Cátedra de Química Orgánica I Instituto de Química Orgánica Fac. de Bioquímica, Química y Farmacia Universidad Nacional de Tucumán

Transcripción

1 átedra de Química Orgánica I Instituto de Química Orgánica Fac. de Bioquímica, Química y Farmacia Universidad Nacional de Tucumán

2 Objetivos Al finalizar la misma los alumnos deben: omprender el significado de asimetría molecular. Reconocer un centro estereogénico. onocer el significado de actividad óptica. Reconocer a enantiómeros, diastereómeros y compuestos meso. Poder asignar configuración a los centros quirales según las reglas IP. Realizar representaciones planas y espaciales de compuestos quirales. onocer la importancia biológica de la quiralidad.

3 Estereoquímica La estereoquímica es el estudio de las moléculas en tres dimensiones.

4 Isómeros y estereoisómeros Isómeros: Son compuestos que tienen la misma fórmula molecular, pero propiedades físicas y/o químicas distintas. Estereoisómeros: Son los isómeros que tienen la misma secuencia de enlaces, pero difieren en la distribución espacial de los mismos.

5 Quiralidad Quiralidad (del griego heir que significa mano) es la propiedad que tienen ciertos objetos de poder existir bajo dos formas que son imágenes especulares una de otra y que no se pueden superponer.

6 Quiralidad a) Pendiente (+) Pendiente (-)

7 Quiralidad y actividad óptica El término quiral se aplica también a las moléculas. Las moléculas quirales se diferencian de las aquirales en que presentan actividad óptica. La actividad óptica es la propiedad de desviar el plano de la luz polarizada. Este tema es de gran interés debido a que en los seres vivos las moléculas quirales se encuentran ampliamente distribuidas.

8 Quiralidad Son quirales: Los hidratos de carbono Los aminoácidos (excepto la glicina) que forman las proteínas Los ácidos nucleicos Algunos lípidos.

9 Elementos de simetría Los elementos de simetría son entes geométricos, como ser un punto, una recta o un plano alrededor del cual se puede efectuar una operación de simetría. Una operación de simetría consiste en mover un cuerpo respecto de alguno de los elementos de simetría de manera de llevarlo a una configuración indistinguible de la original.

10 Elementos de simetría

11 2. Plano (σ) Elementos de simetría La operación de simetría asociada a un plano de simetría es la reflexión. Un plano de simetría divide en dos partes iguales a una molécula. 3 σ 3 3 σ 3

12 ondiciones de quiralidad Las moléculas quirales no tienen ningún plano de simetría. ay moléculas quirales que presentan eje propio. 2 2 trans-1,2-dimetilciclohexano

13 ondiciones de quiralidad Metano Elementos de simetría: 4 3, 3 2 y 6 σ. Tiene planos de simetría, por lo tanto es aquiral. lorometano l Elementos de simetría: 1 3 y 3 σ Tiene planos de simetría, por lo tanto es aquiral.

14 ondiciones de quiralidad Bromoclorometano 2 1 l Br Elementos de simetría: 1σ. Tiene un plano de simetría, por lo tanto es aquiral.

15 ondiciones de quiralidad Bromocloroyodometano No tiene elementos de simetría. Molécula asimétrica, no tiene plano de simetría, por lo tanto, es quiral.

16 Átomos estereogénicos arbono quiral o estereogénico (*): Se encuentra unido a 4 sustituyentes distintos.!

17 Átomos estereogénicos Existen varios elementos químicos que comparten con el carbono el potencial para ser átomos estereogénicos, los cuales casi siempre confieren quiralidad a la molécula. Por ejemplo, los átomos del grupo 14 pueden ser estereogénicos al contar con 4 ligandos Si * O Fenilmetilnaftilmetoxisilano 1959 Sommer

18 Átomos estereogénicos La estructura piramidal de átomo de N sugiere que las amina terciarias del tipo RR R N podría existir en dos formas enantioméricas, ya que carecen de plano de simetría. Dado la baja energía de activación para su interconversión es imposible aislarlos a T amb. R ' R ' R R' N N R' R

19 Átomos estereogénicos En las sales de amonio cuaternarias, el N es centro estereogénico si tiene 4 sustituyentes distintos. También se han aislado los óxidos de aminas en sus formas enantioméricas puras. i-bu + N 2 5 i-prl N O

20 Átomos estereogénicos loruro de trifluorometanosulfinilo Fluoruro de trifluorometanosulfinilo

21 Enantiómeros Los estereoisómeros que son imágenes especulares no superponibles reciben el nombre de enantiómeros.

22 Enantiómeros " # $

23 Enantiómeros Los enantiómeros tienen las mismas propiedades físicas (p.f., p.eb.), excepto en el sentido hacia el que hacen girar el plano de luz polarizada. Los enantiómeros hacen girar el plano de luz polarizada la misma cantidad de grados (igual magnitud), pero en sentido contrario. (R)-2-bromobutano (S)-2-bromobutano Punto de ebullición [º] 91,2 91,2 Punto de fusión [º] Índice de refracción 1,436 1,436 Densidad 1,253 1,253 [α] +23,1-23,1

24 Actividad óptica % $ &$ $' $( $$&' $(! Dextrógiro: del latín dexter, derecho Levógiro: del latín laevus, izquierdo

25 Actividad óptica ) *+," -. / % &! % Ácido D-(-)-láctico Ácido L-(+)-láctico

26 Rotación específica "# 0α1 % & 2'2 ( 2 3 & %'α( % '( '( [α] = α (observada) l. c

27 Luz natural Luz polarizada

28 Polarímetro Un polarímetro mide la rotación de la luz polarizada.

29 Diagrama esquemático de un polarímetro

30 onfiguración absoluta y relativa El arreglo tridimensional exacto de los sustituyentes en un centro de quiralidad es la configuración absoluta. Ni el signo ni la magnitud de la rotación por si solos pueden indicar la configuración absoluta de una sustancia O O 2 3

31 onfiguración absoluta y relativa Aunque no se conocía ninguna configuración absoluta hasta mediados del siglo XX, los químicos orgánicos habían determinado en forma experimental las configuraciones de miles de compuestos relacionados entre sí mediante interconversiones químicas, es decir, determinaron configuraciones relativas.

32 Nomenclatura R,S La Nomenclatura R,S se utiliza para determinar la configuración absoluta de los carbonos quirales. Para determinar si una molécula es R ó S se procede de la siguiente manera:

33 Nomenclatura R,S 1. Se observan los átomos que están directamente unidos a cada carbono quiral y se establece un orden de prioridad siguiendo las reglas de ahn, Ingold y Prelog (reglas IP). 3 F 4 l Br 1 2

34 Nomenclatura R,S 2. Una vez determinadas las prioridades, se dispone la molécula de manera que el sustituyente de menor prioridad se encuentre lo más alejado posible del observador. 3 F 3 F 4 l Br 1 2 l 2 Br 1

35 Nomenclatura R,S 3. Si al recorrer con la vista los sustituyentes se lo hace siguiendo el sentido de las agujas del reloj la configuración es R, si es en sentido contrario a las agujas de reloj la configuración es S. Sentido horario l F R Br 1 Br F S l 1 2 Sentido antihorario R: Del latín rectus, derecha. S: Del latín sinister, izquierda

36 Reglas de ahn, Ingold y Prelog 1. De los átomos unidos directamente al carbono quiral tiene prioridad el de mayor número atómico (Z). Así por ejemplo: I > Br > l > S > P > Si > F > O > N > > En caso de isótopos tiene prioridad el de mayor masa atómica. 3 > 2 > 1

37 Reglas de ahn, Ingold y Prelog Ejemplo: l 4 I Br F 3 3 4

38 Reglas de ahn, Ingold y Prelog 2. Si hay átomos iguales unidos directamente al carbono quiral se consideran los átomos siguientes hasta que se encuentre una diferencia. 3 * > O 4 (S)-2-metil-3-hexanol Este carbono tiene unido 2 (mayor Z) y 1 Este carbono tiene unido 1 y 2

39 Reglas de ahn, Ingold y Prelog 3. Se considera que los átomos unidos con enlaces múltiples son equivalentes al mismo número de átomos unidos con enlaces sencillos. 2 equivale a equivale a

40 Reglas de ahn, Ingold y Prelog omo si estuviera unido a O, O, O equivale a omo si estuviera unido a, O O 3 1 O N O 3 S N

41 Ejemplos 2 OO 1 Br ácido (S)-2-bromopropanoico 1 Br 4 2 OO 3 3 ácido (R)-2-bromopropanoico N 2 O 3 4 O 2 OO (R)-2-aminopropanal Ácido (2S,3E)-2-metil-2-hidroxi-3-pentenoico

42 onfiguración y rotación En el laboratorio se puede medir una rotación y ver si una sustancia es (+) o (-). En el papel, se puede determinar si a una representación determinada se nombra como (R) o (S). No se puede predecir si una estructura que llamamos (R) será dextrógira o levógira. De la misma manera no se puede predecir si una sustancia dextrógira en un matraz tendrá configuración (R) o (S).

43 Número de estereoisómeros Si una molécula tiene un único carbono quiral, sólo puede existir un par de enantiómeros. En general, una molécula con n carbonos quirales tiene un número máximo de 2 n estereoisómeros posibles, donde n es el número de carbonos quirales.

44 ompuestos con más de un centro quiral El 3-bromo-2-butanol tiene 2 carbonos quirales por lo que el número máximo de estereoisómeros es 4 (2 2 = 4). (2S,3R)-3-bromo-2- butanol O 3 S Br R enantiómeros R S O Br (2R,3S)-3-bromo-2- butanol Los enantiómeros tienen configuraciones contrarias en todos los centros quirales.

45 ompuestos con más de un centro quiral Para dibujar los otros estereoisómeros se deja igual un centro quiral y se modifica el otro. O 3 S 3 R O Br S 3 (2S,3S)-3-bromo-2- butanol R 3 enantiómeros Br (2R,3R)-3-bromo-2- butanol

46 Diastereómeros O 3 S 3 R O Br R 3 3 S Br O 3 S S 3 Br 3 R R 3 O Br Flechas horizontales: enantiómeros Flechas verticales y oblicuas: diastereómeros

47 Diastereómeros Los estereoisómeros que no son imágenes especulares se denominan diastereómeros. Tienen propiedades físicas diferentes. Tienen por lo menos un centro quiral con configuración diferente.

48 O 3 S S 3 O 3 3 O O (2S,3S)-2,3-butanodiol (2R,3R)-2,3-butanodiol R R

49 Plano de simetría O 3 S R O O O Rotación de 180º en el plano del papel.

50 Se denominan compuestos meso a aquéllos que, a pesar de tener carbonos quirales, son aquirales (no tienen actividad óptica) porque poseen un plano de simetría.

51 Proyecciones de Fischer Emil Fischer propuso que los centros quirales del tipo * abcd, se trazaran de manera que el * quedara en el centro del plano del papel, los dos sustituyentes a la izquierda o derecha de * indicasen enlaces delante del plano del papel mediante una línea horizontal y los grupos de arriba y abajo indicasen enlaces atrás del plano mediante una línea vertical. OO OO OO O 3 O 3 3 O Ácido D-láctico

52 $ % & O O O O O 2 O = O 2 O O 2 O = O 2 O D-gliceraldehído L-gliceraldehído

53 Mezcla racémica Se denomina mezcla racémica o racemato, a aquélla que contiene un par de enantiómeros en una proporción del 50% de cada uno. Esta mezcla no tiene actividad óptica. Por ejemplo: El 2-butanol racémico se denomina ( )-2-butanol o (d,l)-2-butanol.

54 Separación de enantiómeros La separación de enantiómeros presentes en una mezcla racémica se realiza mediante la técnica denominada resolución. La resolución química consiste en la separación de los enantiómeros mediante la conversión de la mezcla racémica en una mezcla de diastereómeros.

55 Separación de enantiómeros Para ello, la mezcla de enantiómeros se hace reaccionar con un compuesto quiral que recibe el nombre de agente de resolución; los enantiómeros se tranforman entonces en diastereómeros, los cuales se pueden separar mediante destilación, cristalización o cromatografía porque tiene propiedades físicas diferentes. Una vez separados, se procede a la eliminación del agente de resolución para obtener cada uno de los enantiómeros puros.

56 Moléculas aquirales con carbonos quirales $ " OO OO O O O σ O σ O O O O OO OO ' ( ' (

57 Moléculas quirales sin carbono quiral ) I I I I Br Br Br Br '4(

58 Moléculas quirales sin carbono quiral )

59 " ( * + (, - "#. / 0 "#

60 " ( $/ 1 2 "# 3 3 Br 3 3 Br Br Br Br 3 Mezcla racémica cis-2-buteno (2S,3S)-2,3-dibromobutano (2R,3R)-2,3-dibromobutano 3 Br 3 3 trans-2-buteno Br 2 3 Br (2S,3R)-2,3-dibromobutano meso

61 " ( *!! # (( // $ / &, )4 3 O O t-bu LiAl 4 t-bu O + t-bu 4-t-butilciclohexanona trans-4-t-butilciclohexanol 91% cis-4-t-butilciclohexanol 9%

62 " Las diferencias en la configuración y conformación de las moléculas tienen consecuencias tanto del tipo estático como de tipo dinámico en las propiedades de tales compuestos.

63 " Propiedades estáticas Propiedades físicas Propiedades espectroscópicas: Absorciones en el UV, IR, RMN, dicroísmo circular. Propiedades termodinámicas: diferencias en entalpía ( º), entropía ( Sº), energía libre ( Gº), etc.

64 " Propiedades dinámicas Reactividad Por ejemplo, es un requisito estereoelectrónico en las reacciones de eliminación bimolecular que los grupos o átomos a eliminar estén orientados en una conformación anti y no gauche o eclipsada.

65 " 5! Ph 3 Br Ph Br 3 Ph - O Ph treo 1-bromo-1,2-difenilpropano rápida Ph E 3 Ph + Br Ph 3 Br Ph Ph 3 Br - O lenta Ph eritro 1-bromo-1,2-difenilpropano Ph Z Ph 3 + Br

66 onsecuencias de la estereoquímica molecular Propiedades dinámicas Entre las consecuencias dinámicas de la estereoquímica en sistemas biológicos es posible mencionar las relaciones enzima/sustrato enzimático, anticuerpo/antígeno y droga/receptor.

67 onsecuencias de la estereoquímica molecular

68 onsecuencias de la estereoquímica molecular

69 onsecuencias de la estereoquímica molecular O O N O O N N N (S) O O O O (R) Enantiómeros de la Talidomida.

70 onsecuencias de la estereoquímica molecular Los isómeros configuracionales de la carvona poseen diferente olor. El (-)-monoglutamato de sodio es un agente químico que se usa para dar sabor a la carne, pero el isómero (+) no tiene sabor. O OO 2 N 2 2 OO - Na + (±)-carvona (-)-monoglutamato

71 onsecuencias de la estereoquímica molecular $ - # ( ( OO OO O O O O OO OO Ácido (+)-tartárico Ácido (-)-tartárico Las sales de ácido tartárico fueron los primeros compuestos quirales aislados porque es una de las pocas especies químicas que cristaliza en forma de imágenes especulares para cada enantiómero. Este descubrimiento fue realizado por Pasteur.

72 Importancia de la estereoquímica 2001: premio Nobel de Química W. Knowles y R. Noyori por el desarrollo de catalizadores para hidrogenaciones asimétricas K. Sharpless por la oxidación asimétrica de alcoholes alílicos.

73 Bibliografía arey, F. Química Orgánica. Ed. Mc Graw ill. 6 ed Vollhardt, K., Schore, N. Química Orgánica. Ed. Omega, S.A. 3 ed Wade, L.G. Jr Química Orgánica.Ed. Pearson, 5º Ed Juaristi, E. Introducción a la Estereoquímica y al Análisis onformacional. Ed. olegio Nacional. 1º Ed Juaristi, E.; Eliel, E.; Lehmann, P. y Domínguez, X. Tópicos Modernos de Estereoquímica. Ed. Limusa. 1º Ed

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