Isomería Geométrica

ISOMERIA DE COMPUESTOS ORGANICOS:
ESTEREOISOMERIA: ISOMERIA GEOMETRICA ( 2º parte ). ISOMERIA OPTICA.
ISOMERIA GEOMÉTRICA ( 2º PARTE ).
1.
Nomenclatura configuracional en sistemas cis-trans.
En el Trabajo Práctico anterior se estudió cómo se asigna la nomenclatura configuracional más
simple, en moléculas que presentan isomería geométrica; sin embargo, muy frecuentemente se encuentran
sustancias a las que no resulta de muy inmediata aplicación la distinción vista. Por ejemplo, el 2-cloro-1propenotiol: ¿Puede asignarse configuración cis, o tal vez es trans? Para eliminar este tipo de
ambigüedades, fue desarrollado un sistema de nomenclatura configuracional conocido como
“Configuración según la Regla de la Secuencia” o “Método de Cahn, Ingold y Prelog” como homenaje a
los científicos a quienes se debe.
i. La Regla de Secuencia:
Consiste en asignar una jerarquía a cada sustituyente del sistema en estudio. Esta se establece,
para los distintos elementos químicos, de acuerdo con los números atómicos respectivos (a mayor número
atómico, mayor jerarquía). Pueden ordenarse los elementos más comunes:
H
C
N
O
F
S
Cl
Br
I
jerarquía creciente
Si con lo visto arriba ya pueden ordenarse los sustituyentes (según su importancia o jerarquía) se
pasa a aplicar la Regla; pero puede suceder que para dos -o más- sustituyentes, el átomo directamente unido
al sistema en estudio sea del mismo elemento: Por ejemplo, si son sustituyentes un metilo y un etilo (en
ambos el átomo directamente unido es C). Entonces, vuelve a aplicarse la secuencia sobre los átomos
unidos a los anteriores.
Ejemplo:
Sustituyentes:
F
Cl
H
C
H
H
H
C
H
H
C
H
H
La aplicación de la secuencia otorga el siguiente orden de jerarquía para los átomos que se unen
directamente:
Cl
F
C del -CH3 o C del -C2H5
Para decidir entre metilo y etilo se comparan los átomos que cada carbono lleva unidos: Para el
metilo, tres H; para el etilo, dos H y un C; lo que da una diferencia neta de: un C (etilo) vs. un H (metilo).
Queda así establecido el orden: -Cl , luego -F ; a continuación -C2H5 y por último el -CH3.
El procedimiento se aplica hasta ordenar todos los sustituyentes.
En caso de sustituyentes con doble enlace, se consideran dos uniones simples (Consultar 3.ii).
1
ii Aplicación de la Regla de Secuencia:
Para aplicarla a enlaces con rotación impedida (enlaces dobles, ciclos, etc) se determina,
sobre cada uno de los átomos de C del enlace doble, cuál de los dos sustituyentes tienen mayor prioridad.
Así quedan seleccionados dos sustituyentes (uno para cada uno de los átomos de C).
Si los grupos seleccionados se hallan del mismo lado del doble enlace (o del mismo lado
del plano del anillo), el símbolo asignado para esa configuración es Z (también, aunque menos frecuente,
seq-cis: “seq-“de “sequence” ). Si los sustituyentes seleccionados están a ambos lados del doble enlace, el
símbolo configuracional es E (también seq-trans).
Ejemplos:
H3C
H3C
SH
C
C
Cl
H
C
C
Cl
H
SH
(Z)
(E)
La nomenclatura completa para estas dos sustancias, atendiendo a su configuración, será,
respectivamente:
(E)-2-cloro-1-propenotiol
(Z)-2-cloro-1-propenotiol
2.
Nomenclatura configuracional para ciclos polisustituidos.
La orientación de cada sustituyente debe ser referida a uno de ellos, que es el sustituyente del
carbono-1.
Ejemplo:
cis-3, cis-5-dimetilciclohexan-r-1-ol
H
H
H
H
H
“r-” indica el sustituyente que se toma
como referencia; r-1 indica que la
referencia es el sustituyente de C-1.
OH
CH3
H
H
H
H
CH3
Si no se conoce la orientación del sustituyente del C-1, se toma como referencia al C del ciclo
que posee menor numeración, y está sustituido.
Ejemplo:
H
H
OH
H
H
CH3
H
H
r-3, cis-4-dimetilciclohexanol
“
OH ” indica que no se conoce la
orientación de ese grupo.
H
CH3
H
2
ISOMERIA OPTICA.
1
Introducción y generalidades
La Isomería óptica se presenta en las sustancias que poseen asimetría molecular; pero la asimetría
no es una condición necesaria para que la molécula exhiba actividad óptica: Existen moléculas con algún
elemento de simetría, que son ópticamente activas. Tal es el caso del ácido tartárico, que posee un eje
simple de simetría (no es una molécula asimétrica). Es por ello que se habla de “molécula quiral” y se
define como aquella que no se puede superponer con su imagen en un espejo”.
Los isómeros ópticos tienen igual composición e igual constitución; pero difieren entre sí en la
configuración alrededor de un centro asimétrico o quiral.
Un centro asimétrico o quiral tiene generalmente cuatro grupos o átomos diferentes a, b, c, y d en
torno a él. (fig. 1).
d
C*
a
c
b
Cuando el centro quiral es un átomo de C se le llama
“carbono asimétrico”y se anota C∗ .
Cuando una molécula tiene un átomo asimétrico,
es posible, mediante un intercambio de sustituyentes,
construir otra molécula, que resulta ser “imagen especular”
de la primera; no pueden superponerse una con la otra
(se dice que son “no superponibles”).
Las dos sustancias cuyas moléculas son imágenes especulares no superponibles, se llaman
enantiómeros o enantiomorfos ; son sustancias capaces de desviar el plano de un haz de la luz polarizada. A
esta propiedad se la conoce con el nombre de “actividad óptica”. La medida de esta propiedad se realiza en
un aparato llamado "Polarimetro".
Ejemplo:
COOH
COOH
HO
C*
CH3
H
H
C*
OH
Acido láctico
CH 3
Esta es la representación en el plano de las moléculas de los dos enantiómeros del ácido láctico;
el asterisco indica el centro asimétrico que genera la quiralidad de la molécula.
Los enantiómeros presentan idénticas propiedades químicas, e iguales propiedades físicas, salvo
la dirección en que hacen girar el plano de la luz polarizada; a igual concentración de enantiómero, la
magnitud de dicha desviación es exactamente igual, la diferencia está en el signo de la rotación.
Cuando la sustancia hace girar al plano de polarización de la luz en el sentido de las agujas del
reloj (observando el haz de luz emergente) se da a la rotación signo positivo: ( + )- , o se indica que es
dextrógira o dextrorrotatoria: ( d )- . Si el plano de la luz polarizada es girado en sentido inverso al de las
agujas del reloj, se indica que tiene signo negativo: ( - )- , o que es levógira o levorrotatoria: ( l )- . El
instrumento usado para medir las rotaciones ópticas se llama polarímetro.
El valor en grados de la rotación óptica de una sustancia, al realizar la medición en el polarímetro,
depende de la longitud de onda de la luz empleada ( λ ), de la temperatura ( T ) y de la concentración de la
sustancia a medir ( c ).
Por ello, cuando se expresa el valor de la rotación de un compuesto, se lo hace como la rotación
específica de la sustancia (designada como α):
rotación medida en grados
Šα‹=
longitud de la muestra atravesada (b). Concentración ( g/ml)
3
Ejemplo:
CH3
CH3
H
C
OH
HO
H
C6 H5
H5 C6
27
[α ]
C
27
= +42,9
[α ]
D
= - 42,9
D
dextrógiro, (d)- o (+)-
levógiro, (l)- o (-)
Dado que los enantiómeros puros poseen rotaciones específicas iguales y de signo contrario, dos
enantiómeros mezclados en igual proporción molecular, anulan mutuamente su actividad óptica. A dicha
mezcla se la denomina mezcla racémica, o racemato, o modificación racémica, designandose (dl)- o (±)- .
La separación de los enantiómeros de una mezcla de ambos se denomina resolución del racemato.
Cabe consignar que si bien los enantiómeros poseen las mismas propiedades químicas y físicas,
difieren en sus propiedades biológicas.
2
Representación y nomenclatura configuracional de moléculas quirales.
i Regla de Fischer:
En 1891, Emil Fischer propuso una convención para designar relaciones de configuración. Según
ésta, la molécula debe orientarse en la forma siguiente:
a)
La cadena de átomos de C se dispone verticalmente.
b)
El átomo de C más oxidado se sitúa en el extremo superior.
c)
El átomo de C asimétrico se coloca en el plano de proyección (el plano del papel).
d)
Los grupos superior e inferior quedan detrás de dicho plano.
e)
Los grupos a derecha e izquierda del C asimétrico se inclinan por encima de dicho plano, y el
grupo más importante determina la configuración correspondiente, que se designa D- o L- , según dicho
grupo se encuentre a la derecha o a la izquierda del C asimétrico, respectivamente.
f)
La proyección de la molécula sobre el plano tiene forma de cruz.
Ejemplo:
COOH
COOH
COOH
COOH
HO
C
H
HO
H
H
CH3
CH3
C
CH3
ácido L-láctico
OH
H
OH
CH3
ácido D-láctico
Los dos isómeros ópticos del ácido láctico son enantiómeros entre sí, es decir, que son imágenes
especulares no superponibles. La única propiedad física que los diferencia es que uno desvía la luz
polarizada a la derecha (dextrógiro) y el otro la desvía hacia le izquierda (levógiro).
En este punto conviene destacar que nada tiene que ver la notación D-L (configuración) con (d)-(l)
(rotación de la luz polarizada).
Usando este tipo de representación, las fórmulas pueden girarse en el plano de proyección (del papel), en
180º. Si el giro fuera de 90º, no se obtiene la misma fórmula sino la del enantiómero.
En otras palabras: un número par de intercambios de grupos, mantiene la configuración original, mientras
que un número impar cambia la configuración (se obtiene el otro enantiómero).
4
Hasta este punto los ejemplos desarrollados contenían sólo un carbono asimértrico. Al aumentar el número
de C asimétricos, aumenta el número de estereoisómeros posibles. Si la molécula es de cadena abierta, el
n
número de estereoisómeros es de 2 , donde n es el número de C asimétricos.
Ejemplo:
CH3
H
C
OH
H
C
C6H5
CH3
CH3
CH3
HO
C
H
HO
C
H
H5C6
C
H
H
C
C6H5
CH3
(1)
H
C
OH
H5C6
C
H
CH3
CH3
CH3
(2)
(3)
(4)
3-fenil-2-butanol
El estereoisómero (1) es enantiómero de (2) y (3) lo es de (4), pues entre ambos pares existe la relación de
objeto a imagen especular no superponible.
Por otra parte, la relación entre (1) y (3), al igual que entre (2) y (4), donde ambos isómeros tienen igual
configuración en uno de los C asimétricos, pero diferente configuración en el otro, se denomina
diasteroisomería. Los diasteroisómeros no guardan entre sí la relación de imagen especular no
superponible, y además difieren en varias de sus propiedades físicas y químicas.
n
Pese a la fórmula indicada de 2 para el número de isómeros posibles, frecuentemente hay excepciones, tal
como ocurre en el ácido tartárico donde la molécula tiene cierta simetría propia, de allí que no se cumple
para cierto número de isómeros.
COOH
HO
C
H
H
C
OH
COOH
(1)
ác. D-tartárico
COOH
COOH
COOH
H
C
OH
H
C
OH
HO
C
H
HO
C
H
H
C
OH
HO
C
H
COOH
COOH
(2)
(3)
ác. L-tartárico
COOH
(4)
ácido mesotartárico
n
Se conocen solo tres estereoisómeros, en vez de los cuatro esperables (2 ). Las estructuras (3) y (4) resultan
ser iguales, lo que puede comprobarse girando cualquiera de las dos 180º y comparándola con la otra. Este
isómero, representado por (3) o por (4) se llama forma meso y carece de actividad óptica. Esta molécula
tiene un plano de simetría transversal, que corta al enlace C(2)—C(3).
Para nombrar, según la regla de Fischer, los estereoisómeros de los compuestos orgánicos con más de un
carbono asimétrico en sus moléculas, se toma la configuración de D-L según sea la posición del
sustituyente del C asimétrico mas alejado del C uno. Este es el caso del ácido tartárico, o de los azúcares
que veremos más adelante.
ii Regla de la Secuencia (de Cahn, Ingold y Prelog):
La regla se aplica de la siguiente manera:
• Los átomos que rodean al centro asimétrico se ordenan según su jerarquía; si el ligado al centro quiral es
un grupo de átomos, el que se tiene en cuenta para determinar la prioridad es el átomo que se le une
directamente.
5
-SO3H > -OH > -NH2 > -CH3
• En el caso de que dos o mas átomos unidos al centro quiral tengan el mismo número atómico, se estudia
la prioridad sobre los átomos unidos a aquellos.
C-I > C-Br > C-Cl >.....> C-O > C-N > C(CH3)3 > CH(CH3)2 > CH2CH3 > CH3
• En el caso de sustituyentes con enlace doble, se consideran dos uniones simples en cada extremo del
enlace. Por ejemplo, el grupo formilo tiene prioridad sobre el grupo hidroximetil:
H
C
O
=
H
C OH
H
H
C O
(O)
• Planteados los aspectos señalados, se observa la molécula quiral, dirigiendo el sustituyente de menor
jerarquía hacia atrás, más lejos del observador. Se ve luego si, según prioridad decreciente, al recorrer los
sustituyentes se describe un giro en la dirección de las agujas del reloj, o en dirección contraria. En el
primer caso, se asigna configuración R (rectus = derecha). En el segundo caso, la configuración es S
(sinister = izquierda).
Ejemplo :
CH3
H3 C
C
H2 N
C H
H
H2 N
Cl
(R)-1-cloroetilamina
Cl
NH2
H
C
C H
Cl
(S)-1-cloroetilamina
H3C
H3C
H2N
Cl
Con el fin de hacer más práctica la aplicación de esta regla, se puede presentar la molécula
quiral de acuerdo con las normas de Fischer, y colocando el grupo de menor prioridad en el extremo
inferior de la proyección. Para lograr esta disposición se efectúa un número par de cambios de grupos.
Ejemplos:
CHO
OH
dos intercambios
H
C
OH
HO-CH2
CH2-OH
C
CHO
H
D-gliceraldehido
(R)-gliceraldehido
6
(R)-
CHO
CHO
dos intercambios
HO
H
C
HO-CH2
CH2-OH
C
(S)-
OH
H
L-gliceraldehido
(S)-gliceraldehido
En caso de poseer la molécula más de un C asimétrico, se procede de igual forma, teniendo en
cuenta la regla de secuencia, pero utilizando, en general, la Regla de Fischer directamente. Se antepone al
símbolo configuracional R o S el número de C involucrado.
Ejemplo: ácido tartárico. Secuencia: -OH > -COOH > -CH(OH)COOH > H
COOH
H
C
OH
HO
C
H
COOH
ácido (2R,3R)-tartárico
(s/ Fischer: ácido L-tartárico)
COOH
COOH
HO
C
H
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
COOH
COOH
ácido (2S,3S)-tartárico
(s/ Fischer: ácido D-tartárico)
ácido (2R,3S)-tartárico
(s/Fischer: ácido meso-tartárico)
Finalmente, conviene recordar que tanto las notaciones D-L (según Fischer) como R-S (según la
regla de secuencia) sirven para designar configuraciones, sin especificar si el estereoisómero es dextrógiro
o levógiro a la luz polarizada.
La configuración absoluta puede determinarse en forma directa solamente por análisis de
difracción de Rayos X del compuesto, procedimiento relativamente complejo. Sin embargo, puede también
llegarse a la configuración absoluta por correlación química (transformación de un compuesto en otro, sin
que se afecte la quiralidad original) con el D-(+)-gliceraldehído, cuya configuración absoluta fue
determinada por métodos de difracción (Bijvoët, 1951), confirmando la configuración que le fuera asignada
por Fischer mucho antes.
7
Trabajo Practico N° 4
ESTEREOISOMERÍA
parte II: ISOMERÍA ÓPTICA
Cuestionario
Temario: Estereoisomería. Actividad óptica. Rotación específica. Carbono quiral
y molécula quiral. Enantiómeros. Diastereómeros. Mezcla racémica. Fórmulas
de proyección de Fisher. Regla de Secuencia. Anómeros. Epímeros. Series L y
D.
Bibliografía:. - William H. Brown, "Introducción a la Química Orgánica".
Compañía Editorial Continental, México, 2002. -H. Hart; D. J. Hart, L. E.
Craine, „Quimica Orgánica“, McGraw-Hill Interamericana, 5ta ed. 1995, México
- Guía de Trabajos Prácticos - Clases teóricas.
Con ayuda de los moldelos:
1) Defina los siguientes términos: carbono quiral, enantiómeros, molécula quiral, mezcla
racémica. (Emplee para ello modelos de ejemplos sencillos)
2) Explique que significa que una sustancia presente actividad óptica. ¿Qué es la rotación
óptica de un compuesto ópticamente activo?¿Qué es la rotación específica y cómo se
simboliza? Ejemplifique.
3) Indique en los siguientes ejemplos cuáles son moléculas quirales, y en ese caso, marque con
un asterisco el centro quiral. Nómbrelos según IUPAC:
a)
CH3
b)
CHBr
H CBr
C H3
c)
CH3
H2N
CH
H3C
O
C
OH
C
CH3
CH3
d)
H
Cl
Cl
H
H
4) Indique mediante un ejemplo que es un compuesto meso.
5) Aplique la Regla de Cahn, Ingold y Prelog o Regla de secuencia para determinar la
configuración de los carbonos asimétricos del ácido 2-hidroxipropanóico (ácido láctico) y del
2,3-dihidroxipropanal (gliceraldehido).
6) Defina el término configuración. Indique que es la Regla de Fischer; aplíquela para
determinar la configuración de los enatiómeros de la glucosa, del ácido láctico y del
gliceraldehido.
7) Explique que simboliza con las siguientes nomenclaturas: D; L; d; l; (dl); +.
8
8) Escriba los enantiomeros y diasteromeros del acido 3,4-dihidroxihexanodioico. Indique
cuales presentan actividad óptica. Justifique.
Quimica Orgánica
Isomería II -- Ejercicios Adicionales
1 Escribir las fórmulas configuracionales de los estereoisómeros del ácido 2-metilcrotónico
(ácido 2-metil-2-butenoico).
2 Dibujar las fórmulas configuracionales de:
a. (E)-cicloocteno.
b. ácido oleico (ácido cis-9-octadecenoico).
c. ácido elaídico (ácido trans-9-octadecenoico).
d. ácido (2E,4Z)-2,4-hexadienoico
e. (E)-metil etil cetoxima
3 Indicar la configuración de cada C asimétrico; el nombre completo, atendiendo a la
configuración (según Fischer y Secuencia), y el número de estereoisómeros teóricamente
esperables para :
a)
CHO
CH2-Br
b)
H
C
OH
H
C
NH2
HO
C
H
H
C
NH2
H
C
OH
H
C
OH
CO-NH2
c)
H
C
Cl
CH2
CH2-Br
COOH
CH3
d)
H
C
NH2
H
C
H
C=O
CH3
CH2-OH
9