Química orgánica. Estereoquímica.

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QUÍMICA ORGÁNICATexto con aplicaciones para las ciencias de la vida

ESTEREOQUÍMICA

Pablo Miguel González JuddIPN Escuela Nacional de Ciencias Biológicas

México 2012



1 QUÍMICA ORGÁNICA

Texto con aplicaciones para las ciencias de la vida

Pablo M. González Judd

ESTEREOQUÍMICA: Una vez conociendo las fórmulas importa también la forma.

INTRODUCCIÓN

La estereoquímica se define como la rama de la química que estudia la

estructura molecular en tres dimensiones. El estudio de la estereoquímica de

moléculas orgánicas e inorgánicas complejas, así como el análisis del

fenómeno de la estereoisomería constituyen, hoy día, herramientas de gran

importancia en áreas como síntesis orgánica, bioquímica, inmunología,

genética, biología molecular y farmacología. Mientras que la comprensión de

los conceptos de configuración absoluta y relativa nos permitirá comprender la

gran diversidad de productos naturales que existen, así como las diferencias en

actividad biológica que presentan muchos de ellos. Adicionalmente se revisarán

las reglas I.U.P.A.C. para la determinación de la configuración absoluta y

relativa de dichos compuestos lo cual nos permitirá nombrarlos y

diferenciarlos.

1. ESTEREOISOMERÍA Y CLASIFICACIÓN DE ESTEREOISÓMEROS

Estereoisomería. Como se mencionó en el tema de isomería de la Unidad 2,

además de la isomería se descubrió el fenómeno de la estereoisomería en el

cual dos o más compuestos pueden tener la misma fórmula molecular

condensada y en donde sus átomos están unidos de la misma manera y quesólo difieren en la orientación de sus grupos en el espacio tridimensional y sin

embargo pueden poseer propiedades físicas y químicas idénticas. No obstante,

también encontraremos estereoisómeros como los descritos anteriormente,

pero cuyas propiedades físicas son muy diferentes.

Por último, es importante enfatizar que gracias al fenómeno de la

estereoisomería existe una muy amplia variedad de monosacáridos,

aminoácidos, y muchos productos naturales con una amplia gama de actividad

biológica. Por otro lado, el dominio de la síntesis asimétrica

(Unidad 8), que constituye la capacidad de generar un estereoisómeros sobre

otro, ha permitido en las últimas décadas la síntesis de una gran variedad de

medicamentos en beneficio de la medicina.

En 1847 Luis Pasteur encontró que la molécula de ácido tartárico podía existir

como dos estereoisómeros en el que uno, es la imagen especular del otro, pero

que poseen propiedades físicas y químicas idénticas. ¿Cómo descubrió estoPasteur? Investíguelo y descubrirá un ejemplo de la paciencia que puede






requerir la investigación científica.

Con el tiempo se descubriría que muchas moléculas que presentan

estereoisómeros, tienen la peculiaridad de que solo uno de ellos ya sea el de la

serie S o el de la serie R, tienen actividad biológica o se encuentran de forma

corriente en la naturaleza.

Fig. 1 Estereoisómeros del ácido láctico. Obsérvese como alrededor del carbono central (Carbono quiral) los

sustituyentes cambian su orientación en ambos enantiómeros.

Con el transcurso de estas investigaciones se encontró que muchos alquenos

también pueden existir como estereoisómeros y que sus formas solo difieren

por la orientación espacial de sus sustituyentes. Estos alquenos, se

han diferenciado usando los prefijos Cis o Trans al inicio del nombre I.U.P.A.C.,aunque actualmente ya se está reemplazando este sistema de nomenclatura

por el uso de (Z) y (E) respectivamente, como Cis y Trans, letras que son las

iniciales de los vocablos alemanes Zusamenn y Entgegen que

significan "mismo lado" y "lados opuestos" respectivamente.

Para el caso particular de estos compuestos el simple cambio de la posición de

alguno de sus substituyentes origina diferencias notables en los puntos de

ebullición y de fusión de estos pares de estereoisómeros.

Existen también otro tipo de estereoisómeros Cis y Trans en algunos

cicloalcanos como el cis-1,2-dibromociclobutano y el trans-1,2-

dibromociclobutano, en los cuales los átomos de bromo unidos a carbonos

adyacentes se orientan hacia un solo lado y hacia lados diferentes como se

indica en el siguiente esquema.






Fig.

Fig. 2 Isómeros CIS y TRANS del 1,2-dibromociclobutano.

En los monosacáridos (azúcares sencillos) existe naturalmente un enorme

número de estereoisómeros cada uno de los cuales desempeña un papel

específico en los sistemas vivos. Los polipéptidos pueden igualmente presentar

un gran número de estereoisómeros y que análogamente tienen una función

en la célula. Por otro lado, la actividad biológica de un gran número de

productos naturales se debe precisamente a la estereoisomería, ya que cadaestereoisómero presenta una actividad biológica específica o incluso pueden

existir productos naturales inactivos para una especie pero activos para otra.

Antes de estudiar con más detalle los diferentes tipos de estereoisómeros que

existen será útil la comprensión de algunos conceptos importantes de

estereoquímica los cuales se definen a continuación.

Centro quiral. Es un átomo con hibridación sp3 que posee cuatro

sustituyentes diferentes. La orientación espacial de sus sustituyentes,

estructura tridimensional o estereoquímica de un carbono quiral, puede darseempleando una representación o proyección conocida como proyección de

cuña:

Fig. 3 Representación esquemática de un átomo de carbono quiral por

medio de la proyección de cuñas.Los sustituyentes enlazados al carbono quiral por medio de líneas (Y y Z) están

en el mismo plano. El sustituyente enlazado por una cuña rellena (X) está

delante de ese plano y el sustituyente enlazado al carbono quiral por medio de

líneas (H) está detrás de ese mismo plano. Y, Z, X y H son cuatro

sustituyentes cualquiera distintos entre sí (Por ejemplo átomos de Cl, Br, I y

un grupo CH3)






Es importante señalar que existen otros tres tipos de representaciones o

proyecciones que se utilizan regularmente para dar la estereoquímica de

compuestos que contienen centros quirales con el propósito de especificar el

estereoisómero al cual nos referimos aunque también existe la alternativa de

especificar dicho estereoisómero por medio de su configuración absoluta

contenida en su nombre completo lo cual se estudiará más adelante en lasreglas para determinar la configuración absoluta. Algunos ejemplos de

compuestos con dos o más centros quirales y que pueden representarse

mediante las cuatro representaciones o proyecciones utilizadas para dar la

estereoquímica de cualquier compuesto serían los siguientes:

Molécula quiral. Es aquella que no es superponible con su imagen especular.

Quiralidad. Se dice que es la propiedad de la no superponibilidad con la

imagen especular correspondiente. La palabra viene del griego “Kiros” que

quiere decir manos y que priginó otras palabras de uso común comoquiromancia, que es la adivinación por medio de la “lectura de manos”

¿Puede usted superponer sus manos? Piense en objetos comunes que se

puedan superponer a su imagen especular, ¿hay alguno?

Fig. 4 Moléculas quirales. (Aminoácidos).Así como las manos derecha e izquierdas los enantiómeros de una molécula

quiral no pueden superponerse aunque su composición química sea la misma,

pues la orientación se sus sustituyentes alrededor de un centro quiral es

inversa, así como los dedos se ordenan inversamente alrededor de las palmas

de las manos.






Actividad óptica. Se dice que un compuesto ópticamente activo es capaz de

hacer girar el plano de la luz polarizada (¿Qué es la luz polarizada?, es

distinta de la luz normal y en su caso ¿cómo se genera?) y que presenta

quiralidad.

Fig. 5. Actividad óptica de una molécula orgánica; el naproxeno.La luz normal “vibra” en todos los planos, tras ser polarizada “vibra” en un solo

plano, al atravesar esta luz una muestra contenida en un tubo especial, cambia

el plano (ángulo) sobre el que vibra, el analizador detecta este cambio en los

ángulos de la luz incidente y la luz que ha pasado por la muestra, como una

desviación en grados que luego se expresa como la rotación específica del

compuesto [α] D.

Definido lo anterior conviene mencionar, para evitar confusiones que existen

varios tipos de estereoisómeros y estos pueden clasificarse en enantiómeros,

diasterómeros en el sentido estricto, diasterómeros geométricos y compuestos

meso.

1. Enantiómeros. Son aquellos compuestos que son imágenes

especulares y que no son superponibles entre sí.

Fig. 6 Enantiómeros.Cada una de estas moléculas es la imagen especular de la otra, pero no son

superponibles entre sí. Cuando una substancia tiene un enantiómero, se diceque estas 2 substancias constituyen un par enantiomérico.

2. Diasterómeros en el sentido estricto. Son aquellos compuestos que

no son imágenes especulares entre sí, ni son superponibles entre si y

que presentan centros quirales.






3. Diasterómeros geométricos. Son aquellos compuestos que no son

imágenes especulares entre sí, ni son superponibles entre sí y que no

presentan centros quirales.

4. Compuestos meso. Son aquellos que a pesar de contener centros

quirales pueden ser superponibles entre sí.

Fig. 7 Cis-1,2-dibromociclobutanoEl Cis-1,2-dibromociclobutano es un compuesto meso, porque se puede

superponer con su imagen especular, otra forma de ver a los compuestos

meso, es porque al ser atravesados por un eje de simetría este los corta en 2

secciones iguales entre sí.

Cuestiones adicionales.

1.-Escriba todos los isómeros posibles de fórmula C5H12

¿Qué tipo de isomería presentan? Estas moléculas entre sí.

2.-Indique cuales de los siguientes compuestos presentan isomería geométrica,

escriba el isómero faltante

a. 1-Iodo-2-pentenob. 2-Cloro-1-propeno

c. 1-Bromo-1-buteno

Responde a las siguientes preguntas y como respuesta de cada una de ellas

propón una palabra clave, que te permita condensar el concepto en cuestión

1. ¿Qué indican las letras E y Z en el nombre de un compuesto?

2. ¿Cuál es la importancia de la isomería?

3. ¿Cuáles son las propiedades claves de un compuesto quiral?

4. ¿Qué tipo de isómeros no son imágenes especulares entre sí, ni son

superponibles entre sí pero presentan centros quirales?






2. CONFIGURACIÓN ABSOLUTA

Los investigadores Cahn, Ingold y Prelog conociendo que la orientación

espacial de los sustituyentes presentes en uno o más centros quirales en un

compuesto puede cambiar y que esto se refleja, en las proyecciones de Cuña,

de Newmann, de Fischer (veáse luego) o de Caballete, se dieron cuenta de lanecesidad de incorporar la estereoquímica al nombre I.U.P.A.C. de un

compuesto con el objeto de poder referirnos a un estereoisómero en particular

sin la necesidad del empleo de una representación o proyección. Así juntos en

1956 desarrollaron un conjunto de reglas para poder determinar la

estereoquímica de un compuesto anexándola al nombre del compuesto lo cual

permitió identificar a un estereoisómero específico mediante su nombre

sistemático.

Lo anterior además de práctico para la literatura, la investigación y el comercio

(Imagine usted que como ingeniero tiene la necesidad de solicitar a unproveedor por correo electrónico, un estereoisómero específico, de interés en

su compañía, ¿Podría usted anexar en todos los casos el dibujo delcompuesto?) resulta importante por que nos permite por tanto caracterizarla

de manera más adecuada al determinar la orientación espacial de los

sustituyentes en un centro quiral, que es lo que se denominó configuración

absoluta y que nos da inequívocamente la estereoquímica de una molécula.

Entonces , las reglas de Cahn, Ingold y Prelog nos permiten determinar la

configuración absoluta de los centros quirales presentes en un compuesto y

que dicha configuración absoluta es parte del nombre I.U.PA.C. de

dicho compuesto. Para poder estudiar y comprender estas reglas analizaremos

el compuesto clorobromoyodometano el cual es un halogenuro de alquilo con

un solo centro quiral (¿Cuál es la fórmula de este compuesto?).

1. Colocar el átomo o grupo de menor prioridad lo más lejos del

observador. Para el caso particular del clorobromoyodometano esta

regla nos pide que coloquemos el átomo de hidrógeno lo más lejos de

nosotros puesto que es el átomo de menor prioridad, es decir, es elátomo con el menor número atómico. Esto podemos visualizarlo

mediante la proyección de Newmann y colocando el átomo de hidrógeno

lo más lejos de nosotros de tal forma que dicho átomo no puede serobservado con esta proyección, lo cual puede verse en el siguiente

esquema.






Fig. 8 Proyección de Newman para el clorobromoyodometano. (a un lado se da la representación de cuñas, para apreciar la disposición real

de la molécula).

2. Numerar los tres átomos o grupos restantes de acuerdo a su prioridad,

empleando el número uno para aquel que tenga la mayor prioridad. Para el

caso de nuestro compuesto, los tres átomos restantes son el yodo, el bromo y

el cloro a los que asignaremos los números 1,2 y 3 respectivamente dado que

el primero posee la mayor prioridad, esto es, el mayor número atómico;

mientras que asignaremos el número 3 al cloro por tener la menor prioridad de

los tres.

Fig. 9 Proyección de Newman para el clorobromoyodometano trashaber asignado la prioridad para sus sustituyentes

(a un lado se da la representación de cuñas, para apreciar la disposición real

de la molécula).

3. Dibujar una flecha desde el átomo o grupo de mayor prioridad hastaaquel de menor prioridad. Si la flecha va en el sentido de lasmanecillas del reloj la configuración es R y si la flecha va en sentido






contrario al de las manecillas del reloj la configuración es S. Una vez

que hemos numerado los átomos procederemos a dibujar una flecha como esta

regla nos lo indica y de esa forma asignaremos la configuración R o S al centro

quiral de nuestro compuesto como se indica en el siguiente esquema.

Fig.10 Configuraciones R y S para el clorobromoyodometano.

4. Si dos o más sustituyentes del centro quiral poseen la misma prioridad, se

procederá a analizar la primera esfera de sustitución. Esta regla nos dice que si

dos o más sustituyentes poseen el mismo número atómico tendremos que

analizar los otros tres átomos unidos a él que conforman la primera esfera de

sustitución. A continuación se da un ejemplo en el cual se aplica esta regla.

Fig. 11 D-Gliceraldehido.

La configuración de este compuesto, está dada por el átomo de oxígeno, elcarbono base de alcohol y el átomo de hidrógeno, estos tres sustituyentes

constituyen la primera esfera de sustitución y son los que asignan la

configuración absoluta de la molécula, el D-Gliceraldehido tiene por lo tanto

una configuración R.






5. Si al aplicar la regla anterior aparecen dos o más primeras esferas de

sustitución con la misma prioridad, se procederá a analizar la segunda esfera

de sustitución para cada caso y así sucesivamente hasta determinar el

sustituyente que posea la esfera de mayor prioridad. Esta regla nos dice que si

encontramos dos o más primeras esferas de sustitución con la misma

prioridad, debemos proceder a analizar las segundas esferas con el objeto dedeterminar que esfera posee la mayor prioridad y así determinar que

sustituyente posee la mayor prioridad ; y en caso de que encontremos dos o

más segundas esferas con la misma prioridad debemos ir a analizar las

terceras esferas de sustitución para cada caso para determinar cuál de ellas

tiene la mayor prioridad y así sucesivamente hasta determinar el orden de

prioridad para cada sustituyente. Proponga un ejemplo de compuestodonde sea necesario aplicar esta regla.

Fig. 12 Configuración absoluta de los centros quirales de unpolisacárido.

Los polisacáridos son compuestos con múltiples esferas de sustitución.

Cuestiones adicionales

1.- Escriba los siguientes grupos en orden decreciente de prioridad:

2.- Investigue las distintas proyecciones utilizadas para representar moléculas.

Represente por medio de estas la molécula de trans-dicloroetano.






Conteste lo siguiente, igualmente proponga como respuesta breve a cada

pregunta una palabra o frase que le permita recordar el concepto clave del

tema en cuestión.

1. ¿Cómo se indica en el nombre sistemático la estereoquímica de un

compuestos químicos?

2. ¿Qué se hace cuando en un centro quiral 2 o más sustituyentes tienen la

misma prioridad?

3. ¿Pueden asignarse configuraciones absolutas a átomos de carbono con

dobles enlaces, si es así que regla (s) seguiría para hacerlo?

4. Si una molécula tiene más de un centro quiral ¿se señala en el nombre

sistemático de esta la configuración de cada centro quiral? En caso afirmativo

¿Cómo lo hace?

3. CONFIGURACIÓN RELATIVA

Los diasterómeros geométricos pueden orientarse como Cis o Trans, lo cual

también puede indicarse como (Z) o (E) respectivamente. Para estos

estereoisómeros los términos Cis y Trans o (Z) y (E) se refieren a su

configuración relativa (no se puede hablar de una configuración absoluta al no

ser en realidad los 4 sustituyentes del átomo de carbono quiral, diferentesentre sí) configuración que se indica siempre al inicio del nombre sistemático

del compuesto.

En el caso de átomos unidos a los carbonos que poseen un doble enlace (¿Quéestado de hibridación presentan dichos átomos? y subsecuentemente¿qué geometría exponen?), se elegirán los que tengan el mayor número

atómico como en el ejemplo anterior se eligieron los halógenos con respecto al

hidrógeno. En el caso de los grupos alquilo o arilo unidos a los carbonos que

tienen un doble enlace estos grupos también tendrán prioridad en relación con

el hidrógeno.

Cuando se trata de diasterómeros en el sentido estricto, es posible también

determinar su configuración relativa ¿Por qué se habla de configuraciónrelativa y no absoluta en ente tipo de compuestos? Como se evidencia al

analizar respecto a su estereoisomería estereoisómeros como los que exhiben

algunos monosacáridos que existen como pares de diasterómeros conocidos

como epímeros y que solo difieren en la configuración absoluta de un solo






centro quiral como se observa en el siguiente esquema

Fig. 13 Epímeros

Como puede observarse en este esquema, ambos epímeros guardan una

relación de imágenes no especulares y no superponibles. Se usan los nombrescomunes de los compuestos. Cuando se analizen las biomoléculas se verá que

los monosacáridos pueden además formar diasterómeros cícliclos, que se

denotan como alfa y beta.

Otro tipo de diasterómero más complejo aún lo tenemos en algunos productos

naturales como él colesterol que tiene 8 centros quirales, aunque hay

moléculas, por supuesto, más complejas, aún con 30 o más centros quirales.

Cabe señalar que este tipo de moléculas rara vez se analizan y describen por

métodos tradicionales, sino que su análisis suele hacerse por métodos

informáticos especializados.

Fig. 14 Molécula de colesterol.Se señalan sus 8 centros quirales y la orientación de sus sustituyentes alrededor de estos.

Proponga usted la configuración de cada uno de estos centros quirales






Cuestiones adicionales

1.-Investigue 10 moléculas que tengan al menos 5 centros quirales. Discuta

donde son comunes estos compuestos.

Responda las siguientes preguntas y proponga el concepto clave a la que cada

una hace referencia, puede necesitar consultar bibliografía adicional. Pero en

las ciencias de la vida algunos de los conceptos a desarrollar tienen una

importancia extraordinaria.

1. ¿A qué se refiere la configuración relativa de una molécula? ¿Qué es lo que

esta denota?

2. ¿Qué tipo de moléculas se analizan mediante su configuración relativa?

3. ¿Qué es un centro pro-quiral?

4. Describa que son los epímeros y en qué tipo de compuestos se presentan.

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