ESTEREOQUÍMICA Mg. LUIS MIGUEL FELIX VELIZ

BLOG: http://www.lfelix-qumicaorgnica.blogspot.com/

ESTEREOQUÍMICA

• Gracias a los éxitos de la química y de la física en la actualidad se sabe que los fenómenos químicos están unidos a los procesos que transcurren en la capa electrónica de los átomos.

• Sabemos que el átomo consta de un núcleo cargado positivamente y rodeado de una nube electrónica con carga negativa al que se le denomina ORBITAL ATOMICO o REEMPE.

Isómeros

PLANA

(distinta constitución)

POSICIÓN FUNCIÓN

CADENA

ISOMERÍA

ESTEREOISÓMEROS

(disitnta configuración)

ENANTIÓMEROS DIASTEROISÓMEROS

Tipos de Isomería

Los isómeros son compuestos que tienen la misma formula molecular pero difieren en la manera en que los átomos constituyentes se unen entre si. La formula mas sencilla es la formula estructural, en la cual difiere la secuencia de unión; ejm- C4H10O 1-butanol, 2-butanol

ESTEREOQUÍMICA

• Aquella parte de la ciencia que se ocupa de la estructura en tres dimensiones, se denomina ESTEREOQUÍMICA.

• Un aspecto de la estereoquímica es la ESTEREOISOMERIA:

Se diferencia por la orientación espacial de su átomos.

ESTEREOISOMERÍA • Es la isomería de compuestos que tienen la misma

formula estructural pero diferente disposición de los grupos en el espacio. Existen dos formas de estereoisomería: Isomería geométrica, Isomería óptica.

• ¿Qué son isómeros ópticos? Son estereoisómeros, algunos o todos de los cuales

tienen la habilidad de hacer rotar el plano de la luz polarizada.

• ¿Qué características deben tener las moléculas opticamente activas para actuar de manera sobre la luz polarizada?

En realidad veremos como la falta de una propiedad es la responsable de su actividad óptica y que esta propiedad es la simetría.

Cuando esto ocurre se dice que la molécula es quiral y óptimamente activa, puesto que es capaz de desviar el plano de la luz polarizada.

• Al carbono con hibridación sp3 que está unido a cuatro átomos o grupos de átomos diferentes se le denomina estereocentro o centro estereogénico. El reflejo de esta estructura genera su enantiómero.

• Entre los muchos diferentes elementos de simetría que es posible encontrar en una molécula están:

• Un centro de simetría es aquel punto dentro de un objeto, desde el cual, cualquier proyección que se haga desde él hasta otro punto de ese cuerpo, en sentido inverso siempre encontrará una imagen idéntica del otro extremo.

• Un plano de simetría puede ser considerado como aquel que divide un objeto, como por ejemplo una molécula, de tal forma, que lo que queda a un lado de ese plano es como la imagen del objeto original que se refleja en un espejo. Son aparentemente indistinguibles una frente a la otra. Sin embargo, ambas poseen propiedades físicas y químicas que efectivamente, las hacen diferentes entre sí.

Centro de simetría

Uno de los planos de simetría

del benceno

del benceno

ELEMENTOS DE SIMETRÍA

Quiralidad y simetría no son términos sinónimos

Moléculas asimétricas: son aquellas que carecen de cualquier elemento de simetría

Moléculas disimétricas: Son aquellas que NO presentan elementos de simétrica de reflexión.

TODAS LAS MOLECULAS QUIRALES SON DISIMETRICAS

UNA MOLECULA ASIMETRICA ES NECESARIAMENTE DISIMETRICA,

PERO UNA MOLECULA DISIMETRICA NO ES NECESARIAMENTE ASIMETRICA

QUIRALIDAD Molécula Quiral: Es aquella que no presenta elementos de simetría de reflexión.

Son ópticamente activas

Molécula Aquiral es aquella que presenta elementos de simetría de reflexión:

Son ópticamente inactivas

CH3

CH3

C2

CH3

CH3

C2

Molécula disimétrica quiral

Br

ClH

F

Br

ClH

FMolécula asimétrica quiral

B

A

B

A

OHH

OHH

OHH

CO2H

CO2H

OHH

HOH

OHH

CO2H

CO2H

La presencia de un átomo quiral en una

molécula no es condición necesaria ni

suficiente para que la molécula sea quiral

ENANTIÓMEROS

• Una molécula quiral no puede superponerse con su

imagen especular. La imagen especular de una

molécula quiral es también quiral, y se la llama

enantiómero. Un enantiómero entonces es la imagen

especular no superponible de una molécula quiral.

¿Cuál es el nombre del compuesto?

CONFIGURACIÓN ABSOLUTA

• El sistema más aceptado para nombrar la configuración de un centro estereogénico es la denominada convención de Cahn, Ingold y Prelog, que asigna una letra R o S a cada centro estereogénico de una molécula quiral. Las reglas que hay que seguir para asignar una configuración R o S son las siguientes:

• 1º. Cada átomo unido al carbono estereogénico recibe un número 1, 2, 3 ó 4. El 1 se asigna al grupo de mayor prioridad y el 4 al de menor prioridad. La prioridad se establece según el número atómico: el átomo de mayor prioridad es el de mayor número atómico.

• 2º. Una vez asignado el orden de prioridad se mira el carbono estereogénico desde el lado opuesto al grupo de menor prioridad.

• Si el orden de prioridades decreciente de los restantes grupos representa una secuencia en el sentido de las agujas del reloj se asigna al estereocentro la configuración R (rectus, derecha).

• Si la secuencia gira en el sentido opuesto a las agujas del reloj la configuración del estereocentro es

S (sinister, izquierda).

Posición real de los sustituyentes alrededor de un estereocentro

• Asignación de la configuración R o S de los dos enantiómeros del 1-cloro-1-fluoroetano.

• La representación tridimensional de los dos enantiómeros del

1-cloro-1-fluoroetano es la siguiente:

Obsérvese que si un

enantiómero tiene

notación R su imagen

especular será S.

• Para asignar las configuraciones de estos dos compuestos se procede del siguiente modo:

• 1º. El orden de prioridad de los grupos unidos al carbono estereogénico en base al número atómico es, de mayor a menor, Cl > F > C > H. Por tanto, el orden de prioridad será Cl (1º), F (2º), C (3º) y H (4º).

• 2º. Una vez asignado el orden de prioridad hay que mirar al compuesto quiral desde el lado opuesto al que ocupa el último grupo en prioridad, tal y como se indica en los siguientes esquemas:

• Para asignar la prioridad de átomos unidos mediante enlaces múltiples se considera que cada enlace π equivale a un enlace simple adicional. Las equivalencias de una serie de grupos que contienen enlaces múltiples se da en la siguiente figura.

LOS COMPUESTOS DIASTEREOISÓMEROS

• Cuando un compuesto orgánico contiene dos o más centros estereogénicos son posibles un máximo de 2n estereoisómeros. Donde n es el número de centros estereogénicos en la molécula.

• A continuación, se indican las proyecciones de Fischer de los cuatro posibles estereoisómeros del 3-bromobutan-2-ol y las relaciones de estereoisomería que se establecen entre ellos.

LOS COMPUESTOS MESO

2S-3R2S-3S2R-3R2R-3S

333

2

3HO

HO

OH

HOOH

HOOH

OH

H

HH

HH

H

H

H

COOHCOOH

COOHCOOH

COOH

COOH

COOH

COOH

R

SR

S

222

1 2 3 4

R

R S

S

Observando bien, los estereoisómeros 2 y 3 son un par de enantiómeros y uno

de ellos será, con toda seguridad, dextrorrotatorio (+), el otro por supuesto,

levorrotatorio (-) Esto habría que determinarlo experimentalmente. En todo caso,

ambos presentarían, actividad óptica sobre el plano de la luz polarizada, si

fuesen colocados en un polarímetro por separado.

Ahora bien, si tomamos cualquiera de los estereoisómeros 1 o 4 y lo colocamos

en un polarímetro, encontramos que ninguno de ellos posee actividad óptica a

pesar de que a primera vista son enantiómeros entre sí, poseen dos centros

asimétricos cada uno en C2 y C3. La razón de este hecho aparentemente

anormal, es que cada una de ellas tiene un plano de simetría interno entre los

carbonos 2 y 3.

Cada cuadrante es imagen especular hacia abajo o hacia el lado

Plano se simetría

Espejo2S-3R2R-3S

33HO

HO

OH

OH

H

H

H

H

COOH

COOH

COOH

COOH

RS

22

1 4

R S

Moléculas quirales sin estereocentros

Alenos

Bifenilos

Actividad Óptica

• Una onda electromagnética polarizada. Las oscilaciones de los campos eléctrico y magnético son perpendiculares entre sí y perpendiculares a la dirección de propagación. Las oscilaciones del campo eléctrico sólo se producen en el plano de polarización.

Polarización electromagnética

Medida de la rotación de la luz

• La rotación óptica se mide con un polarímetro que consta de de una fuente de luz, un polarizador del que sale luz oscilando en un único plano, la cubeta que contiene el enantiómero y un analizador que permite medir la rotación de la luz.

• PARTES FUNDAMENTALES:

• 1.- Fuente de luz (lampara de sodio)

• 2.- Un polarizador (prisma de Nicol fijo)

• 3.- Tubo para mantener la sustancia opticamente activa

• 4.- Un analizador (prisma de Nicol movible)

• 5.- Escala para medir los grados de rotación que ha girado el plano de la luz polarizada

La rotación medida en el polarímetro se llama rotación óptica observada y se

representa por a. Su valor depende de numerosas variables como temperatura,

longitud de onda, concentración, disolvente y tipo de sustancia. Para evitar estas

dependencias se define la rotación óptica específica [a].

MODELOS MOLECULARES

• Son representaciones tridimensionales incompletas de las moléculas.

• Algunos sólo representan las relaciones geométricas de los átomos en la molécula, careciendo de exactitud en las distancias interatómicas, ejemplo esferas y barras, palillo, armazón y pre armados, Burton;

• Otras muestran a escala la distancia interatómicas como el modelo de Stwart y los de Fisher-Hirschfelder-Taylor.

Fórmulas de proyección

CUÑA LINEA PUNTEADA (CUÑA AEREA)

Fórmulas de proyección

NEWMAN (DE EXTREMO)

• Formas de conformación:

Fórmulas de proyección PERSPECTIVA o CABALLETE

H

HH

H

H H

Fórmulas de proyección FISHER

Los cuatro enlaces de un carbono quiral se representan por una cruz.

Líneas horizontales: hacia el observador.

Líneas verticales: hacia atrás del observador.

Fórmulas de proyección

HAWORT

PIRANO FURANO

O O

Completar las siguientes formulas de proyección colocando los átomos

que corresponden:

ANÁLISIS CONFORMACIONAL

• Es de esperarse que en una determinada sustancia los átomos unidos por enlaces sencillos pueden adoptar una multitud de diferentes distribuciones en el espacio a las que se llaman CONFORMACIONES.

• El análisis conformacional explica y pronostica el comportamiento físico y químico de las moléculas de acuerdo a su conformación preferente o estable.

VALORES ENERGETICOS DE LAS INTERACCIONES

• ECLIPSADA ALTERNADA

H-H 1kcal/mol H-H 0 kcal/mol

H-CH3 1,3 kcal/mol H-CH3 0 kcal/mol

H-Et 2kcal/mol Alq-H 0 kcal/mol

X-H 0,5 kcal/mol X-X 1,2 kcal/mol

Alq-Alq 2,4kcal/mol Alq-Alq 0,9 kcal/mol

X-X 3 kcal/mol

CH3-CH3 4,4 kcal/mol

ANÁLISIS CONFORMACIONAL DEL ETANO

ANÁLISIS CONFORMACIONAL DEL BUTANO

CH3

CH3

H H

H H

anti

CH3 CH3

H H

H

H

CH3 CH3

H H

H

H

gauche

gauche

• El prefijo anti se emplea cuando los enlaces de los grupos más voluminosos (en este caso los dos grupos metilo) forman ángulos superiores a 90°. El prefijo sin se emplea cuando los enlaces de los grupos más voluminosos (en este caso los dos grupos metilo) forman ángulos inferiores a 90°.

• La terminación periplanar se aplica cuando los dos grupos más voluminosos están en un mismo

plano. La terminación clinal se aplica cuando los dos grupos voluminosos están en distintos planos.

ANÁLISIS CONFORMACIONAL DEL BUTANO

ANÁLISIS CONFORMACIONAL DEL BUTANO

ANÁLISIS CONFORMACIONAL DE LOS CICLOHEXANOS

Conformaciones: silla, bote y bote torcido.

Silla: conformación más estable, con hidrógenos en posiciones axiales y ecuatoriales.

Posición ecuatorial: la más estable (menor efecto estérico y menor tensión torsional.

H

H H

H

H

H

H

H

H

HH

H

axial

ecuatorial

ecuatorial

ecuatorial

ecuatorial

ecuatorial

ecuatorial

axial

axialaxial

axialaxial

ANALISIS CONFORMACIONAL DEL CICLOHEXANO

ANÁLISIS CONFORMACIONAL DEL CICLOHEXANO

Ciclohexanos monosustituidos

Interconversión axial-ecuatorial del sustituyente.

Ciclohexanos disustituidos

Interconversiones y estabilidad:

Sustitución 1,2: trans más estable

Sustitución 1,3: cis más estable

Sustitución 1,4: trans más estable

Ciclohexanos monosustituidos

Ciclohexanos monosustituidos

Sustitución 1,2: isómero cis

Igual energía

CH3

CH3

CH3

CH3

Ciclohexanos disustituidos

Ciclohexanos disustituidos

Sustitución 1,2: isómero trans

CH3

CH3

CH3

CH3

Diaxial Mayor energía

Diecuatorial Menor energía

Ciclohexanos disustituidos

Ciclohexanos disustituidos

Conformaciones de silla del cis -1,3-dimetilciclohexano

Conformaciones de silla del trans-1,3-dimetilciclohexano

Conformación del cis-1,4-di-terc-butilciclohexano La conformación más estable del cis-1,4-di-terc-butilciclohexano

es una barca retorcida. Cualquiera de las posibles

conformaciones de silla requiere que uno de los grupos terc-butilo

voluminosos ocupe una posición axial.

Puesto que los grupos terc-butilo son los más estables en las

posiciones ecuatoriales, cuando hay dos grupos terc-butilo éstos

obligarán al ciclohexano a interconvertirse en una conformación de

barca retorcida.

Cis y trans-decalina. La cis-decalina resulta

de la fusión de dos

anillos de ciclohexano

tal que el segundo

anillo está unido al

primero por dos

enlaces en cis.

En la trans-decalina la

fusión tiene lugar a

través de dos enlaces

en trans.

Los anillos de seis

miembros en cis

-y trans-decalina

adquieren

conformaciones de

silla.

¿PARA QUE ME SIRVE TODO ESTOS CONOCIMIENTO?

¿CÓMO APLICO TODO ESTO?

ANFETAMINA: tanto la mezcla

racémica como el isómero S(+),

conocido como dexedrina, se

prescriben como supresores del

apetito. La dexedrina es de 3 a 4 veces

más potente que el isómero R-(-).

NAPROXENO: Sólo el enantiómero

S tiene actividad analgésica y

antiinflamatoria. El enantiómero R

es inactivo por lo que la forma

racémica es simplemente un

medicamento que es 50% puro y

contiene un 50% de "ingredientes

inhertes", aunque en el organismo

se convierte despacio en la forma

S, que es la activa.

PROPANOLOL es un agente antirítmico:

reduce el ritmo cardiaco así como las

fuerzas contráctiles del corazón. Se ha

demostrado que sólo el S-(-)-propanolol

es efectivo para el tratamiento de angina.

De hecho, es 100 veces más potente que

el isómero R-(+).

S-(-)

L-Dopa

R-(+)

D-Dopa

L-DOPA: se prescribe para tratar el mal de

Parkinson. Originalmente se administraba la

mezcla racémica, la cual adolecía de serios

efectos secundarios, como la granulocitopenia

(reducción de glóbulos blancos).Actualmente se

mercadea como el isómero S-(-), que no

presenta los problemas del racemato. De aquí

que los efectos negativos se pueden atribuir al

isómero R-(+).

El limoneno levógiro (-) se extrae de la

cáscara de la naranja y le confiere su olor

característico.

El limoneno dextrógiro (+) es un líquido

aceitoso que puede extraerse fácilmente de

la cáscara del limón y es el responsable de

su olor.

Carvona forma dos formas de imagen

especular o enantiómeros: R - (-) -

carvona huele como las hojas de menta

verde (hierbabuena), se usa como aditivo

alimentario.

Su imagen en el espejo, S - (+) - carvona,

huele como las semillas de alcaravea, se

usa como digestivo (carminativo,

antiflatulento).

Una de las ventajas de

hablar con uno mismo es

que al menos sabemos

quién nos está

escuchando", dijo en una

ocasión Franklin P. Jones.