13Isomeriaoptica2011.Doc

Edith Bamonte y Liliana Olazar. Depósito Dirección Nacional del Derecho de Autor Nº 976770

16. Del otro lado del espejo...

16.1. Introducción ¿Qué nos proponemos proponemos ?  C Caracterizar aracterizar  R Relacionar elacionar

D  Diferenciar iferenciar

compuestos que presentan estereoisomería. estereoisomería.

la quiralidad de una molécula con su actividad biológica. distintos isómeros ópticos. Isomería espacial, isomería optica, carbono quiral, enantiómeros, enantiómeros, diasteroisómeros, asignación R-S, mezclas racémicas, actividad óptica, luz polarizada, polarímetro, resolución de racematos

Hasta ahora hemos estudiado compuestos que, teniendo la misma fórmula molecular, presentan diferentes valores de sus propiedades físicas y/o químicas.

Estos compuestos son isómeros y difieren, por ejemplo, en la estructura de sus cadenas de carbono, en la ubicación del grupo funcional o en la función química. También estudiamos los isómeros geométricos o cis - trans, que son aquellos que presentan diferente distribución espacial de las cadenas como consecuencia de la imposibilidad de Isomería Óptica — Página 1 de 20


rotar alrededor de un enlace; tal como los alquenos aunque, no son los únicos que presentan este tipo de isomería. En esta unidad sin embargo queremos queremos abordar otro tipo de isomería espacial, propia de las las moléculas que sólo difieren en su configuración. Esta disposición espacial que en ocasiones no modifica las propiedades químicas, ni la mayoría de las físicas, altera el curso de las reacciones en los sistemas biológicos. Y por lo tanto fundamental para la química de la vida. Muchos medicamentos se obtienen extrayendo sustancias de las plantas o bien por vía sintética imitando sustancias naturales. En esas ocasiones es imprescindible obtener sólo el isómero necesario y ningún otro. Esta es una de las razones por las que creemos que este tema debe incluirse en un primer curso de química orgánica .

16.2. Un breve repaso Les proponemos repasar algunos conceptos sobre isomería en este cuadro y luego citar un par de ejemplos de cada uno de los distintos tipos de isómeros. Resumiendo Ilustración1

Isomería Plana

I) Isómeros de cadena: difieren en la cadena hidrocarbonada; el grupo funcional es el mismo pero los valores de las propiedades físicas son distintos. ¿Qué otro ejemplo podrían sugerir ?

n-pentano

dimetilpropano

II)Isómeros de posición: El grupo funcional es el mismo, se encuentra en otro átomo de carbono de la cadena. ¿Qué otro ejemplo pueden ofrecer ? III)Isómeros funcionales: Presentan igual fórmula molecular pero distinta función química.

Ilustración 2

dimetil éter y etanol

Les proponemos que escriban otro ejemplo.

¿Por qué los cicloalcanos presentan este tipo de isomería ?

Isomería configuracional Isomería Óptica — Página 2 de 20


Es claro que este tipo de caracterización no aporta demasiado a la comprensión del tema, ya que es necesario que aclaremos algunos términos con los que trabajaremos de aquí en adelante. Sin embargo, antes de continuar la tarea los invitamos a hacer un alto en el camino y recrearnos con la historia. Como ya dijimos los compuestos que presentan este tipo de isomería tienen igual fórmula molecular, los átomos que forman los enlaces son los mismos pero están dispuestos en el espacio en forma diferente. I) Isomería geométrica

Ilustración 3

Se da en aquellos compuestos en los que no es posible la libre rotación de los átomos de carbono a lo largo del eje de enlace, tal como ocurre en los que presentan doble ligadura. Así se pueden pensar dos estructuras según se orienten, los átomos o grupos de átomos sobre el mismo lado del doble opuestos. Ej.: cis-1,2-dicloroeteno y

Ilustración 4

trans- 1,2-dicloroeteno cis-1,2-dicloroeteno

enlace

o

sobre

los

trans-1,2-dicloroeteno.

II) Isomería óptica:

Estos compuestos son idénticos en la mayoría de las propiedades físicas y químicas, pero difieren en el comportamiento en los sistemas biológicos y también frente a la luz polarizada. Una sustancia es ópticamente activa cuando desvía el plano de vibración de la luz polarizada.

16.3. Aparece en escena Luis Pasteur...

O C OH HO CH HC OH HO C O ácido tartárico

Isomería Óptica — Página 3 de 20


Luis Pasteur1 comenzó su carrera en la década del ´40 del siglo pasado en el mismo laboratorio que Laurent 2. Laurent compartía estos intereses con Pasteur con quien comenzaron a estudiar, en la primavera de 1848, la estructura cristalina de una sal del HO O OH ácido tartárico. Observó que estos cristales O C presentaban facetas tales que los cristales no eran idénticos sino que eran imágenes C C especulares, la imagen no podía superponerse H H con el otro cristal con coincidencia de todos los HO HO CH3 CH3 puntos. Utilizando una lupa y con mucha paciencia separó los dos tipos de cristales, y los disolvió en agua. Cada una de las soluciones se comportaba de manera diferente al incidir un haz de luz polarizada. ¿A qué se debe esta diferencia? ¿Existe alguna relación entre este hecho y la distribución de los átomos en las tres dimensiones? ¿Cómo estudiar esto si nadie ha visto jamás un átomo ?¿Qué importancia tendrá este “comportamiento anómalo” de determinados cristales ? Pasteur llegó a la conclusión de que esta actividad se debía a la disposición de los átomos en las moléculas individuales, sin embargo como las teorías de la química orgánica estructural no En 1894 William Thomson, Lord se habían desarrollado no pudo validar su Kelvin, estableción que un objeto es hipótesis. Sólo pudo establecer la existencia del quiral si no es superponible con su fenómeno. imagen especular. Una molécula es quiral si sus dos formas de imagen Años más tarde un químico holandés Jacobus especular no son superponibles en Hendricus van´t Hoff, sugirió que los cuatro tres dimensiones. enlaces del carbono estaban distribuidos en el espacio hacia los cuatro vértices de un La palabra quiral deriva de “cheir”, tetraedro. que significa mano y es apropiada para representar la lateralidad de las Simultáneamente Jules A. Le Bel publicó otro moléculas. artículo en el que establecía que si se colocan cuatro átomos o grupos de átomos diferentes en los vértices de un tetraedro hay dos ordenamientos posibles, resultando un par de moléculas, que son imágenes especulares entre sí, pero que no son superponibles y por lo tanto son diferentes.

Esta teoría conocida como la de Van´t Hoff - Le Bel, propiedades de los compuestos orgánicos.

permitió explicar muchas

En las últimas décadas del siglo pasado la concepción tridimensional de los enlaces se extendió más allá de los átomos del carbono.

1

Louis Pasteur fue un bioquímico francés al que se reconoce como el fundador de la microbiología, demostrando la teoría de los gérmenes como causantes de enfermedades. Fue el que desarrolló el proceso que se conoce como “pausterización” para eliminar microorganismos de los alimentos, como así también la vacuna contra distintas enfermedades, entre otras la rabia. 2

Laurent era un apasianado investigador de las cualidades de los cristales, se interesaba especialmente en el color y las formas de los cristales de cuarzo.



16.4. La luz polarizada Empecemos por recordar qué es la luz. La luz es una forma de energía de naturaleza electromagnética. Durante muchos años los científicos se debatieron acerca de la naturaleza ondulatoria o corpuscular de la luz. Hoy sabemos que hay fenómenos que sólo podemos explicar si interpretamos a la luz como onda (refracción, reflexión, difracción, etc.) y otros que requieren darle un tratamiento corpuscular (efecto fotoeléctrico). Podríamos imaginar una fuente generadora de luz monocromática, los rayos se propagan en forma rectilínea por medio de ondas transversales que vibran en infinitos planos. La luz polarizada es aquella cuyas vibraciones ocurren en uno sólo de los planos posibles. La luz común se convierte en polarizada haciéndola pasar a través de un filtro a tal efecto se usa una lente construida con un material denominado calcita (CaCO 3) o bien un cristal de tipo Polaroid que presentan esta propiedad. Estas lentes se conocen con el nombre de Prisma de Nicol. Para saber si un compuesto es ópticamente activo se utiliza un dispositivo denominado polarímetro; que describimos a continuación (Véase figura abajo) Consta de una fuente de luz, un par de lentes Polaroid; entre las cuales se interpone un tubo con la sustancia a analizar. Los filtros se pueden colocar en forma  perpendicular, en cuyo caso la luz no pasa, hay oscuridad  en la misma dirección, con lo cual pasa el máximo de luz. Estas películas polarizadas se utilizan en anteojos y en los parabrisas, ya que parte de la luz se elimina al atravesarlas. Nosotros lo haremos de forma tal que pase el máximo de luz. La luz, originada en la lámpara de sodio incide sobre el primer prisma de Nicol, y es polarizada, luego atraviesa el tubo que contiene la muestra a analizar.

fuente de lu z

pr is ma de Ni co l (polarizador)

muestra

Prisma de Ni co l (analizador)

Sensor

Si la sustancia desvía el plano de vibración de la luz, se cambia la iluminación del campo, por lo que debemos rotar la segunda lente (prisma analizador) para que la transmisión lumínica sea otra vez máxima; decimos que la sustancia es ópticamente activa.

El número de grados que debemos rotar el analizador (a derecha o izquierda) se denomina poder rotatorio de la sustancia - cuyos valores son característicos de cada especie -. Si debemos rotar hacia el analizador la derecha decimos que la sustancia es dextrógira, por el contrario si es necesario girarlo hacia la izquierda decimos que la sustancia es Isomería Óptica — Página 5 de 20


levógira.

extraido de Molecular expressions optical microscopy primer physics of light and color, disponible en http://micro.magnet.fsu.edu/primer/lightandcolor/polarizedlightintro.html {fecha de última consulta: 5 de noviembre de 2009} El poder rotario depende de:  la longitud de onda de la radiación,  la concentración del líquido analizado - si es una solución -,  de la temperatura  la longitud del tubo que contiene la muestra Por lo tanto es más útil trabajar con el poder rotatorio específico que se define como El número de grados que se desvía el plano de vibración de luz polarizada si se utiliza una solución de 1 g/cm3 de concentración y 1 dm de largo. Esta propiedad se tabula a 20 ºC y para una longitud de onda conocida como la línea D de sodio que se corresponde con 589.3 nm)

[α ] =

α

d . l

d: concentración en gramos/cm3 para las soluciones, o bien densidad para los líquidos puros l: distancia en dm. Polarímetro del siglo XIX

Ejercicios para practicar: El colesterol cuando se aisla de fuentes naturales, se obtiene como un solo enantiómero. L a rotación observada alfa de una muestra que contiene 0,3 g de colesterol en una solución de 15 ml de cloroformo contenida en un tubo de polarímetro de 10 cm es -0.78 °, calcule la rotación específica del colesterol



16.5. Imágenes en el espejo Nota: traten de trabajar toda la unidad con modelos moleculares, aunque sean simples y sencillos, construidos con esferitas de telgopor y varillas o bien con palillos y plastilina. Esto facilita en gran medida el análisis de las estructuras en el espacio. Veamos un ejemplo. El ácido láctico presenta dos enantiómeros, uno se origina por fermentación del azúcar y el otro en los músculos. Son entre sí imágenes especulares no superponibles.

Consideremos un par de guantes, si bien una es imagen especular del otro, no son intercambiables, el de la mano derecha no puede ser usado en la izquierda y viceversa. Los enantiómeros son imágenes especulares no superponibles y, para ello, deben poseer una estructura sin planos de simetría. La relación entre los enantiómeros es la misma que la de la mano derecha y la izquierda por esta analogía se denomina a un isómero R (rectus) y al otro S (sinister). Este par de isómeros presentan iguales valores para sus constantes físicas, y sólo difieren en el signo del poder rotatorio y en su actividad biológica. El carácter de dextrógiro o levógiro de una sustancia sólo se determina experimentalmente; no existe relación entre éste y su configuración R o S.

Sobre este aspecto volveremos más adelante. Así resumiendo, para que exista actividad óptica: 1. Una sustancia debe poseer moléculas sin planos de simetría. 2. No deben existir mezclas equimolares de ambos enantiómeros, en cuyo caso, la acción de uno de ellos quedaría anulada por el otro (pues la única diferencia entre ambas es el signo del poder rotario). Estas mezclas se denominan mezclas racémicas. Las moléculas que no poseen plano de simetría se denominan moléculas quirales; todas las moléculas quirales presentan pares enantiómeros, enantiomorfos, o antípodas ópticas. Para que una molécula sea quiral, es necesaria la existencia de carbonos asimétricos o quirales. Estos átomos de carbono tienen la particularidad de estar a cuatro átomos o grupos de átomos diferentes. Las siguientes moléculas las vamos a representar en el plano, considerando que las líneas verticales representan uniones que se alejan de nosotros y las horizontales respresentan las uniones que salen por encima del plano del papel hacia nosotros. El la intersección de las perpendiculares se

encuentra en átomo de carbono quiral o asimétrico. CH3 Cl

C H

CH3 OH

HO C Cl H

Ácido láctico

Proyecciones de Fischer de enantiómeros. El indica el carbono quiral

Estas representaciones se denominan proyecciones de Fischer . Isomería Óptica — Página 7 de 20


Veamos ahora cuántos isómeros ópticos se originan cuando existen dos centros quirales. Analicemos el 2,3-dicloropentano CH3

CH3

CH3

¿Pueden identificar los carbonos quirales ?

CH3

C2H5

C2H5

El (a) y el (b) y el (c) y el (d) son enantiómeros entre sí, ya que son imágenes especulares no superponibles.

(c)

(d)

¿Qué relación podemos establecer entre (a) y

H

C

Cl

Cl C

H

H

C

Cl

Cl C

H

Cl

C

H

H

Cl

H

C

Cl

Cl C

H

C2H5

C

C2H5

(a)

(b)

(c) o (a) y (d) por ejemplo ? Anoten las conclusiones a las que llegaron. Girando la estructura (d) se obtiene la (c) H O

H

C

O OH

C O

C H

C H

OH COOH

O

H

C

OH

H

C

OH

O

plano de simetría

C O

H

COOH H

C

OH

HO

C

H

COOH (a)

COOH

COOH

COOH

HO

C

H

H

C

OH

HO

C

H

H

C

OH

H

C

OH

HO

C

H

COOH (b)

Aquellos

COOH (c)

COOH (d)

isómeros ópticos que no son enantiomorfos diasteroisómeros y se diferencian por no ser imágenes especulares.

se

denominan

Los diasteroisómeros tienen propiedades físicas diferentes, distintos puntos de ebullición y de fusión, distintas solubilidades en diferentes solventes, distintos índices de refracción, etc.

Les proponemos ahora analizar la estructura del ácido tartárico, el ácido con el que trabajaba Pasteur en 1848. Trabajen en grupo para responder las siguientes preguntas. Luego las discutiremos entre todos. ¿Cuáles son enantiómeros?, ¿Cuáles diasteroisómeros? ¿Son todos ópticamente activos? Veamos las conclusiones a las que arribaron. Inicialmente, es probable que nos sintamos tentados a contabilizar 4 estereoisómeros (4 isómeros configuracionales), de estos 4 isómeros ópticos posibles, podemos identificar Isomería Óptica — Página 8 de 20


como enantiómeros el (a) y el (b). ¿Qué pasa con el (c) y el (d) ? Estas representaciones se corresponden con imágenes especulares que presentan un plano de simetría . Estas estructuras no son superponibles tal como las estamos mostrando, sin embargo si rotamos una de ellas 180 º en el plano del papel se hacen superponibles. Intenten verlo utilizando modelos. El número de isómeros se reduce entonces de 4 a 3, porque en el caso del ácido tartárico, la presencia de un plano de simetría determina la existencia de una nueva forma denominada forma meso, que por presentar dicho plano, resulta simétrica y por lo tanto no es ópticamente activa. El ácido meso tartárico es diasteroisómero de los otros dos. Los isómero meso son aquellos cuyas moléculas son imágenes especulares superponibles. Actividad

Les proponemos ahora, trabajar con los conceptos anteriores Marquen los carbonos quirales y la máxima cantidad de isómeros ópticos posibles de los siguientes compuestos :

H c)

O

d)

C OH

CH2OH O

HO HO

a)

b)

e) OH OH

OH

16.6. ¿Por qué estudiar isomería óptica? La pregunta que podríamos hacernos es, ¿Qué nos lleva a estudiar estos compuestos, cuya extraña propiedad, -la actividad óptica - es tan “difícil” de determinar? Su importancia biológica

A continuación citaremos algunos ejemplos que evidenciarán las sorprendentes características de estos compuestos Es sorprendente que en la caña de azúcar sólo se forme sacarosa, azúcar de mesa, que por tener en sus moléculas 9 carbonos quirales, podría presentar 512 isómeros ópticos de los cuales sólo se forma uno ! ! !



En nuestra boca tenemos receptores gustativos que también son selectivos con respecto a NH2 HO HC NH CH2 CH3 C C CH O CH2 O O H2C CH C CH HC

CH

CH

Aspartamo. ¿Cuáles son los carbonos uirales?

la estructura tridimensional de las moléculas.

El “aspartamo” es un edulcorante artificial muy utilizado en golosinas, bebidas gaseosas o simplemente como endulzante de infusiones. Se presenta en forma de dos diásteroisómeros, y sólo uno de ellos tiene sabor dulce. ¡El otro es amargo! Lo mismo podemos afirmar respecto a los olores. Existen olores primarios, y de su combinación se forma el olor característico por ejemplo de un perfume. Para que podamos percibir un olor, las moléculas deben llegar hasta los centros receptores del olfato, los que también tienen una forma característica para cada olor básico. Así, sólo las moléculas que tienen una forma determinada pueden albergarse en los “huecos” de los

receptores del olfato. H3C

CH2 CH3

CH

CH

C

H2C

C

C

C

C

CH

O

CH

CH3

CH

nut cato na , presenteenel aceitees en cialdelpo m elo

El hombre durante años ha tratado de encontrar la cura a sus enfermedades. Aún hoy se siguen extrayendo sustancias de los vegetales para preparar medicamentos. Una vez analizada su estructura, la industria farmacéutica “imita”, o sintetiza moléculas tales como las extraídas naturalmente. Pero hay que recordar la presencia de isómeros ópticos que pueden formarse durante la síntesis y que en ocasiones no sólo le confieren sabor amargo a un producto. Veamos una historia verídica ocurrida hace aproximadamente 40 años. La triste historia de la Talidomida La talidomida es un fármaco que se introdujo en 1957 en el mercado como sedante no barbitúrico al que se consideraba muy seguro. Fue uno de los más probados, utilizándose para la experimentación cobayos, ratas, perros y monos. Se comercializó como un medicamento recomendado para embarazadas como sedante y para evitar las náuseas. En 1961 se produjeron registros en Australia y en Alemania de nacimientos de bebés con una extraña malformación: sus extremidades no presentaban huesos largos. Sistematizando la información los científicos comprobaron Isomería Óptica — Página 10 de 20


que todas las madres de estos bebés había ingerido talidomida durante los primeros meses de embarazo. La investigación prosiguió experimentando con animales y se comprobó que la talidomida era la causa de esta malformación. Fue entonces retirada de la venta y se prosiguió la investigación. Hoy se sabe que la talidomida ♦

es un teratogénico (provoca malformaciones graves durante el desarrollo fetal)

♦

actúa de diferente manera según el período durante el cual se la ingiere.

Este medicamento presenta un carbono quiral y que durante su síntesis se origina una mezcla racémica de dos enantiómeros. El levógiro es el que tiene propiedades teratogénicas. ¿Podrían indicar el carbono quiral ?

O CH HC

C

C CH

N HC

C CH

C O

CH2

C

CH2 C

N O

Talidomida modelos)

O

H

(fórmula

y

representación

con

16.7. ¿Cómo llamarlos ? CH3

1

H

CH3

OH

H

OH

CH2CH3

CH2CH3

1.- Se determina el carbono quiral (2) (4)H

2.- Se fijan prioridades.

O C

OH

C

OH (1)

Observen que en este ejemplo el número mayor no ha quedado abajo.

CH2OH (3) (2) (4)H

O

O

(2)

C

OH

C

OH (1)

CH2OH (3)

(3) CH2OH

C

OH

C

OH (1)

H (4)

(2) (4)H

(1)

O C

OH

C

OH (1)

CH2OH (3)

(3) CH2OH

OH C

O C

OH (2)

H (4)

Inicialmente se tomó como patrón de nomenclatura la estructura del Dgliceraldeído. En la representación de Fischer de estas moléculas no aparece información acerca de su carácter dextrógiro o levógiro. Inicialmente se supuso que el D-gliceraldehído Isomería Óptica — Página 11 de 20


era dextrógiro y de allí su nombre. Desde entonces los pares de enantiómeros, con el heteroátomo hacia la derecha en la proyección de Fischer era denominado isómero de la familia D. Esta letra se siguió usando por tradición, sin embargo no existe ninguna relación entre esta nomenclatura y su poder rotatorio. Sólo en la década del ’50 se pudo determinar que verdaderamente el D-gliceraldenído era dextrógiro a través de experimentación con rayos X. Sin embargo, es claro que esta nomenclatura no permite establecer ningún criterio sistemático para moléculas más complejas, tales como las que hemos estado trabajando. Nomenclatura R – S

Esta nomenclatura, ideada en 1964, permite especificar sin ambigüedades la configuración absoluta de las moléculas quirales. Como en todo sistema de representaciones, se siguen reglas internacionales que permiten acordar una forma unívoca de interpretar algo en cualquier lugar del mundo. Las bases para asignar prioridades a los átomos o grupos de átomos unidos al átomo de carbono quiral las fijaron los científicos Cahn, Ingold y Prelog, por eso a esta nomenclatura se la conoce también con su nombre.  Se determina cuál o cuáles son los carbonos quirales. (recordemos que en la proyección

de Fischer se representa en la intersección de las dos rectas)  Se asignan prioridades a cada uno de los átomos o grupos de átomos unidos al carbono

quiral. Esto significa : 1. Analizar los cuatro átomos que se encuentran unidos al carbono quiral, y asignarles un número (de 1 a 4) según el número atómico decreciente. En este caso el oxígeno (Z=8) tiene prioridad 1 mientras que el H (Z=1) tiene prioridad 4. A mayor número atómico mayor prioridad . (?) CH3

1

H (4)

OH (1) CH2CH3

1) Si dos o más átomos unidos al carbono quiral, tienen el mismo número atómico, se analizan los átomos que están unidos a ellos. Así, en nuestro ejemplo debemos analizar el carbono del

(?)

2) grupo metilo y el carbono del grupo etilo. Se determina la prioridad por los átomos que se encuentran unidos a cada uno de los carbonos. El metilo CH 3 debe leerse : y el H etilo debe leerse : H C H Los

valores

C H

CH3

asignados son siguientes:

H

Ya que el átomo de carbono presente en el metilo está unido a tres átomos de hidrógeno, mientras que el átomo de carbono del etilo -H (4) está unido a dos átomos de H y uno de carbono, y por lo tanto tiene mayor prioridad. -CH3 (3) 3) Si los átomos unidos al átomo de carbono quiral -CH2CH3 (2) presentan enlaces múltiples (dobles o triples), se considera como si estuviera unido a dos o tres átomos -OH (1) mediante enlaces simples. Isomería Óptica — Página 12 de 20


N C

N

se considera como

C

N

N

Veamos otro ejemplo O C

O

se considera como

OH

C

O

O

4) Si el grupo de menor prioridad se encuentra en la vertical, se determina directamente el carácter R o S del carbono asimétrico, en caso contrario, debemos ubicarlo en esta posición hacer una serie de cambios en la hoja de papel para que el grupo 4 quede en la vertical, o sea lo más alejado posible en el espacio. Para lograrlo debemos hacer un número PAR de cambios entre los grupos. Si el número de cambios no es par, obtendremos su imagen especular Verifíquenlo con modelos moleculares para ¿Cómo lo hacemos? 



Inicialmente el primer cambio lo haremos entre el 3 y el 4. Ya conseguimos tener el grupo 4 en su posición. -No olviden que trabajamos en el plano sobre la idea de representaciones espaciales-. Ahora debemos hacer un cambio más para poder representar la misma molécula. Sólo nos resta leer los números en orden creciente. Si al hacerlo, giramos la vista en el sentido horario, el carbono posee una configuración absoluta R- como en este caso -, si ocurre lo contrario, la configuración es S. (1) OH CH2OH (3)

Esta asignación R ó S, no tiene ninguna relación con el carácter dextrógiro o levógiro de una sustancia.

1

H (4) C H O O (2)

4 3

Debemos recordar que el trabajo con modelos moleculares, facilita la tarea, y no deja lugar a dudas.

2

Carbono R

Actividad:

Indiquen la configuración R,S de los átomos de carbono quirales presentes en los siguientes compuestos. a)

2-butanol

CH3 H

OH C2H5



La alanina es un aminoácido presente en las proteínas, ¿es una molécula quiral?

b)

NH2 CH3

c)

CH COOH

O

O

H

C

ácido 2-cloro butanoico

H

Cl C2H5

CH3 OH

d)

2-metil-ciclohexanol.

e)

La nutcatona es un aceite esencial presente en el pomelo, confiriéndole caracteres organolépticos característicos. f) CH3

CH2 CH3 C

CH3

El colesterol, el más abundante de los esteroides presentes en las membranas de los glóbulos y de células nerviosas

O

H3C CH3

CH2

CH2 CH2 HC

CH3

CH3

H3C

HO

16.8. Separación de enantiómeros Es difícil imaginar la cantidad de sustancias ópticamente activas presentes en el pan, la carne, ropa y libros hechos con celulosa ópticamente activa, el glucógeno del hígado, las hormonas que regulan nuestros procesos metabólicos. La mayoría de los compuestos activos se obtiene por resolución de una mezcla racémica Isomería Óptica — Página 14 de 20


Resolución es la técnica de separación de los enantiómeros.

Hemos estudiado que los enantiómeros tienen idénticas propiedades físicas, por eso, es extremadamente difícil separarlos. La manera más sencilla de obtener un enantiómero puro - de vital importancia cuando se trabaja con medicamentos, por ejemplo – a partir de la fuente natural, si esta existe, ya que en los seres vivos casi todas las moléculas quirálicas se encuentran como enantiómeros simples. Ya hemos citado como ejemplos el ácido (+) láctico – contracción muscular - , sacarosa o azúcar de mesa – sólo existe un isómero natural de los 512 totales -, o la D – glucosa que se forma por fotosíntesis.

Si no disponemos de una fuente natural, entonces luego de sintetizar el compuesto se deben separar los enantiómeros. Vimos anteriormente que el primero que realizó una resolución, fue Louis Pasteur y lo hizo con una pinza y una lupa; así pudo separar los cristales enantiómeros de ácido tartárico. Este tipo de resolución es mecánica. Pero lamentablemente hay muy pocos enantiómeros que cristalizan en cristales de imágenes especulares por separado, de modo que este método sólo tiene interés histórico. Actualmente la separación racémica consiste en hacer reaccionar la mezcla con una sustancia ópticamente activa de la que se dispone uno sólo de sus enantiómeros. Se utilizan por ejemplo, para un ácido – del que disponemos en una mezcla racémica alcaloides (bases muy complejas entre las que figuran la morfina, estricnina, quinina, etc). Estos productos en su gran mayoría son producidos por plantas en sólo uno de sus isómeros - son ópticamente activos- Al mezclarse una de estas bases digamos levógira con el ácido racémico se obtienen cristales de propiedades físicas diferentes. Lo podemos sintetizar en un cuadro: BHA (-)(+) ácido HA (+) -dextrógiro-

s e a g r e g a b a s e - B ( -) levógira

s e f o rm a u n a mezcla de dos s a l e s is ó m e r a s ópticas

á c id o H A ( -) -levógiroBHA (-)(-)

¿Qué relación existe entre estas sales? Son enantiómeros, son diasteroisómeros? Sus partes básicas (B) son iguales, y sus partes ácidas son imágenes especulares no superponibles, el resultado es que son DIASTEROISóMEROS, y como tales tienen diferentes valores para sus propiedades físicas y por ejemplo tienen distinta solubilidad en diferentes solventes. Luego de separarlos se los recupera por adición de un ácido fuerte. Isomería Óptica — Página 15 de 20


¿Cómo podríamos entonces separar alcoholes en mezclas racémicas?

16.9. Guía de ejercicios 1.

Palabras clave:

Isómeros ópticos, carbonos quirales, moléculas asiméticas, actividad óptica, enantiómeros, diasteroisómeros, forma meso, rotación específica, reglas de secuencia, configuración absoluta. 2.

Algunos ejemplos: Ácido láctico

Acido (+) láctico [α]D = +3.82°

Acido (-) láctico [α]D = −3.82° O

O H2C H H3C

C

H2C

C

C

H

CH CH2

CH2

(+ )C arvona

CH3

C

CH3

C

H3C

C

C

C CH CH2

CH2

(-)C a rvon a(enelaceited e m e n t a )

D- dopa y L-dopa



H El dopa ácido 2-amino-3-(3,4O H H O H H H dihidroxifenil)propanoico, tiene H H O C C C C un solo centro estereogénico y H O C C C C H O C C C O C por tanto puede existir en dos H NH H H C C C N H C formas estereoisoméricas. O O H C H H C H Aunque el enantiómero H H H dextrógiro, D-dopa, no tiene efecto L-Dopa (agente fisiológico en el humano, el L-dopa se D- Dopa (sin efecto antiparkinsoniano) utiliza ampliamente por su intensa biológico) actividad contra el mar de Parkinson, enfermedad crónica del sistema nervioso central.

Ejercicios

3.

3.1. En las siguientes sustancias indique los carbonos quirales. ¿La molécula resultará

ópticamente activa?

O

a) H2C H2C

CH3

C

b)

H2C

CH

CH2

CH2

2-metilciclohexanona

H2C C

CH

C CH2

H3C

CH3

c)

CH2

H 3C CH C

H 2C

CH

C

CH

O

Carvona (aceite de menta)

O d)

H2C H2C

H3C g)

H2C HO H3C

CH

CH CH

CH2 CH2

CH3 mentol

CH2

CH 2

CH3

CH2

C CH2 CH2 CH2

H3C CH

CH2

CH2

CH CH2 CH 2 2 CH2

h) H3C

CH3 C

CH3 C

O C

CH

CH3 CH

CH2

C

C

CH

muscona

morfina

f)

CH2

CH 2

Nutcatona (aceite de pomelo)

e)

H2C NH CH2HC H CH C H2C C CH HC C C CH C C CHHC HO O OH

CH 2

H 3C

C

CH2

H2C alcanfor

O C HC

CH

CH

C CH CH2 2 C CH H2C CH H2C

C

CH2

CH2 N CH3

CH2

Dextrometorfano



3.2. Suponga que se tiene una solución de sacarosas que hace girar el plano de luz

polarizada 90° a la derecha (dextrógira). ¿Cómo podría tenerse la certeza de que la solución no está en realidad provocando una rotación de 270° a la izquierda? Después de todo el analizador tendría la misma posición en ambos casos. 3.3. Una muestra de 1.5 g de el extracto tóxico de la cicuta, se disuelve en 10 mL de

etanol y se coloca en una celda para muestra de 5 g de espesor. La rotación observada en la línea D de sodio es de + 1.2 °. Calcule la rotación específica de esta sustancia.

[α]D

=

rotación observada espesor (dm) x concentración (g/mL)

=

α

l . C

3.4. Represente los isómeros ópticos de la treonina (ácido 2-amino-3-hidroxibutanoico),

marque sus carbonos quirales e indique el número máximo de isómeros posibles. Nómbrelos con la nomenclatura absoluta. 3.5. El S-gliceraldehído tiene un poder rotatorio específico de –8.7°, explique si existe

relación con su estructura. Represéntelo con las proyecciones de Fisher. 3.6. Convierta la siguiente representación tetraédrica del R-2-butanol en una proyección

de Fischer. Los grupos alquilo quedan Estos dos hacia atrás grupos H y OH H3C H3C quedan hacia CH2 adelante

ES el isómero R

CH3

H2C 2

H HO 1

CH2

C CH3

C

H

3

3.7. ¿Cuáles de las siguientes

proyecciones de Fischer enantiómero? CH

corresponden con el mismo COOH H

OH CH 3

H

CH 3

3

H

COOH

CH 3

HO

OH

OH

COOH OH

HC HC

H2C

CH3 H

es

CH3

C

CH3

COOH

Si lo miramos desde acá, La penicilina V el átomo3.8. de hidrógeno queda hacia atrás. si se numeran los grupos por prioridades...

H

un

CH CH

O CH2

C

O C

H NH

CH

H

C

C

C

N

CH3 S

C

O

C HO

Penicilina V (un antibiótico)

2

H HO 1

C CH3 3

CH3

C


H O


importante antibiótico de amplio espectro que contiene tres centros estereogénicos. Identifíquelos y señálelos con asteriscos. 3.9. Trace estructuras que ejemplifiquen lo siguiente: 3.9.1. Un compuesto meso con fórmula C 8H18 3.9.2. Un compuesto meso con fórmula C 9H20 3.9.3. Un compuesto con dos centros estereogénicos uno R y otro S. 3.9.4. Un alcohol asimétrico de cuatro carbonos 3.9.5. Un ácido carboxilico de fórmula C5H10O2 3.9.6. Un aldehído quiral C3H5Obr 3.9.7. Un compuesto de fórmula meso C 8H18 3.9.8. Un compuesto con dos centros quirales uno R y otro S. 3.10. Asigne la configuración R o S a los centros estereogénicos de las siguientes moléculas

a)

H3C

Cl

OH

H C

CH2

CH3

b)

HC HC

e)

CH CH

C

C

H

c)

H3C

C

CH3

CH

O

CH2 HO

H

d) H C 2

O

C

H2C

OH

CH2

CH2

OH C

H

C Cl H

H CH2 CH3 CH CH2 C H3C

H2C

CH2

CH2 O C

3.11. Asigne la configuración absoluta a los carbonos quirales de la

vitamina C 3.12. La xilosa es un azúcar que se encuentra en muchas maderas como la

de cerezo. Debido a su menor tendencia a causar caries se la usa en goma de mascar. Asigne la configuración absoluta de los C asimétricos. 3.13. Un compuesto A de fórmula C7H12 es ópticamente

O CH H

C

OH

HO

C

HO

C

H

C

H3C

C

H

H2C

OH

O

Ilustración 5 Vitamina C

activo. Por reducción catalítica sobre paladio se HO C H absorben dos equivalentes de hidrógeno, lo cual da OH H C por resultado el compuesto B, C7H16. Por ozonólisis se CH2 OH obtienen dos fragmentos, uno de los cuales se identifica como ácido acético. El otro fragmento el (+) xilosa, poder rotatorio, +92° compuesto c es un ácido carboxílico ópticamente activo C5H10O2. Escriba las ecuaciones y trace las estructuras de A, B y C 3.14.

“Es febrero de 1929. En una solitaria cabaña en Devonshire, un micólogo aficionado de edad mediana,

George Harrison, había muerto poco después de haber comido un estofado con setas3, preparado por

3Hongo

con forma de sombrero o casquete sostenido sobre un piececito



él mismo con casquetes de Amanita rubescens recolectadas en el bosque de Five-Acre. Causa de la muerte: envenenamiento por muscarina, un alcaloide que se encuentra en el agárico4 de la mosca (Amanita Muscaria). Usted es Sir James Lubbock, analista de la Home Office, y se le ha pedido ayuda para resolver un problema difícil para la investigación: a) acaso una Amanita muscaria llegó casualmente a la ración de Amanita rubescens, muy parecida, pero inocua; o b) fue añadida deliberadamente una dosis letal de muscarina sintética (hurtada en algún laboratorio de Londres) a la olla del estofado -quizás por el amante de la bella Sra. Harrison-. Usted dispone de una solución de la muscarina que ha aislado del estofado sobrante, un O laboratorio bien equipado (para 1929) y 10 minutos. Descríbase lo que puede hacer HC para dar una respuesta definitiva a la pregunta: ¿hubo hongo venenoso en la comida OH del Sr. Harrison, o lo echó a perder el cocido un segundo cocinero con H3C HC premeditación y alevosía? Extraido de Morrison, Robert y Boyd, Robert "Química Orgánica". Addison-Wesley Iberoamericana segunda edición Capítulo 4 Pág. 163

CH CH2

CH2

CH3 N

+

-

Cl CH3

CH3

Muscarina, un alca loide que se halla en la Amanita Muscaria

3.15. El compuesto A C11 H16O, es un alcohol ópticamente activo. A pesar de su aparente

instauración, no absorbe hidrógeno por reducción catalítica sobre un catalizador de paladio. Al tratar el compuesto A con ácido sulfúrico se deshidrata y como producto principal se obtiene un alqueno B ópticamente inactivo C 11 H14. Por ozonólisis del alqueno se forman dos productos uno de los cuales se identifica como propanal y el otro el compuesto C con fórmula C 8H8O, que resulta ser una cetona. ¿Cuántos enlaces múltiples, anuillos (o ambas cosas) tiene el compuesto A? Escriba las ecuaciones e identifique los compuestos A, B, C. 3.16. Opcional: Los compuestos con dobles enlaces carbono carbono adyacentes, son bien

conocidos. Muchos de ellos son quirales aun sin contener átomos de carbono quirales. Por ejemplo la micomicina un OH antibiótico natural aislado de la bacteria Nocardia acidophilus, es O H3C C C CH C CH CH CH CH CH CH2 C quiral y tiene un α= -130°. ¿Por qué es quiral la micomicina? La micomicina construcción de modelos puede resultar útil. Actividad

Para el trabajo de cierre de esta unidad les proponemos elaborar junto a otro compañero una red conceptual utilizando los siguientes nodos:

4

Agárico: nombre común a numerosísimas especies de hongos.





racémica

 Resolución de isómeros  Poder rotatorio

 Carbono quiral



Enantiómeros

 Diasteroisómeros



Racemato

 Isómeros ópticos



Actividad óptica

Bueno, ahora sí, un merecido descanso. Hasta la próxima! Bibliografía y sitios web. Il-Hwan Suh, Koon Ha Park, William P. Jensen and David E. Lewis(1997) Molecules, Crystals and Chirality, Journal of Chemical Education • Vol. 74 No. 7 July 1997, p 800-806

http://dta.utalca.cl/quimica/profesor/astudillo/Capitulos/ca pitulo06.htm http://www.uhu.es/quimiorg/isomeria.html http://www.chemguide.co.uk/basicorg/isomermenu.html#top http://www.quimicaorganica.net/estereoquimica.html http://www.quimicaorganica.org/estereoquimica-teoria/index.php


13Isomeriaoptica2011.Doc

Recommend Documents