Estereoquimica

UNIVERSIDAD DEL VALLE VICERRECTORIA ACADÉMICA DIRECCIÓN DE EDUCACIÓN DESESCOLARIZADA CURSO DE

QUÍMICA ORGÁNICA GENERAL

AUTORA: LUZ MARINA JARAMILLO PhD Profesora Titular Facultad de Ciencias - Departamento de Química

Santiago de Cali, 2002

Luz Marina Jaramillo Ph. D.

ESTEREOQUÍMICA INTRODUCCIÓN OBJETIVOS ESPECÍFICOS 4.1

ESTEREOISOMERÍA: CLASIFICACIÓN DE ESTÉREOI SOMEROS

4.1.1

Enantiomeros

4.1.2

Diastereómeros

4.1.3

Confórmeros

4.2

CONCEPTO DE QUIRALIDAD

4.3

REPRESENTACIÓN CONVENCIONAL DE ENANTIOMEROS CON UNO Y DOS CENTROS QUIRALES

4.3. 4.3.11

Proyecciones con Fórmulas de Bolas y Varillas

4.3.2

Proyecciones "Cuña" (o fórmulas bidimesionales)

4.3.3

Proyecciones Proyecciones Fisher

4.4

PROPIEDADES PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS ENANTIOMEROS: ENANTIOMEROS: ACTIVIDAD OPTICA

4.4.1 4.4.1

Luz Polarizada Polarizada en un Plano

4.4.2

El Polarimetro

4.4.3

Rotación Específica

4.4.4 4.4.4

Descubrimiento de la Enantiomería

4.4.5

Mezcla Racémica

4.4.6 4.4.6

Pureza Optica

4.5

PROPIEDADES QUÍMICAS DE LOS ENANTIOMEROS


ESTEREOQUÍMICA INTRODUCCIÓN OBJETIVOS ESPECÍFICOS 4.1

ESTEREOISOMERÍA: CLASIFICACIÓN DE ESTÉREOI SOMEROS

4.1.1

Enantiomeros

4.1.2

Diastereómeros

4.1.3

Confórmeros

4.2

CONCEPTO DE QUIRALIDAD

4.3

REPRESENTACIÓN CONVENCIONAL DE ENANTIOMEROS CON UNO Y DOS CENTROS QUIRALES

4.3. 4.3.11

Proyecciones con Fórmulas de Bolas y Varillas

4.3.2

Proyecciones "Cuña" (o fórmulas bidimesionales)

4.3.3

Proyecciones Proyecciones Fisher

4.4

PROPIEDADES PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS ENANTIOMEROS: ENANTIOMEROS: ACTIVIDAD OPTICA

4.4.1 4.4.1

Luz Polarizada Polarizada en un Plano

4.4.2

El Polarimetro

4.4.3

Rotación Específica

4.4.4 4.4.4

Descubrimiento de la Enantiomería

4.4.5

Mezcla Racémica

4.4.6 4.4.6

Pureza Optica

4.5

PROPIEDADES QUÍMICAS DE LOS ENANTIOMEROS


4.6

CONFIGURACIÓN

4.6. 4.6.11

Especificación de la Configuración: Nomenclatura de Enantiomeros

4.6.2

Sistema (R) , (S) para un Compuesto con Dos Átomos de Carbono Quirales: Diastereómeros y Compuesto Meso

4.7

ESTEREOQUÍMICA DINÁMICA

4.7.1

Resolución de una Mezcla Racémica


INTRODUCCIÓN

La Química es sin duda una ciencia molecular-. Los fenómenos químicos observable?, se explican convenientemente en términos de la estructura molecular del material que se está transformando. Aquella parte del estudio de la estructura molecular que se ocupa del arreglo especial de los átomos o grupos en las moléculas, se conoce como Estereoquímica. Uno de los aportes fundamentales desde el punto de vista histórico al estudio de la Estereoquímica fue la sugerencia hecha independientemente por Le Bel (francés) y van't Hoff (holandés) en 1874 de que las moléculas existen en forma tridimensional y que el carbono en compuestos orgánicos adopta un arreolo tetrahedral. Esta suposición fue entonces, el punto de partida para explicar ciertos fenómenos íntimamente relacionados con la Enantiomería o estudio de las moléculas que tienen la propiedad de rotar el plano de la luz polarizada, fenómeno físico observado inicialmente por Biot (1913). Otra contribución importante fue también, el reconocimiento de Louis Pasteur (1848-1853) de que la actividad óptica era causada por estructuras disimétricas o quirales y que las moléculas capaces de rotar el plano de la luz polarizada a la derecha o izquierda están relacionados entre si como lo está un objeto a su imagen especular. El estudio de la estereoquímica permite comprender mejor ciertas sutilezas de la estructura molecular donde ligeras diferencias en la configuración espacial (como seria la diferencia que puede


existir entre nuestra mano derecha e izquierda) entre moléculas de un mismo compuesto hace que se comporten químicamente, de forma tan diferente. Las sustancias químicas de origen biológico que constituyen los alimentos ofrecen infinidad de ejemplos donde la estructura molecular determina propiedades físicas tan evidentes como el olor o el sabor y propiedades químicas que pueden resultar letales. Asf por ejemplo existen dos glucosas y sólo una desempeña un papel de importancia extrema en el metabolismo animal, la otra no es metabolizada por los animales (no podemos sentirle sabor dulce) ni es fermentada por las levaduras. Existen también dos adrenalinas (hormonas) pero una de ellas tiene actividad hormonal superior. De casi todos los aminoácidos existentes

se presentan

dos

ligeramente diferentes pero sólo uno de ellos tiene acabaríamos si continuáramos nombrando ejemplos.

formas

importancia biológica. No

A través de esta Unidad se

pretende introducir los conceptos estereoquímicos fundamentales. La unidad está diseñada para desarrollarla en 18 horas de estudio efectivo.


espaciales

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Al concluir el estudio de este material el estudiante estará en capacidad de: 1. Definir correctamente y ejemplificar los términos estereoisómeros, enantiómeros, diastereómeros y confórmeros. 2.

Describir en forma breve y clara los conceptos de quiralidad y enantiomerla.

3.

Dada la fórmula estructural completa de un compuesto con uno o dos centros quiral es representarla en el papel con proyecciones Fisher.

4.

Describir el fenómeno de Actividad Optica.

5.

Dada la rotación observada de una sustancia,

suconcentración en la solución y la

longitud del tubo polarimétrico calcular la rotación especifica de esa sustancia. 6.

Enumerar las partes esenciales de un polarímetro.

7.

Dada la fórmula estructural de un compuesto orgánico quiral, dibujar su par de anantiómeros y designar su configuración con R/S.

8.

Dada la fórmula estereoquímica (en cualquier proyección) de un aminoácido o carbohidrato designarlo como D o L.

9.

Dado la fórmula estereoquímica de un enantiómero con centros


quirales, nombrarlo completamente con el sistema IUPAC y la designación R/S. 10.

Definir los términos: modificación pacérnica y pureza óptica.

11.

Dadas las fórmulas de un par de estereoisómeros identificarlos como diastereómeros, estructuras meso o un par de enantiómeros.

12.

Describir en términos generales los métodos que se conocen para la resolución de modificaciones racémicas.


4.1 ESTEREOISOMERÍA: CLASIFICACIÓN DE ESTEREOISÓMEROS

La isomería se definió previamente como el fenómeno medíante el cual dos o mas compuestos diferentes se representan por medio de fórmulas moleculares idénticas. Se mencionaron los isómeros estructurales o constitucionales (Sec. 2.2) los cuales son isómeros que difieren porque sus átomos están unidos en diferente orden. También debe recordarse que dentro de los isómeros existen otros denominados estereoisómeros los cuales se refieren a aquellas moléculas que tienen sus átomos o grupos unidos en el mismo orden pero difieren en el arreglo espacial de sus átomos. Ellos se clasifican a su vez en: 4.1.1 Enantiómeros

Los enantiómoros o enantiomorfos del griego, enantios, opuesto; morphe, forma) también llamados isómeros ópticos son compuestos que poseen propiedades físicas y químicas casi idénticas. Se diferencian tan poco estructuralmente que de todas las mediciones físicas que pueden efectuarse, solamente una que requiere de un instrumento especial y de un tipo excepcional de luz puede distinguirlos. Ellos rotan el plano de la luz polarizada en direcciones opuestas, propiedad que se conoce como la Actividad Optica y se mide en un Polarímetro (Sec. 4.4.2). Los enantiómeros se definen como pares de estéreo isómeros no interconvertibles entre sí por rotación alrededor de enlaces simples y cuyas imágenes especulares no son superponibles.

8


Este comportamiento los asocia con la propiedad de quiralidad (o disimetría) que se analizará mas adelante (Sec. 4.2). 4.1.2 Diastereómeros

Son pares de estereoisómeros no interconvertibles entre si por rotación alrededor de enlaces C-C, ni tampoco son imágenes especulares.

Pueden ser quirales y por tanto presentar el fenómeno de actividad óptica. En este grupo también se incluyen los "isómeros geométricos" cis y trans de los alquenos y de los cicloalcanos. Los diastereómeros presentan propiedades físicas diferentes (e.g. punto de fusión, punto de ebullición, solubilidad, etc.) y por tanto son separables por métodos -físicos convencionales. 4.1.3 Con fórmer os

Además de la constitución y configuración hay un tercer nivel significativo en la estructura molecular que es la isomería conformacional. Esta última se refiere a ordenamientos moleculares discretos generados por rotación alrededor de enlaces simples formales (Ej. conformaciones del etano, butano, ciclohexano, etc.

9


respectivamente). En esta unidad nos referiremos a aquella parte de la Estereoquímica que se refiere a los enantiómeros o isómeros ópticos. 4.2 CONCEPTO DE QUIRALIDAD

Quiralidad es sinónimo de disimetría. El término general se relaciona con la palabra griega "cheir" (que significa mano). Quiralidad significa entonces "sentido de las manos" o aquel par de imágenes especulares (imágenes de espejo) no superponibles que tenemos continuamente con nosotros (Ver Fig. 4.1). Los guantes y zapatos son también quirales (trate de colocarse el guante derecho en la mano izquierda).

Figura 4.1. La imagen de espejo (o reflexión especular) de una mano izquierda es una mano derecha.

Una molécula que pueda superponerse a su imagen especular es aquiral. Por ejemplo una molécula con un solo átomo de carbono unido a dos sustituyentes idénticos es aquiral. (Figura 4.2) 10


Figura 4.2. Molécula aquiral (Bromo-clorometano) frente a un espejo.

Por el contrario, una molécula que no pueda superponerse sobre su imagen especular es quiral. En la Fig. 4.3 se ilustra un ejemplo de estas moléculas en el cual, uno de los átomos de carbono está unido a cuatro grupos diferentes.

Figura 4.3. Molécula quiral < 1-Bromo-1-cloroetano) -frente a un espejo) 11


Una molécula quiral se presenta en dos formas espaciales llamadas enantiómeros de tal manera que una muestra de cada enantiómero es capaz de rotar el plano de la luz polarizada. Así se concluye que la quiralidad es la condición necesaria y suficiente para la existencia de enantiómeros. Cómo se establecerá si una molécula (o configuración molecular) es quiral? En primer lugar la característica estructural más común (pero no la única) que da lugar a la quiralidad en las moléculas, es la presencia de un átomo de carbono sp 3 unido a cuatro átomos o grupos diferentes. Se dice entonces que la molécula posee un centro quiral (o carbono asimétrico). Muchas moléculas (pero no todas) que contienen uno o mas de un centro quiral son quirales. La mayoría de las moléculas que estudiaremos tendrán al menos un centro quiral y partirán del arreglo tetrahédrico de metano:

Los siguientes son ejemplos de moléculas quirales en las que se destaca el centro quiral o carbono asimétrico con un asterisco ( *):

2—Butanol (alcohol sec-butílico)

Acido 2-hidroxipropanoico (Acido láctico) 12


c)

d)

1-d-1-f eniletano ( -deuterioetilbenceno)

2-Meti1-1-Clorobutano

e)

f)

2,3-dihidroxipropanal
Aminoácido Leucina

Todas estas moléculas se presentan en la naturaleza como pares de enantiómeros (imágenes especulares no-superponibles) y giran el plano de la luz polarizada en sentidos diferentes (+ ó -) pero de igual magnitud. Por el contrario para una molécula como cloruro de isopropilo sus imágenes de espejo resultan superponibles y es entonces una molécula aquiral. Es posible construir modelos de un determinado estereoisómero y su imagen de espejo y probar si son superponibles o no. Además para moléculas con un centro quiral y dos

centros quirales es relativamente fácil dibujar imágenes o proyecciones que simulen los modelos e intentar superponerlas mentalmente. 4.3 REPRESENTACIÓN CONVENCIONAL DE ENANTIÓMEROS CON UNO Y DOS CENTROS QUIRALES.

Se usarán las moléculas del 2-metil-1-butanol 13 Luz Marina Jaramillo Ph. D.

y del 2,3,4-trihidroxibutanal representaciones convencionales de enantiómeros.

para ilustrar

las diferentes

4.3.1 Proyecciones con Fórmulas de Bolas y Varillas En esta convención el centro quiral (o átomo de carbono asimétrico) se representa como una bola, los grupos o átomos en el plano horizontal apuntan hacia el observador (saliendo del plano del papel) y los otros dos en el plano vertical, apuntan lejos del observador (hacia atrás del plano). Fig. 4.4. a) 2-Metil-1-butanol

b) 2.3.4-tri-Hidroxibutanal CEritrosa) CHO

CHO

CH20H Figura 4.4 Fórmulas de Bolas y Varillas 14 Luz Marina Jaramillo Ph. D.

4.3.2 Proyecciones "Curra" (o fórmulas bidimensionales)

En esta representación el carbono quiral está unido a dos átomos o grupos mediante enlaces representados con trazo sencillo. Otro átomo (o grupo) se dibuja conectándolo con una línea de trazo grueso y el cuarto sustituyente se conecta al carbono quiral a través de un trazo discontinuo. En la Fig. 4.5 a) y b) se muestran representaciones para las mismas moléculas 2-

Figura 4.5 Fórmulas bidimensional es o proyecciones "curia" a) y b) Proyecciones s i l l a de ca ba ll o c).

15 Luz Marina Jaramillo Ph. D.

estas

metil-1-butanol y 2,3,4-tri-hidroxibutanal. También en la Fig. 4.5 c> se muestra otra representación para la molécula 2,3,4-trihidroxibutanal (con dos centros quinales). Es la denominada proyección "silla de caballo" (Fig. 1.14). Observe que en las fórmulas bidimensionales sólo se cambian de posición relativa los dos átomos o grupos de los enlaces (trazo grueso e interrumpido) como se muestra en la Fig. 4.5 o los átomos o grupos de los otros dos enlaces. Si ud. cambia los cuatro átomos o grupos de sus posiciones relativas es equivalente a tener el mismo enantiómero original. En las fórmulas de Fischer y de bolas y varillas también se cambian sólo dos átomos o grupos. 4.3.3 Proyecciones Fisher

A fines del siglo XIX el químico alemán Emil Fischer propuso fórmulas de proyección para mostrar la disposición en el espacio de los grupos unidos a los átomos de carbono quirales. Estas fórmulas se llaman proyecciones Fischer y fueron ideadas en su momento para representar moléculas de azúcares. Una proyección de Fischer no es mas que una manera taquigráfica de representar una fórmula de bolas y varillas. Estas proyecciones se dibujan extendiendo la molécula en el plano del papel en todos los sustituyentes eclipsados, unidos a través de líneas verticales

donde

el

punto

de 16


horizontales y

intersección representa un átomo de carbono quiral. Cada línea horizontal representa un enlace dirigido hacia el observador, mientras que la línea vertical representa enlaces dirigidos hacia atrás, lejos del observador (Fig. 4.6 ).

2,3,4-trihidroxibutanal (eritrosa)

Figura 4.6 Proyecciones Fischer

El carbono en la parte superior de la línea vertical normalmente es el carbono-1 en el compuesto numerado sistemáticamente por la IUPAC. Las proyecciones Fischer de la Eritrosa pueden relacionarse a sus proyecciones "silla de caballo" y proyecciones


Newman en la siguiente forma. Para uno de los enantiómeros:

Todos los enlaces eclipsados

Como se observa en los dibujos, los dos grupos de la vertical (-CHO y -CH 2OH) en la proyección Fischer, corresponden a los grupos hacia abajo (-CH 2OH y CHO) de la "silla de caballo" y a los grupos eclipsados (-CH 2OH y -CHO) de la proyección Newman . Por supuesto que como se trata de enlaces sencillos estas pueden rotar libremente así que podemos tener distintas conformaciones de la eclipsada que hemos mostrado y seguimos teniendo el mismo enantiómero. Lo que debe quedar claro es que toda proyección Fischer corresponde a una proyección Newman eclipsada que puede extenderse a la "silla de caballo". Haga ud. lo mismo para el otro enantiomero! Ejercicio 4.1

Localice el Átomo de carbono o átomos de carbono asimétrico(s) e indíquelo(s) con un asterisco en cada una de las siguientes 18


moléculas. a) CH3CH2CH(Cl)CH3

b) (CH3CH2) 2CHCH ( CH3) CH2CH3 CH3 I d) Ph-CH-CH-CHO I Br

c) CH3-CH ( Cl ) CH (OH) CH2CH3 Ejercicio 4.2

Represente con fórmulas de bolas y varillas, proyecciones Fischer y fórmulas bidimensionales los dos enantiómeros de las moléculas quirales de las páginas 12 y 13. Solución: (Para las moléculas a)

a) y c):

2-Butano

Fórmulas de Bolas y Varillas

Proyecciones Fisher 19 Luz Marina Jaramillo Ph. D.

Proyecciones Bidimensionales ("Cuña”) c) 2,3-Dihidroxipropanal (Gliceraldehído)

Observe que aquí se cambió la posición relativa de los grupos de los enlaces en el mismo plano. Continúe el ejercicio para las moléculas restantes de las Pág. 12 y 13

20


Ejercicio 4.3

Construya un modelo molecular de Bolas y Varillas usando palitos de madera y bolas de icopor de diferentes tamaños (o colores), para simular los átomos O grupos de uno de los enantiómeros de Gliceraldehído. Colóquelo frente a un espejo y construya la imagen del espejo que será el otro enantiómero. Trate de superponerlos entre sí (es decir trate de coincidir cada enlace, y cada átomo o grupo). Es posible? Si hace esto mismo con una molécula como el 2-Bromopropano, lograrla superponer el original y la imagen de espejo? Qué conclusión obtiene de este ejercicio? Ejercicio 4.4

Represente con fórmulas Fischer y silla de caballo los enantiómeros c) y d) del ejercicio 4.1 4.4 PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS ENANTIÓMEROS: ACTIVIDAD ÓPTICA

Con la excepción de la quiralidad, las estructuras de un par de enantiómeros son las mismas y como se mencionó antes casi todas las propiedades físicas son idénticas. Por ejemplo, cada enantiómero puro de un par tiene el mismo punto de fusión o punto de ebullición, la misma densidad, etc. La única propiedad física que los diferencia es la dirección de rotación (o giro) del plano de la luz polarizada. 21


4.4.1 Luz Polarizada en un Plano La luz blanca ordinaria es el conjunto de ondas electromagnéticas que poseen energía con una variedad de longitudes de onda, cada una correspondiente a un color diferente. Estas ondas electromagnéticas son sensibles al ojo humano, se propagan en todos los medios (incluido el vacío) y vibran en un número infinito de planos perpendiculares entre sí a la dirección de propagación.

La luz será monocromática (un solo color) si se usan filtros que eliminen a los otros colores (u ondas componentes) de la luz blanca, o si se genera de una fuente especial. La lámpara de sodio es una fuente de luz monocromática amarilla que se usa frecuentemente en el estudio de la actividad óptica. Aunque la luz sea monocromática, ella vibra en todos los planos posibles que pasan por su línea de propagación (Fig. 4.7)

Figura 4.7 Direcciones de las ondas de luz emitidas desde una fuente de luz.

Sin embargo ciertos materiales colocados frente a la línea de propagación actúan a manera de pantalla restringiendo el paso de las ondas luminosas. De esta forma la luz sólo vibrará en uno solo de los planos posibles. Esta es la llamada luz polarizada (Figura 4.8). El material que se usa como polarizador de la luz es lo que se denomina un prisma de Nicol o trozos de calcita (CaCO 3) también llamado espato de Islandia. 22


El prisma de Nicol consiste de dos piezas de carbonato de calcio cristalino, revestidas de cemento (o bálsamo del Canadá). También se puede polarizar un rayo de luz haciéndolo pasar a través del material llamado Polaroid. Una substancia ópticamente activa es la que desvía el plano de la luz polarizada en un ángulo determinado.

Figura 4.8 Rayo de Luz Polarizada en un Plano 4.4.2 El Polarímetro

El polarímetro es un instrumento que se emplea para detectar y medir la actividad óptica de las sustancias (Fig. 4.9). Cuando el tubo está vacío, puede observarse que el máximo de luz alcanza el ojo cuando el arreglo de ambas lentes es tal, que dejan pasar luz que vibra en el mismo plano. Se ajustan las lentes de modo que se obtenga el máximo de luz (o que se extinga por completo). Si la sustancia no afecta el plano de luz polarizada, la transmisión lumínica sigue siendo máxima y se dice que el 23 Luz Marina Jaramillo Ph. D.

compuesto es ópticamente inactivo.

Figura 4.9

Representación esquemática de las partes esenciales de un polarímetro

Si la rotación del plano de luz polarizada y por consiguiente el giro de la lente es hacia la derecha (en sentido de las manecillas del reloj) se dice que la sustancia es dextrógira (del latin dexter, "derecha"). Su imagen de espejo la cual rota el plano de luz

polarizada hacia la izquierda (en sentido contrario a las manecillas del reloj) se denomina levógira (del latin, laevus, "izquierda"). La dirección de rotación se especifica en el nombre del compuesto ópticamente activo por (+) para dextrógiro y (-) para levógiro. (En la literatura mas antigua se han usado las letras minúsculas d para

dextrógiro y l para levógiro) . Puede medirse la magnitud de la dirección del giro de la lente mediante el ángulo de giro en grados. La cantidad de rotación en grados α no es una constante para un enantiómero dado, el l a depende de: 24


a)

longitud del tubo que contiene la muestra

b)

temperatura

c)

solvente

d)

concentración (para soluciones); presión para gases

e)

longitud de onda (λ) de la luz empleada

Por supuesto, que rotaciones determinadas para el mismo compuesto bajo las mismas condiciones son idénticas. 4.4.3 Rotación Específica La rotación específica [α]DtºC es la cantidad de rotación por 1.00 g de muestra en 1.00 ml de solución en un tubo de longitud 1 dm (10 cm) a una temperatura y longitud de onda (λ) específicas. La longitud de onda mas comúnmente usada es 589.3 nm (línea D del sodio), donde 1.0 nm = 10- 9 m, La rotación específica para un compuesto (a 20°C, por ejemplo) puede calcularse de la rotación observada (λ) por la siguiente fórmulas [ ]D20 = / lc

(4.1)

donde: [ ]D20 = rotación específica a 20º C = rotación observada (en el polarímetro) a 20°C l

= longitud de la celda o tubo que contiene la muestra en dm

c = concentración de la muestra en solución en g/ml La rotación específica es una propiedad tan importante y característica de un compuesto como lo son sus puntos de fusión, de ebullición y su densidad. Por ejemplo, la rotación específica


de una solución acuosa de sacarosa (o azúcar de mesa) es [α]D20 º = +66.5 º , se diría entonces que tal sustancia es dextrógira y se designaría como ( + ) - sacarosa. Los enantiómeros del 2-octanol presentan las siguientes propiedades físicas:

(+) -2- Octanol

(-) - 2-Octanol

p.e.

86º (20 mm)

86º (20 mm)

[d]420º

0.821

0.821

[n]D20º

1.4264

1.4264

[ ]D17º

+9.9°

- 9.9°

Observe que estas dos sustancias solo difieren en el sentido de la rotación del plano

de luz polarizada. 4.4.4 Descubrimiento de la Enantiomería

La actividad óptica recién descrita fue descubierta en 1815 por el físico francés JeanBaptiste Biot (College de France). Pero quien hizo el descubrimiento de los isómeros llamados enantiómeros, que presentan ciertas sustancias, fue el químico Louis Pasteur (Ecole Nórmale de Paris) en 1848. Para adquirir 26 Luz Marina Jaramillo Ph. D.

alguna experiencia en cristalografía, él estaba repitiendo el trabajo anterior de otro químico sobre sales del ácido tartárico, cuando observó algo sorprendente: el tartrato de sodio y amonio, aparentemente ópticamente inactivo, existía como una mezcla de dos clases diferentes de cristales los cuales eran imágenes especulares entre sí. Empleando una lupa y pinzas, separó la mezcla cuidadosamente en dos montículos (unos

cristales izquierdos y otros derechos) como quien separa zapatos izquierdos y

derechos desparramados sobre un mostrador. Cuál no fue su sorpresa al descubrir que mientras la solución de la muestra original de aquellas sales, era ópticamente inactiva, cada grupo de cristales, una vez disueltos en agua era ahora ópticamente activo! Las rotaciones de ambas soluciones eran iguales pero de signo contrario.

En todas

las demás propiedades, ambas sustancias era idénticas. Puesto que la diferencia en rotación óptica fue observada en solución, Pasteur concluyó que no se trataba de una característica de los critales, sino de las moléculas. Propuso que, al igual que los dos tipos de cristales, las moléculas que los conformaban eran imágenes especulares entre si: acababa de descubrir el fenómeno de la enantiomería. Ejercicio 4.5

La concentración de colesterol disuelto en cloroformo es 6.15 g por 100 ml de solución. a) En un tubo polarimétrico de 5 cm, una porción de esta solución produce una a (rotación observada)

27


= -1.2°. Cuál es la rotación específica de colesterol? b) Pronostíquese

α

(rotación

observada), si la misma solución se colocara en un tubo de 10 cm. Solución: a)

c = 6.15 g/100 mL = 0.0615 g/mL l = 0.5 dm α

= -1.2°

[α]D20 =

b) =>

39° =

α

-1.2 = - 39 º 0.0615 x 0.5

fksdfjdsf 0.0615 x 1.0 α

= 39° x 0.0615 x 1.0 = - 2.4°

4.4.5 Mezcla Racémica

Una mezcla de partes iguales de cualquier par de enantiómeros se denomina mezcla racémica o modificación racémica. Una mezcla racémica es ópticamente inactiva

es decir, no rota el plano de luz polarizada debido a que la rotación de cada enantiómero es cancelada por la rotación igual y opuesta del otro. Por supuesto que una solución de un compuesto aquiral también es ópticamente inactiva pero el origen de esta inactividad es diferente. Se usa el prefijo (±) para especificar la naturaleza racémica de una muestra en particular. (En la literatura antigua se usaba el 28 Luz Marina Jaramillo Ph. D.

prefijo dl). Una muestra de gliceraldehído racémico por ejemplo se llamará (±) gliceraldehído y debe estar constituido por 50% de (+)- gliceraldehído, [α]D20 = +8.7º y 50% de (-)- gliceraldehído [α]D20 = -8.7°. La coincidencia en la mayoría de las propiedades físicas de los enantiómeros tiene una consecuencia de gran importancia práctica. No pueden ser separados por métodos ordinarios:

no es posible por destilación fraccionada, puesto que sus puntos de

ebullición son idénticos, ni por cristalización fraccionada, pues sus solubilidades en un solvente determinado son idénticas (a menos que el disolvente sea ópticamente activo); ni por cromatografía, porque son retenidos con igual firmeza por un adsorbente determinado

( a menos que sea ópticamente

activo) .

En consecuencia, la

separación de una modificación racémica en sus enantiómeros (o resolución de una mezcla racémica representa una tarea especial y a veces, tediosa.

métodos de resolución de mezclas racémicas.

Existen varios

Se dice que la primera resolución

fue la efectuada por Pasteur (Sec. 4.4.4). Sin embargo, este método es prácticamente inútil, puesto que las modificaciones racémicas raras veces forman cristales en forma de imágenes especulares.

El método de resolución que casi siempre se emplea

(también descubierto por Pasteur) implica el uso de reactivos ópticamente activos y se describirá mas adelante (Sec. 4.7.1).


4.4.6 Pureza Óptica

La pureza óptica es la medida del exceso de un enantiómero sobre otro en una muestra ópticamente activa. Un compuesto ópticamente puro es 100% de un enantiómero. Una mezcla racémica es 0% en pureza óptica (ya que el 50% de un enantiómero cancela la actividad óptica del 50% del otro enantiómero). Por otro lado, una muestra ópticamente activa que contenga 75% de un enantiómero dextrógiro (+) y 25% del levógiro (- ) será solamente 50% ópticamente pura. Esto es: 25% del enantiómero ( + ) cancelará la actividad óptica del 25% del enantiómero ( - ), quedando entonces un 50% del enantiómero (+) (75% - 25%) responsable de la rotación neta del plano de la luz polarizada. El porcentaje de pureza óptica se mide comparando la rotación específica de la muestra, a aquella del estereoisómero puro o [α]max y aplicando la siguiente ecuación: * [ ]Dt(ºC)Muestra

% Pureza Optica = ---------- ---------------------------100 t(ºC) [ ]D

(4.2)

Enantiómero Puro

Por ejemplo, para cada enantiómero del ácido láctico las rotaciones específicas a 15ºC son respectivamente: Acido- (-) láctico [ ]D15ºC = -3.82º

Acido-(+)- láctico [ ]D15ºC = +3.82º

Entonces, una muestra de ácido láctico con 50% de pureza óptica produce una rotación especifica de +1.91 o -1.91 (0.5 x 3.82) dependiendo de cuál enantiómero está en exceso. 30


Asumiendo que hay una relación lineal entre la rotación específica [ ]

y la

concentración de los enantiómeros (lo cual es verdad para la mayor parte de los casos), la pureza óptica es también igual al porcentaje en exceso de un enantiómero sobre el otro: % Pureza Optica = Porcentaje en exceso = [(+)] - [( - )] x 100 [(+)] + [( - )] = %[(+)] - %[( - )]

(4.3)

Ejercicio 4.6

El (+)-2- yodobutano tiene una rotación especifica: [α]D24ºC = 15.9º a)

Cual es la rotación observada

α

(a la misma temperatura) de

una mezcla equimolar de (+) y (-)-2- yodobutano? b)

Cuál es el porcentaje de Pureza Optica de una mezcla que es

25% (+) y 75% (-)-2- yodobutano c)

Cuál es la rotación observada de esta mezcla?

Solución: a)

Si es una mezcla equimolar de los dos enantiómeros

porque

la

rotación

del

50%

de

las

la rotación de la otra mitad de moléculas levógiras. b) % Pureza Optica = 75%(+) - 25%(-) yodobutano

= 50% (+) -yodobutano


moléculas

dextrógiras

α

= 0° cancela

O sea que 25% de (-)-yodobutano cancela la rotación de 25% de ( +)-yodobutano c) αobs = -0.5 x 15.9°= +7.95° 4.5 PROPIEDADES QUÍMICAS DE LOS ENANTIÓMEROS

Los enantiómeros tienen propiedades químicas idénticas, excepto frente a reactivos ópticamente activos.

Así, los dos ácidos lácticos (+) y (-) –CH3-CH-COOH, no sólo son ácidos, sino que OH además, tienen la misma fuerza; es decir, disueltos en agua a concentraciones iguales, ambos presentan el mismo grado de ionización. Los 2-metil-1-butanoles, no sólo forman los mismos productos (alquenos) por tratamiento con ácido sulfúrico caliente:

Sino que también los forman exactamente a la misma velocidad. Esto es bien razonable, puesto que los átomos que sufren el ataque en cada caso se ven influenciados en su reactividad por exactamente la misma combinación de sustituyentes. El reactivo que se acerca a ambos tipos de molécula encuentra el mismo ambiente, por supuesto que uno de ellos es la imagen especular del otro.


En el caso especial de un reactivo que sea ópticamente activo, por el contrario, las influencias ejercidas sobre él durante el ataque a los enantiómeros no son idénticos por que la velocidad de reacción será diferente, en algunos casos tan diferente, que un estereoisómero no reacciona del todo. Por ejemplo, en sistemas biológicos esta especifidad estereoquímica es mas bien la regla que la excepción, puesto que las enzimas, los catalizadores de importancia capital, y la mayoría de las sustancias sobre las que actúan, son ópticamente activos. En otras palabras, casi cada compuesto orgánico que se encuentra en los organismos vivos es enantiómero de un par.

Los alimentos y drogas deben tener las

configuraciones adecuadas a fin de ser útiles al organismo. Por ejemplo el azúcar (+)-glucosa desempeña un papel de importancia extrema en

el metabolismo

animal y sirve de base para una industria de fermentación de grandes ingresos. En contraste, la (-)-glucosa ni es metabolizada por los animales, ni es fermentada por las levaduras. Un saborizante de carnes es la sal monosódica del aminoácido ácido (+)glutámico, la misma sal de su enantiómero no mejora el sabor de la carne ya que las papilas gustativas no la reconocen. Cuando el moho (microorganismo) Penicillum olaucum se alimenta de una mezcla de ácidos tartáricos enantiómeros, sólo consume

el enantiómero dextrógiro dejando intacto el ácido tartárico levógiro. La actividad hormonal de la (-)-adrenalina natural es de 15 a 20 veces mayor que la de su enantiómero dextrógiro.

33


(+)-Glucosa

Acido- (+)- glutámico

Acido- (-) - tartárico

(+)- Carvona

(-)-Adrenalina

Como último ejemplo, el olor característico del aceite de menta verde se debe a la (-)carvona; pero la (+)-carvona es la esencia de la alcaravea. Para comprender mejor la idea sobre la especificidad estereoquímica (estereoespecificidad) considérense las reacciones de dos enantiómeros con un reactivo ópticamente inactivo. En ambos casos, los reaccionantes tienen energía igual, o sea un enantiómero, mas el reactivo, y el otro, mas el reactivo. Los dos estados de transición de ambas reacciones son imágenes especulares (enantiómeros) así que también tienen la misma energía.

En consecuencia, las diferencias en energías

entre 34 Luz Marina Jaramillo Ph. D.

Figura 4.18

Comparando los diagramas de energía para la reacción de cada enantiómero de un compuesto ópticamente activo con un reactivo ópticamente inactivo.

reaccionantes y estados de transición (las Eact) son iguales, como también la velocidad de reacción. Considérese, ahora, las reacciones de dos enantiómeros con un reactivo ópticamente activo. Nuevamente, los reaccionantes tienen la misma energía. Sin embargo, los

dos estados de transición no son imágenes especulares (son diastereómeros Sec. 4.1.2), por lo que son energéticamente diferentes: las Eact son distintas, como también las velocidades de reacción. El principio fundamental que se desprende de la discusión anterior es: Los enantiómeros exhiben propiedades diferentes (físicas o químicas) solamente en un medio quiral.


Un medio quiral (asimétrico) puede ser entonces el reactivo ópticamente activo, que reacciona a velocidades diferentes con los enantiómeros, como se mencionó arriba. Pero también puede ser: un disolvente quiral el cual también diferenciaría la solubilidad de determinado par de enantiómeros; o la superficie quiral de un catalizador; o la luz polarizada que en su naturaleza íntima proporciona un ambiente asimétrico para su interacción con los electrones de las moléculas quirales que es lo que produce la actividad óptica. 4.6 CONFIGURACIÓN

El arreglo de cuatro átomos o grupos alrededor de un Átomo de carbono quiral (o centro quiral) se denomina configuración absoluta alrededor de aquel átomo.

No confunda configuraciones con conformaciones, las cuales son formas que surgen de la rotación alrededor de enlaces. La definición de configuración absoluta significa que un par de enantiómeros tienen configuraciones opuestas. Por ejemplo los dos enantiómeros del gliceraldehído tienen las configuraciones I y II


Pero cuál de las fórmulas estructurales representa el enantiómero dextrorotatorio y cuál el levorotatorio? Hasta 1951 los químicos no lo sabían! Sin embargo, se sabía que el (+)-gliceraldehído y el ácido (-)-glicérico (2,3dihidroxipropanoico) tenían la misma configuración alrededor del carbono 2 aunque ellos rotaban el plano de la luz polarizada en direcciones opuestas.

En otras palabras I ó II era dextrógiro y el que lo fuera tendría el OH al mismo lado que el ácido glicérico levógiro. Aunque los químicos no supieran las configuraciones absolutas de tales compuestos y de otros muchos, ópticamente activos podía hablarse de configuraciones relativas de estos compuestos. Antes de 1951 las configuraciones de compuestos ópticamente activos (especialmente de interés biológico) se habían relacionado

al (+)-gliceraldehído

al

cual

Rosanoff (1986) le

había

asignado

arbitrariamente, la configuración de I (con el -OH a la derecha). Pero en 1951 J. M. Bijvoet en la Universidad de Utrecht en Holanda demostró, a través de estudios con difracción de

rayos

X,

Automáticamente quedaron

que

la

suposición de

confirmadas

todos aquellos compuestos relacionados al (+)37


las

Rosanoff

era

correcta.

configuraciones absolutas para

gliceraldehído ( I). Debe recordarse que la dirección de rotación del plano de la luz polarizada por un enantiómero particular es una propiedad física. Por otro lado, la configuración absoluta de un enantiómero particular es una característica de su estructura molecular. No hay relación simple entre la configuración absoluta de un enantiómero particular y su dirección de rotación del plano de luz polarizada. Como se dijo, el enantiómero del ácido glicérico ( III) con la misma configuración que el (+)-gliceraldehído (I) es levógiro. 4.6.1 Especificación de la Configuración: Nomenclatura de Enantiómeros

Se dijo anteriormente que la rotación del plano de luz polarizada puede indicarse por los signos (+) o (-). Sin embargo se requiere un sistema que indique la verdadera configuración absoluta de la molécula alrededor de cada carbono o centro de quiral. Se conocen dos convenciones para designar el par de enantiómeros de un determinado compuesto quiral. 4.6.1.1 Sistema de nomenclatura D, L o Convención Fisher

Esta convención fue la primera conocida y emplea las letras mayúsculas D o L para asignar uno de los dos enantiómeros. Para aplicarla se relaciona la configuración en el centro


asimétrico con aquella del estándar escogido por Fisher el gliceraldehído. El designó el enantiómero dextrógiro (+) (que hoy sabemos su configuración absoluta) con la letra D (mayúscula) y el enantiómero levógiro (-) con la letra L:

L-(-)-gliceraldehído

D-(+)-gliceraldehído

O sea que según la proyección Fisher el gliceraldehído que tenia el OH a la derecha era el D y coincidencialmente resultó ser el dextrógiro. Al mismo tiempo aquel que tenía el OH a la izquierda era el L. Como el D-(+)-gliceraldehído (una aldotriosa) podía relacionarse químicamente al resto de monosacáridos y otros compuestos de interés biológico ya que estos pueden obtenerse a partir del gliceraldehído, resultaron las dos familias ópticas D y L. Así, aquellos compuestos biológicos (monosacáridos, ciertos ácidos orgánicos, etc.) que pertenecen a familia óptica D deberán presentar una configuración similar a la del D(+)-gliceraldehído (OH a la derecha) en el penúltimo carbono o último centro quiral, al usar una proyección Fisher para representar la molécula. Ejemplos

39


Observe que los signos (+) o (-) que designan la rotación del plano de luz polarizada no se relacionan con las letras mayúsculas D o L. y En los ejemplos b) c) se encierra en un rectángulo el último centro quiral que determina si el estereoisómero es el D o el L.


Por otro lado todos los α-aminoácidos* excepto la glicina que es aquiral , pueden existir como enantiómeros, los cuales pertenecen a una u otra de las familias ópticas D o L. Aquí, el compuesto de referencia es el aminoácido serina:

L-(-)Serina

(+) -Serina

y la proyección Fisher (o de bolas y varillas) donde el grupo amino esté a la izquierda representa el enantiómero L. En la naturaleza todos los α-aminoácidos obtenidos de la hidrólisis de proteínas tienen la configuración L en el átomo de carbono

, y esta

α

configuración es la que corresponde a la proyección Fisher donde el grupo amino está a la izquierda. Ejercicio 4.7 Designar los siguientes compuestos de interés biológico como D o L:

_______________ * La letra griega α aquí, se refiere al carbono adyacente al grupo carboxilo y al cual está unido al grupo amino.


Ejercicio 4.8

Dibuje proyecciones Fisher para el par de enantiómeros D, L de los siguientes compuestos:

4.6.1.2 Sistema (R) , (S) o Convención Cahn-Ingold-Prelog para Compuestos con un Centro Quiral

Tres químicos, los profesores R. S. Cahn (Inglaterra) , C. K. Ingold (Inglaterra) y V. Prelog (Suiza) desarrollaron un sistema de nomenclatura sin ambigüedades para designar enantiómeros y que adicionado al sistema IUPAC permitiría escribir su estructura correcta a partir de este nombre. El sistema no depende de analogías subjetivas a los sustituyentes de un estándar sino al criterio objetivo de los números atómicos. Este sistema utiliza las letras mayúsculas R y S para designar la configuración de cada centro quiral (o carbono asimétrico) en una molécula quiral. A diferencia del sistema D, L las letras R o S designan todos los centros quirales posibles en una molécula y no solamente uno. La letra R procede del latín rectus, "derecha", mientras que S procede del latin sinister. "izquierda". Si la molécula tiene solamente un carbono quiral, un enantiómero será R y el otro S. Para moléculas con dos o más centros quirales (Sec. 4.6.2) se

42


tendrán distintas combinaciones de las letras R, S designando las configuraciones de todos los centros quirales lo que origina varias parejas de enantiómeros. Para asignar una configuración R, S a una molécula quiral con un solo centro quiral se realizan las siguientes etapas: Etapa 1

Ordéne los cuatro grupos (o átomos) unidos al carbono quiral, en orden de prioridad según las reglas de secuencia de Cahn-Ingold-Prelog. Estas reglas de secuencia se resumen en lo siguiente: a) Si los cuatro átomos unidos al centro quiral son todos diferentes, la prioridad

depende del número atómico (Z):

El átomo con el mayor número atómico tiene la mas alta.

prioridad

Por ejemplo, en el ácido cloroyodometanosulfónico (V):

b) Si dos átomos unidos al carbono quiral son idénticos pero hacen parte de grupos

sustituyentes diferentes, su orden de prioridad se establece de acuerdo a los números atómicos de los 43


átomos siguientes. Si estos átomos también están enlazados a átomos idénticos se determina la prioridad en el primer punto de diferencia a lo largo de la cadena. Así por ejemplo, el compuesto 2-butanol tiene un centro quiral en C-2 al cual están unidos un átomo de H, un grupo -OH, un grupo, -CH2-CH3 y un grupo -CH3.

la mayor prioridad del grupo hidroxilo no tiene discusión puesto que el oxigeno tiene el mayor número atómico. Entre el grupo etilo y el metilo la prioridad es para el grupo etilo donde el átomo de carbono está unido a otro carbono y dos hidrógenos

, mientras que en el me tilo carbono está unido solamente a tres

hidrógenos

44


Observe que el grupo clorometilo toma prioridad sobre el isopropilo aunque el último sea un grupo mas ramificado. Pero basta con que al menos uno de los átomos siguientes al átomo unido al centro quiral, tenga el número atómico mayor para que la prioridad del grupo quede definida. Las dos reglas anteriores del sistema Cahn-Ingold-Prelog permiten hacer la designación R o S de los compuestos que contienen sustituyentes con enlaces simples enlazados a un carbono quiral. Para los compuestos quirales que contienen sustituyentes con enlaces múl ti pl es es necesario aplicar la regla siguiente. c) Así, las prioridades de los grupos que contienen dobles o triples enlaces se asignan de tal manera como si los átomos se duplicaran o se triplicaran.

Por ejemplo el grupo vinilo -CH=CH2,

tiene mayor prioridad que el grupo isopropilo (-

CH(CH3>2)

45


Esto es:

El grupo etinilo -C≡C-H tiene prioridad sobre el grupo tert-butilo:

Ejercicio 4.9 Ordene los siguientes átomos o grupos en orden de prioridad creciente (primero el menor): -NH2,

-H,

-CH3,

orden

de

prioridad

-CI

Ejercicio 4.8 a)

Muestre

el

de

los

siguientes

grupos

(de

menor a mayor)

b)

Entre

los

grupos

n-butilo

o

isobutilo,

cuál

tiene

mayor

prioridad? Etapa 2 Una vez que se ha establecido la secuencia correcta de prioridad de los grupos se continúa el proceso de asignar la configuración. Para ello proyecte la fórmula molecular (o modelo) con el grupo


menor hacia atrás (en la posición mas alejada del observador). Esto se hace a través

de un giro mental de la estructura o construyendo un modelo molecular de la misma y ejecutando el movimiento real . Debe tenerse cuidado de no colocar

arbitrariamente los sustituyentes, porque esto podría cambiar la configuración verdadera. Un determinado enantiómero puede visualizarse a través de muchas proyecciones pero siempre será el mismo. De allí que es importante usar modelos y

representar sus proyecciones en el papel.

Seleccione el grupo que tiene mayor prioridad y desde allí dibuje una flecha curva en dirección hacia el grupo que le sigue en orden descendente. El grupo de menor prioridad que está hacia atrás no se tiene en cuenta. Etapa 4

Si la dirección de la flecha tiene el sentido de las manecillas del reloj, la configuración es R. Si la flecha tiene sentido contrario a las manecillas del reloj, la configuración es S. Se ilustrará

el

procedimiento

completo

con

el

compuesto

ácido

cloroyodometanosulfónico (V) en cualquiera de sus dos configuraciones. Si usamos primero una proyección de bolas y varillas tendremos:

47


la flecha curva tiene la dirección en contra de las m a n e c i l l a s del reloj por tanto la configuración es S. El nombre completo de ese compuesto será entonces: Acido (S)—cloroyodometanosulfónico (Va)

Ejercicio 4.11 Nombre sistemáticamente y asignando la configuración absoluta los siguientes enantiómeros:

Solución: a) Etapa 1 Orden de prioridad de los grupos: HO > -CH2CH3 > CH3 > H


Etapas 2, 3, 4:

Ayuda: Haga modelos moleculares de la estructura original (con bolas de icopor y palitos de madera), para que visualice el giro que coloca al grupo in fe ri or hacia atrás. b)

Etapa 1

Etapas 2, 3, 4 CHO

(R)-2,3-dihidroxipropanal (R-(+)-gliceraldehído) c)

Hágalo ud.?

Se advierte que las letras R, S tampoco se relacionan con el signo de la rotación

óptica. En realidad, no es necesario que tengamos que representar siempre a los enantiómeros con proyecciones de bolas y varillas, o que necesariamente deba realizarse el giro mental de la fórmula molecular para que el grupo menor quede hacia atrás. 49 Luz Marina Jaramillo Ph. D.

La proyección proyección

que usamos usamos de bolas y v a r i l l a s para para el ácido

representarse también con una proyección proyecci ón Fis

Va puede

donde sabemos sabemos que los

sustituyen sustituyentes tes en la l í n e a vertical vertical salen hacia atrás del plano del papel y aquellos aquellos sobre sobre la la línea línea horizon horizontal tal salen hacia hac ia adelante adelan te (Sec. 4.3.3, Fig. F ig. 4.6). Como ya se sabe el orden de de prioridad prioridad de los grupos, grupos, simplemente dibujamos la flecha curva desde el grupo prioritario hasta el tercero en orden descendente pero ignoran ignorando do el el grupo grupo de menor menor prioridad priorid ad (en este es te caso hidrógeno).

Según la dirección de esta flecha (en el sentido de las manecillas del reloj) se trataría de la configuración R. Pero nosotros sabemos que el hidrógeno en esta proyección está hacia adelante por tanto la configuración no es R sino S (la que obtuvimos anteriormente). anteriormente). Si por el contrario la proyección nos la hubiesen dado como:

La configuración es S ya que el hidrógeno está hacia atrás.


Ejercicio 4.12 a)

Indique Indique las designaciones designaciones R o S para cada uno de los siguientes siguie ntes compuestos compue stos y

nómbrelos correctamente:

b)

Represente Represente

con fórmulas fórmulas de bolas y va ri lla ll a s

o

proyección proyección Fischer los

siguientes compuestos ópticamente activos: i) ii) iii)

acido ( R )-2-bromopropanoico (S)- 3f4-dimetil-1-pentino (S)-1-feniletilamina

Avuda:

Primero

escriba

la

fórmula

estructural

ignorando

la

configuración. Luego identifique el carbono quiral (o sea el que está unido a cuatro grupos diferentes) y por último proyecte la fórmula de tal manera que el sentido de la flecha produzca el enantiómero solicitado. Solución:


51

proyecciones:

Por el sentido de la flecha sería el enantiómero S pero el H está hacia adelante. Entonces es el enantiómero R que nos pidieron. Resuelva Ud, los otros dos!

4.4.1.2 Sistema R, S para Compuestos con dos o más Carbonos Quirales: Diasteréomeros y Compuestos Meso

Hasta aquí todas las moléculas quirales que se han mencionado sólo contienen un átomo de carbono quiral. Sin embargo, muchas moléculas orgánicas contienen más de un carbono quiral. La molécula de glucosa (un carbohidrato) en su forma más simple contiene cuatro átomos de carbono quirales.

Existe una regla útil que ayuda a determinar cuántos estereoisómeros se esperaría encontrar en un compuesto semejante a este:

El número total de estereoisómeros para un compuesto ópticamente activo no excederá a 2n, donde n es el número de centros quirales.


Si hay dos centros quirales, entonces pueden existir hasta cuatro estereoisómeros (2 2 = 4), si hay tres centros, serán hasta ocho estereoisómeros (23 = 8 ) , si hay cuatro centros como en la glucosa existirán hasta dieciséis (24 = 16). Efectivamente en la química de los carbohidratos se conocen todos estos aldohexosas y son nombres familiares: glucosa, lactosa, manosa, gulosa , etc. Empezaremos el estudio de las moléculas que contienen mas de un centro quiral con un compuesto cuyas moléculas contienen dos átomos de carbono quirales, el 2,3pentanodiol:

Si aplicamos la regla de 2 , tendremos 4 estereoisómenos. Cuáles son? Se empieza escribiendo una fórmula de bolas y varillas (o proyección Fischer) y después la de su imagen de espejo.

VIlla

VIIIb

Empleando modelos podríamos construir primero la estructura VIlla y luego su imagen especular VIIIb y se prueba si son superponibles. (También podemos hacerlo mentalmente con los 53


dibujos pero sin sacarlos del plano del papel o del tablero). Encontraremos que estas estructuras

no

pueden

superponerse,

por

tanto,

representan

diferentes

estereoisómeros que llamamos enantiómeros porque son imágenes de espejo entre sí. También es posible escribir otras dos estructuras IXa y IXb que son también imágenes especulares, y en los cuales los grupos hidroxilo están en posiciones opuestas.

Las estructuras IXa) y IXb) representan otro par de enantiómeros y ya tenemos los 4 estereoisómeros posibles del 2,3—pentanodiol . Cuál será la relación estereoisomérica entre VIlla y IXa; VIIIb y IXb; VIlla) y VlIIb); VlIIb y IXa? Si se comparan bien estos estereoisómeros se observa que no son superponibles pero tampoco son imágenes de espejo. Son por tanto diastereómeros ( Sec. 4.1.2). Ya se dijo que un compuesto con n. carbonos quirales tienen un máximo de 2 n estereoisómeros, pero puede tener menos de esa

54


cantidad. Considérese el compuesto 2,3-butanodiol :

Tiene dos centros quirales y esperaríamos cuatro estereoisómeros. Dibujemos primero las proyecciones donde los dos -OH están del mismo lado:

Si construyéramos modelos de Xa y de Xb y los hacemos superponer entre sí, encontraremos que sí lo hacen! o sea que Xa y Xb son el mismo compuesto. Esta confirmación también podemos efectuarla, si giramos 180º la proyección de Xb y la comparamos con Xa:

Cómo es posible entonces que las imágenes especulares con dos carbonos quirales se puedan superponer? La respuesta es que al 55 Luz Marina Jaramillo Ph. D.

menos en una orientación esta molécula tiene un plano interno de simetría. La mitad "superior" de la molécula es la imagen especular de la mitad "inferior". Puede decirse que una mitad de la molécula cancela la quiralidad de la otra mitad y viceversa. Por lo tanto, la molécula en conjunto es aquiral y no produce rotación del plano de la luz polarizada.

Un estereoisómero que contiene carbonos quirales pero que puede superponerse a su imagen especular, se denomina un compuesto meso.

La orientación de la estructura X es el compuesto meso-2,3-butanodiol . Pero el 2,3butanodiol todavía puede existir en otras dos orientaciones con los dos OH en direcciones opuestas):

Si giramos Xlb 180º y la comparamos con Xla se observa que no son superponibles:


Por tanto el compuesto 2,3-butanodiol se presenta como tres estereoisómeros la forma meso X y el par enan tiómeros XIa y XIb. Es bueno hacer notar que al escribir las fórmulas para esta clase de compuestos debe representarse la cadena mas larga de carbonos en una orientación vertical (sea con las fórmulas de bolas y varillas o las proyecciones Fischer).

Por otro lado las

conformaciones son eclipsadas. Esto permite comparar mejor las estructuras que se representan. Sin embargo, al seguir este procedimiento, debe recordarse que las moléculas pueden girar en su totalidad y que a temperaturas normales los grupos que están enlazados por uniones simples giran con toda libertad.

Si las

rotaciones de la estructura misma, o las rotaciones de los grupos unidos por enlaces sencillos hacen que una estructura se pueda superponer con otra, entonces estas estructuras no representan compuestos diferentes:

por el contrario representan

diferentes orientaciones o diferentes conformaciones de las moléculas del mismo compuesto. Para finalizar con esta sección se asignará la configuración R o S a los centros quirales de algunos de los estereoisómeros mencionados. Escogemos para ello los estereoisómeros: VIlla, IXb y Xla


En los tres compuestos los carbonos quirales son C-2 y C-3. Se aisla mentalmente cada uno, se establece la prioridad de los grupos unidos a él, se traza la flecha curva y se asigna la letra. Si el grupo menor esta hacia adelante se cambia la letra. Para VIlla: - La prioridad de los grupos enlazados a C-2 es:

- La prioridad de los grupos enlazados a C-3 es:

El nombre completo del compuesto VI lla sería: (S,R)-2,3- pentanodiol.


Habiendo asignado las configuraciones para uno de los estereoisómeros del 2,3pentanodiol, es tarea fácil asignar las de los estereoisómeros restantes, basta comparar cada carbono quiral con aquellos de VIll a y observar si los grupos tienen la misma orientación o si es contraria: Asi IXb se llamará: (R,R)-2,3-pentanodiol . Para XIa es necesario repetir el proceso. Compruebe que se trata del (S,S)-2,3butanodiol. Toda la discusión anterior puede extenderse a compuestos con un mayor número de centros quirales. Ejercicio 4.13

Escriba proyecciones Fischer de todos los estereoisómeros de cada uno de los siguientes compuestos: a)

CH3CH(Br)CHCH3

b)

HOOC-CHC(OH)CH<(OH)-COOH -

c)

CH3CH(OH)CH(OH)CH(OH)CH3

d)

En las respuestas a los incisos b) y c) indique los pares de enantiómeros y los compuestos meso.

Ejercicio 4.14

Identifique cada par de moléculas de los numerales siguientes como isómeros constitucionales, enantiómeros, diastereómeros, confórmeros. 59 Luz Marina Jaramillo Ph. D.

f) Cuáles de los que pueden llamarse diastereómeros son también isómeros geométricos? Ejercicio 4.15 Nombre correctamente por la IUPAC y compuestos:


usando el sistema

R,

S

los

4.7

ESTEREOQUÍMICA DINÁMICA i

La estereoquímica dinámica se refiere al estudio de las reacciones químicas donde participan estereoisómeros ya sea porque se generan centros quirales desde moléculas reactantes aquirales, o porque participan moléculas ópticamente activas rompiendo o no sus enlaces a carbonos quirales.

A menudo es necesario conocer

pormenorizadamente la estructura espacial de una molécula reaccionante para predecir o explicar mediante un mecanismo conocido el posible producto estereoisomérico o productos estereoisoméricos que se forman.

Otras veces, por el contrario de un

conocimiento de la estructura estereoquímica del (de los) producto(s) puede inferirse el verdadero curso mecanístico de la reacción y así el estudio estereoquímico de la misma constituye una evidencia o soporte experimental para formular el mecanismo mas probable de esa reacción. También dentro de la estereoquímica dinámica se estudian los procedimientos para resolver mezclas racémicas o sea la separación de un par de enantiómeros que resultan en una determinada reacción. Una comprensión profunda de la química orgánica implica estudiar estereoquímicamente la reacción orgánica siempre que participen moléculas quirales. Por otro lado, la penetración cada vez mayor en la Biología Molecular o la Química de las reacciones biológicas donde casi todos los procesos implican compuestos ópticamente activos, ha proporcionado luces para mimetizar en el laboratorio algunas de estas reacciones. Los químicos no se

61


contentan ya con generar ciertas moléculas quirales como mezclas racémicas para luego resolverlas y obtener el estereoisómero de interés sino que su objetivo principal es diseñar reacciones con catalizadores quirales que garanticen la mayor producción de un estereoisómero dado. No es de la incumbencia de este curso llegar a tal manejo de la estereoquímica pero sí debe quedar claro que la estereoquímica es un aspecto de la química muy fundamental y debe tenerse algún conocimiento de ella. 4.7.1 Resolución de una Mezcla Racémica (Opcional)

La. separación física en el laboratorio de una mezcla racémica en los enantiómeros puros, se llama resolución de, o resolver la mezcla racémica. La separación de Pasteur (Sec. 4.4.4) del tartrato de sodio y amonio racémico fue una resolución de esa mezcla. Es muy raro que los enantiómeros cristalicen separadamente; por lo tanto, el método usado por Pasteur no se puede considerar como un método general de resolución. El procedimiento mas útil para la separación o resolución de un par de enantiómeros se basa en permitir que la modificación racémica reaccione con un solo enantiómero de algún otro compuesto. Mediante esta reacción la modificación racémica se convierte en una mezcla de diastereómeros los cuales por tener propiedades físicas diferentes (Sec. 4.1.2) pueden separarse por métodos físicos convencionales como destilación, cristalización fraccionada, cromatografía, etc.

62


Supóngase que se desea resolver la modificación racémica de un ácido orgánico: (R)RCOOH + (S)-RCOOH. Como es sabido, un ácido carboxílico al reaccionar con una amina produce una sal de acuerdo a la reacción:

Si hacemos reaccionar la mezcla racémica del ácido carboxílico con el enantiómero de una amina tal como (S)-R'N 2 se producirá un par de sales diastereoméricas: la sal de la amina del ácido (R) y la sal del ácido (S), como se muestra en la Fig. 4.11

Figura 4.11 Resolución de la modificación racémica de un ácido orgánico

Como se observa en la Fig. 4.11 al final del proceso la sal se trata con ácido mineral acuoso, para precipitar el ácido 63 Luz Marina Jaramillo Ph. D.

orgánico, mientras que la amina en su forma cloruro de alquilamonio (S) -R'NH3Cl pasa a la fase acuosa. Entre las aminas quirales mas comúnmente usadas se encuentran la quinina, la estricina, y la brucina de origen natural y la anfetarina que existe comercialmente como enantiómero puro.

A su vez una mezcla racémica de aminas (que son bases orgánicas) puede resolverse empleando uno de los enantiómeros del ácido tartárico. Por último, otros compuestos racémicos que no son ni ácidos ni bases se resuelven uniéndoles primero una parte ácida. Por ejemplo, un alcohol racémico puede reaccionar con un anhídrido de ácido, cíclico para obtener un producto que es al mismo tiempo un éster y un ácido.

Este ácido racémico ya es posible convertirlo a una mezcla de sales diastereoméricas por reacción con una amina ópticamente 64


Estereoquimica

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