Produción industrial del aminoácido L-Dopa (útil en el tratamiento del Parkinson) usando...
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Produción industrial del aminoácido L-Dopa (útil en el tratamiento del Parkinson) usando catalizadores quirales
(Knowles)
Síntesis industrial del ároma mentol con ayuda del catalizador quiral BINAP (Noyori, 1980)
Ejemplo de una reducción estereoselectiva de una cetona que deja intacto el grupo éster
Se denominan isómeros a los compuestos que tienen la misma fórmula molecular pero diferente
estructura química
Dependiendo de la naturaleza de la diferencia entre las estructuras es posible clasificar los isómeros en varios
subtipos
1-propanol 2-propanol etil metil éter (C3H8O)
Isómeros constitucionales o estructurales
Isómeros constitucionales o estructurales
Se distinguen en el orden en el que los átomos están conectados entre sí. Pueden
contener distintos grupos funcionales o estructuras
Estereoisómeros
Tienen los mismos grupos funcionales y conectividad, diferenciándose en la organización espacial de átomos y
enlaces
1.- CONCEPTO Y TIPOS DE ISOMERÍA
ISÓMEROS ESTRUCTURALES
DE CADENA
Butano Metilpropano
Propan-1-ol Propan-2-ol
DE POSICIÓN
DE FUNCIÓN
Propan-1-ol Metoxietano
ESTEREOISÓMEROS ESTEREOISÓMEROS CONFORMACIONALES
ESTEREOISÓMEROS CONFIGURACIONALES
Producidos por la rotación en torno a un enlace simple C-C.
Interconvertibles a temperatura
ambiente
Estereoisómeros no convertibles entre sí a temperatura ambiente
Isómeros geométricos, producidos por la presencia de un
doble enlace en la molécula
Isómeros ópticos, producidos normalmente por la presencia de un
centro quiral (carbono asimétrico)
¿Tienen los compuestos la misma fórmula molecular?
Isómeros
No IsómerosNO
SI
¿Tienen los compuestos la misma conectividad?NO SI
Estereoisómeros
¿Son interconvertibles por rotación en torno a enlaces simples C-C?
Configuracional
NOSI
¿Es producida por un doble enlace?SI
Óptica
¿Son los compuestos imágenes especulares no superponibles?
NO
NOSI
Isomería
Isomería estructural o constitucionalDifieren en la conectividad Estereoisomería
Difieren en la orientación espacial
de funciónTienen grupos
funcionales distintos
de posiciónel grupo funcional es el mismo
pero están en otra posición
de cadenaMismo grupo funcional pero la forma de la cadena varía
ConformacionalPueden interconvertirse
por giro sobre enlace sencillo
ConfiguracionalNo se pueden
interconvertir mediante un giro
GeométricaIsómeros cis y trans
Óptica
EnantiómerosSon imágenes especulares
no superponibles
DiastereoisómerosNo guardan relación de
imagen especular
UNA VISIÓN GLOBAL DEL PROBLEMA
ESTRUCTURALES
ESTEREOISÓMEROS
ISÓMEROS
CONFORMACIONALES
CONFIGURACIONALES
Diastereómeros Enantiómeros
OTRA VISIÓN GLOBAL DEL PROBLEMA
Estereoisómeros son sustancias cuyas moléculas tienen el mismo número y tipo de átomos colocados en el mismo
orden, diferenciándose únicamente en la disposición espacial que ocupan.
2.- ESTEREOISOMERÍA
Imágenes especulares no superponibles
No son imágenes especulares
Según la relación que guardan entre sí los estereoisómeros:
Isomería geométrica
Estereoisomería producida por la diferente colocación
espacial de los grupos en torno a un doble enlace
Isomería óptica
Estereoisomería producida por la diferente colocación
espacial de los grupos en torno a un estereocentro, habitualmente un carbono
quiral
Según el origen o causa de la estereoisomería:
Estas dos formas no son isómeros geométricos ya que la libre rotación del enlace simple convierte una
forma en otra (son confórmeros)
3.- ISOMERÍA GEOMÉTRICA
¿Son isómeros geométricos estas dos formas de 1,2 dicloroetano?
Estas dos formas sí son isómeros geométricos ya que el doble enlace no
permite la libre rotación. Son las formas trans y cis del 1,2-dicloroeteno
¿Son isómeros geométricos estas dos formas de 1,2 dicloroeteno?
Para que exista isomería geométrica se deben cumplir dos condiciones:
1.- Rotación impedida (por ejemplo con un doble enlace)
2.- Dos grupos diferentes unidos a un lado y otro del enlace
La isomería cis/trans se puede dar también en sistemas cíclicos donde la rotación en torno al enlace simple está
impedida
Los isómeros geométricos son diasteroisoméros porque entre ellos no son imágenes especulares
Nomenclatura de los isómeros geométricos
La asignación de prioridad de los grupos se basa en las reglas de Cahn-Ingold y Prelog que establecen un orden de prioridad según el número atómico
La isomería geométrica tiene efecto sobre las propiedades físicas
1,2-dicloroeteno
Isómero
Punto Fusión (°C)
Punto Ebullición (°C)
cis -80 60
trans -50 48
2- buteno
Isómero
Punto de Fusión (°C)
Punto Ebullición (°C)
cis -139 4
trans -106 1
El isómero cis tiene un punto de ebullición más alto que el isómero transEl isómero cis tiene un punto de fusión más bajo que el isómero trans
¿Por qué el isómero cis tiene mayor punto de ebullición?
El isómero cis es más polar
cis-1,2-dicloroeteno cis-2-buteno
El átomo de Cloro jala los electrones de enlace polarizando la unión C-Cl
Los grupos metilo empujan electrones hacia el carbono del doble enlace,
polarizando el encale C-C
¿Por qué el isómero cis tiene menor punto de fusión?
La forma en U del isómero cis dificulta el empaquetamiento en estado sólido. Las débiles fuerzas intermoleculares que se establecen en este caso explican que funda a menores temperaturas que el isómero trans, cuya forma permite un empaquetamiento más eficaz.
El isómero cis es menos simétrico
4.- ISOMERÍA ÓPTICA
La mayoría de sustancias no desvían el plano de polarización de la luz, no son ópticamente activas, pero los isómeros ópticos sí lo son
En la pareja de enantiómeros, ambos desvían el plano de polarización el mismo número de grados, pero en sentidos contrarios (Pasteur, 1848)
El tartrato de sodio y amonio, ópticamente inactivo, existía como una mezcla de dos clases diferentes de cristales que eran imágenes especulares entre sí. Pasteur separó la mezcla cuidadosamente en dos montones uno de cristales derechos y el otro de izquierdos.
La mezcla original era ópticamente inactiva; sin embargo, cada grupo de cristales por separado era ópticamente activo. En todas las demás propiedades, ambas sustancias eran idénticas
ÁCIDO L (+) tartárico ÁCIDO D (-) tartárico
ÁCIDO MESO tartárico
Una sustancia ópticamente activa es la que desvía el plano de la luz polarizada
El polarímetro mide la rotación específica de la muestra
l longitud celda
c concentración muestra
D longitud onda luz sodio
Sustancia dextrógira: Sustancia levógira:
Ácido (+) Láctico
Extraído del tejido muscular
(-)2-metil-1-butanol
Giro en el sentido de las agujas del reloj Giro en sentido contrario de las agujas del reloj
Reconocimiento molecular de la epinefrina por un enzima. Sólo el enantiómero levógiro encaja en el sitio activo del enzima.
La naturaleza puede diferenciar fácilmente los enantiómeros. Los sitios activos de los enzimas normalmente se diseñan para alojar solamente uno de los enantiómeros con objeto de formar el complejo enzima-sustrato. El otro enantiómero no encajará en el sitio activo del enzima, por lo que no mostrará actividad bioquímica.
Reconocimiento quiral
¿Por qué los isómeros ópticos desvían el plano de polarización de la luz?
Las moléculas de los isómeros ópticos son quirales, existen en dos formas, imágenes especulares, que
no son superponibles
Esta falta de simetría en las moléculas puede estar producida por varías causas, la más frecuente es que en ellas exista un estereocentro, en general un carbono unido a cuatro sustituyentes diferentes (carbono quiral).
Ojo: Existen moléculas quirales que no tienen estereocentro: Alenos, Bifenilos, .. y moléculas con estereocentros que no son quirales
Acción de las moleculas aquirales y quirales ante la luz polarizada
Quiralidad: Es una propiedad según la cual un objeto (no necesariamente una molécula) no es superponible con su imagen especular. Cuando un objeto es quiral se dice que él y su imagen especular son enantiómeros
Presentan plano de simetría
Ejercicio: ¿Cuál de estas moléculas es quiral?
Moléculas No Quirales
Superponibles
Moléculas Quirales
Imágenes especulares
No Superponibles
Dos enantiómeros desvían el plano de la luz polarizada en la misma magnitud pero en sentidos
opuestos.
Cuando una molécula es superponible con su
imagen especular se dice que no
es ópticamente activa y, por tanto, es incapaz de desviar el plano de la luz
polarizada.
Las moléculas que contienen un estereocentro son siempre quirales
Los enantiómeros tienen las mismas propiedades químicas y físicas, a excepción de su respuesta ante la luz polarizada (actividad óptica). Por ello se les denomina isómeros ópticos.
Las moléculas aquirales son ópticamente inactivas.
La mezcla 1:1 de los enantiómeros (+) y (-) de una molécula quiral se denomina mezcla racémica o racemato y no desvía la luz polarizada
Ojo: Existen moléculas sin estereocentro que son quirales y moléculas con más de un estereocentro que no son quirales
2-butanol
Ácido 2-hidroxipropanoico
(ácido láctico)
Ácido 2-aminopropanoico
(alanina)
Cahn, Ingold y Prelog establecieron el sistema de nomenclatura R/S para nombrar la configuración absoluta de un estereocentro.
Se deja el grupo de prioridad menor (d) hacia atrás y se observa el sentido de giro para ir desde el grupo de más prioridad (a) hacia el de menor (c) de los tres que quedan. Si el sentido es el de las agujas del reloj, la configuración es R (rectus). Al contrario es S (sinister).
5.- Configuración del estereocentro: R/S
Reglas de prelación
El número atómico de los átomos directamente unidos al estereocentro
determina su orden de prioridad. El átomo de mayor numero atómico tiene la
mayor prioridad. Si uno de ellos es un hidrógeno, éste será el de prioridad menor.
Si hay dos átomos iguales unidos al estereocentro, se observa en la posición
siguiente qué atomo tiene el número atómico mayor. En caso de nueva
coincidencia se sigue a la siguiente posición, y así sucesivamente.
Si alguno de los átomos unidos al estereocentro participa en un enlace doble
o triple, se supone que aquél está unido por enlaces sencillos a un numero
respectivamente doble o triple de átomos.
En las proyecciones de Fischer cada carbono tetraédrico se representa como una cruz en la que, las líneas horizontales se dirigen hacia afuera del papel y las verticales hacia adentro.
6.- PROYECCIÓN DE FISCHER
orientar
Construir proyección Fischer
Asignar prioridad
Determinar configuración
Si el último grupo en prioridad está en la horizontal y la unión 1→ 2→ 3 va ensentido R la configuración del estereocentro es opuesta, o sea, S
Si el último grupo en prioridad está en la horizontal y la unión 1→ 2→ 3 va ensentido S la configuración del estereocentro es opuesta, o sea, R.
La rotación de una proyección de Fischer afecta a la configuración del estereocentro representado:
El giro de 90º invierte la configuración
El giro de 180º conserva la configuración Este giro de 180° en el plano en una proyección de Fischer equivale a unnúmero par de intercambios de grupos,
un giro de 90° equivale a un número impar de intercambios (untotal de tres interconversiones)
Una molécula con n estereocentros tiene un máximo de 2n estereoisómeros.
7.- Moléculas con más de un centro quiral
¿Por qué en el caso del ácido tartárico (ácido 2,3-dihidroxibutanodioico), con dos estereocentros, sólo se producen tres estereoisómeros?
(+)-tartaric acid: [α]D = +12º m.p. 170 ºC
(–)-tartaric acid: [α]D = –12º m.p. 170 ºC
meso-tartaric acid: [α]D = 0º m.p. 140 ºC
8.- LA FORMA MESO
Una forma meso es un compuesto que contiene dos o más estereocentros y es superponible con su imagen especular.
Los compuesto meso contienen un plano de simetría que divide la molécula en dos, de tal forma que una mitad es la imagen especular de la otra
REPRESENTACIÓN DE NEWMAN.
Esta forma de representar las moléculas orgánicas Implica la visión de la molécula desde el extremo del eje de un enlace C-C. El átomo de carbono que queda más próximo al observador se representa por un punto central del que emergen los enlaces restantes. El átomo de carbono posterior se representa por un círculo.
CASO 1.- Si partimos de una sustancia aquiral y en el medio de reacción no hay sustancias quirales, aunque se forme un estereocentro, el producto no será ópticamente activo (dará lugar a una mezcla racémica).
El carbono secundario que sufre la reacción no es quiral, pero se le denomina proquiral porque al reaccionar da lugar a un centro quiral o estereogénico
9.- REACTIVIDAD Y ESTEREOQUÍMICA
Ejemplo: halogenación de alcanos
Síntesis de 2-butanol por hidrogenación catalizada con níquel de 2-butanona
CH3CH2CCH3 CH3CH2CHCH3
OHO
+ H H (+)-Ni *
CH3CH2
C CHH
H
H Br
CH3CH2
H
CH3
Br
CH3CH2
Br
CH3
H
H3CH2CCH3
H (S)-2-Bromobutane
Top
Bottom
+ (50%)
(50%)(R)-2-Bromobutane
1-buteneCarbocationintermediate
(achiral)Br
Br
Adición de HBr a 1-buteno para producir 2-bromobutano
CASO 2.- Cuando ya existe un estereocentro en la molécula de partida y se crea otro en la reacción, se obtienen una pareja de diastereómeros generalmente en distinta proporción, porque los ET que conducen a ellos no tienen porqué poseer la misma energía.
Cloración en posición 3 del (S)-2-bromobutano ópticamente puro
Los estados de transición no tienen la misma energía
Obtenemos pareja de diastereómeros en distinta proporción
Cloración en posición 3 del (R)-2-bromobutano ópticamente puro
Los estados de transición no tienen la misma energía
Obtenemos pareja de diastereómeros en distinta proporción
Inducción asimétrica: La presencia de un centro quiral afecta en la formación de un nuevo centro.Una reacción que conduce a la formación predominante de uno de los varios productos estereoisoméricos posibles es estereoselectiva.
Cloración en posición 3 del 2-bromobutano racémico, es decir, de una mezcla 1:1 de (S)- y (R)-2-bromobutano
Se sigue obteniendo una mezcla de diastereómeros, de los que uno predomina, pero ahora son racémicos, porque partimos de un compuesto que así lo era.
Cuando ninguno de los productos de partida es enantioméricamente puro y en la reacción se producen
estereocentros, el resultado de la misma es siempre un racémico
Reactivo(s) Producto(s)
Simétrico no proquiral (opticamente inactivo)
Simétrico (opticamente inactivo)
Simétrico proquiral (opticamente inactivo)
Quiral racémico (opticamente inactivo)
Quiral racémico (opticamente inactivo)
Mezcla de diastereómeros racémicos (opticamente inactivo)
Quiral enantioméricamente puro (opticamente activo)
Mezcla de diastereómeros enantioméricamente puros (opticamente activo)
10.- RESOLUCIÓN DE RACEMATOS
La separación de enantiómeros de mezclas racémicas se denomina resolución. Hay diferentes procedimientos para la resoluciónde mezclas racémicas pero los más utilizados son la resolución química y la resolución cromatográfica.
La resolución química consiste en la separación de los enantioméros de la mezcla racémica mediante su conversión en una mezcla de diastereoisómeros. Para ello, la mezcla de enantiómeros se hace reaccionar con compuesto quiral que recibe el nombre de agente de resolución.
La resolución de una mezcla racémica puede llevarse a cabo aprovechando las diferencias en las propiedades físicas y/o químicas de los diastereoisómeros.
Una tuerca de una helicidad determinada sólo casará bien con los tornillos de su misma helicidad.
1º.- Formación diastereómeros
2º.- Separación diastereómeros
3º.- Eliminación del agente de resolución
Método de resolucíón química: Resumen
• La reacción de un enantiómero puro de un compuesto con una mezcla
racémica de otro compuesto da lugar a una mezcla de diastereómeros. La
separación de los diastereómeros, seguida de hidrólisis, da lugar a los
enantiómeros resueltos
• El proceso de separar los enantiómeros se denomina resolución. La
separación de los enantiómeros de una mezcla racémica requiere un
compuesto activo ópticamente puro, como el tartrato, para poder separarlos.
La reacción entre una mezcla racémica y un ácido tartárico (R),(R)-(+)- puro
da lugar a dos diastereómeros que pueden separarse fácilmente debido a
su diferencia en las propiedades físicas. Una vez que se hayan separado
los diastereómeros, el ácido tartárico se puede hidrolizar proporcionando
enantiómeros puros.
Resolución enantiomérica.
Resolución enantiomérica
Los enantiómeros del compuesto racémico forman complejos diastereoméricos con la sustancia quiral del relleno de la columna. Uno de los enantiómeros se enlaza con más fuerza que el otro, por lo que se mueve más lentamente a través de la columna.La interacción diferente entre los diastereómeros y el relleno de la columna es la base de la cromatografía quiral. Un diastereómero interactuará más con el relleno de la columna, mientras que el otro diastereómero, que interactúa menos, puede pasar a través de la columna y salir de la columna primero.
Cromatografía quiral de enantiómeros.
Nombrar los siguientes compuestos asignando la configuración absoluta (R)
o (S)
1. Elegimos la cadena principal más larga (4 carbonos).
2.Se numera comenzando por el carbono del grupo hidroxílo (-OH) que es el
grupo funcional de la molécula. En posición 2 hay un centro quiral cuya
notación debe incluirse en el nombre del compuesto.
3.Damos prioridades a los grupos que parten del carbono asimétrico por
números atómicos.
4.El giro en el sentido de las agujas del reloj, con el grupo de menos
prioridad al fondo, nos indica la notación R del centro quiral.
5.El nombre de la molécula se compone de la notación del centro quiral,
entre paréntesis, seguida del nombre del compuesto.
1.Se numera el compuesto para que los sustituyentes (bromo y
metilo) tomen los menores localizadores.
2.El nombre del compuesto es 1-Bromo-2-metilbutano. Sin embargo,
es necesario indicar la notación del centro quiral que tiene la
molécula en su posición 2.
3.Damos prioridades a los grupos que parten del carbono asimétrico,
“a” para la cadena que llega al bromo, “b” para el etilo, “c” para el
metilo y el grupo de menor prioridad es el hidrógeno al que
asignamos la letra “d” por tener el menor número atómico.
El grupo “d” sale hacia nosotros (cuña) y la notación del centro es
contraria al giro. Así, el giro horario implica una notación S.
1.Asignamos prioridades al centro quiral (carbono 2).
2.La cadena que llega al flúor tiene la prioridad “a”, ya que el
número atómico del flúor es superior al del carbono.
3.El etilo gana al metilo por tener una cadena más larga y toma la
prioridad “b”.
4.El hidrógeno es el grupo de menor prioridad, puesto que su
número atómico es 1.
5.La posición del grupo “d” sobre la cuña nos indica que la
notación es contraria al giro. Giro horario, pero notación S.
COOH |H-C- NH2 | CH3
SELECCIONAR PRIORIDADES
1.Las prioridades se dan por números atómicos.
2.Partir de centro quiral y asignar el número atómico de los átomos
directamente unidos a él (nitrógeno(7), carbono(6) e hidrógeno(1).
3. El nitrógeno tiene el número atómico mayor, le asignas prioridad "a".
El hidrógeno es el de menor número (grupo con prioridad "d".
4. Tanto en el ácido como en el metilo hay carbono, se debe ver el
siguiente átomo, en el metilo son hidrógenos mientras que en el ácido
son oxígenos(´número atómico 8), el ácido es por ello prioritario sobre el
metilo
Por qué * es un centro quiral?
