Moléculas con varios estereocentros : Diastereómeros

Transcripción

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2 Moléculas con varios estereocentros : Diastereómeros Si cloramos el (R,S)-2-bromobutano en el carbono 3, obtendremos cuatro estereoisómeros del 2-bromo-3-clorobutano La figura muestra los cuatro estereoisómeros del 2-bromo-3- clorobutano. Cada molécula es enantiómera de una de las otras tres (su imagen especular) y es, al mismo tiempo, un diastereómero de las otras dos restantes. El isómero (2R,3R) es el enantióme- ro del compuesto (2S,3S) y es a su vez un diastereómero, tantot de la estructura (2S,3R), como de la estructura (2R,3S). Note que dos estructuras son enantiómeras cuando poseen configuración opuesta en cada uno de los estereocentros. Note, asimismo, que las proyecciones de Fischer de cada uno de los compuestos corresponden a las conformaciones eclipsadas de los mismos.

3 En contraste a los enantiómeros, los diastereómeros, debido a que no guardan entre sí una relación de objeto a su imagen especular, son moléculas con diferentes propiedades físicas y químicas. Sus interacciones estéricas y energías difieren. Así, pueden separarse por destilación fraccionada, cristalización o cromatografía. Tienen diferentes puntos de fusión y de ebullición y diferentes densidades, de análoga manera a lo que ocurre con los isómeros constitucionales. También tienen rotaciones específicas diferentes

4 Determinación de la configuración absoluta en moléculas con varios estereocentros Correlaciones isomería cis-trans y Config. Absoluta en compuestos cíclicos Los isómeros cis y trans en derivados cíclicos son diastereómeros entre sí!

5 Relación entre número de estereocentros y número de estereoisómeros Cuantos estereoisómeros serían posibles para una molécula con tres estereocentros diferentes?. Si etiquetamos los tres centros consecutivamente como R o como S, las posibilidades matemáticas serían las siguientes: Tendríamos así ocho posibles estereoisómeros, que pueden agruparse en cuatro pares de enantiómeros como se indica acontinuación, siendo, a su vez, cada enantiómero de un par, diastereoisómero con el resto de los otros seis estereoisómeros En general para una molécula con n estereocentros, son posibles: N de estereoisómeros = 2 n

6 Compuestos Meso Qué ocurriría si los dos etereocentros de una molécula están igualmente sustituidos? Para el 2,3-dibromobutano, son así posibles solamente tres esteroisómeros: Un par de enantiómeros y una forma meso.

7 Un compuesto que contiene dos estereocentros ( o mas estereocentros), pero es superponible con su imagen especular es un compuesto meso Un hecho carácterístico de un compuesto meso es la presencia de un plano interno de simetría, que divide a la molécula de tal modo que una mitad es imagen de la otra mitad. Una forma meso es, así, aquiral y, por tanto, no muestra actividad óptica, a pesar de contener dos estereocentros. L i d l d i t í ( l l ) l i La presencia de un plano de simetría (plano especular),en cualquier conformación energeticamente accesible, es suficiente para hacer que una molécula sea aquiral (ver figura abajo)

8 Compuestos cíclicos también pueden ser meso El isómero trans del 1,2-bromobutano es quiral. El isómero cis es un compuesto meso y opticamente inactivo.

9 ESTEREOQUÍMICA DE LAS REACCIONES ORGÁNICAS Porqué la bromación radicalaria del butano dá (R,S)-2-bromobutano racémico?. En el primer paso del mecanismo de la halogenación radicalaria, uno de los dos hidrógenos H-2 es abstraido por el átomo de bromo atacante (radical libre). Independientemente del hidrógeno abstraido, este paso genera un radical con hibridación sp2, plano y por tanto aquiral. El centro radicalario posee dos sitios de reacción equivalentes (los dos lóbulos del orbital p), que son igualmente susceptibles de ser atacados por la molécula l de bromo en el segundo paso de la reacción. Como podemos apreciar, los dos estados de transición que dan lugar a los respectivos enantiómeros del 2- bromobutano, son imágenes especulares el uno del otro; es decir que tales estados de transición son enantiómeros y, así, energetica- -mente equivalentes; como consecuencia, las velocidades de formación de los productos R y S son iguales y se forma una mezcla racémica. En general, la formación de compuestos quirales a partir de reaccionantes aquirales, dá mezclas racémicas. O dicho de otra manera, materiales de partida opticamente inactivos dan lugar a productos opticamente inactivos, si usamos reactivos también aquirales.

10 Estereoquímica de la cloración del (S)-2-bromobutano Consideremos la cloración radicalaria del enantiómero (S) del 2-bromobutano. En este caso, el átomo de cloro tiene varias opciones de ataque: los dos grupos metilo terminales, el hidrógeno en el estereocentro C2 ó los dos hidrógenos en C La cloración en cualquiera de los dos metilos terminales procede: en C1 para dar 2- bromo-1-clorobutano ó en C4 para dar 3-bromo-1-clorobutano. En este último caso, el C4 original pasa ahora a ser el C1, para mantener la numeración mas baja posible para los sustituyentes. Ambos de esos productos de cloración son opticamente activos porque el estereocentro original ha permanecdo inalterado. Observa, sin embargo, que la conversión del metilo C1 en una unidad clorometilo, cambia la secuencia de prioridades en torno a C2, así, aunque el estereocentro no participa en la reacción, la configuración cambia de S a R.

11 2.- Qué ocurre si la cloración ocurre en el estereocentro C2? El producto ahora es el 2-bromo-2-cloro-butano. Aún cuando la secuencia de sustitución en el estereocentro ha cambiado, la molécula permanece quiral. Sin embargo, la medida del valor de la actividad óptica específica α del producto, revela ausencia de actividad óptica; como se explica?. Para la respuesta debemos observar de nuevo la estructura del radical formado en el curso del mecanismo de la reacción. Se forma un racemato porque la abstracción del hidrógeno en C2, da lugar a un radical con hibridación sp2, plano, aquiral. La cloración puede ocurrir desde cualquiera de los dos lados, a través de estados de transición enantioméricos de igual energía, comoenel caso de la bromación del butano, vista mas arriba, produciendo ( S )- y ( R )-2-bromo-2- clorobutano, a la misma velocidad y en cantidades iguales. La reacción es un ejemplo de una transformación en la que un compuesto opticamente activo, da lugar a un producto opticamente inactivo ( racémico ).

12 3.- Cloración del (S)-2-bromobutano en C3 La cloración no afecta al centro quiral existente. Sin embargo, la formación de un segundo estereocentro da lugar a diastereómeros. En concreto, la unión del cloro por el lado izquierdo de C3, en el dibujo, da (2S,3S)-2-bromo-3-clorobutano, mientras que la unión a la derecha da lugar a su (2S,3R) diastereómero. Como vimos arriba, la cloración en C2 da una mezcla 1:1 de enantiómeros da la reacción en C3 una mezcla equimolecular de diastereómeros?; La respuesta es No!; éste hecho es facilmente explicable, si inspeccionamos los dos estados de transición que dan lugar al producto. La abstracción de cualquiera de los dos hidrógenos resulta en un centro radicalario en C3, sin embargo, en contraste con el radical formado en la cloración en C2, las dos caras de este radical no son imágenes especulares la una de la otra, debido a que el radical retiene la asimetría de la molécula original, como resultado de la presencia del estereocentro en C2. Así, los dos lados del orbital p no son equivalentes. Cuales son las consecuencias de esta no equivalencia:

13 Si las velocidades de ataque a las dos caras difieren, como puede predecirse de consideraciones estéricas, entonces las velocidades de formación de los dos diastereómeros serán diferentes, como efectivamente ocurre: el (2S, 3R)-2-bromo-3- clorobutano es preferido sobre su isómero (2S, 3S), por un factor de 3. Los dos estados de transición que dan lugar a los dos productos no son imágenes epeculares el uno del otro y no son superponibles, son diastereómeros, tienen así energías diferentes yrepresentan rutas mecanísticas íti diferentes. Estereoselectividad.- Se define estereoselectividad como la preferencia por un estereoisómero. Una reacción que da lugar a la formación predominante ( ó exclusiva) de uno de varios posibles productos estereoisómeros, se dice que es estereoselectiva. P.ej. La cloración del (S)-2-bromobutano en C3 es estereoselectiva, como consecuencia de la quiralidad del radical intermedio. La cloración correspondiente sobre C2, sin embargo, no es estereoselectiva, como consecuencia de que el radical intermedio es aquiral y se forma el racemato. En que cuantía ocurra estereoselectividad, ti id d depended mucho de todos los factores implicados: naturaleza del sustrato, de los reactivos, de la reacción particular en cuestión y de las condiciones de reacción.

14 Estereoselectividad en la Naturaleza En la Naturaleza, las enzimas gobiernan la conversión de compuestos aquirales en moléculas quirales con una estereoselectividad muy alta.soncapaces de hacer esto, porque los enzimas mismos tienen quiralidad y, así, catalizan la conversión de materiales aquirales en aquellos productos que son compatibles con su propia quiralidad. Un ejemplo, es el mostrado arriba, de la oxidación catalizada por enzima, de la dopamina a la (-)-norepinefrina. El entorno quiral de la reacción creado por el enzima, da lugar a un 100 % de estereoselectividad a favor del enantiómero mostrado.

15 Resolución de mezclas racémicas: separación de enantiómeros

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17 Moléculas quirales sin centros estereogénicos. Enantiomerismo conformacional. El bifenilo es un compuesto que no contiene centros estereogénicos y es ópticamente inactivo. Sin embargo, el 6,6 -dibromo-2,2 -diyodobifenilo, cuya estructura se indica a continuación, existe en dos formas enantioméricas, a pesar de que el compuesto no contiene centros estereogénicos Si la estructura fuese totalmente plana, tal y como se indica en la figura anterior, habría que concluir que el compuesto sería ópticamente inactivo y por tanto incapaz de existir en dos formas enantioméricas. Sin embargo, la conformación plana del 6,6 - dibromo- 2,2 -diyododifenilo no puede existir porque colocaría los voluminosos átomos de bromo y de yodo en una situación de enorme repulsión estérica.

18 Para evitar la interacción estérica entre los átomos de halógeno la molécula adquiere una conformación que coloca a los dos anillos aromáticos mutuamente perpendiculares. De acuerdo con esta disposición de los anillos aromáticos es posible dibujar dos conformaciones alternativas que son las que se indican a continuación: Estas dos conformaciones, que carecen de plano de simetría, son entre sí imágenes especulares no superponibles. Son por tanto dos conformaciones enantioméricas. Además, como estas dos conformaciones no se pueden interconvertir se puede afirmar, por tanto, que estas dos conformaciones corresponden a dos compuestos enantioméricos que desviarán el plano de la luz polarizada en igual magnitud pero en direcciones opuestas.