estereo ii

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ESTEREOQUÍMICA TEMA 4

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Page 1: Estereo ii

ESTEREOQUÍMICA

TEMA 4

Page 2: Estereo ii

Importancia de la enantioselectividad en los medicamentos

"Durante su embarazo, a mi madre le recetaron talidomida contra los mareos matutinos. Mi madre tomó talidomida dos veces, dos cucharaditas de té en total. La talidomida fue la causa de mis discapacidades congénitas, por las que he necesitado 32 operaciones en toda mi vida y he pasado unos ocho años en el hospital antes de cumplir los 16, en una ciudad distinta a la que vivían mis padres".

Page 3: Estereo ii
Page 4: Estereo ii

CATÁLISIS QUIRAL

Page 5: Estereo ii

Produción industrial del aminoácido L-Dopa (útil en el tratamiento del Parkinson) usando catalizadores quirales

(Knowles)

Page 6: Estereo ii

Síntesis industrial del ároma mentol con ayuda del catalizador quiral BINAP (Noyori, 1980)

Ejemplo de una reducción estereoselectiva de una cetona que deja intacto el grupo éster

Page 7: Estereo ii

Se denominan isómeros a los compuestos que tienen la misma fórmula molecular pero diferente estructura química

Dependiendo de la naturaleza de la diferencia entre las estructuras es posible clasificar los isómeros en varios subtipos

1-propanol 2-propanol etil metil éter (C3H8O)

Isómeros constitucionales o estructurales

Isómeros constitucionales o estructurales

Se distinguen en el orden en el que los átomos están conectados entre sí. Pueden

contener distintos grupos funcionales o estructuras

Estereoisómeros

Tienen los mismos grupos funcionales y conectividad, diferenciándose en la organización espacial de átomos y

enlaces

1.- CONCEPTO Y TIPOS DE ISOMERÍA

Page 8: Estereo ii

ISÓMEROS ESTRUCTURALES

DE CADENA

Butano Metilpropano

Propan-1-ol Propan-2-ol

DE POSICIÓN

DE FUNCIÓN

Propan-1-ol Metoxietano

Page 9: Estereo ii

ESTEREOISÓMEROS ESTEREOISÓMEROS CONFORMACIONALES

ESTEREOISÓMEROS CONFIGURACIONALES

Producidos por la rotación en torno a un enlace simple C-C.

Interconvertibles a temperatura

ambiente

Estereoisómeros no convertibles entre sí a temperatura ambiente

Isómeros geométricos, producidos por la presencia de un doble

enlace en la molécula

Isómeros ópticos, producidos normalmente por la presencia de un

centro quiral (carbono asimétrico)

Page 10: Estereo ii

Dos estereoisómeros configuracionales pueden ser entre sí enantiómeros o diastereómeros

Los enantiómeros son estereoisómeros configuracionales que son imágenes especulares no superponibles entre sí

Los diastereómeros son estereoisómeros configuracionales que NO son imágenes especulares entre sí

Page 11: Estereo ii

¿Tienen los compuestos la misma fórmula molecular?

Isómeros

No IsómerosNO

SI

¿Tienen los compuestos la misma conectividad?NO SI

Estereoisómeros

¿Son interconvertibles por rotación en torno a enlaces simples C-C?

Configuracional

NOSI

¿Es producida por un doble enlace?SI

Óptica

¿Son los compuestos imágenes especulares no superponibles?

NO

NOSI

Page 12: Estereo ii

Isomería

Isomería estructural o constitucionalDifieren en la conectividad Estereoisomería

Difieren en la orientación espacial

de funciónTienen grupos

funcionales distintos

de posiciónel grupo funcional es el mismo

pero están en otra posición

de cadenaMismo grupo funcional pero la forma de la cadena varía

ConformacionalPueden interconvertirse

por giro sobre enlace sencillo

ConfiguracionalNo se pueden

interconvertir mediante un giro

GeométricaIsómeros cis y trans

Óptica

EnantiómerosSon imágenes especulares

no superponibles

DiastereoisómerosNo guardan relación de

imagen especular

UNA VISIÓN GLOBAL DEL PROBLEMA

Page 13: Estereo ii

ESTRUCTURALES

ESTEREOISÓMEROS

ISÓMEROS

CONFORMACIONALES

CONFIGURACIONALES

Diastereómeros Enantiómeros

OTRA VISIÓN GLOBAL DEL PROBLEMA

Page 14: Estereo ii

Estereoisómeros son sustancias cuyas moléculas tienen el mismo número y tipo de átomos colocados en el mismo

orden, diferenciándose únicamente en la disposición espacial que ocupan.

2.- ESTEREOISOMERÍA

Imágenes especulares no superponibles

No son imágenes especulares

Según la relación que guardan entre sí los estereoisómeros:

Page 15: Estereo ii

Isomería geométrica

Estereoisomería producida por la diferente colocación

espacial de los grupos en torno a un doble enlace

Isomería óptica

Estereoisomería producida por la diferente colocación

espacial de los grupos en torno a un estereocentro, habitualmente un carbono

quiral

Según el origen o causa de la estereoisomería:

Page 16: Estereo ii

Estas dos formas no son isómeros geométricos ya que la libre rotación del enlace simple convierte una forma en otra

(son confórmeros)

3.- ISOMERÍA GEOMÉTRICA¿Son isómeros geométricos estas dos formas de 1,2 dicloroetano?

Page 17: Estereo ii

Estas dos formas sí son isómeros geométricos ya que el doble enlace no permite la libre rotación. Son las formas trans y cis del 1,2-dicloroeteno

¿Son isómeros geométricos estas dos formas de 1,2 dicloroeteno?

Page 18: Estereo ii

Para que exista isomería geométrica se deben cumplir dos condiciones:

1.- Rotación impedida (por ejemplo con un doble enlace)

2.- Dos grupos diferentes unidos a un lado y otro del enlace

Page 19: Estereo ii

La isomería cis/trans se puede dar también en sistemas cíclicos donde la rotación en torno al enlace simple está impedida

Los isómeros geométricos son diasteroisoméros porque entre ellos no son imágenes especulares

Page 20: Estereo ii

Nomenclatura de los isómeros geométricos

La asignación de prioridad de los grupos se basa en las reglas de Cahn-Ingold y Prelog que establecen un orden de prioridad según el número atómico

Page 21: Estereo ii

La isomería geométrica tiene efecto sobre las propiedades físicas

1,2-dicloroeteno

Isó mero

Punto Fusió n (° C)

Punto Ebullició n (° C)

cis -80 60

trans -50 48

2- buteno

Isó mero

Punto de Fusió n (° C)

Punto Ebullició n (° C)

cis -139 4

trans -106 1

El isómero cis tiene un punto de ebullición más alto que el isómero trans

El isómero cis tiene un punto de fusión más bajo que el isómero trans

Page 22: Estereo ii

¿Por qué el isómero cis tiene mayor punto de ebullición?

El isómero cis es más polar

cis-1,2-dicloroeteno cis-2-buteno

El átomo de Cloro tira de los electrones de enlace polarizando la unión C-Cl

Los grupos metilo empujan electrones hacia el carbono del doble enlace,

polarizando el encale C-C

¿Por qué el isómero cis tiene menor punto de fusión?

La forma en U del isómero cis dificulta el empaquetamiento en estado sólido. Las débiles fuerzas intermoleculares que se establecen en este caso explican que funda a menores temperaturas que el isómero trans, cuya forma permite un empaquetamiento más eficaz.

El isómero cis es menos simétrico

Page 23: Estereo ii

4.- ISOMERÍA ÓPTICA

La mayoría de sustancias no desvían el plano de polarización de la luz, no son ópticamente activas, pero los isómeros ópticos sí lo son

En la pareja de enantiómeros, ambos desvían el plano de polarización el mismo número de grados, pero en

sentidos contrarios (Pasteur, 1848)

Page 24: Estereo ii

El tartrato de sodio y amonio, ópticamente inactivo, existía como una mezcla de dos

clases diferentes de cristales que eran imágenes especulares entre sí. Pasteur

separó la mezcla cuidadosamente en dos montones uno de cristales derechos y el

otro de izquierdos.

La mezcla original era ópticamente inactiva; sin embargo, cada grupo de cristales por

separado era ópticamente activo. En todas las demás propiedades, ambas sustancias

eran idénticas

ÁCIDO L (+) tartárico ÁCIDO D (-) tartárico

ÁCIDO MESO tartárico

Page 25: Estereo ii

Una sustancia ópticamente activa es la que desvía el plano de la luz polarizada

El polarímetro mide la rotación específica de la muestra

l longitud celda

c concentración muestra

D longitud onda luz sodio

Sustancia dextrógira: Sustancia levógira:

Ácido (+) Láctico

Extraído del tejido muscular

(-)2-metil-1-butanol

Giro en el sentido de las agujas del reloj Giro en sentido contrario de las agujas del reloj

Page 26: Estereo ii

¿Por qué los isómeros ópticos desvían el plano de polarización de la luz?

Las moléculas de los isómeros ópticos son quirales, existen en dos formas, imágenes especulares, que

no son superponibles

Esta falta de simetría en las moléculas puede estar producida por varías causas, la más

frecuente es que en ellas exista un estereocentro, en general un carbono unido a

cuatro sustituyentes diferentes (carbono quiral).

Ojo: Existen moléculas quirales que no tienen estereocentro: Alenos, Bifenilos, .. y moléculas con estereocentros que no son quirales

Page 27: Estereo ii

Acción de las moleculas aquirales y quirales ante la luz polarizada

Page 28: Estereo ii

Quiralidad: Es una propiedad según la cual un objeto (no necesariamente una molécula) no es superponible con su imagen especular. Cuando un objeto es

quiral se dice que él y su imagen especular son enantiómeros

Presentan plano de simetría

Page 29: Estereo ii

Ejercicio: ¿Cuál de estas moléculas es quiral?

Page 30: Estereo ii

Moléculas No Quirales

Superponibles

Moléculas Quirales

Imágenes especulares

No Superponibles

Dos enantiómeros desvían el plano de la luz polarizada en la misma magnitud pero en sentidos

opuestos.

Cuando una molécula es superponible con su

imagen especular se dice que no

es ópticamente activa y, por tanto, es incapaz de desviar el plano de la luz

polarizada.

Page 31: Estereo ii

Las moléculas que contienen un estereocentro son siempre quirales

Los enantiómeros tienen las mismas propiedades químicas y físicas, a excepción de su respuesta ante la luz polarizada (actividad óptica). Por ello se les denomina isómeros ópticos.

Las moléculas aquirales son ópticamente inactivas.

La mezcla 1:1 de los enantiómeros (+) y (-) de una molécula quiral se denomina mezcla racémica o racemato y no desvía la luz polarizada

Ojo: Existen moléculas sin estereocentro que son quirales y moléculas con más de un estereocentro que no son quirales

Page 32: Estereo ii

2-butanol

Ácido 2-hidroxipropanoico

(ácido láctico)

Ácido 2-aminopropanoico

(alanina)

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Page 34: Estereo ii

Moléculas quirales sin estereocentro

Alenos

Bifenilos

Binaftilos

No hay plano de simetría. La

molécula y su imagen especular

no son superponibles

Page 35: Estereo ii

Cahn, Ingold y Prelog establecieron el sistema de nomenclatura R/S para nombrar la configuración absoluta de un estereocentro.

Se deja el grupo de prioridad menor (d) hacia atrás y se observa el sentido de giro para ir desde el grupo de más

prioridad (a) hacia el de menor (c) de los tres que quedan. Si el sentido es el de las agujas del reloj, la

configuración es R (rectus). Al contrario es S (sinister).

5.- Configuración del estereocentro: R/S

Page 36: Estereo ii

Reglas de prelación

El número atómico de los átomos directamente unidos al estereocentro

determina su orden de prioridad. El átomo de mayor numero atómico tiene la

mayor prioridad. Si uno de ellos es un hidrógeno, éste será el de prioridad menor.

Si hay dos átomos iguales unidos al

estereocentro, se observa en la posición siguiente qué atomo tiene el número atómico

mayor. En caso de nueva coincidencia se sigue a la siguiente posición, y así

sucesivamente.

Si alguno de los átomos unidos al estereocentro participa en un enlace doble o

triple, se supone que aquél está unido por enlaces sencillos a un numero

respectivamente doble o triple de átomos.

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Page 38: Estereo ii
Page 39: Estereo ii

En las proyecciones de Fischer cada carbono tetraédrico se representa como una cruz en la que, las líneas horizontales se dirigen hacia

afuera del papel y las verticales hacia adentro.

6.- PROYECCIÓN DE FISCHER

Page 40: Estereo ii

orientar

Construir proyección Fischer

Asignar prioridad

Determinar configuración

Page 41: Estereo ii

Si el último grupo en prioridad está en la horizontal y la unión 1→ 2→ 3 va ensentido R la configuración del estereocentro es opuesta, o sea, S

Si el último grupo en prioridad está en la horizontal y la unión 1→ 2→ 3 va ensentido S la configuración del estereocentro es opuesta, o sea, R.

Page 42: Estereo ii

La rotación de una proyección de Fischer afecta a la configuración del estereocentro representado:

El giro de 90º invierte la configuración

El giro de 180º conserva la configuración Este giro de 180° en el plano en una proyección de Fischer equivale a unnúmero par de intercambios de grupos,

un giro de 90° equivale a un número impar de intercambios (untotal de tres interconversiones)

Page 43: Estereo ii

Una molécula con n estereocentros tiene un máximo de 2n estereoisómeros.

7.- Moléculas con más de un centro quiral

Page 44: Estereo ii

Ejercicio: Determinar el número de estereoisómeros de las aldohexosas, hidratos de carbono o azúcares de seis átomos de carbono, de fórmula

general C6H12O6:

HOCH2-CHOH-CHOH-CHOH-CHOH-CHO

Construir los diagramas de Fischer y establecer las relaciones de enantiomería y disatereoisomería correspondientes

Page 45: Estereo ii

D-(+)-Alosa RRRR p.f. 148º

D-(+)-Altrosa SRRR p.f. 103º

D-(+)-Glucosa RSRR p.f. 154º

D-(+)-Manosa SSRR

p.f. 136º

D-(-)-Gulosa RRSR

D-(-)-Idosa

SRSR

D-(+)-Galactosa RSSR p.f. 169º

D-(+)-Talosa SSSR p.f. 134º

A estos 8 diastereoisómeros naturales hay que añadir los 8 enantioméros correspondientes (sintetizados en el laboratorio)

Page 46: Estereo ii

¿Por qué en el caso del ácido tartárico (ácido 2,3-dihidroxibutanodioico), con dos estereocentros, sólo se producen tres estereoisómeros?

(+)-tartaric acid: [α]D = +12º m.p. 170 ºC

(–)-tartaric acid: [α]D = –12º m.p. 170 ºC

meso-tartaric acid: [α]D = 0º m.p. 140 ºC

8.- LA FORMA MESO

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Page 48: Estereo ii

Una forma meso es un compuesto que contiene dos o más estereocentros y es superponible con su imagen especular.

Los compuesto meso contienen un plano de simetría que divide la molécula en dos, de tal forma que una mitad es la imagen especular de la otra

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Page 50: Estereo ii

CASO 1.- Si partimos de una sustancia aquiral y en el medio de reacción no hay sustancias quirales, aunque se forme un estereocentro, el producto no será ópticamente activo (dará

lugar a una mezcla racémica).

El carbono secundario que sufre la reacción no es quiral, pero se le denomina proquiral porque al reaccionar da lugar a un centro quiral o estereogénico

9.- REACTIVIDAD Y ESTEREOQUÍMICA

Ejemplo: halogenación de alcanos

Page 51: Estereo ii

Síntesis de 2-butanol por hidrogenación catalizada con níquel de 2-butanona

CH3CH2CCH3 CH3CH2CHCH3

OHO

+ H H (+)-Ni *

Page 52: Estereo ii

CH3CH2

C CHH

H

H Br

CH3CH2

H

CH3

Br

CH3CH2

Br

CH3

H

H3CH2CCH3

H (S)-2-Bromobutane

Top

Bottom

+ (50%)

(50%)(R)-2-Bromobutane

1-buteneCarbocationintermediate

(achiral)Br −

Br −

Adición de HBr a 1-buteno para producir 2-bromobutano

Page 53: Estereo ii

CASO 2.- Cuando ya existe un estereocentro en la molécula de partida y se crea otro en la reacción, se obtienen una pareja de

diastereómeros generalmente en distinta proporción, porque los ET que conducen a ellos no tienen porqué poseer la misma energía.

Cloración en posición 3 del (S)-2-bromobutano ópticamente puro

Los estados de transición no tienen la misma energía

Obtenemos pareja de diastereómeros en distinta proporción

Page 54: Estereo ii

Cloración en posición 3 del (R)-2-bromobutano ópticamente puro

Los estados de transición no tienen la misma energía

Obtenemos pareja de diastereómeros en distinta proporción

Inducción asimétrica: La presencia de un centro quiral afecta en la formación de un nuevo centro.Una reacción que conduce a la formación predominante de uno de los varios productos estereoisoméricos posibles es estereoselectiva.

Page 55: Estereo ii

Cloración en posición 3 del 2-bromobutano racémico, es decir, de una mezcla 1:1 de (S)- y (R)-2-bromobutano

Se sigue obteniendo una mezcla de diastereómeros, de los que uno predomina, pero ahora son racémicos, porque partimos de un compuesto que así lo era.

Cuando ninguno de los productos de partida es enantioméricamente puro y en la reacción se producen estereocentros, el resultado de la

misma es siempre un racémico

Page 56: Estereo ii

Reactivo(s) Producto(s)

Simétrico no proquiral (opticamente inactivo)

Simétrico (opticamente inactivo)

Simétrico proquiral (opticamente inactivo)

Quiral racémico (opticamente inactivo)

Quiral racémico (opticamente inactivo)

Mezcla de diastereómeros racémicos (opticamente inactivo)

Quiral enantioméricamente puro (opticamente activo)

Mezcla de diastereómeros enantioméricamente puros (opticamente activo)

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10.- RESOLUCIÓN DE RACEMATOS

La separación de enantiómeros de mezclas racémicas se denomina resolución. Hay diferentes procedimientos para la resoluciónde mezclas racémicas pero los más utilizados son la resolución química y la resolución

cromatográfica.

La resolución química consiste en la separación de los enantioméros de la mezcla racémica mediante su conversión en una mezcla de diastereoisómeros. Para ello, la mezcla de enantiómeros se hace reaccionar con compuesto quiral

que recibe el nombre de agente de resolución.

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La resolución de una mezcla racémica puede llevarse a cabo aprovechando las diferencias en las propiedades físicas y/o químicas de los diastereoisómeros.

Una tuerca de una helicidad determinada sólo casará bien con los tornillos de su misma helicidad.

Page 59: Estereo ii

1º.- Formación diastereómeros

Page 60: Estereo ii

2º.- Separación diastereómeros

3º.- Eliminación del agente de resolución

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Método de resolucíón química: Resumen