199

7.-ESTEREOQUMICAINTRODUCCIN Los ismeros estructurales Se definen como ismeros, todos aquellos compuestos qumicos que poseen igual frmula global, es decir, estn constituidos con los mismos elementos y en la misma proporcin pero tienen diferente estructura qumica. De esta manera, es posible encontrar varios tipos de ismeros llamados estructurales. El 2-metilpentano y el n-hexano son un ejemplo de isomera de cadena. El 1-clorobutano y el 2clorobutano, poseen igual frmula global pero difieren en la posicin del halgeno en la cadena, por lo tanto se les llama ismeros de posicin. El etanol y el dimetilter son ismeros funcionales. En resumen, los ismeros estructurales difieren en que teniendo la misma frmula global, sus tomos estn unidos entre s de diferente manera. Los ismeros espaciales o estereoismeros Existe otro tipo de ismeros en los cuales tiene prioridad la distribucin espacial de sus tomos. Esto debe considerarse como una consecuencia natural de la tridimensionalidad de las molculas. Son entes fsicos reales que se mueven en un espacio tridimensional. A toda esta especie de compuestos se les llama estereoismeros, y segn su posibilidad de transformacin entre un estereoismero y otro, pueden distinguirse dos subclases:

CONFORMACIONALES

ESTEREOISMEROS

CONFIGURACIONALESEsquema N1

Los estereoismeros llamados conformacionales son aquellos en los que solo basta, la rotacin sobre uno de sus enlaces simples C-C, para obtener otro ismero conformacional, uno y otro se distinguen por su contenido de energa potencial la que se genera por interaccin entre sus tomos constituyentes.

200

Ya nos hemos encontrado con ellos al C C rotar estudiar el anlisis H H conformacional de los alcanos y cicloalcanos. H H fijo Recordemos que si se hacen rotar los grupos metilo del etano por ejemplo, sobre su enlace C-C, aparecen ismeros configuracionales como el eclipsado y alternado.

H

H

Figura N1

H H H H (A) alternadaEstructura N3

H H H H HH H H

(B) eclipsada

En el caso del butano, aparecen adems de los mencionados, otros tales como el gauche, anti.

CH3 CH3

CH3 H CH3

CH3 H

CH3 H H

HH

HH

H H

H gauche 2

HH

CH H 3

H CH3

H anti 4

eclipsado 1Estructura N4

eclipsado2 3

Tambin puede verse esta clase de isomera en compuestos cclicos tales como, el ciclohexano, con su forma silla y bote

201

H

H

H H

H H

H H

H H

H

H

H H

H

H

H H

conformacin SILLAEsquema N3

H H H H conformacin BOTE

HH

Por otro lado, los estereoismeros configuracionales son aquellos que tienen restriccin de movimiento que les impide pasar de un ismero a otro y esto solo puede hacerse, rompiendo y formando enlaces. Ejemplos tpicos de estos ismeros son el cis y trans de los alquenos y cicloalcanos. Cis para denotar que los sutituyentes estn al mismo lado del doble enlace carbono-carbono en los alquenos disustituidos o al mismo lado del plano del anillo en los compuestos cclicos y trans en lados opuestos al doble enlace y plano del anillos.

H

H C C CH2CH3

Br

Br H cicloalcano cis

CH3Estructura N1

H

alqueno cis

Cl C H C

H C6H5

CH3 H H Br cicloalcano trans

alqueno transEstructura N2

Si quiero pasar desde un ismero cis al trans, tengo primero que romper un enlace, luego girar una parte de la molcula y luego reconstruir nuevamente el enlace.

202

R CIS H

CIS C C

R'

H romper y rotar

volver a unir R H TRANS C C H R'Esquema N2

La transformacin entre estos ismeros implica una considerable cantidad de energa (alrededor de 65 Kcal/mol en alquenos) en la primera etapa, por lo que las molculas, en condiciones normales, permanecern sin interconvertirse. LAS MOLCULAS TRIDIMENSIONALES Y SU REPRESENTACIN. En estereoqumica, es importante saber representar las molculas espacialmente. Por ejemplo, la molcula de etano que se muestra ms abajo dibujada en dos dimensiones, puede ser representada en el espacio de varias maneras, utilizando distintos tipos de modelos moleculares llamados proyecciones:

H H C

H C H

H H etano en dos dimensionesEstructura N5

1.- Proyeccin de Cua: Aqu el trazo slido que se engruesa en forma de cua, indica que el enlace se proyecta por encima del plano del papel, el trazo punteado hacia atrs del plano del papel y el continuo y delgado, sobre la superficie del papel.

203 H H H H H H

2.- Proyeccin de Caballete: En este caso, la molcula aparece como si se estuviera mirando en perspectiva, oblicuamente desde arriba y los enlaces son trazos delgados y continuos. H H H H

H

H

3.- Proyeccin de Newman: Esta representacin mira la molcula a lo largo de un enlace carbono-carbono. El tomo de carbono que queda ms prximo al espectador est representado por un punto desde el cual emergen radialmente los tres enlaces carbono-hidrgeno. El tomo de carbono posterior y ms lejano al espectador, est representado por un crculo desde cuyo permetro salen radialmente tambin los otros enlaces carbono-hidrgeno.H H H

H H

H

4.- Proyeccin de Fischer: Esta forma de representar las molculas, es la visin desde una posicin superior de ellas. El enlace carbono-carbono queda sobre el plano del papel. Los trazos horizontales son los enlaces que emergen desde el plano del papel hacia el espectador. Los trazos punteados son los enlaces que se proyectan hacia atrs del plano del papel alejndose del espectador. El dibujo de la izquierda demuestra esta situacin. Sin embargo, lo que se encuentra normalmente

204 en literatura es el dibujo de la derecha. Esto significa que, hay que tener en mente y respetar las convenciones que estn implcitas en este tipo de dibujo.

H H H H

H H

H HFigura N2

H

H

H

H

ENANTIMEROS, IMAGEN ESPECULAR Y QUIRALIDAD Es una experiencia comn, la dificultad que se encuentra al tratar de colocar un guante de la mano derecha en la izquierda y vise versa. Esto se debe a que los dedos de una mano son todos diferentes, tienen un orden establecido y, no presentan entre ellos ningn elemento de simetra interno como podra ser por ejemplo, un centro, un eje o un plano de reflexin. Entre los muchos diferentes elementos de simetra que es posible encontrar en una molcula estan: Un centro de simetra es aquel punto dentro de un objeto, desde el cual, cualquier proyeccin que se haga desde l hasta otro punto de ese cuerpo, en sentido inverso siempre encontrar una imagen idntica del otro extremo. Una esfera es el ejemplo ms representativo de aquel cuerpo que tiene en su centro geomtrico un centro de simetra. La molcula de tetracloruro de carbono o el metano son algunos ejemplos simples de cuerpos con un centro de simetra y el ncleo del tomo de carbono de esas molculas coincide con su centro de simetra. El benceno tambin es un ejemplo de molcula que posee ambos elementos de simetra. Un plano de simetra puede ser considerado como aquel que divide un objeto, como por ejemplo una molcula, de tal forma, que lo que queda a un lado de

205 ese plano es como la imagen del objeto original que se refleja en un espejo. Son aparentemente indistinguibles una frente a la otra. Sin embargo, ambas poseen propiedades fsicas y qumicas que efectivamente, las hacen diferentes entre s.

Centro de simetra del benceno

Uno de los planos de simetra del benceno Por ejemplo, examinemos nuestras manos. Se ha fijado usted que aun cuando son idnticas entre s no pueden superponerse?. Esto es algo notable. Son idnticas solo en el sentido de que una es la imagen del reflejo en un espejo de la otra. En otras palabras, la mano izquierda es idntica a la imagen que se obtendra colocando la mano derecha frente a un espejo. As, una es imagen especular de la otra. Vea el recuadro derecho en la figura N3 de ms abajo. Sin embargo, si ambos objetos poseen algn elemento de simetra interno, estos pasan a ser superponibles entre s punto a punto. Un buen ejemplo de este caso es un tenedor como aquel que se muestra ms abajo en el recuadro izquierdo.

mano izquierda plano de simetra espejo plano de simetra espejo

reflejo o mano derecha

Ambas imagenes son superponibles

Las manos no pueden superponerse

TENEDORFigura N3

MANOS

Esta misma propiedad puede hacerse extensiva a las molculas. El metano por ejemplo, tiene una imagen especular que es idntica a s misma y puede superponerse puesto que tiene elementos de simetra (seis planos de simetra) La figura N4, muestra solo dos de ellos, en los cuales siempre quedarn dos de sus tomos de hidrgenos sobre l..

206 H H H C H planos de simetria perpendiculares entre siFigura N4

Si al metano que posee cuatro tomos de hidrgeno dispuestos espacialmente de manera tal que son seis los planos de simetra que la atraviesan, y todos pasando por su centro de simetra, le cambiamos sucesivamente sus tomos de hidrgeno por igual nmero de tomos o grupos de tomos diferentes, el nmero de planos de simetra disminuir sucesivamente hasta que no quede ninguno de ellos. El carbono de esta molcula quedar finalmente unido a cuatro grupos distintos, y no presentar ningn elemento de simetra.

H H HEsquema N4

B A H H C D

C

Este metano sustituido es equivalente a una de nuestras las manos, y para obtener la otra, lo deberemos colocar frente a un espejo y observar su reflejo.

B A H C D D

B C A H

molcula sustituida

imagen especular

ESPEJOFigura N5

207 Semejante a lo que sucede con las manos, la molcula sustituida del metano, no puede superponerse con su propia imagen especular, no tiene elementos de simetra. Aquellas molculas que muestran este comportamiento se llaman quirales. As, una molcula quiral es aquella que no es superponible con su imagen especular, y el carbono al que estn sujetos los cuatro grupos o tomos diferentes es un centro estereognico o asimtrico. Dicho de otra manera, para que una molcula sea quiral, debe tener por lo menos un centro asimtrico o estereognico, y ese centro, que generalmente es un tomo de carbono, deber estar unido a cuatro grupos o tomos diferentes. Un centro asimtrico, significa entonces, que este no debe poseer elementos de simetra tales como planos ejes y centros de simetra. Por ejemplo, como vimos anteriormente el metano posee varios planos de simetra. plano de simetra

lado izquierdo

H H C(c)

(b)

H

(a)

H (a)

Figura N6

En este caso, el plano de simetra coincide con el plano del papel, y los dos hidrgenos (a) han quedado tambin colocados sobre el plano. Los otros dos est: el uno (b) hacia atrs y el otro (c) hacia delante del plano. Giremos ahora la molcula levantando el lado izquierdo de la figura de manera tal que el plano de simetra quede ahora perpendicular al plano del papel y pueda mirarse la molcula desde otra perspectiva:

H (a)(b)

H

C H (a)

H

(c)

plano de simetraFigura N7

208 Ahora, se ven claramente los hidrgenos (a), que estando sobre el plano de simetra, se proyectan hacia atrs del espectador. Los otros dos tomos de hidrgeno (b) y (c) se proyectan hacia adelante, simtricamente, hacia ambos lados del plano de simetra. Estos elementos de simetra, aparecen sobre cualquier tomo de carbono que est unido a por lo menos dos grupos idnticos. Por lo tanto, un carbono con dos grupos iguales no es un centro asimtrico o estereognico y por lo tanto no contribuye a la quiralidad en la molcula de la que forma parte. Por ejemplo: el 2-bromopropano no es quiral, pero en cambio el 2bromobutano s lo es. Vea la estructura N6.

H H3CEstructura N6

H CH3 H3C C CH2 CH3 Br

C Br

En el primer caso, de los cuatro tomos y grupos de tomos que estn unidos al carbono, dos de ellos son grupos idnticos (- CH3), por lo que hay un plano de simetra. Por lo tanto, esta molcula, es aquiral. En el segundo caso, el carbono 2 est unido a cuatro grupos diferentes, -H, - CH3, - CH2CH3 y Br, por lo tanto constituye un centro asimtrico y la molcula es quiral. Recuerde que una molcula quiral no puede superponerse con su imagen especular. La imagen especular de una molcula quiral es tambin quiral, y se la llama enantimero. Un enantimero entonces es la imagen especular no superponible de una molcula quiral.

espejo H H3C C Br un par de enantimerosFigura N8

H CH2CH3 H3CH2C C Br CH3

Un par de enantimeros, es la molcula quiral y su imagen especular. Esto significa que la relacin estereoisomrica entre ellas es ser enantimeros entre s.

209 LA CONFIGURACIN. Al observar un par de enantimeros, se ver que difieren entre s en que poseen intercambiados dos de sus cuatro grupos diferentes. As, en las figuras de los enantimeros de arriba, cualquiera que tomramos como referencia, solo bastara con tomar su grupo CH3 y su grupo CH2CH3 e intercambiarlos entre s para obtener la otra estructura o enantimero. Se hace evidente que la distribucin en el espacio de los grupos unidos a un carbono asimtrico es muy importante y as, dada una molcula quiral, solo basta con intercambiar dos de los grupos del centro asimtrico o estereognico para obtener su enantimero o imagen especular. Aqu vuelve a presentarse el concepto de que para pasar de una configuracin a otra hay necesariamente que romper y formar enlaces. El ordenamiento tan especial que tiene en el espacio el centro estereognico de una molcula quiral se llama configuracin, y por lo tanto, cada enantimero posee su propia configuracin. En un par de enantimeros con un centro estereognico hay dos configuraciones, que tendrn que ser distinguidas, una de la otra mediante la nomenclatura. Esto tiene la ventaja de poder dibujarlas a partir de su nombre y viceversa sin que reste duda alguna.

NOMENCLATURA PARA LA CONFIGURACIN DE LOS ESTEREOISMEROS. Hay algunas reglas que se aplican para distinguir la configuracin de los estereoismeros. Estas son prcticamente iguales a las definidas para distinguir las estructuras estereoisomricas E,Z en los alquenos. Los autores de esta nomenclatura son los mismos Cahn, Ingold y Prelog de la nomenclatura CIP que ya revisamos y solo hay una diferencia que la distingue del caso de los alquenos. Consiste en que hay reglas muy bien definidas que permiten visualizar e identificar el centro estereognico:

g D C BFigura N9

A

REGLA N1: Se ordenan, de mayor a menor segn su nmero atmico todos los tomos unidos directamente al carbono estereognico. Aquel que tenga mayor nmero atmico tendr la primera prioridad, y se le asignar con el N 1. Al que sigue en prioridad se le dar el N 2 y as hasta llegar al grupo de prioridad N 4.

210

I > ,..., > Cl > F > N > C,...,> H PRIORIDADFigura N10

REGLA N2: Si ms de un tomo, directamente unido al carbono del centro asimtrico, tiene el mismo nmero atmico, entonces, se debe continuar la comparacin de los nmeros atmicos a travs de las cadenas de ambos grupos, alejndose del carbono estereognico, hasta encontrar la primera diferencia que dar la prioridad correspondiente. No se debe considerar la suma de los nmeros atmicos en el grupo para efectuar la comparacin, solo se debe considerar la primera diferencia encontrada en el proceso de la comparacin. Cada tomo est unido a otros tres tomos, luego, se debe comparar el pool de tomos unidos al carbono en cuestin y ganar aquel tomo de mayor nmero atmico. C,H,H CH2 unido a g C BFigura N11

CH2 CH2

CH3 OH

O,H,H

En el ejemplo, (Figura N11), los dos grupos CH2- no pueden definir su prioridad, por lo que se debe continuar a lo largo del grupo hasta encontrar la primera diferencia. As, aquel grupo que contiene oxgeno es el que tiene mayor prioridad de los dos. Veamos ahora un ejemplo concreto: el 2-bromobutano.

H Br CH3Estructura N7

CCH2CH3

Observando los tomos directamente unidos al carbono estereognico y aplicando la primera regla, no hay duda en que el bromo, como el elemento de mayor nmero atmico tiene la prioridad N1. En cambio, los carbonos del metilo y del etilo no permiten determinar cual de los dos es prioritario sobre el otro. Segn la regla dos, este caso se resuelve examinando los nmeros atmicos de los tomos siguientes dentro del grupo hasta encontrar la primera diferencia. El carbono del metilo esta unido solo a tres hidrgenos, en cambio el carbono del etilo est unido a

211 dos hidrgenos y a un carbono que es la primera diferencia encontrada y por tanto el grupo etilo tiene la segunda precedencia o prioridad N 2 despus del bromo. Al metilo le corresponder la prioridad N 3 y al hidrgeno la N 4. REGLA N3: Los tomos unidos por enlaces mltiples, se deben tratar como si hubiese igual nmero de enlaces simples entre los tomos involucrados.

C O C H equivale a O C HFigura N12

C O C N equivale a

N C N

C N

Veamos un ejemplo de la regla N 3:

este carbono est unido a tres oxgenos

O (2) C

OH

(1) Br CH (4) 3

CC

(3) N

este carbono esta unido a tres nitrgenos.Figura N13

Los nmeros entre parntesis indican el orden de prioridad de los grupos unidos al carbono estereognico. Una vez fijada de esta manera las prioridades de los grupos unidos al centro asimtrico, se aplican estas al estereoismero y se resuelve su configuracin. Ahora el centro estereognico deber mirarse de una manera tal que deje detrs de l, al tomo o grupo de tomos de menor prioridad.

212 tomo o grupo de tomos de menor prioridad g A N2 B

D g

D

B N1Figura N14

A

Si la prioridad de los tomos o grupo de tomos es: A(1) > B(2) > D(3) > g(4) Entonces A ser 1, B ser 2 etc. En la estructura N1 de la figura N15, la lectura de las prioridades de los grupos, describe una curva A-> B -> D o 1-> 2-> 3, movindose en el sentido que lo hacen los punteros de un reloj, y aquello corresponde por convencin a la configuracin R.

D g A R N1Figura N15

D g B S N2

B

A

A la estructura N2, le corresponde la configuracin en la cual la curva describe un movimiento en sentido contrario a la estructura N1, es decir, contrario al movimiento de los punteros del reloj. Es la configuracin S. Aqu R y S son enantimeros e imgenes especulares entre s. TRANSFORMACIN DE PROYECCIONES DE CUA A FISCHER. Esta transformacin es una ms de las existentes, ya que no es la nica, y cada cual podr elegir la que ms le acomode. Para este caso particular, y en general es tambin vlido, hay que preocuparse que al hacer estas transformaciones no alterar la configuracin del

213 centro asimtrico. Un buen criterio, entre otros, es comenzar dejando el grupo de menor prioridad ( N4) sobre uno de los extremos del eje vertical para dejarlo proyectado hacia atrs en la proyeccin de Fischer , permitiendo entonces leer directamente de la figura el sentido del giro y definir la configuracin sin ms complicaciones.

(2) CO2H (1) Br CH (4) 3Figura N16

Br (1) HO 2C (2) (4) CH3

C

(3) CN

CN (3)

Configuracin (S)

Por otro lado, los grupos o tomos que en la proyeccin de cua estn sobre el plano del papel deben quedar en la proyeccin de Ficher en extremos opuestos de la misma lnea vertical que los une. Si no se cumple con esta precaucin se corre el riesgo de dibujar el enantimero o imagen especular, puesto que se est intercambiando un par de grupos o tomos del centro estereognico. As por ejemplo, la transformacin como se plantea siguiendo estas indicaciones es:

H (4) (1) Br (3) CH3

H (4) (1) Br CH3 (3) (2) CH2CH3

CCH2CH3 (2)

Configuracin (S) eje imaginarioEsquema N5

Al girar la molcula en 90 alrededor del eje imaginario para que el grupo etilo y el hidrgeno queden hacia atrs, deja el plano definido por el hidrgeno (4) el carbono estereognico y el etilo (2) como una recta. Este giro a su vez, hace que el

214 bromo se ubique a la izquierda de esta lnea y el metilo a la derecha emergiendo ambos desde el plano del papel. Por otro lado, si dejamos el grupo N 4 y el grupo N 3 unidos por la misma lnea vertical al igual que lo hicimos con el hidrgeno y el etilo anteriormente, en Fischer resulta en un cambio de configuracin:

H (4) (1) Br (3) CH3

H (4) (1) Br (2) CH2CH3 (3) CH3

CCH2CH3 (2)

Configuracin (S) Hay cambio de configuracin de (S)Figura N17

Configuracin (R) a (R)

REGLAS NEMOTCNICAS SIMPLES EN LA ESTEREOQUMICA DE LOS CICLOS

Trabajar con ciclos en estereoqumica, suele ser un problema serio, sobre todo para quienes no estn familiarizados con el tema. Esto se origina en el uso ambiguo de las proyecciones. Tomemos por ejemplo, la adicin de cido bromhdrico a un ciclohexeno sustituido:

CH3 CH3 H

HBr

CH3 CH3

215 (por arriba) Br

CH3 (a)

CH3 CH3

Br

CH3

(por abajo)

CH3

CH3 (b)

Br

Tanto (a) como (b), son estructuras espacialmente indefinidas cuando se trata de encontrar la configuracin. No estn bien definidas las posiciones arriba, abajo, atrs y adelante, lo cual hace difcil e incierto la determinacin de sus configuraciones. Para evitar estas dificultades, podemos como alternativa, recurrir a una representacin de cua siempre que nos propongamos respetar algunas reglas simples y fciles de recordar: REGLA N1.- El ciclo debe mantenerse siempre en el plano del papel.

H H R CH3

REGLA N2 .- Lo que queda hacia delante ( ) del plano del papel y lo que queda hacia atrs ( ) deben ser dibujadas aproximadamente como la continuacin del lado del polgono, como puede verse en el dibujo:

H

H Sobre el plano Bajo el plano

216

REGLA N3.- Los grupos de tomos o tomos que estn sobre el plano estn representados por cuas slidas y los gropos que estn hacia atrs del plano por cuas segmentadas como se muestra en el ejemplo de ms abajo:

Cl4 5

3

H2

R6

H CH3

1

(A)As, en la figura del estereoismero (A), estn perfectamente definidas las posiciones de todos los elementos importantes para la estereoqumica. La molcula (A) es la (R)-3-cloro-1-metilciclohexeno. En el tomo de carbono 3 el tomo de cloro est saliendo, hacia el espectador, y el hidrgeno est hacia atrs. El doble enlace C=C, junto al metilo y el hidrgeno involucrados estn en el plano del papel. Veamos ahora, tomando en cuenta estas normas, como puede representarse la reaccin de adicin de HBr sobre la molcula (A) Segn Markovnikov, la adicin sigue como sabemos:

Cl R

H H CH3(A) HBr

Cl R

HH H

CH3

El ataque del bromuro puede ser por arriba del plano o por debajo del plano para producir finalmente (a) y (b) .

217 Cl Br (por arriba) Cl R CH3 Br (por abajo) Cl R R CH3 Determinar ahora la configuracin del nuevo centro quiral, es tarea fcil, segn las proyecciones obtenidas, y el nombre completo de estos estereoismeros es respectivamente: (a) (b) (1S,3R)-1-bromo-3-cloro-1-metilciclohexano (1R,3R)-1-bromo-3-cloro-1-metilciclohexano H R S Br H Br (b) H CH3 (a)

La relacin estereoqumica entre ellos es ser diastereoismeros. Sus enantimeros respectivos (c) y (d) son: Cl S S CH3 (c ) El nombre de los diateremeros (c) y (d) es: (c) (d) (1R,3S)-1-bromo-3-cloro-1-metilciclohexano (1S,3S)-1-bromo-3-cloro-1-metilciclohexano (d)

H CH3 S R Br

Cl Br

H

Otro ejemplo, en el cual puede observarse la aplicacin de estos criterios nemotcnicos es la reaccin de Br2 en CCl4 al ( R)-3-meticiclopenteno.

218

CH3 H (por arriba) CH3 H R H Br2/CCl4 CH3 CH3 H CH3 (por abajo) (b) R Br CH3 H + Br (a) R Br H + Br

CH3 H R (a) + Br (por abajo) (c) R R CH3 BrEl nombre de ( c) es: (1R,2R,3R)-1,2-dibromo-1,3-dimetilciclopentano

Br H

CH3 H (b) + Br (por arriba) R (d) S S H

Br Br CH3

Y el nombre de (d) es: (1S,2S,3R)-1,2-dibromo-1,3-dimetilciclopentano

219 PROBLEMA: Dada la siguiente proyeccin de Fischer para la estructura (A):H C2H5 (A) CH3 H CH3 OH Br

Determine la configuracin de cada uno de los centros estereognicos. PROPIEDADES DE LOS ENANTIMEROS Todas las propiedades fsicas y qumicas que no dependen de la simetra, son comunes a ambos enantimeros. Punto de fusin, punto de ebullicin, densidad, solubilidad (en solventes aquirales), adems de la reactividad y velocidad de reaccin en procesos no bioqumicos. Sin embargo, hay algunas propiedades del mundo fsico que s dependen de la quiralidad. Un enantimero, por ejemplo, es capaz de interaccionar con la luz polarizada y girar su plano de vibracin. Esta rotacin, que es medida en un instrumento llamado polarmetro, puede ser hacia el lado izquierdo (-) levgira o hacia el lado derecho (+) dextrgira. Hay tendencia a asociar la configuracin R o S al sentido o direccin de la desviacin del plano de la luz polarizada, sin embargo, no hay ninguna relacin entre estos hechos. La relacin entre configuracin R o S y direccin de la rotacin del plano de la luz polarizada solo puede ser determinada experimentalmente. Pueden darse todas las combinaciones posibles entre estas dos variables. Por ejemplo: R(+) o R(-) y S(+) o S(-) indistintamente, es decir, una molcula quiral de configuracin R puede ser dextrgira o levgira. Su relacin deber ser determinada experimentalmente y una vez que se ha determinado esta relacin, podemos estar seguros que su enantimero S rotar la luz polarizada en sentido contrario. LOS ESTEREOISMEROS Y LA LUZ POLARIZADA. La fsica clsica, nos dice que un rayo de luz posee ondas que vibran en numerosos planos perpendiculares a la propagacin.

220

sentido de la propagacin

luz no polarizadaFigura N18

prisma

luz polarizada

Este caos vibracional puede alterarse si se coloca un prisma de carbonato de calcio cristalino, llamado espato de Islandia, en la trayectoria de este rayo de luz. El efecto que se logra es la alineacin de los diferentes planos de vibracin en un solo plano lo que se conoce como luz polarizada. El plano de la luz polarizada coincide con el eje del prisma. Dos planos de luz polarizada colocados perpendicularmente entre s impiden el paso de la luz polarizada. Este principio es usado en la construccin de los polarmetros, que son utilizados para medir la magnitud del giro del plano de la luz polarizada cuando se hace pasar esta a travs de la solucin que contiene una sustancia pticamente activa. Un polarmetro posee dos prismas con sus ejes dispuestos perpendicularmente entre s de manera que el campo del ocular del instrumento se observa oscuro al no dejar pasar la luz proveniente de la fuente luminosa. Entre ambos prismas se coloca la solucin problema. Si esta es pticamente activa, el campo del ocular se ilumina debido a que la sustancia ha girado el plano de la luz polarizada. Entonces para restablecer la oscuridad en el objetivo, hay girar el prisma ms prximo al ocular. El ngulo de giro se mide en grados y segn el sentido de este giro calificar la sustancia en dextrgira (+) si la desviacin es a la derecha o levgira (-) si es hacia la izquierda.

ejes de los prismas Muestra O fuente luminosa Prismas Esquema simplificado de un polarmetroFigura N19

Ocular O luz polarizada emergente

La magnitud de la desviacin obtenida en el polarmetro se llama rotacin observada obs y depende de las variables como la concentracin c, es decir, el nmero de molculas de la sustancia problema con las que la luz polarizada se

221 encuentra en su camino al pasar a travs de la muestra; se expresa en gramos por centmetro cbico. La temperatura t (que generalmente es 25C) puesto que es una variable que incide en la densidad de la sustancia problema. La longitud de la celda l donde se coloca la muestra, es decir, la longitud del camino que la luz polarizada debe atravesar dentro de la muestra, se expresa en decmetros, y finalmente la longitud de onda de la luz utilizada, que es de 589 nanmetros nm correspondiente a la lnea D del sodio. Para comparar los valores de rotacin ptica de diferentes sustancias pticamente activas, es necesario estandarizarlos. Al definir las condiciones experimentales de la medicin, se obtiene la rotacin ptica especfica, [ ]t , es decir: aquel valor de rotacin ptica obtenida cuando la concentracin del estereoismero puro (R o S), es de c = 1 g/mL, en un portamuestra de l = 1 dm de longitud en el sentido del paso de la luz, a una temperatura de t = 25C y utilizando como fuente luminosa el de una lmpara de vapor de sodio con longitud de onda = 589 nm

Frmula N1

[ ]t =

obs

/ (l) (c)

Entonces, si l es igual a 1 y si c es igual a 1 entonces la Rotacin Especfica es:

Frmula N2

[ ]t =

obs

La rotacin especfica es una constante fsica del compuesto isomrico puro, pticamente activo, que lo caracteriza al igual que el punto de fusin, densidad, ndice de refraccin etc. La configuracin de los estereoismeros, cobra mucha importancia para los Bilogos, Bioqumicos y Qumico Farmacuticos. Para los ltimos, un enantimero puede ser un potente antibitico en cambio su imagen especular ser totalmente inactivo frente a la misma bacteria. Para los bioqumicos, un enantimero S, por ejemplo, interacciona con una enzima en algn proceso vital, y el otro, el R, su imagen especular se comporta como una especie totalmente ajena frente a la misma enzima.

222

MEZCLA RACMICA.

Una sustancia (enantimero) dextrgira (+), desviar el plano de la luz polarizada en un ngulo exactamente igual, pero, en sentido opuesto al de su imagen especular el enantimero levgiro (-) Esta situacin, plantea la posibilidad de que una mezcla de enantimeros R levgiro, por ejemplo, con S dextrgiro en concentraciones iguales, cancelen su actividad ptica observada en ellos separadamente. Entonces, un racemato o mezcla racmica ser aquella sustancia qumica sin propiedades pticas, debido a que el 50% (en concentracin) de ella es dextrgira y el otro 50% es levgira. Como es de esperar, la posicin del plano de la luz polarizada no se altera. Hay muchas reacciones en qumica orgnica que producen mezclas racmicas, sobre todo en aquellas en que hay sustitucin o adicin. As por ejemplo, una molcula aquiral como el 1-buteno al reaccionar con cido bromhdrico, sufre el ataque del protn segn la regla de Markovnikov y pasa en una primera etapa lenta, por un intermediario que es un carbocatin de estructura plana. Posteriormente, este intermediario ser atacado por el ion bromuro.

H

CH2CH3 H 1-buteno molcula aquiralEsquema N6

C

C

H

+

H

Br

H3C

aquiral

CH2CH3 carbocatin plano

C

H

Como este carbocatin intermediario es plano porque el carbono tiene hibridacin sp2, el bromuro podr atacarlo por cualquiera de los dos lados. Si lo hace por arriba, (Vea el esquema N7) camino (a), produce un estereoismero con configuracin (R) y si el ataque es por abajo, por el camino (b), producir el estereoismero (S) La probabilidad de que el ataque sea por arriba es igual a que sea por abajo. Por lo que la concentracin de ambas molculas quirales ser de un 50% para cada una. La relacin que hay entre ellas es ser enantimeros entre s. Una es imagen especular de la otra.

223Br (a) H3C H CH2CH3 C H CH2CH3

Configuracin (R) H3C C + Br CH2CH3 H

H3C (b)

C Br

Configuracin (S)Esquema N7

Ambos estereoismeros del 2-bromobutano son pticamente activos por separado, presentando entonces rotacin ptica, una ser dextrgira y la otra ser levgira, pero como son enantimeros y estn en igual proporcin en el producto de la reaccin, la actividad ptica de una se cancelar con la de la otra, dando como resultado esta mezcla racmica pticamente inactiva. Cuando sucede esto se dice que ha habido racemizacin completa y el producto es denominado como: (+/-)-2bromobutano No siempre los productos de las reacciones son mezclas racmicas. Como se ver posteriormente, algunas veces se produce ms de un enantimero que del otro, en esos casos, el producto de la reaccin presentar rotacin ptica la que ser una fraccin del valor que muestre el enantimero puro que est en exceso. Por ejemplo si se toma el enantimero puro (R)-3-bromo-3-metilhexano y se lo calienta en agua, se produce despus de un tiempo, un alcohol parcialmente racmico el que una vez colocado en un polarmetro muestra una rotacin observada de obs = +4,50. La reaccin involucrada se muestra mas abajo: H5C2 H3C C H7C3 Br C2H5 HO C CH3 C3H8 + H5C2 H3C C H7C3 OH

H2O calor

Configuracin (R)

Configuracin (S)

Configuracin (R)

Producto =Esquema N8

Alcoholes enantimeros

Si el producto de reaccin muestra actividad ptica, esto quiere decir que la racemizacin no fue completa, dicho de otra manera, uno de los enantimeros se produjo en mayor cantidad.

224 Si se conoce la rotacin especfica de los alcoholes quirales, entonces es posible determinar la composicin enantiomrica de la mezcla de reaccin. Supongamos que la rotacin especfica del enantimero (S) es: [ ]tD = +13,5, la de su enantimero ser el mismo valor pero con signo opuesto. Supongamos adems que la fraccin molar del alcohol (S) es XS y la del alcohol (R) es XR, entonces se puede aplicar la relacin siguiente:

Frmula N3

obs

= XS ([

S

]tD) + XR ([

R

]tD)

que dice que la actividad ptica o rotacin ptica observada del producto de la reaccin ser proporcional al producto de la rotacin especfica del enantimero (S) por su fraccin molar, ms el producto de la rotacin especfica del otro enantimero (R) por su fraccin molar. De manera que cada enantimero en la mezcla producto contribuye de manera proporcional a su concentracin en la rotacin ptica observada de la mezcla. Como se tiene una sola ecuacin con dos incgnitas ser necesario expresar una en funcin de la otra para resolverla. Esto se consigue sabiendo que la suma de las fracciones molares de todos los componentes de una mezcla debe ser igual a uno, entonces en este caso se cumple que:

XS + XR = 1De aqu

XR = 1 X SFrmula N4

Y reemplazando, se expresa la relacin de ms arriba en funcin de una sola variable.

Frmula N5

obs

= XS ([

S

]tD) + ( 1 - XS )([

R

]tD)

Sustituyendo los valores conocidos en la relacin matemtica, tenemos:

+4,5 = XS (+13,5) + (1 XS )(-13,5D)Resolviendo, se obtiene para XS el valor de 0,67 y para XR el valor de 0,33. Al multiplicar por 100 se obtiene que el alcohol (S) est participando en un 67% de la mezcla y el otro alcohol enantimero en un 33%. Como puede verse, el alcohol de configuracin (S) est en mayor proporcin en la mezcla y utiliza un 33% de su concentracin para cancelar la actividad ptica del alcohol de configuracin (R). El exceso de (S) es el responsable de la rotacin ptica observada en el producto de reaccin.

225 PROBLEMAS: 1.- Al someter a hidrlisis el (R)-2-bromo-3-metilbutano en una mezcla de agua y acetona (50% y 50%) respectivamente, el producto de reaccin arroja una lectura de -4,6 en el polarmetro. a.-Si la rotacin especfica del (R)-3-meti-2-butanol es = +16, calcule la composicin porcentual de la mezcla (R) y (S) de estereoismeros en el producto de la reaccin.

MOLCULAS CON VARIOS CENTROS ESTEREOGNICOS. LOS DIASTEREMEROS. Fischer nos da la forma ideal de representar molculas estereoismeras con ms de un centro asimtrico. Ya se vio previamente que una molcula quiral con un centro estereognico posee imagen especular, por lo que son dos estereoismeros. Uno R y el otro S.

H Br Cl CH3 REstructura N8

H Cl CH3 S Br

Un par de enantimeros con un solo centro asimtrico

Aqu hay que recordar que en la figura, los hidrgenos y los metilos estn hacia atrs del plano del papel. En cambio, los halgenos de las dos molculas estn proyectados hacia el espectador. Cuando se trata de una molcula con dos centros asimtricos o estereognicos, deberemos esperar cuatro estructuras isomricas que se relacionan entre s de acuerdo con:

226H R R B E H B D S R A E A E H 3 H R S B D B E H S S A D

A D H 1

H 2

H 4

Estructura N9

Como puede verse en la estructura N9, deber haber por cada centro estereognico, un par de enantimeros R,S, y como son dos centros asimtricos, ser el doble o sea cuatro estereoismeros. Aqu, la estructura (1) que es R-R tiene su imagen especular en la estructura (4) que es S-S. A su vez, las estructuras (2) y (3) que son S-R y R-S respectivamente, tambin son imgenes especulares entre s, y por lo tanto son enantimeros. Queda claro que no todas las estructuras son enantimeros con todas. Por ejemplo, la estructura (1) no es imagen especular de la (2) ni de la (3) Su relacin estereoismera es diferente, es diastereomrica. En un par de estereoismeros, se dice que una de ellas es diatereoismera con relacin a la otra, cuando difieren en por lo menos en una configuracin de un centro estereognico y por lo tanto no es imagen especular y adems no son superponibles. Consideremos la molcula siguiente, como ejemplo de lo aseverado ms arriba: 1,2-dicloro-1-fenil-2-metilbutano. (Estructura N10)

Cl H1

CH32

C

C Cl

CH2CH3

Estructura N10

Al tener dos centros estereognicos, C1 y C2, esta molcula debera presentar cuatro estereoismeros:

227H Ph Cl1

H R R Cl C2H5 Cl Cl1

H S R Ph1

H Cl Cl Cl H5C21

Ph

R S

S S

Ph Cl

2

2

C2H5 H5C2

2

2

CH3 1 1R-2REstructura N11

CH3 2 1S-2R

CH3 3 1R-2S

CH3 4 1S-2S

Aqu, las estructuras ismeras 1 y 4 son enantimeros entre s, al igual que 2 con 3. Pero, 2 y 3 son estructuras diasteremeras de 1 y 4 y viceversa. LOS COMPUESTOS MESO Vase ahora otro ejemplo, que en realidad, es la descripcin muy somera de lo que encontr Luis Pastear a mediados del siglo XIX, en los albores de la estereoqumica. Esta experiencia nos sirve para definir otro concepto: los compuestos meso. Pasteur se encontr al estudiar los residuos cristalinos que se producen durante la preparacin del vino, con un compuesto que posea dos centros asimtricos o estereognicos. Este es el cido tartrico o cido 2,3dihidroxibutanodioico, con dos centros asimtricos que implican segn lo hemos visto, la existencia de cuatro estereoismeros. Estos son:COOH H H2

COOH OH H HO2 3

COOH OH HO H H2

COOH H OH HO HO2

R S

R R

S S

S R

H H

3

OH

3

3

COOH 1 2R-3SEstructura N12

COOH 2 2R-3R

COOH 3 2S-3S

COOH 4 2S-3R

Observando bien, los estereoismeros 2 y 3 son un par de enantimeros y uno de ellos ser, con toda seguridad, dextrorrotatorio (+), el otro por supuesto, levorrotatorio (-) Esto habra que determinarlo experimentalmente. En todo caso,

228 ambos presentaran, actividad ptica sobre el plano de la luz polarizada, si fuesen colocados en un polarmetro por separado. Ahora bien, si tomamos cualquiera de los estereoismeros 1 o 4 y lo colocamos en un polarmetro, encontramos que ninguno de ellos posee actividad ptica a pesar de que a primera vista son enantimeros entre s, poseen dos centros asimtricos cada uno en C2 y C3. La razn de este hecho aparentemente anormal, es que cada una de ellas tiene un plano de simetra interno entre los carbonos 2 y 3.

COOH H H2

COOH OH HO HO2

Plano se simetra H H

R S

S R

3

OH

3

COOH COOH 4 1 Espejo 2R-3S 2S-3R Cada cuadrante es imagen especular hacia abajo o hacia el ladoEsquema N9

Parecieran ser imgenes especulares, sin embargo, se observa efectivamente presentan un plano de simetra (la mitad superior de cada molcula es el reflejo o imagen de la parte inferior) Hay que recordar que la existencia de un elemento de simetra interno en una estructura hace que la molcula sea aquiral, sin embargo, un argumento igualmente contundente es aquel que dice que, si C2 es un centro estereognico, deber presentar actividad ptica haciendo girar el plano de la luz polarizada hacia algn lado, y la parte inferior de la molcula, es decir, C3 que es el otro centro estereognico e imagen especular de C2, deber presentar tambin actividad ptica y esta deber hacer girar el plano de la luz polarizada hacia el lado contrario y en exactamente la misma magnitud cancelndose internamente la actividad ptica. Esto es un fenmeno interno de la molcula y funciona como un racemato interno. Este razonamiento es vlido para los dos estereoismeros 1 y 4. Ambas estructuras son aquirales, tienen ese plano interno de simetra que hace que la actividad ptica se cancele. Finalmente queda un tercer argumento: Si se gira el estereoismero 1 o 4 en 180 sobre s mismo, cada una de ellas es superponible con la otra. Lo que quiere decir que ambas estructuras son el mismo estereoismero. En resumen, un compuesto meso es aquel estereoismero que posee un plano de simetra interno que hace: que lo que est a un lado de dicho plano, sea la imagen especular de lo que est al otro lado del plano. La configuracin de los

229 centros estereognicos que estn en lados opuestos del plano es contraria y por lo tanto su actividad ptica o quiralidad se cancela internamente. En estas sustancias el plano de la luz polarizada no se altera o desva hacia ningn lado y se presentan como aquirales. Otra consideracin importante a tener presente, es aquella que dice que dentro de los compuestos lineales no se comportarn como meso aquellos que tengan 3,5,7 etc centros quirales impares. Por ltimo, cabe mencionar aqu, que los compuestos meso presentan propiedades fsicas como: solubilidad, punto de fusin, punto de ebullicin y por supuesto actividad ptica diferente a la que presentan sus otros estereoismeros. Por ejemplo, las propiedades fsicas del cido tartrico demuestran este hecho: Actividad ptica (+) dextro (-) LEVO (+/-) MESOTabla N1

ngulo de rotacin +11,90 -11,90 0,00

Punto de fusin C 170 170 140

Solubilidad en H2O G/mL a 25C 147 147 120

Otro ejemplo, lo constituye el 1,2-difenil-1,2-dihidroxietano, que al igual que el cido tartrico, muestra una estructura meso.

OH OH C C

H H 1,2-dihidroxi-1,2difeniletanoEstructura N13

Actividad ptica (+) dextro (-) levo (+/-) MESOTabla N2

ngulo de rotacin +97,6 -97,6 0,0

Punto de fusin 120 120 139

Solubilidad en H2O G/mL a 20C 0,25

230

Si se tiene un tercer centro asimtrico en una molcula, nos encontramos con 8 estereoismeros. Ms abajo, pueden verse los 8 estereoismeros del 2,4-dibromo3-hexanol.

H C2H5 HO H3C R S S4

H Br H Br C2H5 H H3C R R S4

H Br OH Br C2H5 HO Br R S S4

Br H CH3

3

3

3

2

2

2

H 2S,3S,4R

H 2S,3R,4R

H 2S,3S,4R

H C2H5 H Br R R R4

H Br OH CH3 Br H Br S R R4

H C2H5 OH CH3 Br HO Br S S R4

C2H5 H CH3

3

3

3

2

2

2

H 2R,3R,4R

H 2R,3R,4S

H 2R,3S,4S

231 H Br H H3C S R S4

H C2H5 OH Br Br HO H3C S S S4

C2H5 H Br

3

3

2

2

H 2S,3R,4SEstructura N14

H 2S,3S,4S

Esto quiere decir que: el nmero de estereoismeros aumenta en un factor de dos por cada centro estereognico existente en la molcula. # de centros # de estereoismeros Configuraciones estereognicos. 1 2=21 R,S 2 4=22 R-R,R-S,S-R,S-S 3 8=23 R(R-R,R-S,S-R,S-S) + S(R-R,R-S,SR,S-S) ....... ....... ...... N 2n muchosTabla N3

En general, el nmero de estereoismeros esperados ser igual a:

(2n)Frmula N6

Donde n es el nmero de centros estereognicos en la molcula. Antes de proseguir, sera bueno hacer algunas consideraciones sobre el manejo de las proyecciones de cua como representacin de estereoismeros de varios centros asimtricos y su transformacin a proyecciones de Fischer. Dada una estructura de cuas de un estereoismero como la que se muestra en la figura N20, con dos centros estereognicos, es lcito hacer los siguientes

232 cambios en estas proyecciones, sin alterar la configuracin de sus centros estereognicos: R' (S) (R) H Br Br R H (S) (R) Br R'

Br R

H

H

giro en 180 para dejar los bromos al mismo ladoFigura N20

El giro en 180 grados de una parte de la molcula sobre el enlace C-C que une los dos centros estereognicos no altera su configuracin. Este giro nos deja los tomos de bromo al mismo lado y sobre el plano del papel lo que permite hacer fcilmente la transformacin a la proyeccin de Fischer, al colocar verticalmente el enlace de los carbonos estereognicos. Ntese que a la izquierda quedarn los grupos R y R (en la proyeccin de cua estos se proyectan hacia el espectador) y los hidrgenos que estn proyectados hacia atrs quedarn a la derecha de la vertical. Los bromos quedarn hacia atrs del plano del papel como lo exige la proyeccin de Fischer:Br R H Br Figura N21 (S) (R) Br R' H R R' (S) (R) Br H H

Es aconsejable dejar los hidrgenos hacia atrs, porque es directa la lectura de la configuracin si es que hubiera que determinarla:Br R R' (S) H H Br R' H (S) (R) Br R H

(R) Br

mantener fijo Figura N22

El movimiento efectuado en los tres grupos superiores del estereoismero no cambia su configuracin. Esto es permitido, siempre que cada grupo sea cambiado a

233 la posicin siguiente, sin saltarse a la posicin subsiguiente. La otra parte de la molcula debe mantenerse fija. Esta misma operacin es posible de hacer con el otro centro asimtrico y as lograr colocar los hidrgenos hacia atrs. El movimiento es equivalente a rotar la parte mvil de la molcula alrededor del enlace C-C de los centros estereognicos.mantener fijo Br R R' (S) H H Br R' H (S) (R) Br R H

(R) Br

mantener fijo Figura N23

Todas estas operaciones pueden aplicarse para cambiar de posicin cualquier grupo en un centro estereognico, sin alterar su configuracin, siempre que se respeten esas simples reglas implcitas. ALGUNAS REACCINES DE ADICIN QUE GENERAN CENTROS ESTEREOGNICOS. Hay numerosas reacciones capaces de generar centros estereognicos. Entre ellas estn las de sustitucin nucleoflica (ver el captulo 8, pgina 182) y las reacciones de adicin a dobles enlaces en sustratos tales como: A).-Un alqueno Cis o Trans

R H CisEstructura N15

R' H

R H Trans

H R'

B).- Alqueno en A con R igual a R C).- Con alquenos cclicos y cclicos ramificados.

234

R H

R H

HEstructura N16

H R puede ser H

H

H

D).- Con alquenos terminales, etc. Y darn origen a centros asimtricos, con las siguientes reacciones: 1.- Adicin de HBr con o sin perxido. 2.- Adicin de Br2 / CCl4 3.- Adicin de Br2 / acuoso. (Halohidrinas) 4.- Hidroxilacin Syn con KmnO4, en medio alcalino. Cis dihidroxilado. 5.- Hidroxilacin Anti. Epoxidacin. 6.- Hidroboracin-oxidacin, en medio alcalino. 7.- Oximercuracin-reduccin. Sea la siguiente reaccin general de adicin de bromo a un doble enlace de un alqueno CIS:

R HEsquema N10

R' + H Br2 PRODUCTOS

La naturaleza de los productos de esta reaccin depender del ataque inicial del bromo, puesto que el alqueno es plano en los seis tomos involucrados con el doble enlace, este ataque puede llevarse a cabo por arriba o por debajo de este plano.

235 La primera etapa de esta reaccin es la siguiente:

R H

R' + Br H (a) Br

R H

R'

H +

Br

Br intermediario

Se simula el ataque del bromo por debajo del plano del alquenoEsquema N11

En la siguiente etapa el anin bromuro atacar al ion halonio intermediario cclico, por arriba segn va (a) para producir (A) o va (b) para producir (B)(a) R H R' H (b) + Br R Br H R' H (A) Br + R Br (B) H Br R'

Br intermediarioEsquema N12

H

La misma secuencia se repite si el primer ataque del bromo se lleva a cabo por arriba del plano del alqueno. En resumen producir finalmente otros dos estereoismeros semejantes a (A) y (B):Br R H H R' + (a') (b') Br R Br H R' H (A') Br + R Br (B') H Br R'

H

intermediarioEsquema N13

Los cuatro productos estereoismeros que resultan de la reaccin tienen cada uno, dos centros estereognicos. Cabe preguntar Qu relacin estereoisomrica habr entre ellos?

236H R' R H (A')Esquema N14

Br

H + R Br (B')

Br R' R

Br

H R' + R

H

Br R'

Br

H

H (A)

Br

Br (B)

H

Para responder a esa pregunta, es necesario determinar la configuracin de cada centro estereognico en cada una de las estructuras y luego compararlas entre s. La comparacin de configuraciones resulta ms sencilla en proyecciones de Fischer:

Br R

H R' R

Br

R'

Br

Br R'

H (S) (S) H

R Br

H (A')

Br

H

H

Esquema N15

Repitiendo la operacin para cada estructura: H (S) (S) H (A)Esquema N16

Br R'

R Br

Br R'

H (S) (S) H (A')

H R Br R Br (R) (R) H (B) Br R' R Br

H (R) (R) H (B') Br R'

La observacin de estos estereoismeros, nos permite llegar a las siguientes conclusiones: Las estructuras (A) y (A) son la misma molcula, al igual que (B) y (B) Por lo tanto la reaccin de adicin de bromo a un alqueno de tipo cis produce solo dos estereoismeros (A) y (B) y la relacin que hay entre ellos es que son enantimeros. (R,R) y (S,S). Si el alqueno es un TRANS,

H REstructura N17

R' H

237 los productos que se obtienen al adicionar bromo son: El ataque del bromuro sobre el intermediario, por el lado de arriba: (a)H R R' H (b) + Br H Br H R' R (A) Br + H Br (B) R Br R'

Br intermediarioEsquema N17

H

Ahora el bromuro ataca por el lado de abajo del intermediario:Br H R H R' + (a') (b') Br H Br R (A') H R' Br + H Br (B') H R' R Br

intermediarioEsquema N18

Los cuatro estereoismeros producto de la reaccin sonBr H R (A')Esquema N19

H (R) (S) Br R' H

R (S) (R) Br (B')

Br R' H

Br

H R' H

R

Br R'

H

R (A)

Br

Br (B)

H

Aqu nuevamente (A) y (A) son idnticos, lo mismo que (B) y (B) Pero en este caso los centros estereognicos son (R,S) para (A) y (S,R) para (B) (A) y (B) son imgenes especulares no superponibles, es decir son enantimeros. Si R = R entonces (A) = (B) y son meso. RESOLUCIN DE UNA MEZCLA RACMICA. Una mezcla racmica, es aquella que est formada por concentraciones iguales de dos enantimeros. Recurdese que los enantimeros poseen idnticas propiedades fsicas, salvo el sentido de la rotacin ptica del plano de la luz polarizada, por lo que resulta imposible separarlos con los mtodos corrientes de laboratorio tales como: destilacin, recristalizacin y extraccin con solventes racmicos etc. Uno de los mtodos ms utilizados con este propsito, es aprovechar el hecho de que los diateremeros poseen, justamente, diferentes propiedades fsicas y qumicas. As, es posible tomar una mezcla racmica y tratarla con un reactivo quiral.

238 Se obtiene de ello un par de diasteremeros con propiedades qumicas y fsicas perfectamente diferentes y por tanto separables.

A(R) 50% A(S) 50% Enantimeros formando una mezcla racmica + B(R)

AB(R,R) AB(S,R) Reactivo quiral Diasteremeros separables

Los enantimeros tienen propiedades qumicas y fsicas indistinguiblesEsquema N20

Un ejemplo concreto: El cido 2-bromopropanoico, posee un centro estereognico por lo que la mezcla racmica de esta molcula presenta un par de estereoismeros indistinguibles entre s, fsica y qumicamente. Al esterificar los componentes de la mezcla racmica con un alcohol quiral, se logra obtener un par de diatereoismeros como se muestra ms abajo:H H3C S COOH CH3 + H Cl Br R CH3 Mezcla racmica (+/-) Propiedades qumicas indistinguibles Esquema N21 COOH ESTERIFICACIN Br R CH3 COO HO S H H Br H H3C H S COO CH3 S Cl H

Br

CH3 S Cl H

Diasteremeros con propiedades qumicas y fsicas diferentes

Una vez separados los diasteremeros, aprovechando la diferencia de alguna de sus propiedades fsicas, como por ejemplo la solubilidad, le seguir en este caso particular, un tratamiento con una solucin diluida de hidrxido y calentamiento suave para producir la hidrlisis en cada uno de los steres. Esto permite recuperar los cidos enantimeros separadamente.

239

CONFIGURACIN ABSOLUTA Y RELATIVA. La distribucin real de los grupos de un centro estereognico, se llama configuracin absoluta. Saber los grados de la rotacin del plano de la luz polarizada, provocado por un estereoismero, como tambin, conocer la direccin de la rotacin, no nos da ninguna informacin que nos conduzca a la verdadera configuracin del estereoismero. Esta fue la situacin del conocimiento en estereoqumica hasta antes de los trabajos de J. M. Bijvoet en 1951. Antes solo podamos conformarnos con configuraciones relativas. Esto solo poda ayudarnos a hacer compatibles los valores experimentales de actividad ptica con configuraciones de modelos tericos propuestos. Variaciones estructurales inducidas por transformaciones qumicas, hacan tambin asociar una estructura configuracional propuesta (reglas de nomenclatura CIP) con una rotacin especfica, pero en todo caso, segua siendo una configuracin relativa. En el ao 1951, el Autor citado, usando mtodos de rayos X, pudo determinar la configuracin absoluta del cido tartrico. Actualmente hay varias configuraciones absolutas conocidas, como por ejemplo el (S) y el (R) -2-butanol, dextrgiro y levgiro respectivamente. PROBLEMAS DEL CAPTULO ESTEREOQUMICA: 1.-Resuelva el siguiente problema: a) Usando frmulas de proyeccin adecuadas (Fischer o cuas) deduzca la estructura del alqueno (A) que origina el estereoismero (2S,3S)-2,3-dibromo-1fenilbutano (B) por adicin de bromo en CCl4. b) En la reaccin se produce otro estereoismero (C). adecuadamente y determine la relacin estereoqumica que hay con (B). Dibjelo

2.-El Ritaln, cuya estructura se muestra en la figura (F), es un estimulante del sistema nervioso central. En base a esa estructura indique: H N (F) Ritaln a). Cuntos estereoismeros pueden esperarse de esta molcula? b). Haga un dibujo de cada uno de ellos mediante frmulas espaciales adecuadas (Fischer, cuas etc.) asignndole la configuracin respectiva a cada centro asimtrico que usted seale y C6H5 CHCOOCH3

240 c) Determine la relacin estereoisomrica que hay entre ellos. 3.- La reaccin de adicin de HBr a un alqueno es: R CH CH2+

HBr

R

CH

CH3

Br a).- Dibuje la estructura del estereoismero producto de la reaccin que se muestra ms abajo, suponiendo que el ataque del anin bromuro sucede solo por debajo del plano del anillo. CH3+

HBr

H

?

b).- Cul es la configuracin del centro estereognico que se encuentra en el producto obtenido? 4.- La reaccin de adicin de Br2 en CCl4 al 1-buteno, es: CCl4 CH3CH2CH CH2 + B2 CH3CH3CHBrCH2Br a).- Dibuje la estructura del estereoismero obtenido, suponiendo que el ataque del Br- (Anin bromuro), procede por arriba del plano determinado por el doble enlace. b).- Determine su configuracin. 5.- El tratamiento del Cis-1,2-difeniletano, ptimamente inactivo con OsO 4 e hidrlisis con bisulfito de sodio (NaHSO3) produce estructuras estereoisomricas del 1,2difenil-1,2-dihidroxietano. a) Identifique la configuracin de cada centro estereognico en los productos de reaccin. b) Qu relacin estereoisomrica hay entre esas estructuras? (Enantimeros, Diasteremeros ,Meso, etc.) c) Cules de estas estructuras tiene actividad ptica? Justifique su respuesta. 6.-Examine cuidadosamente las siguientes cuatro estructuras estereoisomricas y diga: a) Cuales son enantimeros. b) Cuales son diasteremeros. c) Cuales son iguales.

241 H H5C2 H3C H (A) CH3 Br H3C H C2H5 (B) Br H CH3 H H Br (C) CH3 C2H5 CH3 H Br CH3 (D) C2H5 CH3 H

7.- El tratamiento del Trans-2-buteno, pticamente inactivo, con KMnO4 en medio bsico, produce estructuras estereoisomricas del 2,3-dihidroxibutano. a) Identifique la configuracin de cada centro estereognico en los productos de reaccin. b) Cul es la relacin estereoisomrica que hay entre esas estructuras? c) Dibuje y diga cul de ellas tiene actividad ptica? Justifique su respuesta. 8.- Se hace reaccionar el cido (2R)-2-metil-3-butenoico con cido bromhdrico gaseoso y seco: a).- Dibuje utilizando estructuras apropiadas y nombre los productos de la reaccin. b).- Diga cual es la relacin estereoisomrica que hay entre ellos. c).- Diga finalmente, si el producto en su conjunto posee actividad ptica y porqu. 7. Si usted adiciona HBr gaseoso a la molcula 3-bromo-1-buteno. a) Cuntos estereoismeros son posibles como productos de la reaccin?. Indique solamente el nmero. b) Dibuje adecuadamente los posibles productos de la reaccin y asigne las configuraciones de los carbonos estereognicos correspondientes. c) Cul es la relacin estereoisomrica que hay entre ellos? 9.-El -selineno, es un producto natural que se encuentra en la planta conocida comnmente como apio. Posee dos anillos en su estructura como muestra la figura. CH3-selineno

H3C

H H

CH2

CH2

a) Asigne la configuracin a los centros estereognicos de la molcula.

242 b) Si se hace reaccionar el -selineno con el HBr gaseoso y seco. Cuntos estereoismeros totales habran despus de la reaccin? c) Nombre el -selineno considerando su estereoqumica y las reglas de IUPAC. 10.-Haga un esquema de sntesis de la molcula 4-bromo-2-penteno a partir de 2bromopropionaldehido (A) y cualquier otro reactivo orgnico e inorgnico necesario. CH3 (A) CH CHO

Br 2-bromopropionaldehido

En el supuesto caso de que el producto de la sntesis correspondiera a: (4S)-4-Br-2penteno, somtalo a una reaccin con KMnO4 en medio bsico: (a).- Identifique y dibuje la configuracin de cada centro estereognico en los productos de la reaccin. (b).- Cul es la relacin estereoisomrica que hay entre ellos? (c).- Diga cual de ellos es pticamente activo. 11.- Complete el siguiente esquema de sntesis: AlCl3

(A)

Br (A) NBS Ph3P 2) BuLi1)

(B)

KOH/EtOH

HBr

(C) + (D)

(C)

(E)

Ph3P

CHCH3

Una vez realizado el paso anterior: a) Asigne las estructuras y condiciones correctas a las correspondientes letras del esquema. b) A lo menos una de las estructuras que usted debe proponer, posee un centro estereognico. Nmbrela, incluyendo su configuracin. 12.- Al tratar el ciclopenteno con Br2 en tetracloruro de carbono (CCl4), se producen algunas especies estereoisomricas.

243

a)

Dibuje los diferentes estructuras que se han producido en esta reaccin y defina la configuracin de los diferentes centros estereognicos en cada uno de ellos. Cul es la relacin estereoisomrica entre esos productos de reaccin?. (Enantimeros, diasteremeros, meso, etc) Tiene actividad ptica el producto de reaccin o alguno de los estereoismeros individualmente?

b)

c)

13.- Dada la siguiente proyeccin de Fischer para la estructura (A):

H C2H5 (A) CH3 H CH3a) Determine la configuracin de cada uno de los centros estereognicos. b) Si (A) ha sido obtenido mediante la reaccin de las halohidrinas, deduzca mediante frmulas espaciales adecuadas ( E o Z ) la estructura del alqueno precursor. c) Si el grupo hidroxilo tiene mayor prioridad funcional que los halgenos, colquele nombre al compuesto (A), incluyendo la configuracin de los centros quirales.

OH Br

244 14.- Encuentre usted e indique las relaciones estereoqumicas que hay entre estos estereoismeros: (Enantimeros, diasteremeros, etc.)H OH OH H CH2SH OH H CH2SH (C) H CH2SH (B) HO CH2SH H OH H

OH

CH2SH (A) H CH2SH

CH2SH OH CH2SH H

OH

(D)

15.-El 1-fenil-2-metilciclopropeno, cuando es hidratado mediante una reaccin de hidroboracin-oxidacin, produce varios estereoismeros: a).- Haga un esquema general de esta reaccin de hidratacin (sin incluir el mecanismo). b).- Determine la configuracin (R,S) de cada uno de los carbonos estereognicos en los productos. c).- Qu relaciones estereoisomricas (enantimero, diasteremero, etc.) hay entre los diferentes estereoismeros obtenidos? 16.- El Cloranfenicol (A), que es un antibitico efectivo para combatir la fiebre tifoidea, muestra un valor de rotacin especfica [ ]25 = +18,6 y su estructura es:

NO 2

(A)

HO H

H NHCOCHCl2 CH2OH

Dibuje su enantimero (B) y calcule, la composicin porcentual de una mezcla de estos estereoismeros que presenta una rotacin observada de +6,2 a 25C y explique brevemente su respuesta.

245 17.- Al someter a hidrlisis el (R)-2-bromo-3-metilbutano en una mezcla de agua y acetona (50% y 50%) respectivamente, el producto de reaccin arroja una lectura de -4,6 en el polarmetro. a.-Si la rotacin especfica del (R)-3-meti-2-butanol es = +16, calcule la composicin porcentual de la mezcla (R) y (S) de estereoismeros en el producto de la reaccin. b.-De una breve explicacin del porqu de la lectura (-4,6), basndose en el mecanismo que de cuenta de la formacin de los productos R y S. 18.- a) Usando frmulas de proyeccin adecuadas (Fischer o cuas) deduzca la estructura del alqueno (A) que origina el estereoismero (2S,3S)-2,3-dibromo-1fenilbutano (B) por adicin de bromo en CCl4. En la reaccin se produce otro estereoismero (C). Dibjelo adecuadamente y determine la relacin estereoqumica que hay con (B). 19.- Las bromohidrinas se producen cuando un alqueno sustrato se hace reaccionar con bromo en agua. Suponga que el sustrato es el Cis-2-penteno. a) Escriba el mecanismo general de esta reaccin. b) Cuales estereoismeros se obtendrn como producto de la reaccin? c) Cul es la relacin estereoisomrica entre estos productos?