química orgánica general

UNIVERSIDAD DEL VALLE
VICERRECTORIA ACADÉMICA
DIRECCIÓN DE EDUCACIÓN DESESCOLARIZADA
CURSO DE
QUÍMICA ORGÁNICA GENERAL
AUTORA:
LUZ MARINA JARAMILLO PhD
Profesora Titular
Facultad de Ciencias - Departamento de Química
Santiago de Cali, 2002
Luz Marina Jaramillo Ph. D.
Depto. de Química
ESTEREOQUÍMICA
INTRODUCCIÓN
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
4.1
ESTEREOISOMERÍA: CLASIFICACIÓN DE ESTÉREOI SOMEROS
4.1.1
Enantiomeros
4.1.2
Diastereómeros
4.1.3
Confórmeros
4.2
CONCEPTO DE QUIRALIDAD
4.3
REPRESENTACIÓN CONVENCIONAL DE ENANTIOMEROS CON
UNO Y DOS CENTROS QUIRALES
4.3.1
Proyecciones con Fórmulas de Bolas y Varillas
4.3.2
Proyecciones "Cuña" (o fórmulas bidimesionales)
4.3.3
Proyecciones Fisher
4.4
PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS ENANTIOMEROS: ACTIVIDAD
OPTICA
4.4.1
Luz Polarizada en un Plano
4.4.2
El Polarimetro
4.4.3
Rotación Específica
4.4.4
Descubrimiento de la Enantiomería
4.4.5
Mezcla Racémica
4.4.6
Pureza Optica
4.5
PROPIEDADES QUÍMICAS DE LOS ENANTIOMEROS
Luz Marina Jaramillo Ph. D.
Depto. de Química
4.6
CONFIGURACIÓN
4.6.1
Especificación de la Configuración: Nomenclatura de
Enantiomeros
4.6.2
Sistema (R) , (S) para un Compuesto con Dos Átomos de Carbono
Quirales: Diastereómeros y Compuesto Meso
4.7
ESTEREOQUÍMICA DINÁMICA
4.7.1
Resolución de una Mezcla Racémica
Luz Marina Jaramillo Ph. D.
Depto. de Química
INTRODUCCIÓN
La Química es sin duda una ciencia molecular-. Los fenómenos químicos observable?,
se explican convenientemente en términos de la estructura molecular del material que se
está transformando.
Aquella parte del estudio de la estructura molecular que se ocupa del arreglo especial de
los átomos o grupos en las moléculas, se conoce como Estereoquímica.
Uno de los aportes fundamentales desde el punto de vista histórico al estudio de la
Estereoquímica fue la sugerencia hecha independientemente por Le Bel (francés) y van't
Hoff (holandés) en 1874 de que las moléculas existen en forma tridimensional y que
el carbono en compuestos orgánicos adopta un arreolo tetrahedral. Esta suposición
fue entonces, el punto de partida para explicar ciertos fenómenos íntimamente
relacionados con la Enantiomería o estudio de las moléculas que tienen la propiedad de
rotar el plano de la luz polarizada, fenómeno físico observado inicialmente por Biot (1913).
Otra contribución importante fue también, el reconocimiento de Louis Pasteur (1848-1853)
de que la actividad óptica era causada por estructuras disimétricas o quirales y que
las moléculas capaces de rotar el plano de la luz polarizada a la derecha o izquierda
están relacionados entre si como lo está un objeto a su imagen especular.
El estudio de la estereoquímica permite comprender mejor ciertas sutilezas de la
estructura molecular donde ligeras diferencias en la configuración espacial (como seria
la diferencia que puede
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existir entre nuestra mano derecha e izquierda) entre moléculas de un mismo
compuesto hace que se comporten químicamente, de forma tan diferente.
Las sustancias químicas de origen biológico que constituyen los alimentos ofrecen
infinidad de ejemplos donde la estructura molecular determina propiedades físicas tan
evidentes como el olor o el sabor y propiedades químicas que pueden resultar letales.
Asf por ejemplo existen dos glucosas y sólo una desempeña un papel de importancia
extrema en el metabolismo animal, la otra no es metabolizada por los animales (no
podemos sentirle sabor dulce) ni es fermentada por las levaduras. Existen también
dos adrenalinas (hormonas) pero una de ellas tiene actividad hormonal superior. De casi
todos los aminoácidos existentes
se presentan
dos
ligeramente diferentes pero sólo uno de ellos tiene
acabaríamos si continuáramos nombrando ejemplos.
formas
importancia biológica. No
A través de esta Unidad se
pretende introducir los conceptos estereoquímicos fundamentales.
La unidad está diseñada para desarrollarla en 18 horas de estudio efectivo.
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Depto. de Química
espaciales
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Al concluir el estudio de este material el estudiante estará en capacidad de:
1. Definir correctamente y ejemplificar los términos estereoisómeros, enantiómeros,
diastereómeros y confórmeros.
2.
Describir en forma breve y clara los conceptos de quiralidad y enantiomerla.
3.
Dada la fórmula estructural completa de un compuesto con uno o dos centros
quiral es representarla en el papel con proyecciones Fisher.
4.
Describir el fenómeno de Actividad Optica.
5.
Dada la rotación observada de una sustancia,
su concentración en la solución y la
longitud del tubo polarimétrico calcular la rotación especifica de esa sustancia.
6.
Enumerar las partes esenciales de un polarímetro.
7.
Dada la fórmula estructural de un compuesto orgánico quiral, dibujar su par de
anantiómeros y designar su configuración con R/S.
8.
Dada la fórmula estereoquímica (en cualquier proyección) de un aminoácido o
carbohidrato designarlo como D o L.
9.
Dado la fórmula estereoquímica de un enantiómero con centros
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quirales, nombrarlo completamente con el sistema IUPAC y la designación R/S.
10.
Definir los términos: modificación pacérnica y pureza óptica.
11.
Dadas las fórmulas de un par de estereoisómeros identificarlos como
diastereómeros, estructuras meso o un par de enantiómeros.
12.
Describir en términos generales los métodos que se conocen para la resolución
de modificaciones racémicas.
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4.1 ESTEREOISOMERÍA: CLASIFICACIÓN DE ESTEREOISÓMEROS
La isomería se definió previamente como el fenómeno medíante el cual dos o mas
compuestos diferentes se representan por medio de fórmulas moleculares idénticas.
Se mencionaron los isómeros estructurales o constitucionales (Sec. 2.2) los cuales
son isómeros que difieren porque sus átomos están unidos en diferente orden. También
debe recordarse que dentro de los isómeros existen otros denominados
estereoisómeros los cuales se refieren a aquellas moléculas que tienen sus átomos o
grupos unidos en el mismo orden pero difieren en el arreglo espacial de sus átomos.
Ellos se clasifican a su vez en:
4.1.1 Enantiómeros
Los enantiómoros o enantiomorfos del griego, enantios, opuesto; morphe, forma) también
llamados isómeros ópticos son compuestos que poseen propiedades físicas y
químicas casi idénticas. Se diferencian tan poco estructuralmente que de todas las
mediciones físicas que pueden efectuarse, solamente una que requiere de un
instrumento especial y de un tipo excepcional de luz puede distinguirlos. Ellos rotan el
plano de la luz polarizada en direcciones opuestas, propiedad que se conoce como la
Actividad Optica y se mide en un Polarímetro (Sec. 4.4.2).
Los enantiómeros se definen como pares de estéreo isómeros no interconvertibles
entre sí por rotación alrededor de enlaces simples y cuyas imágenes
especulares no son superponibles.
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Este comportamiento los asocia con la propiedad de quiralidad (o disimetría) que se
analizará mas adelante (Sec. 4.2).
4.1.2 Diastereómeros
Son pares de estereoisómeros no interconvertibles entre si por rotación
alrededor de enlaces C-C, ni tampoco son imágenes especulares.
Pueden ser quirales y por tanto presentar el fenómeno de actividad óptica.
En este grupo también se incluyen los "isómeros geométricos" cis y trans de los
alquenos y de los cicloalcanos.
Los diastereómeros presentan propiedades físicas diferentes (e.g. punto de fusión, punto de
ebullición, solubilidad, etc.) y por tanto son separables por métodos -físicos
convencionales.
4.1.3 Con f órmer os
Además
de
la constitución y configuración hay un
tercer
nivel significativo en la
estructura molecular que es la isomería conformacional. Esta ú l t i m a se refiere a
ordenamientos moleculares discretos generados por rotación alrededor de enlaces
simples formales (Ej. conformaciones del etano, butano, ciclohexano, etc.
9
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respectivamente).
En esta unidad nos referiremos a aquella parte de la Estereoquímica que se refiere
a los enantiómeros o isómeros ópticos.
4.2 CONCEPTO DE QUIRALIDAD
Quiralidad es sinónimo de disimetría. El término general se relaciona con la palabra
griega "cheir" (que significa mano). Quiralidad significa entonces "sentido de las manos"
o aquel par de imágenes especulares (imágenes de espejo) no superponibles que
tenemos continuamente con nosotros (Ver Fig. 4.1). Los guantes y zapatos son
también quirales (trate de colocarse el guante derecho en la mano izquierda).
Figura 4.1. La imagen de espejo (o reflexión especular) de una mano izquierda es
una mano derecha.
Una molécula que pueda superponerse a su imagen especular es aquiral. Por
ejemplo una molécula con un solo átomo de carbono unido a dos sustituyentes idénticos
es aquiral. (Figura 4.2)
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Figura 4.2. Molécula aquiral (Bromo-clorometano) frente a un espejo.
Por el contrario, una molécula que no pueda superponerse sobre su imagen especular es
quiral. En la Fig. 4.3 se ilustra un ejemplo de estas moléculas en el cual, uno de los
átomos de carbono está unido a cuatro grupos diferentes.
Figura 4.3. Molécula quiral < 1-Bromo-1-cloroetano) -frente a un espejo)
11
Luz Marina Jaramillo Ph. D.
Depto. de Química
Una molécula quiral se presenta en dos formas espaciales llamadas enantiómeros de tal
manera que una muestra de cada enantiómero es capaz de rotar el plano de la luz
polarizada. Así se concluye que la quiralidad es la condición necesaria y suficiente para la
existencia de enantiómeros.
Cómo se establecerá si una molécula (o configuración molecular) es quiral?
En primer lugar la característica estructural más común (pero no la única) que da lugar a
la quiralidad en las moléculas, es la presencia de un átomo de carbono sp3 unido a
cuatro átomos o grupos diferentes. Se dice entonces que la molécula posee un centro
quiral (o carbono asimétrico).
Muchas moléculas (pero no todas) que contienen uno o mas de un centro quiral son
quirales. La mayoría de las moléculas que estudiaremos tendrán al menos un centro
quiral y partirán del arreglo tetrahédrico de metano:
Los siguientes son ejemplos de moléculas quirales en las que se destaca el centro
quiral o carbono asimétrico con un asterisco (*):
2—Butanol
(alcohol sec-butílico)
Acido 2-hidroxipropanoico
(Acido láctico)
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d)
c)
1-d-1-f eniletano
(α-deuterioetilbenceno)
2-Meti1-1-Clorobutano
e)
f)
2,3-dihidroxipropanal
<G1iceraldebido)
Aminoácido Leucina
Todas estas moléculas se presentan en la naturaleza como pares de enantiómeros
(imágenes especulares no-superponibles) y giran el plano de la luz polarizada en sentidos
diferentes (+ ó -) pero de igual magnitud.
Por el contrario para una molécula como cloruro de isopropilo sus imágenes de espejo
resultan superponibles y es entonces una molécula aquiral.
Es posible construir modelos de un determinado estereoisómero y su imagen de espejo
y probar si son superponibles o no. Además para moléculas con un centro quiral y dos
centros quirales es relativamente fácil dibujar imágenes o proyecciones que simulen los
modelos e intentar superponerlas mentalmente.
4.3 REPRESENTACIÓN CONVENCIONAL DE ENANTIÓMEROS CON UNO Y DOS
CENTROS QUIRALES.
Se usarán las moléculas del 2-metil-1-butanol
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y del
2,3,4-trihidroxibutanal
para ilustrar
las diferentes
representaciones convencionales de enantiómeros.
4.3.1 Proyecciones con Fórmulas de Bolas y Varillas
En esta convención el centro quiral (o átomo de carbono asimétrico) se
representa como una bola, los grupos o átomos en el plano horizontal apuntan
hacia el observador (saliendo del plano del papel) y los otros dos en el plano
vertical, apuntan lejos del observador (hacia atrás del plano). Fig. 4.4.
a) 2-Metil-1-butanol
b) 2.3.4-tri-Hidroxibutanal CEritrosa)
CHO
CHO
CH20H
Figura 4.4 Fórmulas de Bolas y Varillas
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4.3.2 Proyecciones "Curra" (o fórmulas bidimensionales)
En esta representación el carbono quiral está unido a dos átomos o grupos mediante
enlaces representados con trazo sencillo. Otro átomo (o grupo) se dibuja conectándolo
con una línea de trazo grueso y el cuarto sustituyente se conecta al carbono quiral a
través de un trazo discontinuo. En la Fig. 4.5 a) y b) se muestran
representaciones para las mismas moléculas 2-
Figura 4.5 Fórmulas bidimensional es o proyecciones "curia" a) y b)
Proyecciones s i l l a de c aba ll o c).
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estas
metil-1-butanol y 2,3,4-tri-hidroxibutanal. También en la Fig. 4.5 c> se muestra otra
representación para la molécula 2,3,4-trihidroxibutanal (con dos centros quinales).
Es la denominada proyección "silla de caballo" (Fig. 1.14).
Observe que en las fórmulas bidimensionales sólo se cambian de posición relativa
los dos átomos o grupos de los enlaces (trazo grueso e interrumpido) como se
muestra en la Fig. 4.5 o los átomos o grupos de los otros dos enlaces. Si ud.
cambia los cuatro átomos o grupos de sus posiciones relativas es equivalente a
tener el mismo enantiómero original.
En las fórmulas de Fischer y de bolas y varillas también se cambian sólo dos
átomos o grupos.
4.3.3
Proyecciones Fisher
A fines del siglo XIX el químico alemán Emil Fischer propuso fórmulas de
proyección para mostrar la disposición en el espacio de los grupos unidos a los
átomos de carbono quirales. Estas fórmulas se llaman proyecciones Fischer y
fueron ideadas en su momento para representar moléculas de azúcares.
Una proyección de Fischer no es mas que una manera taquigráfica de representar
una fórmula de bolas y varillas.
Estas proyecciones se dibujan extendiendo la molécula en el plano del papel en
todos los sustituyentes eclipsados, unidos a través de líneas
verticales
donde
el
punto
de
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horizontales
y
intersección representa un átomo de carbono quiral. Cada línea horizontal representa un enlace
dirigido hacia el observador, mientras que la línea vertical representa enlaces dirigidos hacia atrás,
lejos del observador (Fig. 4.6).
2,3,4-trihidroxibutanal (eritrosa)
Figura 4.6 Proyecciones Fischer
El carbono en la parte superior de la línea vertical normalmente es el carbono-1 en el compuesto
numerado sistemáticamente por la IUPAC. Las proyecciones Fischer de la Eritrosa pueden
relacionarse a sus proyecciones " s i l l a de caballo" y proyecciones
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Newman en la siguiente forma. Para uno de los enantiómeros:
Todos los enlaces eclipsados
Como se observa en los dibujos, los dos grupos de la vertical (-CHO y -CH2OH) en la
proyección Fischer, corresponden a los grupos hacia abajo (-CH2OH y CHO) de la
"silla de caballo" y a los grupos eclipsados (-CH2OH y -CHO) de la proyección
Newman .
Por supuesto que como se trata de enlaces sencillos estas pueden rotar libremente así
que podemos tener distintas conformaciones de la eclipsada que hemos mostrado y
seguimos teniendo el mismo enantiómero.
Lo que debe quedar claro es que toda proyección Fischer corresponde a una
proyección Newman eclipsada que puede extenderse a la "silla de caballo".
Haga ud. lo mismo para el otro enantiomero!
Ejercicio 4.1
Localice el Átomo de carbono o átomos de carbono asimétrico(s) e indíquelo(s) con un
asterisco en cada una de las siguientes
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moléculas.
a) CH3CH2CH(Cl)CH3
b) (CH3CH2) 2CHCH ( CH3) CH2CH3
CH3
I
d) Ph-CH-CH-CHO
I
Br
c) CH3-CH ( Cl ) CH (OH) CH2CH3
Ejercicio 4.2
Represente con fórmulas de bolas y varillas, proyecciones Fischer y fórmulas
bidimensionales los dos enantiómeros de las moléculas quirales de las páginas 12 y
13.
Solución:
(Para las moléculas
a)
a) y c):
2-Butano
Fórmulas de Bolas y Varillas
Proyecciones Fisher
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Proyecciones Bidimensionales ("Cuña”)
c) 2,3-Dihidroxipropanal (Gliceraldehído)
Observe que aquí se cambió la posición relativa de los grupos de los enlaces en el
mismo plano.
Continúe el ejercicio para las moléculas restantes de las Pág. 12 y 13
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Ejercicio 4.3
Construya un modelo molecular de Bolas y Varillas usando palitos de madera y bolas de
icopor de diferentes tamaños (o colores), para simular los átomos O grupos de uno de
los enantiómeros de Gliceraldehído. Colóquelo frente a un espejo y construya la
imagen del espejo que será el otro enantiómero. Trate de superponerlos entre sí (es
decir trate de coincidir cada enlace, y cada átomo o grupo). Es posible?
Si hace esto mismo con una molécula como el 2-Bromopropano, lograrla superponer
el original y la imagen de espejo?
Qué conclusión obtiene de este ejercicio?
Ejercicio 4.4
Represente con fórmulas Fischer y s i l l a de caballo los enantiómeros c) y d) del
ejercicio 4.1
4.4 PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS ENANTIÓMEROS: ACTIVIDAD ÓPTICA
Con la excepción de la quiralidad, las estructuras de un par de enantiómeros son las
mismas y como se mencionó antes casi todas las propiedades físicas son idénticas.
Por ejemplo, cada enantiómero puro de un par tiene el mismo punto de fusión o punto
de ebullición, la misma densidad, etc. La única propiedad física que los diferencia es la
dirección de rotación (o giro) del plano de la luz polarizada.
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Depto. de Química
4.4.1 Luz Polarizada en un Plano
La luz blanca ordinaria es el conjunto de ondas electromagnéticas que poseen
energía con una variedad de longitudes de onda, cada una correspondiente a un
color diferente. Estas ondas electromagnéticas son sensibles al ojo humano, se
propagan en todos los medios (incluido el vacío) y vibran en un número infinito de
planos perpendiculares entre sí a la dirección de propagación.
La luz será monocromática (un solo color) si se usan filtros que eliminen a los otros
colores (u ondas componentes) de la luz blanca, o si se genera de una fuente
especial. La lámpara de sodio es una fuente de luz monocromática amarilla que se
usa frecuentemente en el estudio de la actividad óptica. Aunque la luz sea
monocromática, ella vibra en todos los planos posibles que pasan por su línea de
propagación (Fig. 4.7)
Figura 4.7 Direcciones de las ondas de luz emitidas desde una fuente de luz.
Sin embargo ciertos materiales colocados frente a la línea de propagación actúan a
manera de pantalla restringiendo el paso de las ondas luminosas. De esta forma la luz
sólo vibrará en uno solo de los planos posibles. Esta es la llamada luz polarizada
(Figura 4.8). El material que se usa como polarizador de la luz es lo que se denomina
un prisma de Nicol o trozos de calcita (CaCO3) también llamado espato de
Islandia.
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Luz Marina Jaramillo Ph. D.
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El prisma de Nicol consiste de dos piezas de carbonato de calcio cristalino, revestidas
de cemento (o bálsamo del Canadá). También se puede polarizar un rayo de luz
haciéndolo pasar a través del material llamado Polaroid.
Una substancia ópticamente activa es la que desvía el plano de la luz polarizada en un
ángulo determinado.
Figura 4.8 Rayo de Luz Polarizada en un Plano
4.4.2 El Polarímetro
El polarímetro es un instrumento que se emplea para detectar y medir la actividad óptica
de las sustancias (Fig. 4.9).
Cuando el tubo está vacío, puede observarse que el máximo de luz alcanza el ojo
cuando el arreglo de ambas lentes es tal, que dejan pasar luz que vibra en el mismo
plano. Se ajustan las lentes de modo que se obtenga el máximo de luz (o que se
extinga por completo).
Si la sustancia no afecta el plano de luz polarizada, la transmisión lumínica sigue
siendo máxima y se dice que el
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Depto. de Química
compuesto es ópticamente inactivo.
Figura 4.9
Representación esquemática de las partes esenciales de un
polarímetro
Si la rotación del plano de luz polarizada y por consiguiente el giro de la lente es hacia
la derecha (en sentido de las manecillas del reloj) se dice que la sustancia es
dextrógira (del latin dexter, "derecha"). Su imagen de espejo la cual rota el plano de luz
polarizada hacia la izquierda (en sentido contrario a las manecillas del reloj) se
denomina levógira (del latin, laevus, "izquierda"). La dirección de rotación se especifica
en el nombre del compuesto ópticamente activo por (+) para dextrógiro y (-) para
levógiro. (En la literatura mas antigua se han usado las letras minúsculas d para
dextrógiro y l para levógiro) .
Puede medirse la magnitud de la dirección del giro de la lente mediante el ángulo de
giro en grados.
La cantidad de rotación en grados α no es una constante para un enantiómero dado,
e l l a depende de:
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a)
longitud del tubo que contiene la muestra
b)
temperatura
c)
solvente
d)
concentración (para soluciones); presión para gases
e)
longitud de onda (λ) de la luz empleada
Por supuesto, que rotaciones determinadas para el mismo compuesto bajo las mismas
condiciones son idénticas.
4.4.3 Rotación Específica
La rotación específica [α]DtºC es la cantidad de rotación por 1.00 g de muestra en 1.00
ml de solución en un tubo de longitud 1 dm (10 cm) a una temperatura y longitud de
onda (λ) específicas. La longitud de onda mas comúnmente usada es 589.3 nm (línea
D del sodio), donde 1.0 nm = 10- 9
m,
La rotación específica para un compuesto (a
20°C, por ejemplo) puede calcularse de la rotación observada (λ) por la siguiente fórmulas
[α]D20 = α / lc
donde:
La
(4.1)
[α]D20 = rotación específica a 20º C
α
= rotación observada (en el polarímetro) a 20°C
l
= longitud de la celda o tubo que contiene la muestra en dm
c
= concentración de la muestra en solución en g/ml
rotación
específica
es
una
propiedad
tan
importante
y característica de un
compuesto como lo son sus puntos de fusión, de ebullición y su densidad. Por ejemplo, la
rotación específica
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Luz Marina Jaramillo Ph. D.
Depto. de Química
de una solución acuosa de sacarosa (o azúcar de mesa) es [α]D20 º = +66.5 º , se
diría entonces que tal sustancia es dextrógira y se designaría como ( + ) - sacarosa.
Los enantiómeros del 2-octanol presentan las siguientes propiedades físicas:
(+) -2- Octanol
(-) - 2-Octanol
p.e.
86º (20 mm)
86º (20 mm)
[d]420º
0.821
0.821
[n]D20º
1.4264
1.4264
[α]D17º
+9.9°
- 9.9°
Observe que estas dos sustancias solo difieren en el sentido de la rotación del plano
de luz polarizada.
4.4.4 Descubrimiento de la Enantiomería
La actividad óptica recién descrita fue descubierta en 1815 por el físico francés JeanBaptiste Biot (College de France).
Pero quien hizo el descubrimiento de los isómeros llamados enantiómeros, que
presentan ciertas sustancias, fue el químico Louis Pasteur (Ecole Nórmale de Paris) en
1848. Para adquirir
26
Luz Marina Jaramillo Ph. D.
Depto. de Química
alguna experiencia en cristalografía, él estaba repitiendo el trabajo anterior de otro
químico sobre sales del ácido tartárico, cuando observó algo sorprendente: el tartrato de
sodio y amonio, aparentemente ópticamente inactivo, existía como una mezcla de dos
clases diferentes de cristales los cuales eran imágenes especulares entre sí.
Empleando una lupa y pinzas, separó la mezcla cuidadosamente en dos montículos
(unos
cristales izquierdos y otros derechos) como quien separa zapatos izquierdos y
derechos desparramados sobre un mostrador. Cuál no fue su sorpresa al descubrir que
mientras la solución de la muestra original de aquellas sales, era ópticamente inactiva,
cada grupo de cristales, una vez disueltos en agua era ahora ópticamente activo!
rotaciones de ambas soluciones eran iguales pero de signo contrario.
Las
En todas
las demás propiedades, ambas sustancias era idénticas.
Puesto que la diferencia en rotación óptica fue observada en solución, Pasteur
concluyó que no se trataba de una característica de los critales, sino de las
moléculas. Propuso que, al igual que los dos tipos de cristales, las moléculas que los
conformaban eran imágenes especulares entre si: acababa de descubrir el
fenómeno de la enantiomería.
Ejercicio 4.5
La concentración de colesterol disuelto en cloroformo es 6.15 g por 100 ml de solución.
a) En un tubo polarimétrico de 5 cm, una porción de esta solución produce una a
(rotación observada)
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Luz Marina Jaramillo Ph. D.
Depto. de Química
= -1.2°. Cuál es la rotación específica de colesterol? b) Pronostíquese α (rotación
observada), si la misma solución se colocara en un tubo de 10 cm.
Solución:
a)
c = 6.15 g/100 mL = 0.0615 g/mL
l = 0.5 dm
α = -1.2°
[α]D20 =
b)
39° =
-1.2
= - 39 º
0.0615 x 0.5
αfksdfjdsf
0.0615 x 1.0
=>
α = 39° x 0.0615 x 1.0 = - 2.4°
4.4.5 Mezcla Racémica
Una mezcla de partes iguales de cualquier par de enantiómeros se denomina mezcla
racémica o modificación racémica. Una mezcla racémica es ópticamente inactiva
es decir, no rota el plano de luz polarizada debido a que la rotación de cada
enantiómero es cancelada por la rotación igual y opuesta del otro.
Por supuesto que una solución de un compuesto aquiral también es ópticamente
inactiva pero el origen de esta inactividad es diferente.
Se usa el prefijo (±) para especificar la naturaleza racémica de una muestra en particular.
(En la literatura antigua se usaba el
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Depto. de Química
prefijo dl). Una muestra de gliceraldehído racémico por ejemplo se llamará (±) gliceraldehído y debe estar constituido por 50% de (+)- gliceraldehído, [α]D20 = +8.7º y
50% de (-)- gliceraldehído [α]D20 = -8.7°.
La coincidencia en la mayoría de las propiedades físicas de los enantiómeros tiene una
consecuencia de gran importancia práctica. No pueden ser separados por métodos
ordinarios:
no es
posible por destilación fraccionada, puesto que sus puntos de
ebullición son idénticos, ni por cristalización fraccionada, pues sus solubilidades en un
solvente determinado son idénticas (a menos que el disolvente sea ópticamente activo);
ni por cromatografía, porque son retenidos con igual firmeza por un
determinado
( a menos que sea ópticamente
activo) .
adsorbente
En consecuencia, la
separación de una modificación racémica en sus enantiómeros (o resolución de una
mezcla racémica representa una tarea especial y a veces, tediosa.
métodos de resolución de mezclas racémicas.
Existen varios
Se dice que la primera resolución
fue la efectuada por Pasteur (Sec. 4.4.4). Sin embargo, este método es prácticamente
inútil, puesto que las modificaciones racémicas raras veces forman cristales en forma
de imágenes especulares.
El método de resolución que casi siempre se emplea
(también descubierto por Pasteur) implica el uso de reactivos ópticamente activos y
se describirá mas adelante (Sec. 4.7.1).
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Luz Marina Jaramillo Ph. D.
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4.4.6 Pureza Óptica
La pureza óptica es la medida del exceso de un enantiómero sobre otro en una
muestra ópticamente activa. Un compuesto ópticamente puro es 100% de un
enantiómero. Una mezcla racémica es 0% en pureza óptica (ya que el 50% de un
enantiómero cancela la actividad óptica del 50% del otro enantiómero).
Por otro lado, una muestra ópticamente activa que contenga 75% de un enantiómero
dextrógiro ( + ) y 25% del levógiro (- ) será solamente 50% ópticamente pura. Esto
es: 25% del enantiómero ( + ) cancelará la actividad óptica del 25% del enantiómero ( - ),
quedando entonces un 50% del enantiómero (+) (75% - 25%) responsable de la
rotación neta del plano de la luz polarizada.
El porcentaje de pureza óptica se mide comparando la rotación específica de la
muestra, a aquella del estereoisómero puro o [α]max y aplicando la siguiente ecuación:
*
[α]Dt(ºC)Muestra
% Pureza Optica = ---------- ---------------------------- 100
[α]Dt(ºC)
(4.2)
Enantiómero Puro
Por ejemplo, para cada enantiómero del ácido lác t ico las rotaciones específicas a
15ºC son respectivamente:
Acido- (-) láctico
[α]D15ºC = -3.82º
Acido-(+)- láctico
[α]D15ºC = +3.82º
Entonces, una muestra de ácido láctico con 50% de pureza óptica produce una
rotación especifica de +1.91 o -1.91 (0.5 x 3.82) dependiendo de cuál enantiómero
está en exceso.
30
Luz Marina Jaramillo Ph. D.
Depto. de Química
Asumiendo que hay una relación lineal entre la rotación específica [α]
y la
concentración de los enantiómeros (lo cual es verdad para la mayor parte de los casos),
la pureza óptica es también igual al porcentaje en exceso de un enantiómero sobre el
otro:
% Pureza Optica = Porcentaje en exceso = [(+)] - [( - )] x 100
[(+)] + [( - )]
= %[(+)] - %[( - )]
(4.3)
Ejercicio 4.6
El
(+)-2- yodobutano tiene una rotación especifica: [α]D24ºC = 15.9º
a)
Cual
es
la
rotación
observada
α
(a
la
misma
temperatura)
de
una mezcla equimolar de (+) y (-)-2- yodobutano?
b)
Cuál es el porcentaje de Pureza Optica de una mezcla que es
25% (+) y 75% (-)-2- yodobutano
c)
Cuál es la rotación observada de esta mezcla?
Solución:
a)
Si
porque
es
la
una
mezcla
rotación
del
equimolar
50%
de
de
las
la rotación de la otra mitad de moléculas levógiras.
b) % Pureza Optica = 75%(+) - 25%(-) yodobutano
= 50% (+) -yodobutano
31
Luz Marina Jaramillo Ph. D.
Depto. de Química
los
dos
enantiómeros
moléculas
dextrógiras
α
=
0°
cancela
O sea que 25% de (-)-yodobutano cancela la rotación de 25% de ( +)-yodobutano
c) αobs = -0.5 x 15.9° = +7.95°
4.5 PROPIEDADES QUÍMICAS DE LOS ENANTIÓMEROS
Los enantiómeros tienen propiedades químicas idénticas, excepto frente a
reactivos ópticamente activos.
Así, los dos ácidos lácticos (+) y (-) –CH3-CH-COOH, no sólo son ácidos, sino que
OH
además, tienen la misma fuerza; es decir, disueltos en agua a concentraciones
iguales, ambos presentan el mismo grado de ionización. Los 2-metil-1-butanoles, no
sólo forman los mismos productos (alquenos) por tratamiento con ácido
sulfúrico caliente:
Sino que también los forman exactamente a la misma velocidad. Esto es bien
razonable, puesto que los átomos que sufren el ataque en cada caso se ven
influenciados en su reactividad por exactamente la misma combinación de
sustituyentes. El reactivo que se acerca a ambos tipos de molécula encuentra el
mismo ambiente, por supuesto que uno de ellos es la imagen especular del otro.
32
Luz Marina Jaramillo Ph. D.
Depto. de Química
En el caso especial de un reactivo que sea ópticamente activo, por el contrario, las
influencias ejercidas sobre él durante el ataque a los enantiómeros no son idénticos
por que la velocidad de reacción será diferente, en algunos casos tan diferente, que un
estereoisómero no reacciona del todo.
Por ejemplo,
en sistemas biológicos esta especifidad estereoquímica es mas bien
la regla que la excepción, puesto que las enzimas, los catalizadores de importancia
capital, y la mayoría de las sustancias sobre las que actúan, son ópticamente activos.
En otras palabras, casi cada compuesto orgánico que se encuentra en los organismos
vivos es enantiómero de un par.
Los alimentos y drogas deben tener las
configuraciones adecuadas a fin de ser útiles al organismo. Por ejemplo el azúcar
(+)-glucosa desempeña un papel de importancia extrema en
el metabolismo
animal y sirve de base para una industria de fermentación de grandes ingresos.
En contraste, la (-)-glucosa ni es metabolizada por los animales, ni es fermentada por las
levaduras. Un saborizante de carnes es la sal monosódica del aminoácido ácido (+)glutámico, la misma sal de su enantiómero no mejora el sabor de la carne ya que las
papilas gustativas no la reconocen.
Cuando el moho (microorganismo) Penicillum
olaucum se alimenta de una mezcla de ácidos tartáricos enantiómeros, sólo consume
el enantiómero
dextrógiro
dejando intacto el ácido tartárico levógiro.
La actividad
hormonal de la (-)-adrenalina natural es de 15 a 20 veces mayor que la de su
enantiómero dextrógiro.
33
Luz Marina Jaramillo Ph. D.
Depto. de Química
(+)-Glucosa
Acido- (+)- glutámico
Acido- (-) - tartárico
(+)- Carvona
(-)-Adrenalina
Como último ejemplo, el olor característico del aceite de menta verde se debe a la (-)carvona; pero la (+)-carvona es la esencia de la alcaravea.
Para comprender mejor la idea sobre la especificidad estereoquímica (estereoespecificidad)
considérense las reacciones de dos enantiómeros con un reactivo ópticamente
inactivo. En ambos casos, los reaccionantes tienen energía igual, o sea un
enantiómero, mas el reactivo, y el otro, mas el reactivo. Los dos estados de
transición de ambas reacciones son imágenes especulares (enantiómeros) así que
también tienen la misma energía.
En consecuencia, las diferencias en energías
entre
34
Luz Marina Jaramillo Ph. D.
Depto. de Química
Figura 4.18
Comparando los diagramas de energía para la reacción de cada
enantiómero de un compuesto ópticamente activo con un reactivo
ópticamente inactivo.
reaccionantes y estados de transición (las Eact) son iguales, como también la velocidad
de reacción.
Considérese, ahora, las reacciones de dos enantiómeros con un reactivo ópticamente
activo. Nuevamente, los reaccionantes tienen la misma energía. Sin embargo, los
dos estados de transición no son imágenes especulares (son diastereómeros Sec. 4.1.2),
por lo que son energéticamente diferentes: las Eact son distintas, como también las
velocidades de reacción.
El principio fundamental que se desprende de la discusión anterior es:
Los enantiómeros exhiben propiedades diferentes (físicas o químicas)
solamente en un medio quiral.
35
Luz Marina Jaramillo Ph. D.
Depto. de Química
Un medio quiral (asimétrico) puede ser entonces el reactivo ópticamente activo, que
reacciona a velocidades diferentes con los enantiómeros, como se mencionó arriba.
Pero también puede ser: un disolvente quiral el cual también diferenciaría la
solubilidad de determinado par de enantiómeros; o la superficie quiral de un catalizador;
o la luz polarizada que en su naturaleza íntima proporciona un ambiente asimétrico
para su interacción con los electrones de las moléculas quirales que es lo que produce
la actividad óptica.
4.6 CONFIGURACIÓN
El arreglo de cuatro átomos o grupos alrededor de un Átomo de
carbono quiral (o centro quiral) se denomina configuración absoluta
alrededor de aquel átomo.
No confunda configuraciones con conformaciones, las cuales son formas que surgen
de la rotación alrededor de enlaces.
La definición de configuración absoluta significa que un par de enantiómeros tienen
configuraciones opuestas. Por ejemplo los dos enantiómeros del gliceraldehído tienen
las configuraciones I y II
36
Luz Marina Jaramillo Ph. D.
Depto. de Química
Pero cuál de las fórmulas estructurales representa el enantiómero dextrorotatorio y cuál
el levorotatorio? Hasta 1951 los químicos no lo sabían!
Sin embargo, se sabía que el (+)-gliceraldehído y el ácido (-)-glicérico (2,3dihidroxipropanoico) tenían la misma configuración alrededor del carbono 2 aunque ellos
rotaban el plano de la luz polarizada en direcciones opuestas.
En otras palabras I ó II era dextrógiro y el que lo fuera tendría el OH al mismo lado
que el ácido glicérico levógiro. Aunque los químicos no supieran las configuraciones
absolutas de tales compuestos y de otros muchos, ópticamente activos podía hablarse
de configuraciones relativas de estos compuestos. Antes de 1951 las configuraciones
de compuestos ópticamente activos (especialmente de interés biológico) se habían
relacionado
al (+)-gliceraldehído
al
cual
Rosanoff (1986) le
había
asignado
arbitrariamente, la configuración de I (con el -OH a la derecha). Pero en 1951 J.
M. Bijvoet en la Universidad de Utrecht en Holanda demostró, a través de estudios con
difracción de
rayos
X,
Automáticamente quedaron
que
la
suposición de
confirmadas
todos aquellos compuestos relacionados al (+)-
37
Luz Marina Jaramillo Ph. D.
Depto. de Química
las
Rosanoff
era
correcta.
configuraciones absolutas para
gliceraldehído (I).
Debe recordarse que la dirección de rotación del plano de la luz polarizada por un
enantiómero particular es una propiedad física. Por otro lado, la configuración absoluta
de un enantiómero particular es una característica de su estructura molecular. No hay
relación simple entre la configuración absoluta de un enantiómero particular y su
dirección de rotación del plano de luz polarizada. Como se dijo, el enantiómero del ácido
glicérico (III) con la misma configuración que el (+)-gliceraldehído (I) es levógiro.
4.6.1 Especificación de la Configuración: Nomenclatura de Enantiómeros
Se dijo anteriormente que la rotación del plano de luz polarizada puede indicarse por los
signos (+) o (-). Sin embargo se requiere un sistema que indique la verdadera
configuración absoluta de la molécula alrededor de cada carbono o centro de quiral.
Se conocen dos convenciones para designar el par de enantiómeros de un
determinado compuesto quiral.
4.6.1.1 Sistema de nomenclatura D, L o Convención Fisher
Esta convención fue la primera conocida y emplea las letras mayúsculas D o L para
asignar uno de los dos enantiómeros. Para aplicarla se relaciona la configuración
en el centro
38
Luz Marina Jaramillo Ph. D.
Depto. de Química
asimétrico con a q u e l l a del estándar escogido por Fisher el gliceraldehído. El
designó el enantiómero dextrógiro (+) (que hoy sabemos su configuración absoluta)
con la letra D (mayúscula) y el enantiómero levógiro (-) con la letra L:
L-(-)-gliceraldehído
D-(+)-gliceraldehído
O sea que según la proyección Fisher el gliceraldehído que tenia el OH a la derecha era
el D y coincidencialmente resultó ser el dextrógiro. Al mismo tiempo aquel que tenía el
OH a la izquierda era el L.
Como el D-(+)-gliceraldehído (una aldotriosa) podía relacionarse químicamente al resto
de monosacáridos y otros compuestos de interés biológico ya que estos pueden
obtenerse a partir del gliceraldehído, resultaron las dos familias ópticas D y L. Así,
aquellos compuestos biológicos (monosacáridos, ciertos ácidos orgánicos, etc.) que
pertenecen a familia óptica D deberán presentar una configuración similar a la del D(+)-gliceraldehído (OH a la derecha) en el penúltimo carbono o último centro quiral, al
usar una proyección Fisher para representar la molécula.
Ejemplos
39
Luz Marina Jaramillo Ph. D.
Depto. de Química
Observe
que
los signos (+) o (-) que designan la
luz
polarizada
En
los ejemplos
centro quiral
no
que
se
b)
relacionan
y
determina
c)
las
si
del plano
letras mayúsculas
se encierra en un
rectángulo
el estereoisómero es el
40
Luz Marina Jaramillo Ph. D.
Depto. de Química
con
rotación
D
o el
D
el
L.
de
o
L.
último
Por otro lado todos los α-aminoácidos* excepto la glicina que es aquiral , pueden existir como
enantiómeros, los cuales pertenecen a una u otra de las familias ópticas D o L. Aquí, el
compuesto de referencia es el aminoácido serina:
L-(-)Serina
(+) -Serina
y la proyección Fisher (o de bolas y varillas) donde el grupo amino esté a la izquierda
representa el enantiómero L. En la naturaleza todos los α-aminoácidos obtenidos de la
hidrólisis de proteínas tienen la configuración L en el átomo de carbono α, y esta
configuración es la que corresponde a la proyección Fisher donde el grupo amino está a la
izquierda.
Ejercicio 4.7
Designar los siguientes compuestos de interés biológico como D o L:
_______________
* La letra griega α aquí, se refiere al carbono adyacente al grupo carboxilo y al cual está unido al
grupo amino.
41
Luz Marina Jaramillo Ph. D.
Depto. de Química
Ejercicio 4.8
Dibuje proyecciones Fisher para el par de enantiómeros D, L de los siguientes
compuestos:
4.6.1.2 Sistema (R) , (S) o Convención Cahn-Ingold-Prelog para Compuestos con
un Centro Quiral
Tres químicos, los profesores R. S. Cahn (Inglaterra), C. K. Ingold (Inglaterra) y V. Prelog
(Suiza) desarrollaron un sistema de nomenclatura sin ambigüedades para designar
enantiómeros y que adicionado al sistema IUPAC permitiría escribir su estructura
correcta a partir de este nombre. El sistema no depende de analogías subjetivas a
los sustituyentes de un estándar sino al criterio objetivo de los números atómicos.
Este sistema u tiliza las letras mayúsculas R y S para designar la configuración de
cada centro quiral (o carbono asimétrico) en una molécula quiral. A diferencia del
sistema D, L las letras R o S designan todos los centros quirales posibles en una
molécula y no solamente uno. La letra R procede del latín rectus, "derecha", mientras
que S procede del latin sinister. "izquierda". Si la molécula tiene solamente un carbono
quiral, un enantiómero será R y el otro S.
Para moléculas con dos o más centros quirales (Sec. 4.6.2) se
42
Luz Marina Jaramillo Ph. D.
Depto. de Química
tendrán distintas combinaciones de las letras R, S designando las configuraciones de
todos los centros quirales lo que origina varias parejas de enantiómeros.
Para asignar una configuración R, S a una molécula quiral con un solo centro quiral
se realizan las siguientes etapas:
Etapa 1
Ordéne los cuatro grupos (o átomos) unidos al carbono quiral, en orden de prioridad
según las reglas de secuencia de Cahn-Ingold-Prelog.
Estas reglas de secuencia se resumen en lo siguiente:
a) Si los cuatro átomos unidos al centro quiral son todos diferentes, la prioridad
depende del número atómico (Z):
El átomo con el mayor número atómico tiene la
mas alta.
prioridad
Por ejemplo, en el ácido cloroyodometanosulfónico (V):
b) Si dos átomos unidos al carbono quiral son idénticos pero hacen parte de grupos
sustituyentes diferentes, su orden de prioridad se establece de acuerdo a los números
atómicos de los
43
Luz Marina Jaramillo Ph. D.
Depto. de Química
átomos siguientes. Si estos átomos también están enlazados a átomos idénticos se
determina la prioridad en el primer punto de diferencia a lo largo de la cadena. Así
por ejemplo, el compuesto 2-butanol tiene un centro quiral en C-2 al cual están
unidos un átomo de H, un grupo -OH, un grupo, -CH2-CH3 y un grupo -CH3.
la mayor prioridad del grupo hidroxilo no tiene discusión puesto que el oxigeno tiene el
mayor número atómico. Entre el grupo etilo y el metilo la prioridad es para el grupo etilo
donde el átomo de carbono está unido a otro carbono y dos hidrógenos
, mientras que en el m e t i l o carbono está unido solamente a tres
hidrógenos
44
Luz Marina Jaramillo Ph. D.
Depto. de Química
Observe que el grupo clorometilo toma prioridad sobre el isopropilo aunque el últim o sea un
grupo mas ramificado. Pero basta con que al menos uno de los átomos siguientes al átomo unido
al centro quiral, tenga el número atómico mayor para que la prioridad del grupo quede definida.
Las dos reglas anteriores del sistema Cahn-Ingold-Prelog permiten hacer la designación R o S de
los compuestos que contienen sustituyentes con enlaces simples enlazados a un carbono quiral.
Para los compuestos quirales que contienen sustituyentes con enlaces múltiples es necesario
aplicar la regla siguiente.
c) Así, las prioridades de los grupos que contienen dobles o triples enlaces se asignan de tal
manera como si los átomos se duplicaran o se triplicaran.
Por ejemplo el grupo vinilo
-CH=CH2,
tiene mayor prioridad que el grupo isopropilo (-
CH(CH3>2)
45
Luz Marina Jaramillo Ph. D.
Depto. de Química
Esto es:
El grupo etinilo -C≡C-H tiene prioridad sobre el grupo tert-butilo:
Ejercicio 4.9
Ordene los siguientes átomos o grupos en orden de prioridad creciente (primero el
menor):
-NH2,
-H,
-CH3,
-CI
Ejercicio 4.8
a)
Muestre
el
orden
de
prioridad
de
los
siguientes
grupos
(de
menor a mayor)
b)
Entre
los
grupos
n-butilo
o
isobutilo,
cuál
tiene
mayor
prioridad?
Etapa 2
Una vez que se ha establecido la secuencia correcta de prioridad de los grupos se
continúa el proceso de asignar la configuración. Para ello proyecte la fórmula molecular (o
modelo) con el grupo
46
Luz Marina Jaramillo Ph. D.
Depto. de Química
menor hacia atrás (en la posición mas alejada del observador). Esto se hace a través
de un giro mental de la estructura o construyendo un modelo molecular de la misma
y ejecutando el movimiento real . Debe tenerse cuidado de no colocar
arbitrariamente los sustituyentes, porque esto podría cambiar la configuración verdadera.
Un
determinado
enantiómero
puede
visualizarse a través de muchas
proyecciones pero siempre será el mismo. De allí que es importante usar modelos y
representar sus proyecciones en el papel.
Seleccione el grupo que tiene mayor prioridad y desde allí dibuje una flecha curva en
dirección hacia el grupo que le sigue en orden descendente. El grupo de menor
prioridad que está hacia atrás no se tiene en cuenta.
Etapa 4
Si la dirección de la flecha tiene el sentido de las manecillas del reloj, la configuración es
R. Si la flecha tiene sentido contrario a las manecillas del reloj, la configuración es S. Se
ilustrará
el
procedimiento
completo
con
el
compuesto
ácido
cloroyodometanosulfónico (V) en cualquiera de sus dos configuraciones. Si usamos
primero una proyección de bolas y varillas tendremos:
47
Luz Marina Jaramillo Ph. D.
Depto. de Química
la flecha curva tiene la dirección en contra de las m a n e c i l l a s del reloj por tanto la configuración
es S.
El nombre completo de ese compuesto será entonces:
Acido (S)—cloroyodometanosulfónico (Va)
Ejercicio 4.11
Nombre sistemáticamente y asignando la configuración absoluta los siguientes enantiómeros:
Solución:
a) Etapa 1
Orden de prioridad de los grupos:
HO > -CH2CH3 > CH3 > H
48
Luz Marina Jaramillo Ph. D.
Depto. de Química
Etapas 2, 3, 4:
Ayuda: Haga modelos moleculares de la estructura original (con bolas de icopor y palitos
de madera), para que visualice el giro que coloca al grupo inferior hacia atrás.
b)
Etapa 1
Etapas 2, 3, 4
CHO
(R)-2,3-dihidroxipropanal
(R-(+)-gliceraldehído)
c)
Hágalo ud.?
Se advierte que las letras R, S tampoco se relacionan con el signo de la rotación
óptica.
En realidad, no es necesario que tengamos que representar siempre a los enantiómeros con
proyecciones de bolas y varillas, o que necesariamente deba realizarse el giro mental de
la fórmula molecular para que el grupo menor quede hacia atrás.
49
Luz Marina Jaramillo Ph. D.
Depto. de Química
La proyección
que usamos de bolas y varillas para el ácido
representarse también con una proyección Fis
Va puede
donde sabemos que los
sustituyentes en la línea vertical salen hacia atrás del plano del papel y aquellos
sobre la línea horizontal salen hacia adelante (Sec. 4.3.3, Fig. 4.6).
Como ya se sabe el orden de prioridad de los grupos, simplemente dibujamos la
flecha curva desde el grupo prioritario hasta el tercero en orden descendente pero
ignorando el grupo de menor prioridad (en este caso hidrógeno).
Según la dirección de esta flecha (en el sentido de las manecillas del reloj) se
trataría de la configuración R. Pero nosotros sabemos que el hidrógeno en esta
proyección está hacia adelante por tanto la configuración no es R sino S (la que
obtuvimos anteriormente).
Si por el contrario la proyección nos la hubiesen dado como:
La configuración es S ya que el hidrógeno está hacia atrás.
50
Luz Marina Jaramillo Ph. D.
Depto. de Química
Ejercicio 4.12
a)
Indique las designaciones R o S para cada uno de los siguientes compuestos y
nómbrelos correctamente:
b)
Represente
con fórmulas de bolas y
varillas
o
proyección Fischer los
siguientes compuestos ópticamente activos:
i)
acido ( R )-2-bromopropanoico
ii)
(S)- 3f4-dimetil-1-pentino
iii)
(S)-1-feniletilamina
Avuda:
Primero
escriba
la
fórmula
estructural
ignorando
la
configuración. Luego identifique el carbono quiral (o sea el que está unido a
cuatro grupos diferentes) y por último proyecte la fórmula de tal manera que el
sentido de la flecha produzca el enantiómero solicitado.
Solución:
51
Luz Marina Jaramillo Ph. D.
Depto. de Química
proyecciones:
Por el sentido de la flecha sería el enantiómero S pero el H está hacia adelante. Entonces es el
enantiómero R que nos pidieron.
Resuelva Ud, los otros dos!
4.4.1.2 Sistema R, S para Compuestos con dos o más Carbonos Quirales:
Diasteréomeros y Compuestos Meso
Hasta aquí todas las moléculas quirales que se han mencionado sólo contienen un átomo de
carbono quiral. Sin embargo, muchas moléculas orgánicas contienen más de un carbono quiral.
La molécula de glucosa (un carbohidrato) en su forma más simple contiene cuatro átomos de
carbono quirales.
Existe una regla útil que ayuda a determinar cuántos estereoisómeros se esperaría
encontrar en un compuesto semejante a este:
El número total de estereoisómeros para un compuesto ópticamente activo no
excederá a 2n, donde n es el número de centros quirales.
52
Luz Marina Jaramillo Ph. D.
Depto. de Química
Si hay dos centros quirales, entonces pueden existir hasta cuatro estereoisómeros (22 =
4), si hay tres centros, serán hasta ocho estereoisómeros (23 = 8 ) , si hay cuatro
centros como en la glucosa existirán hasta dieciséis (24 = 16). Efectivamente en la
química de los carbohidratos se conocen todos estos aldohexosas y son nombres
familiares: glucosa, lactosa, manosa, gulosa , etc.
Empezaremos el estudio de las moléculas que contienen mas de un centro quiral con un
compuesto cuyas moléculas contienen dos átomos de carbono quirales, el 2,3pentanodiol:
Si aplicamos la regla de 2 , tendremos 4 estereoisómenos. Cuáles son?
Se empieza escribiendo una fórmula de bolas y varillas (o proyección Fischer) y
después la de su imagen de espejo.
VIlla
VIIIb
Empleando modelos podríamos construir primero la estructura VIlla y luego su
imagen especular VIIIb y se prueba si son superponibles. (También podemos hacerlo
mentalmente con los
53
Luz Marina Jaramillo Ph. D.
Depto. de Química
dibujos pero sin sacarlos del plano del papel o del tablero). Encontraremos que estas
estructuras
no
pueden
superponerse,
por
tanto,
representan
diferentes
estereoisómeros que llamamos enantiómeros porque son imágenes de espejo entre sí.
También es posible escribir otras dos estructuras IXa y IXb que son también imágenes
especulares, y en los cuales los grupos hidroxilo están en posiciones opuestas.
Las estructuras IXa) y IXb) representan otro par de enantiómeros y ya tenemos los
4 estereoisómeros posibles del 2,3—pentanodiol .
Cuál será la relación estereoisomérica entre V I l l a y IXa; VIIIb y IXb; VIlla) y VlIIb);
V l I I b y IXa?
Si se comparan bien estos estereoisómeros se observa que no son superponibles pero
tampoco son imágenes de espejo. Son por tanto diastereómeros ( Sec. 4.1.2).
Ya se dijo que un compuesto con n. carbonos quirales tienen un máximo de 2n
estereoisómeros, pero puede tener menos de esa
54
Luz Marina Jaramillo Ph. D.
Depto. de Química
cantidad.
Considérese el compuesto 2,3-butanodiol :
Tiene dos centros quirales y esperaríamos cuatro estereoisómeros. Dibujemos primero las
proyecciones donde los dos -OH están del mismo lado:
Si construyéramos modelos de Xa y de Xb y los hacemos superponer entre sí,
encontraremos que sí lo hacen! o sea que Xa y Xb son el mismo compuesto.
Esta confirmación también podemos efectuarla, si giramos 180º la proyección de Xb y la
comparamos con Xa:
Cómo es posible entonces que las imágenes especulares con dos carbonos
quirales se puedan superponer? La respuesta es que al
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Luz Marina Jaramillo Ph. D.
Depto. de Química
menos en una orientación esta molécula tiene un plano interno de simetría. La mitad
"superior" de la molécula es la imagen especular de la mitad "inferior". Puede decirse que una
mitad de la molécula cancela la quiralidad de la otra mitad y viceversa. Por lo tanto, la molécula
en conjunto es aquiral y no produce rotación del plano de la luz polarizada.
Un estereoisómero que contiene carbonos quirales pero que puede
superponerse a su imagen especular, se denomina un compuesto meso.
La orientación de la estructura X es el compuesto meso-2,3-butanodiol . Pero el 2,3butanodiol todavía puede existir en otras dos orientaciones con los dos OH en direcciones
opuestas):
Si giramos Xlb 180º y la comparamos con Xla se observa que no son superponibles:
56
Luz Marina Jaramillo Ph. D.
Depto. de Química
Por tanto el compuesto 2,3-butanodiol se presenta como tres estereoisómeros la forma
meso X y el par enan tiómeros XIa y XIb.
Es bueno hacer notar que al escribir las fórmulas para esta clase de compuestos debe
representarse la cadena mas larga de carbonos en una orientación vertical (sea con las
fórmulas de bolas y varillas o las proyecciones Fischer).
conformaciones son eclipsadas.
representan.
Por otro lado las
Esto permite comparar mejor las estructuras que se
Sin embargo, al seguir este procedimiento, debe recordarse que las
moléculas pueden girar en su totalidad y que a temperaturas normales los grupos
que
están enlazados por uniones simples giran con toda libertad.
Si
las
rotaciones de la estructura misma, o las rotaciones de los grupos unidos por enlaces
sencillos hacen que una estructura se pueda superponer con otra, entonces estas
estructuras no representan compuestos diferentes:
por el contrario representan
diferentes orientaciones o diferentes conformaciones de las moléculas del mismo
compuesto.
Para finalizar con esta sección se asignará la configuración R o S a los centros quirales
de algunos de los estereoisómeros mencionados.
Escogemos para ello los estereoisómeros: VIlla, IXb y Xla
57
Luz Marina Jaramillo Ph. D.
Depto. de Química
En los tres compuestos los carbonos quirales son C-2 y C-3. Se aisla mentalmente cada
uno, se establece la prioridad de los grupos unidos a él, se traza la flecha curva y se asigna
la letra. Si el grupo menor esta hacia adelante se cambia la letra.
Para VIlla:
- La prioridad de los grupos enlazados a C-2 es:
- La prioridad de los grupos enlazados a C-3 es:
El nombre completo del compuesto V I l l a sería: (S,R)-2,3- pentanodiol.
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Luz Marina Jaramillo Ph. D.
Depto. de Química
Habiendo asignado las configuraciones para uno de los estereoisómeros del 2,3pentanodiol, es tarea fácil asignar las de los estereoisómeros restantes, basta comparar
cada carbono quiral con aquellos de V I l l a y observar si los grupos tienen la misma
orientación o si es contraria:
Asi IXb se llamará: (R,R)-2,3-pentanodiol .
Para XIa es necesario repetir el proceso. Compruebe que se trata del (S,S)-2,3butanodiol.
Toda la discusión anterior puede extenderse a compuestos con un mayor número de
centros quirales.
Ejercicio 4.13
Escriba proyecciones Fischer de todos los estereoisómeros de cada uno de los siguientes
compuestos:
a)
CH3CH(Br)CH<Cl>CH3
b)
HOOC-CHC(OH)CH<(OH)-COOH -
c)
CH3CH(OH)CH(OH)CH(OH)CH3
d)
En las respuestas a los incisos b) y c) indique los pares de enantiómeros y los
compuestos meso.
Ejercicio 4.14
Identifique cada par de moléculas de los numerales siguientes como isómeros
constitucionales, enantiómeros, diastereómeros, confórmeros.
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f) Cuáles de los que pueden llamarse diastereómeros son también isómeros geométricos?
Ejercicio 4.15
Nombre correctamente por la IUPAC y
compuestos:
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usando el sistema
R,
S
los
4.7
ESTEREOQUÍMICA DINÁMICA
i
La
estereoquímica dinámica se refiere al estudio de
las reacciones químicas
donde participan estereoisómeros ya sea porque se generan centros quirales desde
moléculas reactantes aquirales, o porque participan moléculas ópticamente activas
rompiendo o no sus enlaces a carbonos quirales.
A menudo es necesario conocer
pormenorizadamente la estructura espacial de una molécula reaccionante para predecir o
explicar mediante un mecanismo conocido el posible producto estereoisomérico o
productos estereoisoméricos que se forman.
Otras veces,
por el contrario de un
conocimiento de la estructura estereoquímica del (de los) producto(s) puede inferirse
el verdadero
curso mecanístico de la reacción y así el estudio estereoquímico de la
misma constituye una evidencia o soporte experimental para formular el mecanismo
mas probable de esa reacción.
También dentro de la estereoquímica dinámica se estudian los procedimientos para
resolver mezclas racémicas o
sea la separación de un par de enantiómeros que
resultan en una determinada reacción.
Una comprensión profunda de la química orgánica implica estudiar estereoquímicamente
la reacción orgánica siempre que participen moléculas quirales. Por otro lado, la penetración
cada vez mayor en la Biología Molecular o la Química de las reacciones biológicas
donde casi todos los procesos implican compuestos ópticamente activos, ha
proporcionado luces para mimetizar en el laboratorio algunas de estas reacciones. Los
químicos no se
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contentan ya con generar ciertas moléculas quirales como mezclas racémicas para
luego resolverlas y obtener el estereoisómero de interés sino que su objetivo principal es
diseñar reacciones con catalizadores quirales que garanticen la mayor producción de un
estereoisómero dado.
No es de la incumbencia de este curso llegar a tal manejo de la estereoquímica pero sí
debe quedar claro que la estereoquímica es un aspecto de la química muy fundamental
y debe tenerse algún conocimiento de ella.
4.7.1 Resolución de una Mezcla Racémica (Opcional)
La. separación física en el laboratorio de una mezcla racémica en los enantiómeros puros,
se llama resolución de, o resolver la mezcla racémica. La separación de Pasteur
(Sec. 4.4.4) del tartrato de sodio y amonio racémico fue una resolución de esa
mezcla. Es muy raro que los enantiómeros cristalicen separadamente; por lo tanto, el
método usado por Pasteur no se puede considerar como un método general de
resolución.
El procedimiento mas útil para la separación o resolución de un par de enantiómeros se
basa en permitir que la modificación racémica reaccione con un solo enantiómero de
algún otro compuesto. Mediante esta reacción la modificación racémica se convierte en
una mezcla de diastereómeros los cuales por tener propiedades físicas diferentes
(Sec. 4.1.2) pueden separarse por métodos físicos convencionales como destilación,
cristalización fraccionada, cromatografía, etc.
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Supóngase que se desea resolver la modificación racémica de un ácido orgánico: (R)RCOOH + (S)-RCOOH. Como es sabido, un ácido carboxílico al reaccionar con una
amina produce una sal de acuerdo a la reacción:
Si hacemos reaccionar la mezcla racémica del ácido carboxílico con el enantiómero de
una amina tal como (S)-R'N2 se producirá un par de sales diastereoméricas: la sal de la
amina del ácido (R) y la sal del ácido (S), como se muestra en la Fig. 4.11
Figura 4.11 Resolución de la modificación racémica de un ácido orgánico
Como se observa en la Fig. 4.11 al final del proceso la sal se trata con ácido mineral
acuoso, para precipitar el ácido
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orgánico, mientras que la amina en su forma cloruro de alquilamonio (S) -R'NH3Cl pasa a la fase acuosa.
Entre las aminas quirales mas comúnmente usadas se encuentran la quinina, la estricina, y
la brucina de origen natural y la anfetarina que existe comercialmente como enantiómero puro.
A su vez una mezcla racémica de aminas (que son bases orgánicas) puede resolverse
empleando uno de los enantiómeros del ácido tartárico.
Por último, otros compuestos racémicos que no son ni ácidos ni bases se resuelven
uniéndoles primero una parte ácida. Por ejemplo, un alcohol racémico puede
reaccionar con un anhídrido de ácido, cíclico para obtener un producto que es al mismo
tiempo un éster y un ácido.
Este ácido racémico ya es posible convertirlo a una mezcla de sales diastereoméricas
por reacción con una amina ópticamente
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activa.
Las sales se separarían y se convertirían nuevamente
a los ácidos
enantioméricos como se describió en la Fig. 4.11.
Para recobrar los alcoholes se hace reaccionar cada ácido enantiomérico con
NaOH (ac.) para saponificar el éster de acuerdo a la reacción:
Ejercicio 4.15
El
ácido
(±)-láctico ( p . 4 0 )
reacciona con
el
(S)-(-)-2-metil-1-butanol
produciendo una mezcla de ésteres.
a)
Escriba
las
fórmulas tridimensionales
b)
Cuál es la relación estereoquímica entre ellos?
c)
Podrían separarse
d)
Podría utilizarse esta reacción como base para resolver el ácido (±)-láctico?
e)
Si es así, cómo podrían obtenerse los enantiómeros del ácido láctico?
los
estos
ésteres.
ésteres por d e s t i l a c i ó n fraccionada?
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de