Tema 2 Principios estereoquímicos. 2. QUIALIDAD Y ELEMENTOS DE SIMETÍA. uatro aspectos generales definen la estructura de la molécula:. omposición. lase y número de átomos que dan lugar a la molécula. 2. onectividad. Forma en que los átomos se enlazan entre sí.. onfiguración. Los isómeros configuracionales pueden ser enantiómeros o diastereoisómeros (ambos presentan igual composición y conectividad). Enantiómeros. Son esteroisómeros que son imágenes especulares uno del otro. Diastereoisómeros. Son esteroisómeros que no son enantiómeros. Ejemplo: ácido tartárico. O O 2 O O O 2 O 2 O O O O 2 O 2 O 2 A B A y B son enantiómeros A y son diastereoisómeros B y son diastereoisómeros 4. onformación. Orientación en el espacio de los átomos de una molécula, como resultado de rotaciones alrededor de enlaces sencillos. l l l 25 º 25 º l l gauche l anti gauche
En resumen: Las moléculas que tienen la misma fórmula molecular y la misma secuencia de átomos enlazados covalentemente, pero distinta orientación en el espacio se llaman estereoisómeros, los cuales podemos dividir en dos clases: Interconvertibles a temperatura ambiente, por rotación entorno a enlaces sencillos, se llamarían estereoisómeros conformacionales. Los que se interconvierten con dificultad a temperatura ambiente, por rotación entorno a enlaces sencillos, y por tanto pueden aislarse estereoisómeros configuracionales. La quiralidad es una propiedad geométrica. Un objeto es quiral si no es superponible con su imagen especular. Y aquiral cuando el objeto y su imagen son superponibles. Los elementos de simetría de interés en esteroquímica son: a) Eje de simetría. uando la operación de un eje n (n = 60º / grados de rotación) permite obtener una estructura indistinguible con la original. 80º 2 20º b) Plano de reflexión (σ). Plano que divide a la molécula en dos mitades idénticas. σ 2
c) entro de simetría (i). Es un punto formal en el centro de la molécula, desde el cual cada átomo presente encuentra su equivalente que se encuentra a igual longitud de i.. i d) Eje de rotación-reflexión (Sn). Presente en aquellas moléculas que pueden ser rotadas en torno a un eje (en un ángulo de 60º/n) y entonces reflejada a través de un plano perpendicular al eje, dando lugar a una estructura idéntica a la original. ) 90º 2) eflexión S 4 Una molécula es aquiral si contiene alguno de los elementos de simetría: Sn, i, σ. Una molécula quiral no debe poseer tales elementos de simetría. 2.2 ELAIONES ENANTIOMÉIAS. Las moléculas que existen como imágenes especulares, no son superponibles, y se denominan enantiómeros, y son compuestos quirales. Las moléculas que contienen un único centro asimétrico son siempre quirales.
O O Las moléculas con más de un centro asimétrico no son siempre quirales. O 2 O 2 O O σ O O O O σ O 2 O 2 a. Pureza ótica. La luz normal esta formada por un gran número de ondas orientadas al azar. Sin embargo, ciertas sustancias cristalinas presentan la característica de dejar pasar la luz en un único plano, diciéndose que la luz esta polarizada en un plano. - α + α ayos de la luz no polarizada ayos de la luz polarizada Plano de polarización gira en sentido contrario a las agujas del reloj Plano de polarización gira en el sentido de las agujas del reloj uando la luz polarizada interacciona, con las moléculas aquirales no hay cambios en la dirección del plano de polarización. Pero cuando las moléculas son quirales se observa una variación en la dirección, del campo de la luz polarizada. Puede darse una rotación en sentido 4
contrario a las agujas del reloj, lo que indica que la sustancia es levógira o levorrotatoria, y se designará como - o l. Si el giro ocurre en el sentido de las agujas del reloj indica que la sustancia es dextrógira o dextrorrotatoria, y se designará como + o d. El polarímetro es un instrumento que presenta una fuente de luz y dos prismas, uno produce la luz polarizada y otro detecta las rotaciones en el plano de polarización, para lo cual se coloca la sustancia a investigar en un tubo entre ambos prismas. Lo que se mide es el ángulo de giro del plano de polarización (α = rotación óptica observada). Luz Prisma polarizador Tubo de muestra Prisma analizador Escala Ocular Para poseer una magnitud medible y que sea igual en todos los sitios, esta la rotación específica. La rotación específica depende de: Sustancia (concentración). Longitud de la luz polarizada (λ). Temperatura y disolvente. Longitud del tubo. [α] T D = α l x c T= temperatura en grados centígrados. D= longitud de onda (λ) (línea D del sodio). α= ángulo de rotación observado. c= concentración en gr/ml. l= longitud del tubo de muestra en decímetros. Si una mezcla, presenta uno de los dos enantiómeros en mayor proporción que el otro, se observará una cierta rotación óptica correspondiente al porcentaje de la especie en exceso. Se llama exceso enantiomérico al porcentaje de enantiómero en exceso con respecto al otro. 5
e.e. = / % - %S / Valor absoluto Otra forma de medir el e.e. es: %e.e. = rotación específica de la mezcla rotación específica del enantiómero x 00 b. Determinación de la configuración absoluta. La disposición de los sustituyentes en torno al estereocentro o centro quiral se llama configuración absoluta de un compuesto. Se ha desarrollado un sistema general de designar la configuración absoluta basada en las eglas de prioridad de ahn-ingold-prelog. La configuración de un estereocentro se designa como (rectus, diestra, derecha), cuando al establecer un orden de prioridad a los sustituyentes del entorno, e ir del de mayor prioridad al de menor, lo hacemos en el sentido de las agujas del reloj. La configuración se designa como S, si al ir del sustituyente de mayor prioridad al de menor, lo hacemos en sentido inverso a las agujas del reloj (sinister, siniestra, izquierda). 4 2 2 4 2 S 2 6
c. eglas de asignación de prioridad de los sustituyentes. ) El átomo(s) directamente unido al estereocentro con mayor número atómico se le asigna la mayor prioridad. Ejemplo: I > > l > S > P > Si > F > O > N > > 2) En el caso de más de un sustituyente con el mismo número atómico directamente unido al estereocentro, pasaran a revisarse los átomos siguientes en cada cadena hasta que se encuentra una diferencia. 4 2 l 2 S ) Dobles y triples enlaces se cuentan como dos o tres enlaces sencillos para cada uno de los átomos implicados. O O O 4 O 2 N O 2 N N N O S 7
4) En presencia de isótopos, el de mayor masa atómica tiene prioridad: Química Orgánica Avanzada T > D > > 2 > 5) Una vez asignado el orden de preferencia, la molécula se orienta con el sustituyente de prioridad inferior lo más alejado posible, del observador, y se mira como están dispuestos los otros grupos. O O 4 O 2 O O 2 O 2 O O 2 O Proyección de Fischer -gliceraldehido 4 S 2 2 Proyección de Fischer 2 2 S-2-bromobutano d. elaciones enantioméricas. Muchas moléculas quirales, no poseen centros quirales o estereocentros, deben poseer ejes o planos quirales y se dicen que son disimétricas respecto a estos. a b a b a c b d a c b d c d eje quiral aleno con nº par de dobles enlaces c d alquilidenciclohexano bifenilo X espiranos 8
La configuración absoluta de estas moléculas se especifíca de acuerdo a las reglas de ahn- Ingold-Prelog modificadas. a b c d La asignación de la prioridad para los cuatro sustituyentes de este tetrahedro alargado permite establecer el sentido o S, al cual añadiremos como subíndice la letra a (para indicar la presencia de ejes de quiralidad: a y Sa ). uando dos sustituyentes de cada extremo del eje son iguales, podemos modificar la regla: Los sustituyentes más próximos al observador son prioritarios frente a los más alejados. Ejemplo: 2 S a 2 2 2 a F O F O S a S a Otras moléculas poseen planos de quiralidad, y en este caso se las denomina: p o Sp. ) Debe identificarse el plano de quiralidad. 9
2) ay que seleccionar una de las dos caras del plano, cerca del punto P, desde donde se coloca el observador para determinar el sentido de la quiralidad. ) Al pasar del punto P al primer átomo en el plano de quiralidad, a este le asignamos la prioridad más alta. La segunda prioridad al átomo directamente unido a él y la tercera prioridad se asigna de la misma manera. Ejemplo: O 2 2 p 2 p trans-ciclooctano p-ciclofano elicidad: aso especial de quiralidad, en el cual las moléculas de similar hélices enroscada o escalera en espiral, forman espirales a derecha o izquierda. Dependiendo si la hélice desde el punto más próximo al observador se enrolla a derecha ( ó M ) o a izquierda (S o P), le daremos una u otra asignación ( M o P ). (M) exahelicenos S (P) 2. ELAIONES DIASTEEOISOMÉIAS. Se pueden calcular según la fórmula 2 n donde n= número de centros quirales presentes. 0
2, l 2S,S l 2S, l 2,S l enantiómeros diastereoisómeros enantiómeros Los enantiómeros tienen configuración opuesta en cada uno de los centros quirales, los diastereoisómeros tienen la misma configuración en uno de los estereocentros, y en el otro la opuesta. Los diastereoisómeros pueden separarse o purificarse por métodos normales. Si contienen dos estereocentros con los sustituyentes idénticos, estamos ante formas meso. l l l l 2, l 2S,S l 2S, l 2,S l enantiómeros forma meso (superponibles= único compuesto) diastereoisómeros 2.4 TEMINOS QUE DESIBEN LA ONFIGUAIÓN ELATIVA. a. Erytro / Threo Se aplican a sistemas que contienen dos carbonos estereogénicos, cuando dos de los grupos son iguales, y el tercero diferente. Erythro= uando los grupos iguales están al mismo lado. Threo= uando los grupos están a distinto lado. O 2 O 2 O O O O ácido treo--hidroxi-2-metil-butanoico eritro--bromo-2-butanol
b. Syn / Anti Los descriptores estereoquímicos syn y anti especifican que los ligandos en una molécula, o los reactivos en su aproximación al sustrato están orientados en el mismo lado (syn) o en lados opuestos (anti) del plano o elemento de referencia de la molécula. BD syn-adición BD 2 BD 2 7-anti-bromo-biciclo [2.2.]hepteno La estereoquímica en las reacciones aldólicas también se expresa: O O - M + + O O 2,-syn,4-syn O O 2,-syn,4-anti O O 2,-anti,4-syn O O 2,-anti,4-anti 2.5 ESOLUIÓN DE ENANTIÓMEOS. Existen tres vías de resolución, cada una requiere la aplicación de un agente quiral externo.. Separación normal de cristales enantioméricos. Pasteur llevó a cabo la primera resolución del (+) y (-) tartrato sódico y amónico cristalino en 848. 2. Separación enzimática. La resolución de compuestos óptimamente activos puede lograrse por la participación de organismos vivos o mediante catalizadores aislados de tales organismos (enzimas). 2
O 2 O 2 O O O 2 + - Peninicilium glaucum O O 2 (-) O + metabolitos procedentes del isómero (+) Otro ejemplo, sería la resolución cinética bioquímica, que depende de que la velocidad de la reacción de hidrólisis de cada enantiómero con la enzima es diferente. O 2 NAc + AcN O 2 Acilasa I 2 N O 2 + O 2 NAc + - -N-acetil-alanina (+)-alanina (-)-N-acetil-alanina. esolución vía la separación de diastereoisómeros. El camino generalmente más usado, es convertirlos en compuestos que sean diastereoisómeros, que tienen propiedades físicas diferentes, y por tanto, pueden separarse. Este método envuelve un procedimiento químico. El auxiliar quiral debe cumplir los siguientes requisitos: Debe reaccionar fácilmente, y con buenos rendimientos con el sustrato a resolver. Los productos diastereoisoméricos deben ser cristalinos, y con una notable diferencia de solubilidad. Debe ser el auxiliar quiral barato y accesible; o al menos recuperable con buen rendimiento cuando finaliza la resolución. 2.6 ESTEEOQUÍMIA DINÁMIA. Una reacción química puede introducir quiralidad en una molécula aquiral, ejemplo: bromación del butano, lo cual implica 2-bromobutano (d,l).
. - 2. radical plano = 2 S-2-bromobutano Química Orgánica Avanzada. + + (:) -2-bromobutano De forma general, la formación de compuestos quirales, a partir de reactivos aquirales produce racematos. ay que tener en cuenta que se pueden obtener productos ópticamente activos de productos de partida ópticamente inactivos, si se usa algún reactivo ópticamente activo. loración en el ó 4: l 2 2 l 2, hν 2 l 2, hν l 2 2 S-2-bromo--clorobutano S-2-bromobutano S--bromo--clorobutano Si la reacción ocurre sobre el centro quiral, como se forma un intermedio plano, en el cual el reactivo puede atacar una u otra cara sin preferencias se formará un racemato. loración en el 2: (:-enantiómeros) S-2-bromobutano l. -l. radical plano = l l 2. -l -2-bromo-2-clorobutano + l S-2-bromo-2-clorobutano loración en el : (:-diastereoisómeros) l 2, hν -l l + l S-2-bromobutano (2S,) (2S,S) Los diastereoisómeros se producen en distinta cantidad ya que proceden de distintos radicales intermedios, según que hidrógeno se abstraiga. 4
S-2-bromobutano l. -l radical plano. l 2 l 2 l... (2S,S) l (2S,) l l 2.7 EAIONES ESTEEOESPEÍFIAS Y ESTEEOSELETIVAS. Un gran número de reacciones orgánicas ocurren mediante un camino en el que se forma exclusiva o predominantemente uno solo de los estereoisómeros posibles, estas reacciones se llaman estereoselectivas. O O t-bu 4 AlLi t-bu O + t-bu trans (9%) cis (9%) B TF, 65º adición syn B 2 O 2 /NaO 2 O O trans (98%) + cis (0%) Ejemplo: la adición de halógenos a alquenos. cis 2 adición anti + (d,l) trans 2 adición anti forma meso 5
Las reacciones esteroespecíficas son necesariamente estereoselectivas, pero viceversa no ocurre. Si el producto de partida no presenta estereoisómeros, la reacción no puede ser estereoespecífica, en todo caso si el producto de llegada presenta estereoisómeros y da uno solo, es estereoselectiva. 2.8 ONFOMAIONES DE MOLÉULAS AÍLIAS Y ÍLIAS. 2.8. onformaciones de moléculas acíclicas. Existen diversos métodos gráficos para representar las moléculas tridimensionales en dos dimensiones. La representación más común es la fórmula de cuñas. Otra forma sería fórmula en perspectiva caballera. Proyección de Newman. F F F B B B 60º E D E E D A D A A cuñas perspectiva caballera proyección Newman proyección alternada B A E D B E E D B D 20º F A F A F cuñas perspectiva caballera proyección Newman proyección eclipsada energía potencial 0º 60º 20º 80º 240º 00º 6
En el caso del butano, la gráfica sería distinta, puesto que existen diferentes tipos de conformaciones alternadas y diferentes eclipsadas. A B D E F 60º 60º 60º 60º 60º alternada anti + estable eclipsada alternada gauche eclipsada - estable alternada gauche eclipsada B D F energía potencial A E 0º 60º 20º 80º 240º 00º Para alcanos más largos, la conformación más estable es la alternada, con los grupos voluminosos en anti, de ahí que las cadenas hidrocarbonadas se escriban en zig-zag. conformación del octano 2.8.2 onformaciones de moléculas cíclicas. El ciclopropano 6, tiene todos sus enlaces eclipsados, y los tres átomos de carbono metidos en un plano. 7
tetrahedro estándar 09.5º 8º 6º ciclopropano (ángulo interno= 60º) Química Orgánica Avanzada En el ciclobutano, 4 8. 4º ciclobutano (ángulo interno= 88º) En el ciclopentano, los ángulos de enlace son similares a los tetraédricos. ciclopentano (eclipsada) ciclopentano (sobre) En el ciclohexano, 6 2. forma silla axial () ecuatorial axial () Las otras formas de energía más elevada son la bote y twist (o bote torcido). 8
forma bote repulsión entre hidrógenos hidrógenos eclipsados forma "twist" conformaciones de más alta energía Si existen sustituyentes sobre el ciclohexano indica que las dos conformaciones sillas no son equivalentes. axial ecuatorial 95% 5% interacciones,-diaxiales uanto mayor el sustituyente indica mayor las interacciones,-diaxiales lo que implica menor probabilidad de que exista en la disposición axial. anti 2 ecuatorial gauche 2 axial 2 anti 2 gauche 2.9 EFETOS ONFOMAONALES Y EATIVIDAD Los compuestos cíclicos disustituidos presentan estereoisomería debido a cierta rigidez en los anillos y a la falta de libre rotación alrededor de los enlaces -. Así el,2-dibromo-ciclopentano. 9
trans-,2-dibromociclopentano Química Orgánica Avanzada cis-,2-dibromociclopentano σ (,2) (S,2S) (,2S) par de enantiómeros forma meso (aquiral) Así el,2-dimetilciclohexano trans-,2-dimetilciclohexano cis-,2-dimetilciclohexano σ (S,2S) (,2) (S,2) par de enantiómeros forma meso (aquiral) (S,2S) + estable - estable (,2) + estable - estable trans-,2-dimetilciclohexano interacciones,-diaxiales par de enantiómeros trans-,2-dimetilciclohexano interacciones,-diaxiales 20