Teoría de estereoquímica

QUMICA ORGNICA

Teora de Estereoqumica

GERMN FERNNDEZ

Versin: 1.0

www.academiaminasonline.com

www.quimicaorganica.net

www.quimicaorganica.org

1. INTRODUCCIN

Los enantimeros R y S del

Propranolol actan de modo muy

diferente en el organismo. As, el (R)-

propranolol se emplea como

anticonceptivo, mientras que el (S)-

propranolol es un antidepresivo.

(R)-Propranolol

(c) Germn Fernndez

http://www.quimicaorganica.orghttp://www.quimicaorganica.net

http://www.academiaminasonline.com

Antihipertensivo, -bloqueador.Indicado para tratar la hipertensinarterial, arritmias cardiacas, arritmiae intoxicacin digitlica, prevencindel infarto de miocardio.

(S)-Propranolol

Definicin de ismero

Se llaman ismeros a aquellas molculas que poseen la misma frmula molecular

pero diferente estructura. Se clasifican en ismeros estructurales y estereoismeros.

Ismeros estructurales

Los ismeros estructurales difieren en la forma de unir los tomos y a su vez se

clasifican en ismeros de cadena de posicin y de funcin.

Estereoismeros

Los estereoismeros tienen todos los enlaces idnticos y se diferencian por la

disposicin espacial de los grupos. Se clasifican en ismeros cis - trans o

geomtricos, enantimeros y diastereoismeros.

Centro quiral o asimtrico

Se llama centro quiral o asimtrico a un tomo unido a cuatro sustituyentes

diferentes. Una molcula que posee un centro quiral tiene una imagen especular no

superponible con ella, denominada enantimero.

Actividad ptica

Los enantimeros poseen casi todas las propiedades fsicas idnticas, con la

excepcin de la actividad ptica. Uno de los enantimeros produce rotacin de la

luz polarizada a la derecha (dextrgiro) y el otro rota la luz polarizada a la izquierda

(levgiro).

Estereoqumica en reacciones

Las reacciones de halogenacin radicalaria sobre molculas en las que puedan

formarse centros quirales producen mezclas de enantimeros en igual cantidad o

de diastereoismeros en distinta proporcin.

Separacin de enantimeros

Los enantimeros tienen casi todas las propiedades fsicas iguales, difieren en la

rotacin de la luz polarizada, pero poseen el mismo punto de fusin y ebullicin e

idntica solubilidad. Por tanto, no les podemos aplicar los metodos tradicionales de

separacin y hay que recurrir a tcnicas especiales. La separacin va

diastereoismeros, consiste en transformar la mezcla de enantiomeros en mezcla

de diastereoismeros por adicin de un reactivo quiral, los diastereoismeros son

fcilmente separables por mtodos fsicos.

1. Introduccin2. Ismeros estructurales3. Ismeros geomtricos4. Enantimeros5. Diastereoismeros6. Nomenclatura de enantimeros7. Mezcla racmica y forma meso

8. Actividad ptica9. Molculas con varios centros quirales10. Proyeccin de Fischer11. Notacin R/S en proyeccin de Fischer12. Esteroqumica de las reacciones13. Reaccin estereoselectiva y estereoespecfica14. Separacin de enantimeros

QUMICA ORGNICA - ESTEREOQUMICA 2

2. ISMEROS ESTRUCTURALES

2-Butanol

Dietil ter

(c) Germn Fernndez



Modelo molecular del 2-butanol

Modelo molecular del dietil ter

Definicin de ismerosSe llaman ismeros a molculas que tienen la misma formula molecular

pero distinta estructura. Se clasifican en ismeros de cadena, posicin y

funcin.

Ismeros de cadenaSe distinguen por la diferente estructura de las cadenas carbonadas. Un

ejemplo de este tipo de ismeros son el butano y el 2-metilpropano.

H3C

H2C

CH2

CH3H3C

CHCH3

CH3

C4H10

Butano 2-Metilpropano

Tanto el butano como el 2-metilpropano tienen la misma frmula molecular,

C4H10, pero diferente estructura. El butano presenta una cadena

carbonada lineal mientras que el 2-metilpropano es ramificado.

Ismeros de posicinEl grupo funcional ocupa una posicin diferente en cada ismero. El 2-

pentanol y el 3-pentanol son ismeros de posicin.

H3CCH

CH2

H2C

CH3

OH

H3C

H2C H

C

H2C

CH3

OH

C5H12O

El 2- y el 3-pentanol presentan la misma frmula molecular, C5H12O, pero

presentan diferente estructura por la posicin del grupo funcional dentro

de la cadena.

Ismeros de funcin.El grupo funcional es diferente. El 2-butanol y el dietil ter presentan la

misma frmula molecular, pero pertenecen a familias diferentes -alcohol y

ter- por ello se clasifican como ismeros de funcin.

H3CCH

CH2

CH3 H3C

H2C

O

H2C

CH3

OH

C4H10O


3. ISMEROS GEOMTRICOS

2-Buteno

Dimetilciclopentano

(c) Germn Fernndez



trans-2-Buteno

trans-1,2-Dimetilciclopentano

Isomera cis/transSon compuestos que difieren en la disposicin espacial de sus grupos. Se

llaman cis los ismeros geomtricos que tienen los grupos al mismo lado y

trans los que lo tienen a lados opuestos.

cis y trans-2-ButenoEl 2-buteno puede existir en forma de dos ismeros dependiendo de la

orientacin espacial de los grupos metilos. Se llama ismero cis el

compuesto que tiene los metilos hacia el mismo lado. En el ismero trans

los metilos se encuentran orientados a lados opuestos.

C C C C

H3C

H H

CH3 H3C

H CH3

H

cis-2-Buteno trans-2-Buteno

En general la notacin cis/trans se emplea cuando existe al menos un

grupo igual en ambos carbonos sp2.

cis-2-Pentenotrans-2-Penteno

En este caso son los hidrgenos los que nos indican que ismero es cis y

cual trans.

cis y trans-1,2-DimetilciclopentanoTambin puede emplearse la notacin cis/trans en cicloalcanos. As, el cis-

1,2-Dimetilciclopentano presenta los metilos hacia el mismo lado y el trans

a lados opuestos.

CH3

CH3

CH3

CH3

cis-1,2-Dimetilciclopentano trans-1.2-Dimetilciclopentano

cis-2-Buteno

cis-1,2-Dimetilciclopentano


4. ENANTIMEROS

Enantimeros del 1-Bromo-1-cloroetano

(c) Germn Fernndez



(R)-1-Bromo-1-cloroetano

(S)-1-Bromo-1-cloroetano

Definicin de EnantimerosLos enantimeros son imgenes especulares no superponibles. Se

caracterizan por poseer un tomo unido a cuatro grupos distintos llamado

asimtrico o quiral.

Ejemplo de enantimeros: (R) y (S)-1-Bromo-1-cloroetanoEn los modelos moleculares puede verse que las dos molculas son

distintas, no se superponen.

Br

CCl H

CH3

Br

CClH

H3C

La presencia de un carbono asimtrico (con sustituyentes distintos: metilo,

hidrgeno, cloro y bromo) hace posible que la molcula y su imagen

especular sean distintas.

Ejemplo de enantimeros: (R) y (S)-AlaninaEl aminocido alanina puede existir en forma de dos enantimeros, que

son imgenes especulares.

NH2

CH3C

HCOOH

NH2

CCH3

HHOOC

La presencia de un carbono unido a cuatro sustituyentes diferentes (-CH3,-H, -NH2 y -COOH) convierte a la alanina en un compuesto quiral y

pticamente activo, con una imagen especular (enantimero) no

superponible.

Como puede observarse en los modelos moleculares, la molcula y su

imagen especular difieren en la disposicin espacial de los grupos y no

existe ningn giro que permita superponerlas (son diferentes).


5. DIASTEREOISMEROS

Asignar Prioridades

(c) Germn Fernndez



El bromo con mayor nmero atmicotiene prioridad "a", le sigue eloxgeno "b", la cadena carbonada"c" y por ltimo el hidrgeno "d"

C C

H2N COOH

H HBr Cl

C C

H2N COOH

H ClBr H

[1] [2][1] [2]

[1] Centro que se mantiene igual en ambas molculas

[2] Centro que cambia (cloro e hidrgeno cambiados de posicin)

Definicin de DiastereoismerosSon molculas que se diferencian por la disposicin espacial de los grupos,

pero que no son imgenes especulares. Un tipo de diastereoismeros son

los ismeros geomtricos (alquenos cis y trans). Para que dos molculas

sean diastereoismeros es necesario que al menos tengan dos centros

quirales. En uno de los centros los sustituyentes estn dispuestos igual en

ambas molculas y en el otro deben cambiar.

6. NOMENCLATURA DE ENANTIMEROS

Reglas para nombrar enantimerosPara dar notacin R/S a un centro quiral es necesario asignar prioridades a

los sustituyentes mediante las siguientes reglas:

Regla 1. Las prioridades de los tomos unidos al quiral se dan pornmeros atmicos. En el caso de istopos, tiene prioridad el de mayor

masa atmica.

Br

CH3C

HCl

D

CH2N

HCH2CH3

F

CCl Br

I

a

bc

d

a

bc

d

a

b

c

d

Las prioridades se dan por orden de nmero atmico de los tomos unidos

directamente al carbono asimtrico (dibujados en rojo)

CH

CCH3CH2

HCH3

H3C CH3

a

b

c

d

a

bc

d

Por nmero atmico el hidrgenotiene la menor prioridad "d". En lasdems cadenas encontrams carbonos(en rojo). El metilo tiene prioridad "c"por unirse a hidrgenos el carbonorojo. El etilo "b" por unirese a otrocarbono (azul) y el isopropilo "a" porunirse a dos carbonos (azules).

OH

CH3CH2CH2H

Br


Nomenclatura Enantomeros

(c) Germn Fernndez



(R)-1-Bromoetanol

(S)-2-Butanol

Regla 2. Cuando dos o ms sustituyentes unidos al centro quiral tengan lamisma prioridad, se continua comparando las cadenas tomo a tomo

hasta encontrar un punto de diferencia.

Regla 3. Los enlaces dobles y triples se desdoblan considerndolos comosi fueran enlaces sencillos.

Cl H

ad

bcCarbono asimtrico

H3C CH2CH3

a b

cd

C CR

R

R

C C

R

R

R

C C

C CH C CH

C

C

C

C

C

O

HC

O

H

C

O

C N C N

N

N

C

C

REGLA 4. Para asignar notacin R/S seguimos el orden de prioridades a,b, c de los sustituyentes. Si esta sucesin se realiza en el sentido de las

agujas del reloj se dice que el centro es R (rectus, latn derecha). Si se

sigue el sentido contrario a las agujas al recorrer las prioridades a, b, c se

dice que es S (sinester, latn izquierda). Esta regla slo es vlida cuando el

grupo d est hacia el fondo del plano (enlace a trazos), si d sale hacia

nosotros (cua) la notacin es la contraria (R giro a la izquierda, S giro a la

derecha).

OH

CCH3CH2

HCH3

a

bc

d

S

El giro en el sentido contrario a laagujas, con el hidrgeno al fondo,nos da notacin S.

Br

CHO CH3

H

a

b

c

d

R

El giro en el sentido contrario a lasagujas con el grupo "d" hacia nosotrosda notacin R.


Formas Meso

(c) Germn Fernndez



cis-1,2-Dimetilciclobutano

Las molculas que presentanelementos de simetra (planos, centrosde inversin y ejes alternantes) sonaquirales. Estas molculas nopresentan actividad ptica y tampocotienen enantimero.

Br

Cl

H

H

a

bc

dR

a

bc

d

S

Cl

CH3

Br

OH

a

bc

Ra

b

c

a

bc

a

b cR

R

R

En los siguientes ejemplos se da notacin R/S a molculas con varios

centros quirales.

7. MEZCLA RACMICA Y FORMA MESO

Mezcla racmicaMezcla equimolar de enantimeros (50%R, 50%S). Uno de los

enantimeros de la mezcla gira el plano de polarizacin de la luz el mismo

ngulo pero en sentido contrario que el otro enantimero, de ello se deduce

que la mezcla en igual proporcin de ambos enantimeros no muestra

rotacin ptica y es por tanto pticamente inactiva.

Forma mesoMolcula aquiral debido a la presencia de un elemento de simetra (plano,

centro de inversin o eje impropio).

Aunque las formas meso presentan carbonos asimtricos, el plano de

simetra elimina su quiralidad y por tanto su capacidad para rotar la luz

polarizada.

Cl Cl H3C CH3

HHCl Cl

2,4-Dicloropentano (forma meso)

2,3-Diclorobutano


Polarmetro

(c) Germn Fernndez



El polarmetro mide la rotacin de laluz polarizada al pasar a travs de unasustacia pticamente activa.

8. ACTIVIDAD PTICA

Los enantimeros y la actividad pticaLos enantimeros presentan propiedades fsicas idnticas, con la

excepcin de su comportamiento frente a la luz polarizada. Un

enantimero gira el plano de la luz polarizada en el sentido de las agujas

del reloj, es dextrgiro (+). El otro enantimero provoca rotacin en el

sentido contrario al de las agujas del reloj, es levgiro (-). Este fenmeno

asociado a sustancias quirales se conoce como actividad ptica.

Medida de la rotacin de la luzLa rotacin ptica se mide con un polarmetro que consta de de una fuente

de luz, un polarizador del que sale luz oscilando en un nico plano, la

cubeta que contiene el enantimero y un analizador que permite medir la

rotacin de la luz.

Imagen tomada de Carey

Rotacin ptica observada y especficaLa rotacin medida en el polarmetro se llama rotacin ptica observada y

se representa por . Su valor depende de numerosas variables como

temperatura, longitud de onda, concentracin, disolvente y tipo de

sustancia. Para evitar estas dependencias se define la rotacin ptica

especfica [ ].

[ =l c

: rotacin ptica observada

[ ]: rotacin ptica especfica

l: longitud de la cubeta (dm)

c: concentracin de la muestra (g/ml)

: longitud de onda de la luz (lnea D del sodio, 589 nm)

t: temperatura (25C)

t


(c) Germn Fernndez



Exceso enantiomrico o pureza pticaCuando mezclamos dos enantimeros en igual proporcin la rotacin

ptica es nula [ ] = 0, se compensa la rotacin del dextrgiro con la del

levgiro (mezcla racmica). Si mezclamos enantimeros en distinta

proporcin se puede calcular la rotacin ptica mediante el exceso

enantiomrico o pureza ptica, que representa el porcentaje de

enantimero que provoca la rotacin de la luz.

% Pureza ptica =[ ]medido[ ]puro

x 100

Mximo nmero de estereoismerosEl nmero mximo de estereoismeros que presenta una molcula puede

calcularse con la frmula (2n), donde n representa el nmero de carbonos

asimtricos. As una molcula con 2 centros quirales presenta 4

estereoismeros.

9. MOLCULAS CON VARIOS CENTROS QUIRALES

H3C CH3

H H BrCl

H3C CH3

H HClBr

H3C CH3

H BrHCl

H3C CH3

Br HClH

n estereoismeros = 22

enantimeros

enantiomeros

S R S R

S S R R

Ejemplo 1. Dibujar los posibles estereoismeros del 2-Bromo-3-clorobutano

El 2-Bromo-3-clorobutano presenta 4 estereoismeros al tener dos centros

quirales. Estos cuatro estereoismeros se clasifican en dos parejas de

enantimeros.

Rotacin ptica del 2-metil-1-butanol

CH2OH

CH3C CH2CH3

H

(R)-2-metil-1-butanol

[ ]= +5,75

CH2OH

C CH3HH3CH2C

(S)-2-metil-1-butanol

[ ]= -5,75


(c) Germn Fernndez



Emil FischerEjemplo 2. Dibujar los estereoismeros del 1,2-Dimetilciclohexano

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

H3C

Imagen especular

superponible.

El 1,2-Dimetilciclohexano tiene dos centros quirales. Por tanto, el

nmero mximo de estereoismeros es: 2n = 4. La simetra de la

molcula puede hacer que algunos estereoismeros no existan. As,

el cis-1,2-dimetilciclohexano carece de enantimero al ser una forma

meso y el nmero de estereoismeros es 3.

Cmo hacer una proyeccin de Fischer?Proyectar consiste en dibujar en dos dimensiones (plano) una molcula. En

la proyeccin de Fischer la molcula se dibuja en forma de cruz con los

sustituyentes con los sustituyentes que van al fondo del plano en la vertical

y los grupos que salen hacia nosotros en la horizontal, el punto interseccin

de ambas lneas representa el carbono proyectado.

10. PROYECCIN DE FISCHER

Proyeccin de Fischer del 2-Clorobutano

CH2CH3

H3C HCl

giro

H Cl

CH2CH3

CH3

ProyeccinCH2CH3

CH3

H Cl

Emil Fischer (1852 1919) ,

qumico aleman. Fue profesor de

qumica en las Universidades de

Erlangen, Wzburg y Berln. En

1902 recibi el Premio Nobel por

sus trabajos sobre azcares.


(c) Germn Fernndez



Proyeccin de Fischer

Proyeccin de Fischer del 2-Bromo-3-clorobutanoLa proyeccin de Fischer puede hacerse para varios carbonos de la

molcula. El primer paso consiste en dibujar la molcula eclipsada y en

segundo lugar girarla dejando unos grupos hacia nosotros y otros al fondo

del papel.

H3C CH3

H HCl Br

giroH Cl

H Br

CH3

CH3

Proyeccin

CH3

H Cl

CH3

H Br

Configuracin absoluta en Proyeccin de FischerPodemos dar notacin R/S en una proyeccin de Fischer siguiendo unas

sencillas reglas. Primero asignamos prioridades a los cuatro grupos que se

unen al carbono asimtrico. En segundo lugar nos fijamos en la posicin

del grupo d, si est arriba o abajo en la proyeccin de Fischer el giro en el

sentido de las agujas nos da notacin R y el giro en sentido contrario

notacin S, si est a derecha o izquierda el giro en sentido de las agujas

da notacin S y el giro en sentido opuesto notacin R.

Algunos ejemplos

11. NOTACIN R/S EN PROYECCIN DE FISCHER

Puede comprobarse en estas molculas que cuando se intercambia la

posicin de dos sustituyentes en una proyeccin de Fischer la notacin

R/S del centro quiral cambia.

CH2CH3

CH3

H Cl a

b

c

d

Grupo d en la horizontal

R

H

CH3

H3CH2C Cl ab

c

d

S

Grupo d en la vertical

Cl

H Br

H

H3C OH

a

b

c

d R

a

b

c

d

S

H3C CH2CH3

HH2N H Br

CH3

NH2H

Br H

CH2CH3

CH2CH3

CH3

NH2H

Br H


(c) Germn Fernndez



Hidrgenos enantiotpicos

12. ESTEREOQUMICA DE LAS REACCIONES

Formacin de estereoismerosVamos a ver como las reacciones qumicas pueden introducir quiralidad en

las molculas, obtenindose productos en forma de mezclas racmicas o

bien mezclas de diastereoismeros.

Halogenacin del butano en C2El butano se halogena en presencia de bromo y luz, en el carbono 2, para

formar una mezcla de enantimeros. El radical formado presenta caras

enantiotpicas, que son halogenadas con igual probabilidad, dando lugar a

una mezcla racmica (enantimeros en igual proporcin)

Br2

h

Br Br

+

Etapa 1. Iniciacin

Br2 2Br

Etapa 2. Propagacin

C

CH3

CH2CH3HH

Br+ CHCHCH3

CH3+ HBr

CHCH2CH3

CH3+ Br2 C

Br

HCH3CH2CH3 C

Br

HCH3

CH2CH3+ Br

Hidrgenos enantiotpicosCara enantiotpica

Cara enantiotpica

Pareja de enantimeros

h

El mecanismo de esta reaccin consta de tres etapas: iniciacin,

propagacin y terminacin. La propagacin es la etapa que determina la

estereoqumica del producto final

1 2 3 4

Al sustituir cada hidrgeno por otrotomo, se forman enantimeros

CH2CH3

H3C HH

CH2CH3

H3C HBr

CH2CH3

H3C BrH

Pareja de enantimeros


(c) Germn Fernndez



Hidrgenos diastereotpicos

Al sustituir cada hidrgeno por otrotomo, se forman diastereoismeros

Pareja de diastereoismeros

El producto se obtiene como mezcla racmica, debido a la formacin de un

radical plano que es halogenado por las dos caras. Los hidrgenos

enantiotpicos son qumicamente equivalentes y el bromo los sustrae con

la misma velocidad.

El radical generado es plano y los lbulos son atacados con igual

probabilidad por el bromo molecular, lo que produce 2-bromobutano

racmico.

Halogenacin del (S)-2-Clorobutano en C3La reaccin de halogenacin con bromo del(S)-2-Clorobutano sobre el

carbono C3 tiene el siguiente forma:

Las etapas de propagacin que determinan la estereoqumica del producto

formado son:

La halogenacin de la posicin C3 conduce a diastereoismeros. Las caras

del radical formado no son equivalentes y son atacadas a distinta velocidad

por la molcula de bromo. Se denominan caras diastereotpicas y los

hidrgenos que sustrae el bromo: hidrgenos diastereotpicos.

C C

Cl CH3

H3C H H H

Br2Luz

C C

Cl CH3

H3C H H Br

C C

Cl CH3

H3C H Br H

+

Hidrgenos diastereotpicos

C C

Cl CH3

H3C H H HBr+ C C

Cl

H3C H

H

CH3+ HBr

C C

Cl

H3C H

H

CH3

Cara diastereotpica

Cara diastereotpica

+ Br2 C C

Cl Br

H3C H H CH3

+ C C

Cl

H3C H

HCH3

Br

Mezcla de diastereoismeros

CH3H

H

CH3Br

H

CH3H

Br

+


(c) Germn Fernndez



Reaccin estereoselectivaUna reaccin que conduce de manera predominante a un esteroismero es

estereoselectiva. Las halogenaciones radicalarias de hidrgenos

diastereotpicos, generan diastereoismeros en distinta cantidad se dice

por tanto que son reacciones estereoselectivas.

Reaccin estereoespecficaUna reaccin que conduce de forma exclusiva a un estereoismero

concreto se dice que es estereoespecfica. En el tema de sustituciones y

eliminaciones veremos que la SN2 es una reaccin que da uno slo de los

posibles estereoismeros, por ello es una reaccin estereoespecfica.

La halogenacin de hidrgenos enantiotpicos conduce a una mezcla de

enantimeros en igual cantidad, por ello carece de selectividad alguna.

13. REACCIN ESTEREOSELECTIVA Y ESTEREOESPECFICA

Dificultades en la separacin de racematosLos enantimeros tienen casi todas las propiedades fsicas iguales, puntos

de fusin, ebullicin, solubilidad. Tan slo se diferencian en la rotacin de

la luz polarizada, el dextrgiro rota a la derecha y el levgiro a la izquierda.

Por tanto la separacin de enantimeros no puede realizarse por los

mtodos fsicos convencionales (destilacin, cristalizacin.....). La solucin

al problema se basa en la diferencia entre las propiedades fsicas de los

diastereoismeros, los cuales si poseen puntos de fusin, ebullicin y

solubilidades diferentes que permiten separarlos.

Separacin via diastereoismerosVamos a buscar una reaccin que convierta la mezcla racmica en una

mezcla de diastereoismeros, por unin de cada enantimero a un reactivo

quiral. Esta mezcla se separa por cristalizacin fraccionada, destilacin o

cromatografa de los diastereoismeros. Para finalizar se rompe el enlace

que une cada enantimero con el reactivo quiral y se separan ambos,

obtenindose los enantimeros puros.

14. SEPARACIN DE ENANTIMEROS

portada.pdfhoja_01.pdfhoja_02.pdfhoja_03.pdfhoja_04.pdfhoja_05.pdfhoja_06.pdfhoja_07.pdfhoja_08.pdfhoja_09.pdfhoja_10.pdfhoja_11.pdfhoja_12.pdfhoja_13.pdfhoja_14.pdf

Documents

Teoría de estereoquímica