Tema 4. Estereoquímica

Tema 4

Estereoqumica

1. Introduccin

Tema 4

Estereoqumica: Parte de la qumica que se ocupa de la estructura tridimensional de las molculas.

Los fundamentos de la estereoqumica fueron establecidos por J. Vant Hoff y C. Le Bel (1874), cuando independientemente propusieron que los cuatro enlaces del carbono estaban dirigidos hacia los vrtices de un tetraedro. Una consecuencia de la disposicin tetradrica de los enlaces del carbono es que dos compuestos pueden ser diferentes debido la distinta disposicin de sus tomos en el espacio.

1. Introduccin

Tema 4

Los ismeros que tienen la misma constitucin y que solamente se diferencian en la orientacin de sus tomos o grupos atmicos en el espacio se llaman estereoismeros. Es decir, los estereoismeros tienen la misma constitucin pero diferente configuracin. Existen dos tipos de estereoismeros: Enantimeros. Aquellos que presentan una relacin especular (como en el cido lctico). Diastereoismeros. Los que no tienen relacin especular (como los ismeros cis-trans).

2. Quiralidad

Tema 4

En geometra, un objeto que no es superponible con su imagen especular se dice que es disimtrico (el prefijo dis- significa falta de). En qumica, la palabra correspondiente a disimtrico es quiral. Quiral deriva del griego cheir, que significa mano. Cuando se aplica este trmino a las molculas quiere decir que stas, al igual que las manos, mantienen entre s la relacin de ser una la imagen especular de la otra, sin ser iguales, y, por lo tanto, no son superponibles.

2. Quiralidad

Tema 4

Los estereoismeros que se relacionan entre s como un objeto y su imagen

especular no superponibles se denominan enantimeros.

Tema 4

Enantimeros

Molculas idnticas

2. Quiralidad

Tema 4

Quiral: No superponible a su imagen especular. Aquiral: Superponible a su imagen especular.

2. Quiralidad

QUIRAL AQUIRAL

Tema 4

3. Centro quiral y tomo de carbono asimtrico

La condicin necesaria y suficiente para la existencia de enantiomera es la quiralidad.

No obstante, se suele relacionar la enantiomera con la existencia en la molcula de tomos de carbono asimtricos (centro quiral o estereocentro): son aquellos que estn unidos a cuatro sustituyentes distintos.

Para representar a estos tomos de carbono se suele utilizar un asterisco.

C

CH2CH3

CH3HBr

C

H

COOHH2NCH3

2-Bromobutano cido 2- aminopropanoico

* *

Tema 4

4. Molculas asimtricas

Una molcula es asimtrica cuando tiene un carbono con cuatro sustituyentes diferentes pues no puede presentar ningn elemento de simetra.

ASIMTRICA

Tema 4

Molculas con un solo centro quiral

QUIRAL?

Imagen especular No superponible

Buscar elementos de simetra

Toda molcula que posea: Plano de simetra Centro de simetra Eje alternante de simetra

Superponible a su imagen especular

AQUIRAL

Siempre quirales

Molculas con ms de un centro quiral NO siempre quirales

5. Actividad ptica. Tema 4

oscila en todos

los planos

oscila en un

solo plano

luz

normal

luz

polarizada

polarizadorfuente de luz

La luz es una radiacin electromagntica cuyas vibraciones son perpendiculares a la direccin de su desplazamiento. La luz polarizada es aquella cuyas vibraciones ocurren en un solo plano.

Una pareja de enantimeros est constituida por dos compuestos tan parecidos que la mayora de sus propiedades (puntos de ebullicin, puntos de fusin, ndice de refraccin, densidad) son idnticas. nicamente existe una propiedad que es caracterstica slo de las parejas de enantimeros y que sirve para diferenciarlos. Esa propiedad es la actividad ptica, las molculas quirales son pticamente activas y son capaces de hacer girar el plano de la luz polarizada.

5. Actividad ptica

Tema 4

La rotacin del plano de luz polarizada se mide mediante un polarmetro.

propagacin de la luz

fuente de

luz

luz normalpolarizador

luz

polarizada

tubo

portamuestra

nuevo plano

de vibracin

analizadorobservador

Dextrgiras: Molculas pticamente activas que hacen girar el plano de luz polarizada hacia la derecha (en el sentido de las agujas del reloj) (+) Levgiras: Desvan el plano de luz polarizada hacia la izquierda (en sentido contrario a las agujas del reloj) (-)

5. Actividad ptica

Tema 4

El valor de la rotacin ptica, , depende: La concentracin de la muestra La longitud del tubo portamuestra

lxc

=

La rotacin ptica de una molcula pticamente activa es una constante fsica caracterstica de la misma, como el punto de fusin, de ebullicin o la densidad. Para expresar los datos de rotacin ptica de forma lgica, con el fin de establecer comparaciones, hay que escoger condiciones estndar. Se ha definido para cada compuesto pticamente activo, la rotacin especfica [] como el nmero de grados de rotacin observados en un tubo de 1 dm de longitud con una concentracin de muestra de 1 g/mL

Y en menor medida de: La temperatura El disolvente La longitud de onda de la luz utilizada

[] = rotacin especfica T = temperatura (C) = longitud de onda (589 nm)(D)(sodio) = rotacin ptica observada l = longitud del tubo (dm) C = concentracin (g /mL)

5. Actividad ptica

Tema 4

Compuesto [] (grados)

Penicilina V +233

Sacarosa +66,47

Alcanfor +44,26

Colesterol -31,5

Morfina -132

cido actico 0

Benceno 0

Rotacin especfica de algunas molculas orgnicas

Tema 4

En el isopropanol, el carbono unido al OH tiene dos sustituyentes iguales, existe un plano de simetra, la molcula no es asimtrica y por tanto no presenta actividad ptica.

Todo objeto o molcula con un plano de simetra, un centro de simetra o un eje alternante de simetra es superponible con su imagen especular y, por tanto, no quiral.

5. Actividad ptica

6. Configuracin relativa y absoluta

Tema 4

C

CH3

OHHCH2CH3

C

CH3

HO HCH3CH2

La disposicin exacta de los sustituyentes en un centro estereognico es su configuracin absoluta. Ni el signo ni la magnitud de la rotacin pueden por s mismos dar ninguna informacin acerca de la configuracin absoluta de una sustancia. Por tanto, una de las siguientes estructuras es el (+)-2-butanol y la otra es el (-)-2-butanol, pero en ausencia de ms informacin, no podemos decir cul de ellas es cul.

6. Configuracin relativa y absoluta Tema 4

Aunque la configuracin absoluta de ninguna sustancia fue conocida antes de 1951, los qumicos orgnicos haban determinado experimentalmente las configuraciones de miles de compuestos con relacin a otro (configuraciones relativas) a travs de un elaborado sistema de interconversiones qumicas.

CH2OH-CHOH-CHO*

El primer sistema de nomenclatura que permite diferenciar dos enantimeros, fue ideado por Fischer, que asign arbitrariamente las letras D y L a los dos enantimeros del gliceraldehdo, que no se refera al signo de la rotacin de la luz polarizada, sino a la colocacin relativa de los sustituyentes.

H

C

OH

HOH2C

OHC

H

C

HO

CH2OH

CHO

D-gliceraldehdo L-gliceraldehdo


Tema 4

Para visualizar ms fcilmente las molculas se emplean las proyecciones de Fischer (representacin en el plano de un centro estereognico). En ellas un tomo de carbono tetrahdrico se representa por dos lneas cruzadas. Por convenio las lneas horizontales representan enlaces que salen de la pgina hacia el lector, y las lneas verticales representan enlaces que se proyectan hacia atrs.

C

CHO

CH2OHHOH

C

CHO

CH2OH

OHH C

CHO

CH2OH

HO H

CHO

CH2OH

OHH

CHO

CH2OH

HO H

D(+) L(-)

Fischer

Fischer simplificada


Tema 4

Fischer design al compuesto que tena el OH a la derecha con la letra D y se asign al (+)-gliceraldehdo (insistimos, arbitrariamente), al enantimero dextrgiro. Al (-)-gliceraldehdo, al enantimeros levgiro, se le asign la configuracin opuesta y se le designa como L.

Los compuestos que puedan derivarse de ambos gliceraldehdos por sntesis sin que en ella se vea afectada la configuracin del carbono asimtrico pertenecern a la misma serie estereoqumica (D L), es decir tendrn la misma configuracin relativa.


Tema 4


Tema 4

OHH

COOH

CH3

OHH

COOH

CH3

HO H

COOH

CH3

H3C COOH

OH

H

HO H

COOH

CH3

H3C COOH

OH

H

180 es lo mismo que

no es lo mismo que

90

sera el otro

enatimero

OHH

COOH

CH3

HO CH3

H

COOH

es lo mismo que

se mantiene

fijo

Una proyeccin de Fischer puede: - Girarse 180 sobre la pgina, pero no 90 ni 270, ya que de esta forma los enlaces horizontales pasaran a verticales y eso cambiara su configuracin.

- Un grupo puede mantenerse fijo mientras los otros tres giran en el sentido del reloj o contrario.


Tema 4

El sistema ideado por Fischer resultaba til para asignar configuraciones al gliceraldehdo y a compuestos fcilmente relacionables con l, pero no sirve para aquellos compuestos que no se puedan relacionar con el gliceraldehdo, como por ejemplo:

La nomenclatura D, L resulta en este caso insuficiente. Es pues necesario un nuevo sistema de nomenclatura que nos indique cual es la configuracin absoluta de un compuesto sin que se tenga que relacionar con un compuesto determinado. Este sistema fue desarrollado en 1956 por Cahn, Ingold y Prelog.

7. Reglas de Cahn, Ingold y Prelog

Tema 4

Las reglas de Cahn, Ingold y Prelog establecen una prioridad relativa entre tomos o grupos de tomos unidos al carbono asimtrico.

Estas reglas son tambin aplicables en el caso de la estereoisomera de

alquenos. As, en el caso del 2-buteno tambin puede haber distintas disposiciones espaciales entre sus tomos o grupos de tomos, o sea distintas configuraciones.

Debido a que en torno a un doble enlace la rotacin no es libre, los compuestos anteriores son compuestos distintos, son dos estereoismeros cis-trans.


Tema 4

Pero el siguiente alqueno, es cis o trans?:

Teniendo en cuenta las reglas de secuencia que vamos a ver a continuacin (reglas de prioridad) si en un alqueno los dos sustituyentes prioritarios de cada tomo estn del mismo lado se le denomina Z (del alemn zusammen, juntos, contiguos) y si estn de lados opuestos se le denomina E (del alemn entgegen, contrarios, opuestos).

C C C C

Z E

1 1 1

1

2

222


Tema 4

Regla n 1: La prioridad se establece por el nmero atmico. Tienen prioridad los de nmero atmico ms alto sobre los ms bajos (de este modo, el sustituyente de menor prioridad ser el hidrgeno). En el caso de istopos, tienen prioridad los de masa atmica superior.

-Cl > -OH >-NH2 > -CH3

Regla n 2: Cuando los tomos unidos a carbono que se est estudiando son iguales hay que continuar la secuencia, es decir, se deben comparar los tomos unidos a ellos, y si fuera necesario a los siguientes, etc.


Tema 4

Regla n 3: Los enlaces dobles o triples se consideran como dos o tres enlaces sencillos, con tomos idnticos al unido por enlace

C H

O

se considera como C O

O C

H

C OH

O

se considera como C O

O C

OH

C N se considera como C N

N

N

C

C C C se considera como C C

C

C

C

RR

C

C C RC NC OH

O

C H

O

> > >

Regla n 4: Cuando dos grupos nicamente se diferencian en su configuracin, Z precede a E.


Tema 4

Aplicando la regla 1 se puede deducir fcilmente cual de los dos grupos unidos a cada tomo de carbono etilnico es el de mayor prioridad (representado en negrita y rojo) y el de menor (representado en cursiva y verde).

En el siguiente ejemplo, la regla 1 no permite decidir el orden de prioridad. Aplicando la regla 2 hay que seguir la secuencia de tomos en cada grupo, con lo que se encuentra que un radical etilo tiene preferencia sobre un radical metilo y un radical propilo sobre el radical etilo:


Tema 4

Primer paso: Ordenar de mayor a menor la prioridad de los cuatro sustituyentes (1>2>3>4)

En un carbono asimtrico el problema se resuelve de forma similar, pero en este caso la distinta configuracin se indica con las letras R y S.


Tema 4

Segundo paso: Se dispone la molcula de forma que el sustituyente de menor prioridad (4) se encuentre lo ms alejado posible del observador.

C4

Tercer paso: se observa la orientacin de los tres grupos restantes y se mira si, partiendo del grupo de mayor prioridad de los tres (es decir el paso de 1 3 pasando por 2), se hace en el mismo sentido de las agujas del reloj (configuracin R, del latn rectus = derecha) o en sentido contrario (configuracin S, del latn sinister = izquierda).

C4

1

2

3

C4

1

3

2

configuracin R configuracin S


Tema 4

OH

CCHO

HOH2C

HR

OH

COHC

CH2OH

HS

COOH

COH

H3C

HS

COOH

CHO

CH3

HR

4

1

2

3

4

1

2

3

4

1

2

3

cido (S)-(+)-lctico cido (R)-(-)-lctico

4

1

2

3

Tema 4

Si una molcula est dibujada con el grupo menos prioritario orientado hacia el observador, la configuracin es S si quedan en el sentido de las agujas del reloj y R a la inversa.

BrC

CH3CH2

HCH3

S

41

2

3


8. Racmico

Tema 4

Un enantimero se diferencia de otro en el sentido en que desvan el plano de polarizacin de la luz. Una mezcla equimolecular (al 50%) de los dos enantimeros de un determinado compuesto no presentar actividad ptica, por compensacin entre ellos. Este tipo de mezclas se denominan mezclas racmicas o simplemente racmico y se representan por la notacin () (R,S).

RACMICO

9. Molculas con dos centros estereognicos

Tema 4

Cada centro quiral puede ser R o S, por tanto, existen 4 posibilidades: RR, RS, SR y SS

COOH

OHH

OHH

CH3 CH3

HO H

HO H

COOH COOH

OHH

HHO

CH3

COOH

HHO

OHH

CH3

I II III IV

COOH

CH3

OH

OHH

H

COOH

CH3

H

HHO

HO

COOH

CH3

H

OHH

HO

COOH

CH3

OH

HHO

H

I II III IV

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

y de forma simplificada:

1

2

3

Cuando hay ms de un centro asimtrico las reglas de Fischer son: - La cadena carbonada se representa en la lnea vertical. - El carbono con mayor nmero de oxidacin se coloca en la parte superior. - Los carbonos quirales estn en las intersecciones de las lneas horiz./vert.

9. 1. Molculas con dos carbonos asimtricos diferentes

Tema 4


I y II, as como III y IV son imgenes especulares y por lo tanto son dos parejas de enantimeros. Sin embargo II y III son tambin estereoismeros, pero no son imgenes especulares y reciben el nombre de diastereoismeros o diasteremeros. Esta misma relacin la encontramos entre I y III, I y IV y entre II y IV. Diastereoismeros son por tanto, por definicin, aquellas parejas de esteroismeros que no son enantimeros (es decir, que no tienen entre s relacin de imagen especular).

COOH

OHH

OHH

CH3 CH3

HO H

HO H

COOH COOH

OHH

HHO

CH3

COOH

HHO

OHH

CH3

I II III IV

COOH

CH3

OH

OHH

H

COOH

CH3

H

HHO

HO

COOH

CH3

H

OHH

HO

COOH

CH3

OH

HHO

H

I II III IV

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

y de forma simplificada:

1

2

3

Tema 4


Es posible distinguir entre una pareja de enantimeros y otra de diastereoismeros de un modo sencillo. La primera tiene configuracin totalmente opuesta en sus centros quirales, mientras que una pareja de diastereoismeros tiene la misma configuracin en un centro quiral y la opuesta en el otro.

COOH

OHH

OHH

CH3 CH3

HO H

HO H

COOH

I II

COOH

OHH

HHO

CH3

COOH

HHO

OHH

CH3

IIIIV

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

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

enantimeros

diastereoismeros

enantimeros

Tema 4


Los diastereoismeros tienen propiedades qumicas distintas: de modo que es posible separarlos por destilacin fraccionada, cristalizacin o cromatografa. Tambin tienen distintas propiedades fsicas, como los puntos de ebullicin o las densidades, as como rotaciones especficas diferentes.

De forma general, un compuesto con n centros quirales tiene un mximo de 2n estereoismeros

Tema 4


Al escribir las proyecciones de Fischer de molculas con dos centros quirales, la molcula se dispone en conformacin eclipsada para proyectarla sobre el papel.

Tema 4

9. 2. Molculas con dos carbonos asimtricos iguales

CH3

OHH

OHH

CH3 CH3

HO H

HO H

CH3 CH3

OHH

HHO

CH3

CH3

HHO

OHH

CH3

Ia Ib II III

S

R

R

S

S

S

R

R

CH3

OHH

OHH

CH3

S

R

CH3

HO H

HO H

CH3R

S

La molcula, en principio, presentara 22=4 estereoismeros. Pero en este caso, Ia y Ib son idnticos como puede comprobarse si se gira la molcula 180 en el plano del papel (nico movimiento permitido en la proyeccin de Fischer). Por lo tanto, el nmero de estereoismeros se reduce a tres: II y III que son enantimeros y I que es un diastereoismero tanto de II como de III.

Cuando en una molcula existen centros estereognicos iguales, es decir, que estn igualmente sustituidos, el nmero de posibles estereoismeros disminuye.

Tema 4


La estructura I, a pesar de poseer dos centros quirales es aquiral, ya que es superponible con su imagen especular, y por lo tanto, ptimamente inactiva. Este estereoismero se denomina forma meso y una propiedad caracterstica de estos compuestos es que tienen un plano de simetra, que divide a la molcula en dos mitades que son imgenes especulares.

I

CH3

OHH

OHH

CH3

Tema 4


Tema 4

10. Molculas con tres centros estereognicos

Al aumentar el nmero de centros estereognicos en una estructura, el nmero de estereoismeros aumenta tambin rpidamente. Cuando existen tres centros quirales distintos, el nmero posible de combinaciones con las configuraciones R o S es de 23 = 8 y ocho son, por tanto, el nmero de estereoismeros, agrupados en cuatro parejas de enantimeros, siendo cualquiera de ellos un diastereoismero respecto a cualquier estereoismero perteneciente a otra pareja.

Tema 4

11. Importancia vital de la estereoqumica

Todos los organismos vivos producen solo un enantimero en sus transformaciones qumicas. As, solamente se forma el (-)-2-metil-1-butanol en la fermentacin de los almidones de la levadura, solo el cido (+)-lctico en la contraccin muscular (CH3-CHOH-COOH), y de los jugos de frutas solamente se obtiene el cido (-)-mlico (COOH-CH2-CHOH-COOH).

Los estereoismeros suelen diferir en algunas propiedades qumicas y biolgicas. As, por ejemplo, el enantimero dextrgiro de la carvona tiene olor a carv (comino de los prados), mientras que el levgiro imparte su olor a menta verde.

Tema 4


Esta diferenciacin ha sido de crucial importancia en el mundo de la medicina, normalmente solo uno de los enantimeros tiene actividad teraputica, mientras que el contrario suele ser inactivo. Por ejemplo, la D-dopa no tienen ningn efecto teraputico, mientras que la L-dopa es un potente agente antiparkinsoniano.

El ejemplo ms ilustrativo y desgraciado es el de la talidomida. Este frmaco sedante se administr como racmico a finales de la dcada de los 50 a miles de mujeres embarazadas para aliviar las molestias de la gestacin y provoc el nacimiento de decenas de bebs con importantes malformaciones. Uno de los enantimeros tiene efecto sedante y tranquilizante, pero el otro es teratognico (puede provocar mutaciones en fetos).

Tema 4


Por qu dos enantimeros pueden diferir tanto en sus propiedades biolgicas? Para ejercer su accin biolgica la molcula quiral debe encajar en el sitio de accin de un receptor quiral y eso solo se conseguir si es el enantimero adecuado (de manera anloga a como una mano encaja en un guante y no en el contrario). El otro enantimero no podr interaccionar con el receptor y no podr desarrollar el efecto biolgico deseado (es mas, con un poco de mala suerte interacciona con otro receptor no deseado y provoca un efecto indeseable).

enantimero R enantimero S

Tema 4


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Tema 4. Estereoquímica