Introducción a la estereoquímica

Transcripción

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2 Introducción a la estereoquímica Definición e importancia Clasificación de los isómeros. Estereogenicidad (fuentes moleculares de la estereoisomería) Estereoisomería: 1. Conformacional: De alcanos acíclicos: Proyecciones de cuñas, caballete, Newman. Análisis conformacional de etano y butano. Conformaciones eclipsadas y escalonadas y su estabilidad relativa. Del ciclohexano. Proyecciones de silla y Newman. Conformación de bote-silla, análisis conformacional, enlaces axiales y ecuatoriales y estabilidad relativa. Fenómeno cis-trans. 2. Configuracional: Enantiómeros: Quiralidad, centro estereogénico, proyecciones de Fisher, asignación de configuración absoluta (R o S), actividad óptica, resolución de enantiómeros. Diasterómeros (incluyendo isómeros cis-trans) Formas meso Esquema D y L para carbohidratos y aminoácidos.

3 El manejo de los principios básicos de la estereoquímica y de su terminología, es fundamental para comprender la bioquímica, la biología molecular, la farmacología, la toxicología, la síntesis, etc. Determina las propiedades físicas de las sustancias Condiciona su reactividad Responsable de la actividad biológica de muchas sustancias sintéticas y de muchas otras esenciales para la vida (proteínas, carbohidratos, lípidos, acidos nucleicos, enzimas, etc.)

4 Muchas moléculas difieren únicamente en la disposición espacial de sus átomos. De manera que pueden compartir algunas propiedades y ser muy diferentes en otras. El cambio en su disposición espacial influye en sus propiedades... Estructuras Iguales o distintas? CH 3 CH 3 Únicamente la estructura con el arreglo espacial adecuado puede activar un receptor H H Olor a limón Olor a naranja Receptor Biológico Receptor Biológico

5 ISÓMEROS Misma fórmula molecular La isomería es una de las mayores "complicaciones" de la química orgánica que desconcertó durante muchos años a los químicos y que no se resolvió hasta mediados del siglo XIX CONSTITUCIONALES O ESTRUCTURALES Diferente patrón de enlace ESTEREOISOMEROS Mismo patrón de enlace De cadena Diferente patrón de enlace de carbonos en alcanos Posición Diferente localización del grupo funcional Conformacionales Interconvertibles por rotación sobre enlaces sigma C-C Configuracionales Interconvertibles por ruptura y formación de enlaces sigma C-C Ópticos Funcionales Diasterómeros Diferente grupo funcional Geométricos Cis-trans Meso Otros Enantiómeros

6 No. Compuestos isómeros? de qué tipo? No. isómeros? de qué tipo? 1 4 CH 3 CH 3 H H 2 5 OH OH

7 Interconvertibles por rotación de enlaces sigma C-C (no requiere de la ruptura de enlaces) a) De alcanos acíclicos b) De alcanos cíclicos Construir una molécula de etano usando modelos moleculares...usar dos colores distintos para un H de cada C y observar su disposición al rotar sobre el enlace C-C. Eclipsadas (enlaces paralelos) Alternadas o Escalonadas De muchas diferentes conformaciones destacan: Sin ( = 0 ) = 120 Gauché u Oblicua ( = 60 ) Anti o Contrapeada ( = 180 ) Las conformaciones (confórmeros) de un compuesto son las distintas disposiciones que puede adoptar por rotación en torno a uno o más enlaces sencillos. Esta rotación ocurre relativamente rápido. A temp. ambiente, la rotación en torno C-C del etano ocurre millones de veces por segundo.

8 Las proyecciones de cuñas representan una molécula tridimensional usando cuñas rellenas para los enlaces delante del plano del papel, punteadas o vacías para los enlaces detrás del plano y líneas para los enlaces en el plano. Muy comunes El ángulo dihedro ( ) es el formado por dos átomos de carbonos vecinos en una proyección tridimensional Las proyecciones de Newman muestran de manera más clara las relaciones de los átomos o grupos unidos a dos carbonos vecinos. Representa la vista de dos carbonos vecinos, uno detrás del otro. El círculo representa el carbono anterior, el cual está enlazado al carbono posterior y sobre este enlace se hace la rotación

9 Aunque todas las conformaciones representan al mismo compuesto, no son equivalentes en energía y por lo tanto en su establilidad. Esto influye en las reacciones donde algunas sustancias participan o donde se sintetizan. Cada conformación eclipsada o alternada está asociada con un cambio de energía... (TENSIÓN TORSIONAL= debido a la proximidad de los átomos y su repulsión electrónica) Los enlaces C-H posterior y anterior están muy próximos en las conformaciones eclipsadas, alta repulsión de e-, menos favorable energéticamente Los enlaces C-H posterior y anterior no están tan próximos en las alternadas, menor repulsión de e-, más favorable energéticamente

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11 Al observar de lado la estructura en su forma anti, el esqueleto carbonado tiene un arreglo de zig-zag en su forma más estable. Esa es la razón por la que se usa la forma zig-zag en las representaciones de líneas en los alcanos no ramificados. Cada conformación eclipsada o alternada está asociada con un cambio de energía... Debido a Tensión Torsional y también a la (debida a las fuerzas de Van der Waals repulsivas que se dan entre átomos que se ven forzados a acercarse más de lo que permiten sus radios atómicos). Es por ello que la conformación Anti es la más estable, luego la gauché y muy poco estable la eclipsada

12 N o. Ejercicio 1 A qué compuesto corresponden las conformaciones? cuál es la más estable? N o. 3 Ejercicio Conformación más estable a. b. 2 Dibuja en proyección de Newman la conformación menos estable del 2,3- dicloropentano 4 cuántas conformaciones eclipsadas distintas hay para el propano?

13 Los estereoisómeros conformacionales (confórmeros) se interconvierten por rotación sobre un enlace sigma. La energía de un confórmero depende del ángulo diedro que separa los sustituyentes voluminosos. Un confórmero gauché es aquel en el que hay un ángulo diedro de 60 entre sustituyentes carbonados, mientras que en un anti es de 180 y en un sin de 0. Las conformaciones eclipsada y alternada (oblicua-gauché y contrapeada o anti) difieren en la tensión torsional que causa la repulsión de e- e interacciones estéricas (van der waals). Por ello la conformación alternada es la más estable. Para un alcano superior la conformación más estable será aquella en la que todos los enlaces C-C estén dispuestos de forma alternada y en la que los sustituyentes más voluminosos guarden entre sí una disposición anti.

14 Los alcanos cíclicos no son planos (a excepción del ciclopentano). Debido a su importancia biológica sólo se hará el análisis del ciclohexano Interconvertibles por rotación de enlaces sigma C-C (no requiere de la ruptura de enlaces) Poco estable, alta tensión angular Construir una molécula de ciclohexano usando modelos moleculares... y observar su disposición resultante. La molécula es plana? Qué pasa al intentar que se haga plana? Para relajar la estructura Elevemos un carbono fuera del plano y al mismo tiempo mover hacia abajo del plano, el C opuesto Conformación de silla Más estable La tensión angular es la tensión que se presenta en una molécula cuando un ángulo es distinto del óptimo. Esta operación reduce la tensión angular y con ello tensión torsional...

15 La conformación de silla tiene un grupo metileno apuntando hacia arriba y otro opuesto a este, apuntando hacia abajo. La proyección de Newman tiene enlaces carbono-carbono alternados hacia arriba o hacia abajo, con su ángulos de C. Esta es la razón por la que tiene la mayor estabilidad En la conformación simétrica de bote, el eclipsamiento produce tensión torsional. Aunque haya otras conformaciones con menor tensión que la de bote, como Bote torcido o semisilla, ninguna es más estable que la de silla.

16 A temp. ambiente, el anillo se interconvierte constantemente. Si fuera posible aislar las diferentes conformaciones de un ciclohexano o sus derivados, en un instante dado, muchas moléculas (más del 99%) estarían en forma de silla, debido a su mayor estabilidad que la de bote. Es por eso que los libros usan esas proyecciones para ilustrar sus reacciones y algunas propiedades.

17 Comenzar con el asiento de la silla. Trazar dos líneas paralelas ligeramente desplazadas. Enseguida dibujar otras dos líneas, que sean paralelas entre sí y que conecten las anteriores con los carbonos del respaldo y del descansapies Finalmente, agregar dos líneas más (paralelas entre sí) y que completen el ciclo. Para la proyección de Newman, trazar dos círculos que representen los dos carbonos posteriores (que están detrás de los anteriores) Dibujar sobre cada círculo una Y invertida a manera que queden unidas para formar el carbono del descansa pies. Finalmente trazar una Y detrás de los círculos (sin que los crucen) a manera de que las Y queden unidas formando el respaldo Por supuesto también puede quedar AL REVÉS! ES VALIOSO PRACTICAR HASTA DOMINAR EL TRAZO.

18 Cada carbono de la conformación de silla del ciclohexano tiene dos tipos distintos de enlaces C-H : Axiales: Apuntan hacia arriba o hacia abajo del plano del anillo. Ecuatoriales: Están en el plano del anillo y apuntan al ecuador del anillo Axial Axial Ecuatorial Ecuatorial Para dibujar los enlaces axiales de cada carbono hay que trazar los enlaces de forma perpendicular al plano del anillo, paralelos y alternados, hacia arriba y hacia abajo. Si el ángulo de los enlaces de cada carbono apunta hacia arriba, el enlace axial deberá dibujarse hacia arriba. En caso contrario deberá dibujarse hacia abajo. Para los enlaces ecuatoriales, hay que trazar los enlaces de forma que, apunten en sentido contrario al ángulo y fuera del ciclo. Estos deben ser paralelos al enlace que está a un enlaces de distancia del carbono en cuestión.

19 ENLACES AXIALES Menos favorecidos debido a las interacciones diaxiales entre los carbonos 1,3. la proximidad de los átomos causan tensión torsional. Con sustituyentes más voluminosos también hay tensión estérica. ENLACES ECUATORIALES Las posiciones ecuatoriales son de menor energía, por lo tanto más favorecidas. Esto es debido a que los sustituyentes están más alejados. Notar que en las proyecciones de Newman estos enlaces están anti, como los alcanos acíclicos.

20 La inversión de un anillo o la interconversión de una conformación silla-bote-silla es el proceso donde una forma de silla se interconvierte en otra Con el modelo de ciclohexano invertir el anillo, haciendo que el carbono del respaldo de la silla se transforme en el del descansapies y viceversa. Observar uno de los enlaces axiales y uno de los ecuatoriales. Este proceso genera dos conformaciones del mismo compuesto donde los enlaces se invierten. El axial será ecuatorial y viceversa. Aunque este proceso ocurre rápidamente, una de estas dos conformaciones es la más favorecida debido a su sustituyente ecuatorial, como indica la flecha del equilibrio. Con dos o más sustituyentes voluminosos, el confórmero con el sustituyente más voluminoso será el más favorecido.

21 Los isómeros cis-trans, no son esteroisómeros conformacionales, puesto que para convertirse uno en otro debe romperse un enlace y formarse uno nuevo. Estos pertenecen a la categoría de los estereisómeros configuracionales. Ciclohexanos con dos o mas sustituyentes en distinto carbono, además de interconvertir el anillo presentan otro tipo de isomería debido a la diferente geometría y existen en forma: Cis: Apuntan del mismo lado del anillo Trans: Apuntan a lados opuestos del anillo Esto también puede observarse en la proyecciones de Newman El confórmero más estable será la conformación de silla con el sustituyente(s) más voluminoso en posición ecuatorial

22 N o. Ejercicio 1 qué compuesto está representado por la estructura? N o. 3 Ejercicio Relación entre los compuestos H H terb H H H H CH 3 a. b. 2 Dibuja la conformación de silla más estable del trans-1-fluoro-3-metilciclohexano 4 cuál es la proyección de Newman más estable del cis-1,2-diclorociclohexano?

23 Los confórmeros del ciclohexano y otros compuestos cíclicos saturados también están gobernados por tensiones torsionales, angulares y estéricas. En el ciclohexano la tensión torsional se reduce al mínimo en la conformación de silla. La conformación de bote y bote torcido están total o parcialmente eclipsados y por ello presentan tension torsional. La inversión de anillo de una conformación de silla del ciclohexano convierte cada sustituyente axial en ecuatorial y viceversa. Los sustituyentes axiales están desestabilizados por interacciones 1,3 diaxiales, no así en los ecuatoriales. Por ello Hay isomería geométrica cis-trans en ciclohexanos con más de un sustituyente en diferentes carbonos del ciclo. Cuando estos apunta del mismo lado del anillo son cis y cuando están apuntando de forma opuesta son trans. ESTOS NO SON ESTEREOISOMEROS CONFORMACIONALES, ya que para pasar de uno al otro hay que romper y forma un nuevo enlace (son estereoisómeros configuracionales)