualsevol molècula que pugui adoptar una conformació aquiral, és sempre aq uiral tot i que la resta de conformacions no ho siguin .

C CH

CH

H

H

HH

CH

CH

HC C

H

CH

H

C

HH

H

HH CH

HH

H

H

H

CH2

σ σ

El grup etil pot adoptar una conformació antiperiplanar. Així, hi ha un pla de simetria que coincideix amb el pla del doble enllaç.L'1-butè té un pla de simetria i és aquiral

σEl grup metil és com un conus perquè l'enllaç C-C rota molt ràpidament.El propè té un pla de simetria i és aquiral.

propè 1-butè

Els poliens conjugats i els arens o compostos aromàtics són exemples típics de molècules planes. Els àtoms que participen del sistema π d'aquestes molècules tendeixen a estar en el mateix pla per a afavorir al màxim la deslocalització electrònica. A més de les propietats electròniques i de reactivitat que la conjugació o l'aromaticitat comporten, normalment són molècules aquirals perquè el pla de la molècula és un pla de simetria. Mirem els exemples d'un poliè conjugat com l'1,3-butadiè i d'un compost aromàtic com el benzè.

les molècules aromàtiquescom el benzè són planes

l'1,3-butadiè és plaperquè els dos doblesenllaços estan conjugats

σ σ

Totes dues són molècules amb un alt grau de simetria i, per tant, aquirals. A mode d'exercici tracta de deduir-ne els elements de simetria que presenten. Recorda que tot i que en les imatges i representacions més habituals es localitzen els dobles enllaços, la conjugació comporta una deslocalització dels electrons que formen els enllaços π.

De forma equivalent al que succeïa en els alquens, si substituïm el sistema conjugat o l'anell

aromàtic amb grups aquirals, la molècula resultant serà aquiral. Mirem-nos el 3-metilfenol:

OH

CH

H H

L'enllaç C-O pot rotar lliurement. Per tant,a efectes de geometria, el podem considerarcom si fós un conus, i el mateix passa ambel grup metil.Per tant, tot i que la substitució 1,3 de l'anell no és simètrica, la molècula té el pla de l'anell aromàtic com a pla de simetria.La molècula és, per tant, aquiral.

OH

CH

H H

σ

L'etí té forma cilíndrica per la presència del triple enllaç. Com un cilindre té infinits plans de

simetria que contenen l'eix, la molècula serà aquiral. Les molècules amb simetria cilíndrica són aquirals .

H C C H l'etí és una molècula cilíndrica i,per tant, aquiral


5

A similitud del que passava amb els dobles enllaços, si el triple enllaç se substitueix per grups aquirals, com el grup metil del propí, la molècula que en resulta és aquiral. El grup metil, que podem considerar com un conus simètric per la rotació de l'enllaç senzill C-C, no altera la simetria cilíndrica del triple enllaç del propí, que tindrà forma de cilindre i serà aquiral.

C C C H

H

H H

C C C H

H

H H el grup metil no altera la simetriacilíndrica del triple enllaç:el propí és una molècula aquiral

A l'1-pentí , el substituent propil pot adoptar una conformació extesa i simètrica al voltant d'un pla de simetria que inclou el triple enllaç. L'1-pentí serà també aquiral.

L'1-pentí és una molècula aquiral perquè el grup propil pot adoptar una conformació extesa i simètrica al voltant d'un pla de simetria que inclou el triple enllaç.

C C C HC

C

H H

H H

H

H Hσ

Fins ara, hem parlat essencialment de molècules amb dobles i triples enllaços, però molt poc pel que fa de molècules que només tenen àtoms sp3. Comencem per veure els alcans més senzills:

El metà és aquiral perque té forma de tetràedre simètric.

H

C

H

HH

En la direcció de cada enllaç C-H hi conflueixen tres plans de simetria.

El metà és altament simètric i, per tant, aquiral

H

C

H

HH

σ σσ

Quan els alcans tenen més àtoms, l'estructura es veu influïda per l'equilibri conformacional que provoca la rotació dels enllaços senzills. No obstant això, sabem que els enllaços C-C tendeixen a adoptar una conformació antiperiplanar per ser la de menor energia. Com a resultat, els alcans tenen una forma en zig-zag característica. Els alcans lineals seran aquirals, ja que la confor mació extesa més favorable té un pla de simetria que conté l'eix de la molècula .

H

HH

H H

HH

HH

H

H

H

σσ

σ

la conformació alternada de l'età és aquiral, amb tres plans de simetria.

H3C

HH

H H

CH3CH3

HH

H

CH3

H

σ

el butà és aquiral perquè la conformacióantiperiplanar té un pla de simetriaH

H H

H H

H

H H

H Hσ

l'hexà és aquiral ja que la seva conformacióextesa en zig-zag té un pla de simetria

H H

H H

H

H H

H H

H HH

H Hσ


6

En els alcans ramificats resulta més difícil conèixer quina és la conformació més favorable pels efectes d'impediment estèric dels substituents. Veurem que la conformació més estable no té perquè ser precisament la més simètrica. De totes formes, ara t'ho has de creure, amb independència de quina sigui la seva estabiltat, la conformació més simètrica serà la que caracteritza millor la simetria de la molècula. Si la conformació més simètrica és aquiral, aleshores la molècula serà aquiral. Per tant, per a comprovar que un alcà ramificat és aquiral, el millor és representar-lo en la seva conformació més extesa i simètrica possible. Per a veure-ho sobre el paper, resulten molt útil les representacions en zig-zag dels enllaços C-C i falques per als substituents. Veiem-ho amb un exemple. Hi ha cinc possibles isòmers C6H14 i tots ells són aquirals.

hexà

H

2-metilpentà 3-metilpentà

H

2,2-dimetilbutà

HH

2,3-dimetilbutà

σ σ σ σ σ

2.2 Molècules quirals i centres quirals

Fins ara només hem vist molècules aquirals, que es es caracteritzen per la presència d’un pla de simetria o bé un centre de simetria. Les molècules planes, com ara les que contenen dobles enllaços o anells aromàtics, i les molècules cilíndriques, per exemple, amb triples enllaços, no són quirals. Podem concloure que els àtoms sp 2 dels dobles enllaços i els àtoms sp dels triples enllaços no són per sí sols origen de quiralitat . Veiem-ho amb més exemples :

A H-C(=O)-Cl, el carboni sp2 està unit fins a tres àtoms diferents. Tot i així, la molècula és aquiral

perquè el pla del doble enllaç és un pla de simetria.

La molècula és plana i aquiral encara que el carboni sp2 estigui enllaçat a tres àtoms diferents. El pla de simetria inclou els quatre àtoms.

σ

HC

O

Clsp2

C OH

Cl

σsp2

Un àtom sp tampoc deixa de tenir simetria cilíndrica encara que estigui enllaçat a dos àtoms

diferents. Com a exemple, el cianur d’hidrogen, HCN:

L’HCN és una molècula aquiral tot i que el carboni sp estigui enllaçat a dos àtoms diferents:

sp

H C Ninfinit nombrede plans de simetriaal llarg de l'eix

Què passa amb els àtoms sp 3?

Si els quatre substituents són idèntics, òbviament el tetraedre és simètric. També ho serà si està

enllaçat a tres àtoms d’un tipus i un d’un altre, o a dos de cada. En canvi, el tetraedre deixa de tenir un pla de simetria si els quatre àtoms són diferents. Tenim aleshores un àtom tetraèdric quiral. És el que anomenem centre quiral , per a destacar que és un àtom que origina quiralitat. Com un centre quiral és un àtom amb quatre substituents diferents , no té simetria i per això, també se sol anomenar centre asimètric . Només els carbonis sp 3 poden ser centres quirals; els carbonis sp 2 i sp no ho són mai.

Una molècula amb un únic centre quiral sempre és qu iral . Comprovem-ho amb els següents

halometans. A la dreta i a l’esquerra hi tens les dues molècules imatges especulars una de l’altra. Compara-les i dedueix tu mateix(a) quines són quirals:


7

Clorometà: El carboni sp3 està enllaçat a dos tipus d’àtoms diferents, 3 hidrogens i 1 clor. El clorometà és aquiral.

Diclorometà: El carboni sp3 està enllaçat a dos tipus d’àtoms diferents, 2 hidrogens i 2 clors. El diclorometà és aquiral.

Bromoclorometà: El carboni sp3 està enllaçat a tres tipus d’àtoms diferents, 1 hidrogen, 1 clor i 1 brom. El bromoclorometà és aquiral.

Bromoclorofluorometà: El carboni sp3 està enllaçat a quatre tipus d’àtoms diferents, 1 hidrogen, 1 clor, 1 brom i 1 flúor. El bromoclorofluorometà és quiral .

De les quatre molècules, el bromoclorofluorometà és l´única molècula en què el carboni sp3 està

enllaçat a quatre àtoms diferents. Per tant, aquest carboni és un centre quiral i el corresponent bromoclorofluorometà és quiral. Podíem haver-ho deduït també per mitjà de la simetria. Les altres tres molècules, clorometà, diclorometà i bromoclorometà tenen com a mínim un pla de simetria, però no en trobem cap en el bromoclorofluorometà.

ClH

H

H

σH

C

H

HCl

σσ

Cl

H

Cl

σ

H

C

Cl

HCl

Hσσσ

σ

Br

C

H

HCl

σ

ClH

Br

H

σBr

C

F

HCl Cl

Br

F

H

no té cap pla de simetria

aquiral aquiral

aquiral

quiral

Els centres quirals més fàcils de reconèixer són aquells àtoms sp3 (no només ho són els carbonis) que s’enllacen a quatre àtoms diferents, com el que presenta el bromoclorofluorometà. No obstant això, hi pot haver centres quirals en què els àtoms a què s’enllaça siguin tots del mateix tipus, per exemple, carbonis. Aleshores cal fixar-se en els substituents. Un centre quiral serà aquell àtom sp 3 unit a quatre àtoms o grups diferents* . Examinem-ho en els dos següents compostos C7H16:

3,3-Dimetilpentà: El carboni 3 està enllaçat a dos grups metil i dos grups etil. En una conformació extesa té un pla de simetria. Per tant, és un compost aquiral

H3C CH3

H3C CH3

σ

3

3-Metilhexà: El carboni 3 està enllaçat a quatre grups diferents: un hidrogen, un grup metil, un grup etil i un grup propil. No hi pot haver un pla de simetria. És doncs un compost quiral.

H3CH3C H

3 CH3

centre quiral: C sp3 enllaçat a quatre grups diferents


8

Habitualment, la presència d’un centre quiral se sol assenyalar amb un asterisc (*). Per exemple, en l’anterior molècula:

H3CH3C H

CH3centre quiral

H3CH3C H

CH3*

*Centre quiral equival a centre asimètric . Els centres quirals o asimètrics són també estereocentres o centres estereogènics . Tot i que normalment coincideixen, cal anar en compte en fer-los servir indistintament ja que el concepte d’estereocentre o centre estereogènic és més ampli que el de centre quiral o asimètric. Estereocentre o centre estereogènic és tot aquell àtom en que la permutació de dos dels seus s ubstituents condueix a un estereoisòmer diferen t de l’inicial. Tot centre quiral és estereogènic, però hi pot haver centres estereogèncis que no són centres quirals. Uns exemples:

H3CH3C H

CH3centre quiral iestereogènic

H3C

H

CH3

H

no són centres quirals però, en canvi, si són estereogènics

La quiralitat sempre està lligada a la presència de centres quirals?

La presència de més d’un centre quiral no garantiza que la molècula sigui quiral. Hi ha molècules

amb més d’un centre quiral que són aquirals . Veurem que hi pot haver també molècules quirals sense centres quirals .

Veiem-ne un exemple de cada:

Cl

H3C CH3

ClHH

σ

* *

2,3-diclorobutà

El 2,3-diclorobutà representat a l’esquerra és aquiral, ja que coincideix plenament amb la seva imatge especular. No t’estranyi que ens el mirem en la seva conformació sinperiplanar menys estable. Ja havíem dit abans que qualsevol molècula que adopti una conformació aquiral, encara que poc estable com l’actual, serà aquiral.

Tot i ser una molècula aquiral, té dos centres quirals en els carbonis 2 i 3. És un exemple de molècula aquiral amb centres quirals, que anomenem foma meso.

El dimetilal.lè de la dreta és una

molècula quiral sense centres quirals. Veuràs que no el pots superposar amb la seva imatge especular de la dreta. Això és així perquè té forma helicoïdal. Tot i ser una molècula quiral, cap dels seus carbonis és un centre quiral: dos carbonis sp2, un carboni central sp i dos grups metil.

El dimetilal.lè és una molècula quiral, de geometria helicoïdal, sense centres quirals A l’apartat 8 hi veurem més exemples.


9

Tots els centres quirals són carbonis? Els centres quirals no es limiten únicament al carb oni , sinó que ho pot ser qualsevol àtom sp3,

sempre i quan estigui enllaçat a quatre grups diferents:

• El silici , que pertany al mateix grup que el carboni, mostra un comportament equivalent al carboni. Adopta una hibridació sp3 i pot ser un centre quiral si està unit a quatre grups diferents entre sí.

H3CSi

CH2CH3

Ph H

CH3

SiCH3CH2

H Ph

• El nitrogen d’una amina terciària NR1R2R3 en què R1≠R2≠R3 és un centre quiral, ja que és un àtom de geometria tetraèdrica amb quatre substituents diferents: els tres grups alquil, i … el parell d’electrons no enllaçants!. No obstant això, a diferència d’altres molècules quirals en què les dues possibles imatges especulars són dues molècules diferents i, per tant, aïllables, això aquí no és possible.

El nitrogen experimenta un procés d’inversió piramidal que interconverteix una amina en l’altra sense remei. Per tant, acabarem tenint una barreja en equilibri de les dues possibles amines. Com totes són igualment quirals i es troben en igual proporció, una compensarà la quiralitat de l’altra i la barreja en equilibri serà aquiral. Més avall veurem que a una barreja d’aquest tipus en diem barreja racèmica o racemat .

CH3CH2

NCH2CH2CH3

H

N NCH3CH2CH2

NCH2CH2CH3

Hinversió de nitrogen

No obstant això, hi ha molècules nitrogenades en què es poden aïllar les dues formes quirals.

És el cas de molècules rígides en què no hi pot haver equilibri conformacional perquè els enllaços no poden rotar. També hi ha sals d’amoni quaternàries quirals que poden ser aïllades perquè la inversió piramidal és molt lenta.

• Hi pot haver compostos de fósfor quirals

ja que tant el fósfor (III) com el fósfor (V) adopten una hibridació sp3. A diferència del nitrogen, en els compostos de fósfor (III), la inversió piramidal és molt lenta i, per tant, les dues possibles formes quirals no s’interconverteixen una en l’altra. Veiem un exemple d’un compost quiral de fósfor (III) i un altre de fósfor (V):

CH3

PCH2CH3

Ph

CH3CH2

PCH3

Ph

CH3

PCH2CH3

Ph O

CH3CH2

PCH3

PhO

• Els derivats de sofre d’estructura R1S(=O)R2 (anomenats sulfòxids) també poden ser quirals si R1≠R2. L’àtom de sofre té hibridació sp3 i està substituït per quatre grups diferents: R1, R2, l’àtom d’oxigen i un parell d’electrons no enllaçants. Per tant, el sofre és un centre quiral. Veiem les dues formes quirals del fenilmetilsulfòxid:

PhS

CH3

O

CH3

SPh

O


10

3. Nomenclatura de Cahn-Ingold-Prelog Com distingim les dues possibles configuracions d'un centre quiral? Sabem que són diferents

perquè difereixen en la disposició relativa dels grups en l'espai, i perquè quan intentem superposar una sobre l'altra no coincideixen. Com les anomenem per a saber quina és quina?

Una manera pràctica de solucionar el problema consistiria en enfrontar les mans a un objecte

quiral del que sabem que és de dreta o désquerra, per exemple, un guant dret. Podem dir aleshores que la mà dreta és aquella en què hi entra bé el guant dret, i la mà esquerra aquella en què costa posar-se´l. Aquesta ha estat la manera clàssica per a anomenar les molècules quirals i que es continua fent servir en alguns compostos. La configuració del centre quiral s'estableix per similitud o correlació amb léstructura dúna molècula quiral de referència (que actua a mode de guant dret). Segurament saps que els aminoàcids que formen les proteïnes són majoritàriament L-aminoàcids, mentre que els monosacàrids més habituals en els sucres són D. Els compostos s'anomenen L o D segons com es disposen els substituents dún únic i determinat centre quiral (el carboni α en els aminoàcids i en els sucres, el carboni estereogènic més allunyat del carbonil) en relació al carboni estereogènic del gliceralderid natural.

H OH

CHO

HO H

H OH

H OH

CH2OH

H2N H

CO2H

CH2OH

H OH

CHO

CH2OH

D-Gliceraldehid

a la dreta, D

L-Serina

a l'esquerra, L

D-Glucosa

a la dreta, D

Com en la major part de les molècules quirals hi ha més dún centre quiral, podem pensar que una nomenclatura relativa com lánterior és insuficient. Cal disposar dúnes regles que amb independència de léstructura global de la molècula, ens permetin fixar de forma individualitzada la configuració absoluta de cada centre quiral. Això és el que es pot fer amb les regles de Cahn, Ingold i Prelog (normes o nomenclatura CIP) . També les veuràs anomenades com regles R/S, per ser aquestes les lletres amb què sídentifiquen les dues possibles configuracions dels substituents d’un centre quiral. Aquestes regles permeten atorgar una configuració absoluta d’un centre quiral amb independència del tipus de molècula a què pertany i dels grups a què sénllaça. Si la molècula té més dún centre quiral, aleshores cada un délls es nomencla de forma individual i independent dels altres. Com sápliquen?

1) Es prioritzen els substituents per ordre decreixent de nombre atòmic de l'àtom directament unit al centre quiral. Per exemple, Br > Cl > F > O > N > C > D (2H) > H. 2) Si el primer àtom no permet prioritzar un substituent sobre láltre, es recorre la cadena fins a trobar el primer àtom que ho permeti. En aquests casos resulta útil desenvolupar al màxim léstructura per a mostrar la conectivitat dels àtoms.

C

H

H

HCH3 CH2OH C O HH

H

Els dos substituents següents tenen un carboni com a primer àtomPer a prioritzar-los, cal seguir analitzant la resta d'àtoms de la cadena, fins a trobar el primer punt de diferenciació.

3 x C-H 2 x C-H1 x C-O

En el metil, els tres àtoms directament units al carboni són hidrogens. A CH2OH, el carboni està enllaçat a dos hidrogens i un oxigen. L'oxigen té major nombre atòmic que l'hidrogen. Per tant, cal donar major prioritat al grup CH2OH: -CH2OH > -CH3


11

3) Si es comparen dos grups alquil, la prioritat és carboni quaternari > carboni terciari > carboni secundari > carboni primari. En el cas que el primer carboni no permeti discernir, s'atorga major prioritat al grup que poseeix el carboni més substituït i més proper al centre quiral.

CH3 CH

El grau de substitució del carboni determina la priorització dels grups metil (primari), etil (secundari), isopropil (terciari) i terc-butil (quaternari):

CH3

CH3

CH2 CH3 C

CH3

CH3

CH3

Podem prioritzar-los comptant el nombre d'enllaços C-C que forma el carboni ramificat. Com el carboni té major prioritat que l'H, el grup de major prioritat serà el de major nombre d'enllaços C-C:

C

H

H

HC

H

C

H

H

H

H

3 x C-H 2 x C-H1 x C-C

C

C

C

H

H

H

H

H

HH

1 x C-H2 x C-C

C

C

C

C

H

H

H

H

HH

H

H H

3 x C-C

1234prioritat:

4) Per tal dáplicar adequadament les regles de prioritat sobre els substituents amb dobles i triples enllaços, se solen representar dúna forma alternativa:

CH CH2

C

O

H

C CH

C

O

OH

C

C

C

H

C

H

H

C

C

C

C

C

H

C

C

O

OC

O

O

O

H

C C

C N C

N

N

N

H

C

C

Cal tenir en compte que aquestes no són representacions reals de la connectivitat dels àtoms , ja que hi apareixen carbonis i oxigens que no compleixen la regla de l'octet. Només serveixen com a representacions sobre les que aplicar adequadament les normes R/S.

5) En el cas que un dels substituents sigui un parell d'electrons no enllaçants, se li atorga l'ordre de prioritat més baix. 6) Un cops ordenats els substituents per prioritat, es disposa el centre quiral de manera que el substituent de menor prioritat quedi al darrere, i aleshores es determina el sentit de gir dels altres substituents en l’ordre1-2-3. Si el sentit de gir és horari, el centre quiral té configuració R (del llatí rectus, que vol dir dret o correcte). Si en anar del grup 1 al 3 el sentit és antihorari, aleshores la configuració és S (del llatí sinister, que vol esquerre).

2 3

4 1

3 2

1 4

D D

1) es posiciona el substituent de menor prioritat al darrere

2) el sentit de gir dels substituentsde major prioritat (1-2-3) determinala configuració del centre quiral sentit horari:

Rsentit antihorari:

S

E E

Conveni per a assignar la configuració absoluta d'un centre quiral:


12

Donat que l'assignació R/S dels centres quirals és inequívoca , cal que figuri en el nom per a descriure l'estructura del compost amb total exactitud. Si no indiquem la configuració dels centres quirals no podrem saber a quin estereoisòmer ens estem referint. La configuració de la molècula síndica davant del nom i entre parèntesi, amb el localitzador i lássignació R/S de cadascun dels centres quirals.

Veiem ara l'aplicació de les normes CIP en quatre molècules:

priorització dels substituents: Br > Cl > F >H

colocant l'hidrogen al darrera, el sentit de gir dels tres substituents de major prioritat és horari -> configuració R

1

2

3

4

Br

F Cl

1

23

Br

C

FCl

1

2

3

4H

Exemple 1:Br

C

F

HCl

Br

C

FH

Cl

l'isòmer representat és l'(R)-bromoclorofluorometà

H3CH CH3

CH3

CH3CH2 CH2CH2CH3

H CH3

CH3CH2 CH2CH2CH3

H CH3

H C

H

H

C C

H

H

H

H

H

C C

H

C

HH

H H

H

H

Exemple 2:

*

La molècula té un únic centre quiral (*). Dels quatre substituents, tres mostren un carbonidirectament enllaçat al centre quiral

Cal recórrer les cadenes dels substituents alquil fins a trobar el primer punt de divergència:

Prenent dos àtoms, CC té preferència sobre CH -> el grup metil és el grup 3

4

4

CH3CH2 CH2CH2CH3

H CH3

C C

H

H

H

H

H

C C

H

C

HH

H H

H

H

Per a discernir entre el substituent etil i propil, ens mirem el tercer àtom: CCC té preferència sobre CCH -> el grup propil és el grup 1 i el grup etil, 2.

4 3

2 1

Col.locant el susbtituent de menor preferència al darrere, el sentit de gir per anar de 1 a 3 és antihorari -> Configuració S

CH3CH2 CH2CH2CH3

H CH34 3

2 1CH3CH2CH2 CH2CH3

H3C H43

21

CH3

CH3CH2CH2 CH2CH3

3

21

(S)-3-metilhexàS


13

Cl

-O2C CH3

Cl

C-O2C

CH3H

CH3C

Cl

C

H

O

O

CH3C

Cl

C

H

O

O

C

H

H

H

C

O C

O

O

CH3

C

O

O

CH3C

Cl

C

H

O

O

Prioritzant, el clor és el substituent 1 i l'hidrogen és el 4. Per a prioritzar els dos altres substituents amb carboni, cal analitzar la resta d'àtoms.

1 4

1

3

2

1

32

4

Exemple 3:

Tenint en compte el segon àtom, es pot deduir que el grup carboxilat té prioritat sobre el grup metil (O > H).

Segons el conveni acceptat, cal representar el grup carboxilat d'una forma alternativa per a mostrar adequadament la conectivitat dels àtoms del doble enllaç:

1 4

23

Completada la priorització dels substituents, es reorienta la molècula per a situar el substituent de menor prioritat al darrere i es determina la configuració amb el sentit de gir en anar de 1 a 3:

El sentit és antihorari, per tant, la configuració és S.

El compost és l'(S)-2-cloropropanoat

CH3

H

HCl

CH3

H

HCl

D

CH3

H

HCl

CH2

-CH2CH2CH2

CH3

H

CHClR

D -CH2CH2CH2

CH2

HCl

CH-CH3CH2 R

-CH2CH2CH2

CH2

HCl

CH-CH3CH2

Exemple 4:

La molècula té dos centres quirals (*)

*

*

E

Es consideren com a substituentsels grups units al carboni quiraltot i que en aquest cas dos d'ells forminpart del mateix cicle. Per a prioritzar-los,se segueix la seqüència d'àtoms com sino fossin part del cicle fins a trobar el quepermeti distingir-los:

32

1

4

E1

2

34

1

2

34

la molècula representada és doncs (1R,3R)-1-cloro-3-metilciclohexà

quatre substituents diferents: H, CH3, CH2CH2CH2-(cicle), CH2CHClCH2-(cicle)

quatre substituents diferents: H, Cl, CH2CH(CH3)CH2-(cicle), CH2CH2CH2-(cicle)

CH3

H

HCl


14

4. Isòmers configuracionals: Enantiòmers i Diastere òmers Hem vist que una molècula que posseix un centre quiral és una molècula quiral, perquè és diferent

de la seva imatge especular. Aquestes dues molècules, l’original i la seva imatge, tenen la mateixa conectivitat d'àtoms, o sia constitució, però es diferencien en com es disposen els seus grups en l'espai. En aquest cas, diem que les dues molècules tenen idèntica constitució però diferent configuració *. Per tant, es tracta d’un altre tipus déstereoisomeria, diferent de la conformacional. Els isòmers estereoisòmers que es diferencien en les seves conf iguracions s’anomenen isòmers configuracionals .

Una configuració * és l’estructura que difereix d’una altra amb idèn tica constitució o

conectivitat dels àtoms per la disposició dels àtom s en l’espai i que no es pot transformar per rotació dels enllaços senzills .

A diferència dels isòmers conformacionals o conformacions, les diferents estructures que pot

adoptar una molècula com a resultat de la rotació dels enllaços senzills, els isòmers configuracionals són sempre molècules diferents i, per tant, poden ser aïllats i presenten propietats diferents. Per a transformar un isòmer configuracional en un altre caldria dur a terme un procés químic en el que es trenquessin i es formessin enllaços. Recorda que els isòmers conformacionals rarament els podrem separar, perquè l’equilibri conformacional que s’estableix els interconverteix contínuament un en l’altre. Això només serà possible a molt baixa temperatura, ja que aleshores la molècula no té prou energia per a superar les barreres de potencial associades a la rotació dels enllaços o bé, en molècules en què la rotació dels enllaços està excepcionalment impedida per efectes estèrics (vegeu l’apartat 8.3).

CH3

H

H

CH3

H Hl'enllaç C-C de butà pot rotar lliurement.

A temperatura ambient no podem aïllar cap d'aquestes conformacions sense que es torni a

interconvertir una en l'altra

H

H

CH3

CH3

H H H

H3C

H

CH3

H H

H CH3

H3C H

(Z)-butè i (E)-butè són isòmers configuracionals perquè el doble enllaç C=C NO pot rotar

a temperatura ambient

H3C CH3

H H

isòmers configuracionals:estereoisòmers que no es poden interconvertir

per rotació dels enllaços senzills. Són, per tant, molècules diferents

isòmers conformacionals:estructures d'una mateixa molècula

que resulten de la rotació dels enllaços senzills

H3C Br

Cl H

Br CH3

Cl H1-bromo-1-cloroetans, imatges especulars

un de l'altre que no se superposen.Són isòmers configuracionals ja que

per transformar un en l'altre caldria trencar i formar enllaços

* Tot i que es fa servir la mateixa paraula, cal no confondre configuració d’una molècula , amb què es diferencia l’estructura tridimensional de dos estereoisòmers, i la configuració absoluta d’un centre quiral , que es refereix a la disposició relativa en l’espai dels substituents d’un àtom sp3 asimètric i que s’assigna de forma inequívoca per mitjà de les regles Cahn-Ingold-Prelog amb els descriptors R ó S.


15

Els estereoisòmers configuracionals poden ser de dos tipus, enantiòmers o diastereòmers. Els enantiòmers són una parella d’isòmers configuracionals amb estructures que són imatge

especular una de l’altra i que un cop superposades, no coincideixen en la disposició dels àtoms. Per tant, la parella d’enantiòmers sempre està formada per molècules quirals, com les dues mans. Dit d’una altra manera, una molècula quiral té sempre un enantiòmer .

Per exemple, l’anió 2-cloropropanoat és quiral perquè el carboni 2 és quiral. Com que té un únic centre quiral, amb estructura de 2-cloropropanoat hi ha dues possibles configuracions o isòmers configuracionals: (R)-cloropropanoat i (S)-cloropropanoat. D’aquí es dedueix una propietat dels enantiòmers: dos enantiòmers es caracteritzen per tenir configur acions absolutes oposades en tots i cada un dels seus centres quirals **.

H3C CO2

Cl H

O2C CH3

Cl H

parella d'enantiòmers amb estructura de 2-cloropropanoat

S R

Comprovem-ho ara en molècules amb més d’un centres quirals, per exemple, dos enantiòmers

d’estructura 3-bromo-2-butanol:

H3CCH3

Br H

HO HH3C

CH3

HO H

Br HS R

S R

(2S,3S)-3-bromo-2-butanol

(2R,3R)-3-bromo-2-butanol

Veurem que per a molècules amb n centres quirals, hi ha com a màxim 2 n possibles

configuracions i, per tant, com a màxim, n possible s parelles d’enantiòmers . Per exemple, amb estructura 3-bromo-2-butanol no només hi ha la parella (2S,3S) i (2R,3S) que representàvem abans, sinó que hi ha una altra possible parella d’enantiòmers, en concret, els isòmers (2S,3R) i (2R,3S). Aleshores, quina relació hi ha doncs entre els (2S,3S) i (2S,3R), ó bé els (2R,3S) i (2R,3S)? Doncs fàcil, els isòmers configuracionals que no són imatges especulars un de l’altre s’anomenen diastereòmers . Dit d’una altra manera, els isòmers configuracionals que no són enantiòmers , són diastereòmers .

CH3

H Br

HO H

CH3

CH3

Br H

H OH

CH3

H3C C

OH

H

C

Br

H

CH3* *

2 centres quiralsmàx. 22 = 4 configuracions

enantiòmers(2S,3S) (2R,3R)

diastereòmers

CH3

H Br

H OH

CH3

CH3

Br H

HO H

CH3

(2R,3S) (2S,3R)enantiòmers

diastereòmers diastereòmers

Ara que sabem quins són els tipus d’isòmers configuracionals**, estudiem algunes de les seves propietats. Comencem per conèixer com afecta la quiralitat a les propietats físiques i químiques d’una molècula. ** Veurem que no tots els isòmers configuracionals són quirals . Hi ha molècules amb centres quirals, disposats la disposicó dels quals comporta que l'estructura sigui globalment aquiral, com ara, les formes meso . També, hi ha isòmers configuracionals sense centres quirals . És el cas d'alguns dels anomenats isòmers Cis-Trans en cicloalcans i alquens (també anomenats E/Z). Tot això, ho estudiarem en els propers apartats.


16

5. Activitat òptica

Fins al moment hem vist com saber si una molècula és quiral o no. Ara, encara no sabem res sobre quines propietats manifesten les molècules quirals ni de com aquestes ens permeten identificar-les. Una de les propietats físiques que presenten les molècules quirals és l'activitat òptica . Veiem el que vol dir.

La llum és una radiació electromagnètica policromàtica, és a dir, formada per diferents longituds

d'ona. L'energia emesa per aquesta radiació varia de forma oscil.latòria, com qualsevol camp electromagnètic, i es transmet en totes les possibles direccions de l'espai. Per això es diu que la llum normal és una radiació isotròpica. No obstant això, s'ha vist que si fem passar la llum per determinats materials, aconseguim que es transmeti en un únic pla de l'espai. És el que anomenem polaritzador , ja que la llum ha estat polaritzada, és a dir, es propaga oscil.lant en un únic pla. En fer passar la llum polaritzada per una dissolució d’una molècula quira l, s'observa la desviació del pla en què la radiació es transmet . Aquest fenòmen rep el nom dáctivitat òptica i a la tècnica amb què s'estudia, polarimetria . Per contra, les molècules aquirals no mostren activitat òptica .

L'activitat òptica es quantifica per mitjà de l'angle de rotació òptica ( αααα) que formen el pla de

propagació de la llum polaritzada abans i després de passar per la dissolució molecular. Si la molècula és aquiral, no hi ha activitat òptica i per tant, l'angle α és 0 perquè la radiació se segueix emetent en el mateix pla. Si en canvi, hi ha una molècula quiral la rotació òptica serà ≠0. Com la rotació òptica α depèn de la concentració de la molècula i de la longitud de la cubeta amb què es mesura, se sol calcular una rotació òptica corregida, [αααα]D o rotació específica :

El subíndex D indica que s'ha emprat la radiació monocromàtica que emet el sodi a 589 nm, anomenada línia D com a font de llum incident. S'evita així haver de tenir en compte la variació dels valors de [α] amb la longitud d'ona. També s'han d'indicar el dissolvent i la temperatura de la mesura, ja que aquests dos factors poden alterar l'estat de la molècula. Tot i que en teoria el valor de [α]D és independent de la concentració, s'ha d'assenyalar el valor en què s'ha dut a terme la mesura perquè a partir de certes concentracions pot variar.

OHC OH

HOCH2 H

(R)-2,3-dihidroxipropanal

[α]D23= +9.4º (H2O, c=2)

temperatura

línia D Na (λ 589 nm)

dissolvent

concentració(g/100 cm3)

Si dues molècules quirals són enantiòmers mostraran el mateix valor absolut de rotació

òptica, però amb signes oposats . El que giri el pla de polarització cap a la dreta o amb valors positius de rotació òptica segons la convenció emprada és l'enantiòmer dextrògir i això s'indica amb el símbol (+)


17

davant del nom del compost. L'altre enantiòmer mostrarà l'angle en valor negatiu, serà anomenat levògir o isòmer (-) perquè fa girar el pla de vibració cap a l'esquerra.

OHC OH

HOCH2 H

OHC OH

H CH2OH

(+)-(R)-2,3-dihidroxipropanal[α]D= +9.4º (H2O, c=2)

(-)-(S)-2,3-dihidroxipropanal[α]D= -9.4º (H2O, c=2)

Si es mesura l'activitat òptica de la barreja 1:1 dels dos enantiòmers veurem que és nul.la. Podem

pensar que la quiralitat d'un enantiòmer ha compensat la de l'altre, i per això la barreja equimolar mostra el mateix comportament que una molècula aquiral. A la barreja equimolar de dos enantiòmers en diem barreja racèmica o racemat .

OHC OH

HOCH2 H

OHC OH

H CH2OH

(R)-2,3-dihidroxipropanal[α]D= +9.4º

(S)-2,3-dihidroxipropanal[α]D= -9.4º

barreja 1:1 (racèmic)[α]D= 0º

La rotació òptica ens serveix per a caracteritzar una parella d'enantiòmers, ja que tots dos tindran

el mateix valor absolut de rotació, però amb signes oposats. No obstant això, la polarimetria té els seus límits. No hi ha cap relació entre el valor experimental de rotació òptica (+/-) i la configuració R/S de la molècula estudiada (encara que només tingui un estereocentre). Fent un símil, és com si haguéssim pogut arribar a saber que la mà dreta és enantiòmer de la mà esquerra, però no poguessim saber per què una és la "esquerra" ni l'altra la "dreta". Veureu més endavant que hi ha maneres de poder-ho fer. Tampoc no hi ha cap relació entre l'estructura i els valors de rotació òptica. Dues molècules que tinguin constitucions similars, res indica que hagin de mostrar valors similars de [α]D, ni tan sols el mateix signe. Per exemple, tot i ser molt similars constitucionalment i que coincideixen en el descriptor de la seva configuració, l'(R)-gliceraldehid (2,3-dihidroxipropanal) i la sal càlcica de l'àcid (R)-glicèric (àc. 2,3-dihidroxipropanoic) tenen signe i valors d'activitat òptica diferents.

Ca2+OHC OH

HOCH2 H

O2C OH

HOCH2 H2

(R)-2,3-dihidroxipropanal((R)-gliceraldehid)

[α]D= +9.4º

(R)-2,3-dihidroxipropanoat de calci(sal càlcica àc. (R)-glicèric)

[α]D= -13.0º La polarimetria és una de les úniques tècniques que ens permet diferenciar dos enantiòmers. En

condicions normals, els enantiòmers són indistingib les . Tenen el mateix punt de fusió i ebullició, i fins i tot, mostren el mateix comportament químic. Només mostren un comportament diferenciat quan l'ambient és quiral, com per exemple, en un medi biològic, ja que aleshores es troben entre molècules quirals. Tornem a l'exemple de les mans per a explicar-ho. Les dues mans ens semblen idèntiques perquè poden fer els mateixos moviments i les podem fer servir per agafar les mateixes coses, però ens adonem que són diferents quan ens intentem posar un guant que no és de la mà que toca. Amb la mà esquerra, el guant esquerre hi entra molt bé, en canvi, costa una mica més si ho provem amb la dreta. Des del punt de vista energètic, aquesta acció és més costosa. Per què? El guant esquerre és asimètric i per tant, quiral. La interacció del guant quiral amb les dues mans quirals no té perquè ser la mateixa. La interacció del guant esquerre amb la mà esquerra és més favorable que amb la dreta. Si per contra


18

el guant hagués estat de laboratori, les dues mans hi entrarien bé. Dit d'una altra manera, els enantiòmers són distingibles en un medi quiral, per què no tenen la mateixa estabilitat .

6. Projecció de Fischer

Per a representar les molècules quirals no cícliques, resulta especialment útil lánomenada projecció de Fischer (Emil E. Fischer, premi Nobel de Química 1902). Consisteix en representar l´àtom tetraèdric per mitjà de la projecció dels quatre enllaços en forma de creu. Per a evitar confusions, sádopta un conveni: els braços verticals corresponen als enllaços que sámaguen, i els horitzontals, els que venen cap a nosaltres. Cal tenir-ho present, ja que si canvies els substituents verticals pels horitzontals estaràs invertint la configuració de lćentre quiral!!.

A

B CD

A

B A

D

C

B

CD

B A

D

C

D

AB

C

Projeccióde Fischer

a la projecció de Fischer els grups que venen cap a l'observador es representen horitzontals i els que s'amaguen darrere el pla, verticals

DE

A més de ser una representació adequada per a molècules quirals, les projeccions de Fischer

poden ser útils per a assignar la configuració dels centres quirals quan no es disposa d'un model tridimensional en què aplicar les regles R/S.

Mira’t la molècula de sota i imagina’t que el ninot és l'observador. El cap i els peus ens assenyalen els subsituents cap enrere en les posicions verticals de la projecció de Fischer. El braç dret i el braç esquerre ens indiquen els substituents que van cap ell i que són horitzontals en la projecció. Aleshores, podem manipular la projecció de Fischer per a què siguin fàcils dáplicar les regles R/S, per exemple, amb el substituent de menor prioritat en un dels braços verticals. El sentit de gir dels grups 1-3 ens indicarà si la configuració és R (horari) o és S (antihorari).

A

B CD

DE

A

D

CB

A

CB

D

priorització CIP:A > B > C > D

Configuració S

com el grup de menor prioritat ocupa una posició vertical (cap enrere), el sentit de gir A-B-C dicta la configuració

Segons com ens mirem el centre quiral, podem tenir projeccions de Fischer diferents. Una altra

projecció de la mateixa molècula mostra ara el substituent de menor proritat en un braç horitzontal. Cal anar aquí en compte, perquè el sentit de gir A-B-C ens donarà la configuració oposada a la real.


19

A

B CD

D

E

A

B

DC

A

DC

B

Configuració S

com el grup de menor prioritat ocupa una posició horitzontal (cap endavant), el sentit de gir A-B-C dicta la configuració oposada

Com podem manipular les projeccions Fischer per a n o cometre errors en aplicar les normes R/S?

• Si s'intercanvia la posició de dos dels substituents, estem invertint la configuració del centre quiral. Si lóperació es repeteix dos cops, la configuració es manté.

A

CB

D

S

canvi A-CC

AB

D

R

inversió deconfiguració

canvi B-CB

AC

D

S


• La configuració també es manté si rotem la projecció 180° al voltant dún eix perpendicular al paper.

A

CB

D

S

retenció deconfiguració

180ºD

BC

A

S

CB

D A

BC

A Didèntiques

• Si la rotació és de 90°, la configuració sínvert irà, ja que estem intercanviant els substituents verticals pels horitzontals.

A

CB

D

S


90ºB

AD

C

R

CB

D A

AD

C BR

AB

D C

enant.


20

• Si es roten les posicions 180° al voltant dún ei x paral.lel al paper, s'inverteix la configuració.

A

CB

D

S

D

CB

A

R

CB

D A

180º

CB

A D

R


BC

D A

enant.

• Es pot modificar la projecció sense invertir la configuració mantenint immòbil una de les posicions i rotant les altres tres.

A

CB

D

S

rotacióA-B-C

B

AC

D

Sretenció deconfiguració

rotacióB-D-C

retenció deconfiguració

D

AB

C

S

CB

D A

AC

D Brotació alvoltant D

rotació alvoltant A

AB

C D

Òbviament, si dues molècules són imatge especular una de l'alt ra, les seves projeccions de Fischer també ho poden ser . Compte, però! Tingues present que hi poden haver vàries maneres de representar una molècula per mitjà d’una projecció Fischer. Assegura't a l'hora de comparar que la posició dels substituents és l'adequada. Caldrà resituar els substituents modificant les projeccions per a veure que efectivament pertanyen a dos enantiòmers. En cas de dubte, es poden aplicar les normes CIP per a determinar la configuració. Dos enantiòmers es caracteritzen per tenir configuracions oposades en els centres quirals, sigui quina sigui la projecció de Fischer amb què es representin. Fixa't en el següent exemple:

CB

D A

BC

D A

A

CB

DS

A

BC

D R

enantiòmers

projeccionsenantiomèriques

CB

D A

BC

D A

DE DE

D

E

D

E

enantiòmers

C

DB

A

B

DC

A

les projeccions no sónimatges especulars.

Podria semblar que nopertanyen a dos enantiòmers

S R


21

Per tant, dos enantiòmers es caracteritzen per tenir una configuració oposada en els centres quirals. Veiem-ho en l'exemple dels anions 2-cloropropanoat:

O2C CH3

Cl H

H3C CO2

Cl H

DD

H

H3C CO2

Cl

H

O2C CH3

Cl

S R

E E

1 1

23 2 3

Si hi ha més d'un centre quiral, els dos possibles enantiòmers presenten una configuració oposada en cada un dels centres quirals. Comprovem-ho en els dues següents molècules:

H3CCH3

Br H

HO HH3C

CH3

HO H

Br H

CH3

H Br

HO H

CH3

CH3

Br H

H OH

CH3

S R

S R


(2R,3R)-3-bromo-2-butanol

La parella d'enantiòmers anterior no és l'única amb la constitució 3-bromo-2-butanol. També hi pot haver aquesta altra parella d'enantiòmers:

H3CCH3

Br H

H OHH3C

CH3

H OH

Br H

CH3

H Br

H OH

CH3

CH3

Br H

HO H

CH3

S R

R S

(2R,3S)-3-bromo-2-butanol

(2S,3R)-3-bromo-2-butanol

No són els mateixos compostos d'abans. Si compares els de dalt amb els de baix, coincideixen en la configuració d'un dels centres quirals. Això no és gens estrany. Veurem que per a una molècula amb n centres quirals, hi ha com a màxim 2n configuracions, és a dir, un màxim de n parelles d'enantiòmers. Els isòmers configuracionals que no són enantiòmers , s’anomenen diastereòmers . Veiem-ho en la següent esquema:


22

CH3

H Br

HO H

CH3

CH3

Br H

H OH

CH3

H3C C

OH

H

C

Br

H

CH3* * 2 centres quiralsmàx. 22 = 4 configuracions

enantiòmers

(2S,3S) (2R,3R)diastereòmers

CH3

H Br

H OH

CH3

CH3

Br H

HO H

CH3

(2R,3S) (2S,3R)enantiòmers


En condicions normals, dos enantiòmers resulten indistingibles per les seves propietats físiques

(peb, pf, densitat, etc.) i químiques. Només podrem posar de manifest la seva quiralitat en un medi quiral, en la que els dos enantiòmers tenen un contingut energètic diferent. L'activitat òptica és una de les propietats que distingeix un enantiòmer de l'altre. Com es comporten dos diastereòmers? Doncs bé, dos diastereòmers poden ser tan diferents com ho són dues molècules sense cap mena de relació estructural. Dos distereòmers tindran peb, pf, densitat,... i rotacions òptiques diferents, en valor absolut i potser també en el signe. Fixa't en les següents dades pels isòmers 3-bromo-2-butanol.

CH3

H Br

HO H

CH3

S

S


[α]D= -1.1ºpeb: 50-51º

δ: 1.4437 g/mL

CH3

H Br

H OH

CH3

CH3

Br H

HO H

CH3

S R

R S

(2R,3S)-3-bromo-2-butanol

[α]D= -13.2º

(2S,3R)-3-bromo-2-butanol

[α]D= +13.2º

peb: 53-54ºδ: 1.4466 g/mL

Pot donar-se el cas que hi hagi isòmers configuracionals quirals i també, aquirals. Analitzem el cas

del 2,3-butandiol. Com té dos centres quirals, pot arribar a tenir quatre isòmers configuracionals. La projecció de Fischer ens pot ser especialment útil per a analitzar la simetria dúna molècula no cíclica. Hem vist que una forma de determinar si una molècula és aquiral consisteix en localitzar un pla de simetria. Doncs bé, una molècula és aquiral si té una projecció de Fisc her amb un pla de simetria . Tot i que les projeccions de Fischer no representen cap conformació de la molècula en particular, d'aparèixer una projecció amb un pla de simetria ens està indicant que la molècula pot adoptar una conformació aquiral, un dels requisits per a que una molècula sigui aquiral. Cal tenir en compte un detall: en una projecció de Fischer els plans de simetria sempre són perpendiculars al pla del paper, verticals o horitzontals. Segons el conveni amb què es representa la projecci ó de Fischer, el pla del paper (o de la pantalla) no pot ser mai un pla de s imetria .


23

CH3

H OH

HO H

CH3

CH3

HO H

H OH

CH3

H3C C

OH

H

C

OH

H

CH3* * 2 estereocentresmàx. 22 = 4 configuracions

enantiòmers

(2S,3S) (2R,3R)diastereòmers

CH3

H OH

H OH

CH3

CH3

HO H

HO H

CH3

(2R,3S) (2S,3R)


idèntics

Els isòmers (2R,3R) i (2S,3S) són enantiòmers. Si analitzem els altres dos isòmers possibles, el (2R,3S) i (2S,3R) haurien de ser enantiòmers, però si ens hi fixem bé, són idèntics!!. Podem donar la volta a la molècula i veurem que les dues configuracions són la mateixa; és a dir, la configuració (2R,3S) (o (2S,3R) si ho prefereixes) és aquiral. Efectivament, si dibuixem la projecció de Fischer més simètrica possible, veiem que té un pla de simetria perpendicular a la projecció. També podem corroborar-ho veient que aquest isòmer té una conformació aquiral. És a dir, el 2,3-butandiol només té 3 isòmers configuracionals, dels quals un d'ells és aquiral. És una forma meso , una molècula amb centres quirals però que és aquiral . Per a distingir-lo dels altres dos isòmers, afegim meso davant del nom.

CH3

H OH

H OH

CH3

σ(2R,3S)-2,3-butandiol és aquiral

H3C

CH3

HOH

HHO CH3

OHH

H3C

HOH

té una projeccióde Fischer amb unpla de simetria

σpot adoptaruna conformació aquiral

La projecció de Fischer resulta especialment útil per a representar cadenes lineals amb més d'un centre quiral. Cal tenir present que a diferència dáltres tipus de representacions, la projecció de Fischer no representa una conformació real per a la molècula . Si té cinc o més carbonis, la projecció de Fischer traslladada a un model tridimensional correspondria a una estructura impossible en la que els àtoms col.lapsen uns amb els altres.

CHO

OHH

OHH

OHH

CH2OH

HOC

H OH HOH

H

OHHO

HH

D-Ribosa

La projecció de Fischer és útil per a indicar les configuracions dels centres quirals però no representa cap conformació de la molècula.


24

Què fer per a traslladar l'estructura d'una molècul a a una projecció de Fischer?

Una solució és construir un model

tridimensional amb varetes, rotant els enllaços adequadament per a complir el conveni de representació: els substituents que venen cap a l'observador són horitzontals i els que en fugen, són verticals. Si ho fas sobre el paper, per a no arribar a una estructura recargolada sobre sí mateixa, pots representar els substituents que fugen de l'observador en línia i pels que s'hi apropen, fés servir les falques.

Veiem-ho amb l’exemple de D-glucosa:

CHO

OHH

HHO

OHH

OHH

OH

HH

H OH

H H H

HO

OH OH H

H

OHHOC

D

D

HOC

H OH OHH

H

HOCH2OH

HOH

H O

HOC

HO H H O H O H HH H H

OH

E

D-Glucosa

cal rotar els enllaços per a disposar-los segons elconveni de Fischer

E

Aquí tens un altre truc que et pot servir per a traslladar una representació zig-zag o cavallet a una projecció Fischer pel que fa als substituents de carbonis quirals consecutius:

Si els grups representats amb una boleta apareixen del mateix costat en la projecció cavallet (mateix tipus de falca), aleshores es trobaran oposats a la de tipus Fischer, i a l’inrevés.

Si el compost conté oxigens en

posicions intermèdies de la cadena, com no són centres quirals, se solen representar lineals a la projecció de Fischer.

Els nitrogens que experimenten la inversió piramidal també els podem considerar no estereogènics. L’equilibració entre enantiòmers anularà la seva quiralitat.

La manera de representar altres grups aquirals que no influeixen en la quiralitat de la molècula, com ara grups alquil, carbonils o dobles enllaços, no segueix cap regla especial. Potser per això, per a no induir a errors en la interpretació de la projecció és millor representar-los de forma condensada, sense desenvolupar els enllaços.

O

CH3H

CH3

CH2CH3

CO

CH3H

CH2CH3

CH3 CH

CH

CH3

H CH3

CH2CH3

NH

CH3H

CH2CH3

CH2CH3

CH2CH3

BrH

CH3

Z

a les projeccions de Fischer no cal desenvolupar els grups que no contribueixen a la quiralitat


25

7. Isomeria Cis/Trans

La isomeria Cis /Trans és un tipus particular d’estereoisomeria que es produeix en cicloalcans i alquens. Per a distingir-los, es prèn l'anell o el doble enllaç com a referència i es veu com es posicionen els substituents. Si es troben a la mateixa cara o del mateix costat parlem d'isòmers cis. Són isòmers trans si els substituents es disposen en cares o sentit diferents. Donat que es tracta d'uns estereoisòmers que difereixen en la disposició en l'espai, però que no són imatges especulars, els isòmers cis /trans són diastereòmers . 7.1 Cicloalcans cis /trans :

La millor manera de diferenciar el isòmers cis/trans en cicloalcans és mitjançant una projecció

plana de la molècula, indicant la disposició relativa dels substituents per mitjà de falques . L'isòmer cis conté els substituents a la mateixa cara, és a dir, representats amb el mateix tipus de falca. En l'isòmer trans els substituents es disposen en direccions diferents i els representem amb un tipus diferenciat de falca. Veiem-ho en els dos isòmers de l'1,2-dimetilciclopropà :

H3C CH3

HH

cis-(1R,2S)-1,2-dimetilciclopropà(aquiral, forma meso)

σ

trans-(1R,2R)-1,2-dimetilciclopropà

(quiral)

R S H3C H

CH3H

R R

enantiòmers

trans-(1S,2S)-1,2-dimetilciclopropà

(quiral)

H CH3

HH3C

S S

Mirem-nos l'isòmer cis. Si projectem la molècula sobre el paper, podem veure que els dos grups metil apareixen dirigits cap a nosaltres o alternativament, fugint de nosaltres. Com la molècula té un pla de simetria, és una molècula aquiral i només hi ha un possible cis-dimetilciclopropà. Els dos carbonis terciaris són centres quirals i, per tant, podem assignar la seva configuració. La molècula representada és l´(1R,2S)-1,2-dimetilciclopropà. Donat que és una molècula aquiral amb centres quirals, és una forma meso. Fixa't que la nomenclatura cis /trans no té per què coincidir amb la configuració R/S de la molècula . És a dir, cis no vol dir que els dos centres quirals tenen la mateixa configuració.

Hi ha dos possibles trans-1,2-dimetilciclopropà, enantiòmers un de l'altre i tots dos, diastereòmers

del compost cis. Ho podem comprovar amb la configuració dels centres quirals. Els isòmers trans són l'(1R,2R)- (el de la dreta) i l'(1S,2S)-1,2-dimetilciclopropà (el de l’esquerra), respectivament. Efectivament, els isòmers cis i trans són diastereòmers perquè no són imatges especulars un de l’altre i no coincideixen les configuracions dels carbonis quirals.

A diferència dels diastereòmers que hem vist fins ara, els isòmers cis/trans poden ser molècules

sense centres quirals. Veiem l'exemple del cis - i del trans -1,3-dimetilciclobutà .

cis-1,3-dimetilciclobutà(aquiral)

H3C CH3

H H

σ

trans-1,3-dimetilciclobutà(aquiral)

H3C H

H CH3

σ

diastereòmers

Els carbonis 1 i 3 d'aquests dos isòmers no són centres quirals, ja que tenen dos substituents idèntics. Les molècules que en resulten són totes dues aquirals, ja que en les conformacions representades hi podem trobar plans de simetria. Tot i així es tracta de dos estereosiòmers que no es poden interconvertir per rotació dels enllaços i que no són imatges especulars. Són doncs dos diastereòmers sense centres quirals.


26

7.2 Alquens cis /trans ó E/Z En un alquè 1,2-disubstituït podem tenir dues possibles disposicions. Per un costat, hi pot haver

un isòmer cis, si els substituents coincideixen en el mateix costat del doble enllaç i un isòmer trans si els dos substituents es disposen en costats diferents. Com un doble enllaç no pot rotar en condicions normals, això vol dir que l'alquè cis i l'alquè trans són dues molècules aïllables i que no es poden interconvertir una en l'altra en condicions normals. Són dos isòmers amb la mateixa constitució però que difereixen en la disposició dels grups al voltant del doble enllaç. En resum, els alquens cis /trans són dos diastereòmers, que presentaran propietats difer enciades (p eb, p f, densitat, etc.) . Per exemple, comparem les propietats del cis - i trans -2-bromo-2-butè.

H3C

CH3H

Br

cis-2-bromo-2-butè

1

2

1

2

H

CH3H3C

Br

trans-2-bromo-2-butè

1

21

2

peb: 4ºCpf: -139ºC

peb: 1 ºCpf: -105ºC

Cis- i trans-2-bromo-2-butè són dues molècules amb propietats diferents. Difereixen en la disposició cis, trans dels dos grups metil enllaçats al doble enllaç, i per això, són diastereòmers. Com el propi pla del doble enllaç és un pla de simetria, són molècules aquirals.

La nomenclatura cis /trans només es pot aplicar si el doble enllaç està 1,2-d isubstituït . Quan

el doble enllaç té més substituents, aleshores cal emprar la nomenclatura E/Z. En aquest cas, es prioritzen els substituents sobre cada àtom del doble enllaç segons les regles CIP. Si els substituents de major prioritat sobre cada carboni coincideixen en el mateix costat, el doble enllaç té una configuració Z, de l'alemany zusammen, que vo dir propers. Si per contra es troben en costats diferents, aleshores el doble enllaç és E, déntgegen o oposats.

La IUPAC recomana que els alquens

siguin anomenats mitjançant la nomenclatura E/Z, en comptes de fer servir els prefixs cis/trans. En els alquens 1,2-disubstituïts, l'equivalència és cis=Z i trans=E. Veiem l'exemple dels 2-bromo-2-butens d’abans. Sigui quina la substitució del doble enllaç els dos alquens E i Z són diastereòmers .

H3C

CH3H

Br

(Z)-2-bromo-2-butè

1

2

1

2

H

CH3H3C

Br

(E)-2-bromo-2-butè

1

21

2

Si la molècula conté més d'un doble enllaç, aleshores cal indicar la configuració E/Z per a cada

doble enllaç. Com cada doble enllaç pot tenir dues possibles conf iguracions ( E o Z), una molècula amb n dobles enllaços pot tenir com a màxim 2 n isòmers configuracionals diferents . El número es pot reduir si per raons de simetria alguns dels isòmers coincideixen. Practiquem-ho amb els possibles 2,4-hexadiens:

H3C

CH3

H

H

H

H

H3C

H

H

H

H

H3C

EE E

Z

(2E,4E)-2,4-hexadiè (2Z,4E)-2,4-hexadiè

2,4-hexadiens: CH3-CH=CH-CH=CH-CH3

2 dobles enllaços -> màxim 4 isòmers configuracionals

Només n'hi ha tres, perquè els isòmers

(2Z,4E) i (2E,4Z) coincideixen

H

H

CH3

H

H

H3CCH3

H

H

H

H

CH3

Z

E

Z

(2Z,4Z)-2,4-hexadiè (2E,4Z)-2,4-hexadiè

IDÈNTICS!!

Z


27

8. Equilibri conformacional i quiralitat Fins al moment hem analitzat la quiralitat de les molècules sense tenir massa en compte l'equilibri

conformacional que experimenten. En la major part dels casos, n'hem tingut prou en observar la conformació més estable, ja que era també la de major simetria. En altres casos, això no ha estat així i hem considerat la simetria d'una conformació poc estable. En general, una molècula és aquiral si pot adoptar una conformació aquiral, encara que sigui p oc significativa termodinàmicament .

Hem vist que la interconversió conformacional que experimenta una molècula és molt ràpida.

Durant aquest equilibri, la molècula adoptarà majoritàriament les conformacions més estables, i amb menor proporció les de major contingut energètic. Per tant, si en féssim una fotografia, obtindríem una imatge promig molt propera a la de les conformacions estables, per ser aquelles que més temps adopta. Com relacionem això amb la quiralitat? Si la conformació més estable és la que millor representa l'estructura de la molècula, és aquesta la que dicta la quiralitat? Ja hem vist que no sempre és així.

Tot i que hi poden coexistir conformacions quirals i aquirals en una mateixa molècula, cal

considerar la quiralitat com a una propietat estadística, en què es promitja el que passa per a un gran nombre de molècules cadascuna en una determinada conformació. Si la molècula és globalment aquiral, això voldrà dir que la quiralitat promig és nul.la, bé perquè cap de les seves possibles conformacions és quiral, o si n'hi han, són estructures enantiomèriques que es troben en una relació equimolar i que cancel.len mútuament la seva quiralitat. Com aquestes dues conformacions enantiomèriques (les dues conformacions són imatge especular una de l’altra) es poden interconvertir una en l'altra per rotació dels enllaços senzills, això vol dir que almenys hi ha una conformació intermèdia que és aquiral. És a dir, tota molècula que pugui adoptar una conformació aqu iral serà aquiral .

En canvi, en una molècula quiral totes les conformacions són quirals, sense excepció. Veiem-ho en els següents exemples:

a) Butà: Quan hem estudiat l'equilibri conformacional del butà , hem comprovat que la conformació més

estable és l'antiperiplanar, que és aquiral perquè mostra un pla de simetria. El butà és per tant una molècula aquiral ja que almenys presenta una conformació aquiral. També pot adoptar conformacions alternades de tipus sinclinal, lleugerament menys estables que l'anterior. Si ens hi fixem, les dues conformacions sinclinals són imatge especular una de l'altra. Com que tenen la mateixa energia, estaran en la mateixa proporció i la quiralitat d'una compensarà la de l'altra.

CH3

HH

H

CH3

H

CH3

HH

H

CH3

H

butà antiperiplanar(aquiral)

σ

σCH3

HH

CH3

H

H

H

CH3H

H

CH3

H

butà sinclinal(quiral)

CH3

HH

H

H

H3C

H

HH3C

H

CH3

H

butà sinclinal(quiral)

enantiomèriques


28

b) 2-Bromobutans:

El R-2-bromobutà (al darrera, figura A) és una molècula quiral i per tant, totes les seves conformacions ho són (columna de l'esquerra). Tampoc no hi pot haver parelles de conformacions enantiomèriques, ja que això implicaria que alguna de les conformacions és aquiral. El mateix passa amb el seu enantiòmer, S-2-bromobutà (columna de la dreta). Si t'hi fixes, les conformacions del R-2-bromobutà són imatge especular de les del S-2-bromobutà. Això sempre és així: dos enantiòmers es caracteritzen per tenir conformacions que són enant iomèriques entre sí .

B) Conformacions del ciclohexà

HH

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

σσ

σ

aquiral

σσ

HH

H

HH

H

HH

H

H

HH

aquiral

H

H

H

HH

H

H

H

H

H

HH

H

H

H

HH

H

H

H

H

H

HH

enantiomèriques

A) Conformacions de R-2-bromobutà i S-2-bromobutà

CH3

HBr

CH3

H H

(R)-2-bromobutà

CH3

BrH

CH3

H H

(S)-2-bromobutà

CH3

HHH

CH3

Br

H3C

HHBr

CH3

H

CH3H

HH

CH3

Br

H3C

H

H

Br

CH3

H

CH3

H

H H

CH3

Br H3CH

H

Br

CH3

H

CH3

HH

H

CH3

BrH3C

HH

Br

CH3

H

CH3

H

H

H

CH3

Br CH3

H

HBr

CH3

H

H3C

H

H

H

CH3

Br

CH3H

HBr

CH3

H

C) Conformacions del metilciclohexà

HH

H

CH3

H

H

H

H

H

H

H

H

aquiral

σ HH

H

H

CH3

H

H

H

H

H

H

H

σ

aquiralσH

H

H

HH

H

H

H3CH

H

HH

aquiral

σH

H

H

HH

H

H

HCH3

H

HH

aquiral c) Cicloalcans: Tot i que l'anàlisi conformacional de les molècules cícliques és més complexa, podem determinar

la quiralitat considerant les mateixes regles que per a les altres molècules. Si la molècula pot adoptar una o vàries conformacions aquirals, aleshores és aquiral. En canvi, si totes les conformacions són quirals, la molècula serà probablement quiral. Veiem-ho amb exemples:


29

El ciclohexà (a dalt, figura B) és clarament una molècula aquiral perquè la major part de les seves conformacions ho són. La seva conformació més estable de tipus cadira és altament simètrica, amb tres plans de simetria. La conformació tipus barca també és aquiral amb dos plans de simetria perpendiculars. Fins i tot la conformació menys estable, la mitja-cadira, és aquiral. Les conformacions barca torta són quirals, però imatge especular una de l'altra. La quiralitat d'una queda compensada per l'altra

Els ciclohexans substituïts són més difícils d'analitzar ja que els substituents poden estar en

posicions axials o equatorials. En general, els ciclohexans monosubstituïts (amb grups aquirals) són aquirals, ja que les dues possibles conformacions cadira ho són, amb un pla de simetria que inclou el substituent. També ho són les conformacions de tipus barca amb el substituent en posició axial. Mirem-nos l'exemple del metilciclohexà (a dalt, figura C).

Dels posssibles dimetilciclohexans, només són quirals trans-1,2-dimetilciclohexà i trans-1,3-

dimetilciclohexà (comprova-ho). Amb la constitució trans -1,2-dimetilciclohexà (a continuació, figura D) hi ha dos possibles enantiòmers, l'isòmer 1 R,2R (Fig. D1) i l´1S,2S (Fig. D2). En tots dos casos, les dues possibles formes cadira són quirals, però no són enantiomèriques entre sí. Passa el mateix amb la resta de conformacions. Per tant, totes dues molècules són quirals.

D1) Conformacions del

trans-(1R,2R)- 1,2-dimetilciclohexà

HH

H

H

CH3

CH3

H

H

H

H

H

H

HH

H

H

H

H

CH3

H

H

H

H

NO són enantiomèriques

quiral quiral

CH3R

RR R

D2) Conformacions del trans-(1S,2S)- 1,2-dimetilciclohexà

HH

H

CH3

H

H

CH3

H

H

H

H

H

HH

H

H

H

CH3

H

CH3

H

H

H

NO són enantiomèriques

quiral quiral

H S

SS

S

d) Cal fer sempre TOT AIXÒ per a determinar si una molècula és quiral o no?

• Si la molècula té un únic centre quiral, la molècula és sempre quiral. No cal anar més lluny. • Si es tracta d'una molècula lineal amb més d'un centre quiral i sospitem pels tipus de substitució

que pot ser aquiral, el millor és traslladar l'estructura a una projecció de Fischer. Modifiquem aleshores la projecció per a ser la més simètrica possible. Si hi trobem un pla de simetria, aleshores la molècula és aquiral, sinó, no ho és. Comprovem-ho amb l'exemple del 2,3-butandiol següent:

H3CH

HO

H3CCH3

HO H

HO H

NOH3C

HHO

H

CH3

HO

H3C

H

OH

H3C

H

OHCH3H

HO CH3

H

HO

NO

H3CCH3

HO H

HO H

D

H3C

HO H

CH3

HOH

CH3

HO H

OHH

CH3

CH3

HO H

HH3C

OH

mètode A: té alguna conformació aquiral?

mètode B: té alguna projecció de Fischer aquiral?

E

Molèculaquiral

Molèculaquiral

H

CH3

HO H

CH3

HO

H

CH3

HO H

CH3

HO H

H3C

HO


30

Si la molècula és cíclica, podem simplificar l'anàlisi si representem la molècula amb una projecció plana de l'anell. La contínua interconversió conformacional determina que en promig es pugui considerar l’anell pla. Aleshores, intentem localitzar-hi els elements de simetria que relacionen els substituents representats amb falques. Les projeccions que presenten un pla de simetria, que ha de ser perpendicular al paper, o un centre d'inversió són aquirals. Les projeccions de dos enantiòmers han de ser enantiomèriques, imatge una de l'altra. Veiem-ho en els dimetilciclohexans.

H3CH

H3CH

CH3

H

H3CH

H3C H

H3C H

H3C H

H CH3

H3CH

HH3C

H3CH H

CH3

CH3

H

HCH3

H3C CH3

H3CH

CH3

H

1,1-dimetilciclohexà

cis-1,2-dimetilciclohexà

trans-(1R,2R)-1,2-dimetilciclohexà


AQUIRAL

trans-1,4-dimetilciclohexà

AQUIRAL


trans-(1R,3R)-1,3-dimetilciclohexà

trans-(1S,2S)-1,2-dimetilciclohexà

trans-(1S,3S)-1,3-dimetilciclohexà

σσ enantiòmers

σ enantiòmers σ σAQUIRAL

σ

AQUIRAL QUIRAL QUIRAL

AQUIRAL QUIRAL QUIRAL

9. Molècules quirals sense centres quirals Hi ha molècules que mostren quiralitat que no és deguda a la presència de centres quirals. En

veurem tres dels casos més caracterítics: els al.lens o cumulens , els sistemes biarílics i els helicens . 9.1 Al.lens i cumulens:

S'anomenen així els compostos amb dobles

enllaços acumulats, és a dir, aquells en què un mateix àtom de carboni participa alhora de dos dobles enllaços. Mirem-nos el cas més senzill, lánomenat al.lè o 1,2-propè:

Si observem l’estructura de l’al.lè, podem

veure que té forma d'aspa: els hidrogens enllaçats als carbonis terminals es localitzen en dos plans perpendiculars. Podem raonar aquesta geometria per mitjà de la teoria d'enllaç. El carboni central ha d'adoptar una hibridació sp per a possibilitar la formació dels dos dobles enllaços. Els dos enllaços π no es troben en el mateix pla, perquè cada un d'ells es forma per solapament de dos orbitals atòmics del carboni central que són ortogonals.

C C CH

H Hdoble enllaç

acumulat

al.lè (1,2-propè)H

C C CH

H

H

H

90º C C CH

H

H

H

sp2 sp2

σ

C C CH

H

H

H

sp

π

C C CH

H

H

H

180º enllaços πortogonals

interpretació segons lateoria d'enllaç de l'estructurade l'al.lè


31

Com l'al.lè és una molècula amb dos plans de simetria perpendiculars és aquiral. En canvi, si se substitueixen els dos carbonis terminals, la molècula pot esdevenir quiral. Veiem l'exemple de l´1,3-dimetilal.lè:

Hi ha dos possibles 1,3-dimetilal.lens

que són enantiòmers entre ells. Per tant, els 1,3-dimetilal.lens són quirals.

C C CH3C

H H

CH3CCC

CH3

HH

H3C

DED

E

H

CH3

CH3H

H

CH3

HH3C

enantiòmers

hi ha dos possibles 1,3-dimetilal.lè i són enantiòmers

9.2 Bifenils:

Els bifenils es caracteritzen per estar formats per dos anells aromàtics units directament. El bifenil n'és el compost més representatiu:

bifenil

Tot i estar format per dos anells de benzè, el bifenil no és una molècula plana. Els hidrogens més propers a l'enllaç senzill (en posició orto) interaccionen estèricament si la molècula adopta una conformació plana. Els dos anells de benzè es desplacen de la planaritat per a minimitzar la interacció estèrica entre els hidrogens. Tot i que la conformació plana és molt poc estable, actua d'estat de transició en la interconversió dels confòrmers no plans. Tot i la manca de planaritat, la molècula és aquiral.

H H

H H

H

HH

Hel bifenil no és una molècula plana producte de lesinteraccions estèriquesdels hidrogens en posicionsorto

H

HH

Hσ

σ

el bifenil és una molècula aquiral

Si se substitueixen les posicions orto del bifenil, la conformació plana esdevé molt inestable. Els grups al voltant de l'enllaç senzill dificulten la planaritat ja que a mesura que s'acosten, augmenten les interaccions estèriques. La molècula ja no pot adoptar la conformació plana per l'elevada energia que això suposa i per tant, els dos confòrmers ja no es poden interconvertir, esdevenint espècies aïllables. I el que és més important, per efectes de la substitució, els dos confòrmers són enantiòmers un de l'altre. Els estereoisòmers com aquests que es poden aïllar perquè resulten de la rotació impedida d'un enllaç reben el nom d'atropoisòmers , i al fenòmen, atropoisomeria . Per exemple, l'àcid 6,6'-dinitrobifenil-2,2'-dicarboxílic (la següent figura), que es troba substituït en les posicions orto, es troba en forma de dos enantiòmers aïllables i estables a temperatura ambient:


32

NO2

CO2HO2N

HO2C

O2N

HO2CNO2

CO2H

enantiòmers(atropoisòmers)

l'impediment estèricimpossibilita la interconversióentre les dues espècies

9.3 Helicens:

Els anells aromàtics es poden fusionar per a formar molècules policícliques. En general, aquestes

molècules són planes com a conseqüència de la deslocalització electrònica del sistema π. Els helicens en són una excepció. Es tracta de sistemes policíclics en què els anells es fusionen en forma de cercle. A mesura que augmenten el nombre d'anells, els hidrogens dels carbonis terminals s'acosten i augmenten les interaccions estèriques, fins al punt, que per a minimitzar-les, la molècula es veu obligada a perdre la planaritat. Aquest efecte és mínim en el primer membre, el fenantrè , que en tenir tres anells és una molècula pràcticament plana. El benzo[c]fenantrè , amb quatre anells, es veu obligat a torsionar-se lleugerament per a evitar la interacció estèrica dels hidrogens. En canvi, el compost de sis anells, l´hexahelicè té forma d´hèlix, ja que de ser pla produiria el col.lapse dels dos anells terminals. Les hèlixs són estructures inherentment quirals. L'hexahelicè existeix doncs en forma de dos enantiòmers, que es caracteritzen per tenir una de les activitats òptiques més elevades que es coneixen [α]D=±3700°.

fenantrè (plana)

H H

benzofenantrè

hexahelicè, 2 enantiòmers

Documents

ESTEREOQUÍMICA II: ISOMERIA CONFIGURACIONALdiposit.ub.edu/dspace/bitstream/2445/2861/1/estereoq02.pdf · Estereoquímica II: Isomeria Configuracional 1 1. Quiralitat i simetria La