UNIDAD 3: ESTEREOQUÍMICA CONTENIDO OBJETIVOS

QUÍMICA ORGÁNICA
CLASE # 13
UNIDAD 3: ESTEREOQUÍMICA
CONTENIDO
Estereoquímica
OBJETIVOS
1. Relacionar el fenómeno de la
Quiralidad
estereoquímica y actividad óptica
Centro quiral / Centro asimétrico
en moléculas orgánicas.
Enantiomeros
2. Describir el fenómeno de la
Polarímetro
estereoquímica y actividad óptica
Actividad óptica.
en moléculas orgánicas.
Luz polarizada plana
3. Expresar interés por demostrar la
Rotación específica
importancia de conocimientos
Diasterómeros
relativos a moléculas ópticamente
Estructuras Meso
activas de gran incidencia en los
organismos vivos.
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1. Estereoquímica
La estereoquímica es el estudio de los compuestos orgánicos en el espacio. Para
comprender las propiedades de los compuestos orgánicos es necesario considerar
las tres dimensiones espaciales. Las bases de la estereoquímica fueron puestas por
Jacobus van’t Hoff y Le Bel, en el año 1874. De
forma independiente propusieron que los
cuatro sustituyentes de un carbono se dirigen
hacia los vértices de un tetraedro, con el
carbono en el centro del mismo.
En general a las moléculas que se diferencian por la disposición espacial de sus
átomos, se les denomina estereoisómeros.
2. Estereoisómeros
Es un isómero que tiene la misma fórmula molecular, también la misma secuencia
de átomos enlazados, con los mismos enlaces entre sus átomos, pero difieren en la
orientación tridimensional de sus átomos en el espacio. Se diferencian, por tanto,
de los isómeros estructurales, en los cuales los átomos están enlazados en un orden
diferente dentro de la molécula.
Por ejemplo los isómeros cis y trans son estereoisómeros. Son isómeros debido a
que tienen la misma fórmula molecular, no son isómeros estructurales debido a que
tienen unidos los átomos en el mismo orden. Estos isómeros difieren únicamente
en el arreglo de sus átomos en el espacio. cis trans.
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3. Quiralidad
El término quiralidad (del griego kéir: mano) fue acuñado por el físico Irlandés
William Thomson, alias Lord Kelvin. “Cualquier figura geométrica, o conjunto de
puntos, diré que es quiral y que presenta quiralidad, si su imagen en un espejo
plano, idealmente realizada, no puede ser superpuesta con ella misma”.
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La quiralidad está a menudo asociada a la presencia de carbonos asimétricos. Un
carbono asimétrico es aquel que se une a cuatro sustituyentes diferentes. Un
ejemplo
de
carbono
asimétrico
lo
tenemos
en
la
molécula
de
Bromocloroyodometano.
El carbono está unido a bromo,
cloro, yodo e hidrógeno, cuatro
sustituyentes diferentes que lo
convierten en quiral o asimétrico.
La molécula y su imagen en un
espejo son diferentes, ningún giro
permite superponerlas.
4. Centro quiral / Centro asimétrico
Un carbono asimétrico o carbono quiral es un átomo de carbono que
está enlazado con cuatro sustituyentes o elementos diferentes. Puede
presentarse en algunos compuestos orgánicos, es decir, en aquellos que
están presentes en los seres vivos, como los glúcidos.
Glucosa
5. Enantiómeros
La
presencia
de
uno
o
varios
átomos
de
carbono
asimétrico
en
un compuesto químico es responsable de la existencia de isomería óptica. Cada
una de las dos estructuras diferentes que pueden formarse tiene los mismos átomos
y los mismos enlaces pero no pueden superponerse una sobre otra, como ocurre
con las dos manos de una persona. Se llaman enantiómeros y se diferencian en la
dirección en la que desvían la luz polarizada por lo que se llaman formas
ópticamente activas.
En la práctica para para identificar a una molécula estereoquímica se utiliza:
A. El polarímetro
B. Se estudia su reacción frente a otras sustancias.
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A. Polarímetro
Instrumento mediante el cual se puede determinar el valor de la desviación de la luz
polarizada por un estereoisómero ópticamente activo (enantiómero). A partir de un
rayo de luz, a través de un filtro polarizador se obtiene un rayo de luz polarizada
plana, que al pasar por una porta muestras que contiene un enantiómero en
disolución, se desvía. Según la orientación relativa entre los ejes de los
dos filtros polarizantes, la luz polarizada pasará por el segundo filtro o no.
a. Polarización de la luz
La luz polarizada se puede definir como un conjunto de ondas luminosas que vibran
todas ellas en un solo plano, mientras que en la luz no polarizada el plano de
vibración varía rápidamente, a razón de cien millones de veces por segundo.
En comparación con algunos animales, el ojo humano no es capaz de distinguir
entre la luz polarizada y la no polarizada. Esta es utilizada para distinguir
la estereoquímica de los compuestos orgánicos, mediante el instrumento
denominado polarímetro. En el polarímetro cuando un haz de luz polarizada en un
plano pasa por una solución de ciertas moléculas orgánicas el plano de polarización
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gira, (no todas las sustancias orgánicas presentan dicha propiedad, pero las que si
lo presentan se les denomina, moléculas óptimamente activas), en sí, se determina
el valor de la desviación de la luz polarizada por un estéreo isómero óptimamente
activo (enantiómero).
El rayo de luz, pasa través de un filtro polarizador, con eso obtenemos un rayo de
luz polarizada plana, que al pasar por un tubo de muestra que contiene un
enantiómero en disolución, esta se desvía y (se origina la rotación del plano de
polarización), posteriormente la luz pasa por un segundo polarizador llamado
analizador según la orientación relativa entre los ejes de los dos filtros polarizantes,
la luz polarizada pasará ya sea por el segundo filtro o no, si logra pasar, se hace
girar el analizador hasta que lo atraviesa la luz, así se podrá determinar el nuevo
plano de polarización y se podrá decir hasta qué grado de ha producido la rotación,
esta rotación se expresa con una alfa griega y se expresan los grados].
b. Actividad óptica
La luz polarizada se caracteriza porque vibra en un solo plano, pero hay algunas
sustancias que hacen que este plano gire, en ese caso decimos que la sustancia es
ópticamente activa.
Los enantiómeros presentan propiedades físicas idénticas, con la excepción de su
comportamiento frente a la luz polarizada. Un enantiómero gira el plano de la luz
polarizada en el sentido de las agujas del reloj, es dextrógiro (+). El otro enantiómero
provoca rotación en el sentido contrario al de las agujas del reloj, es levógiro (-).
Este fenómeno asociado a sustancias quirales se conoce como actividad óptica.
B. En cómo reaccionan frente a otras sustancias
Los enantiómeros se comportan por igual frente a un reactivo químico aquiral
(simétrico) o frente a las mediciones escalares (simétricas). Cada enantiómero
reacciona con la misma velocidad frente a un reactivo aquiral. Ambos enantiómeros
presenta iguales propiedades físicas escalares, tales como: punto de fusión, punto
de ebullición, presión de vapor, índice de refracción, densidad espectro UV, etc. Sin
embargo, cada enantiómero reacciona a velocidad diferente frente a los reactivos
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quirales, de la misma manera que un guante derecho se relaciona en forma distinta
con una mano derecha que con una izquierda. Los enantiómeros también muestran
comportamiento diferente frente a las mediciones físicas quirales, tales como
rotación óptica, dispersión rotatoria óptica.
Un caso muy marcado de diferenciación de enantiómeros frente a reactivos quirales
es el que se presenta en las reacciones bioquímicas entre reactivos quirales
(sustratos) y las enzimas; usualmente la diferencia de reactividad de dos
enantiómeros frente a una enzima es tan grande que solamente uno de ellos
reacciona. Esto nos explica, por ejemplo, la diferencia previamente mencionada
entre las propiedades antibióticas de dos enantiómeros, o entre sus respectivos
sabores.
CASO DE LA TALIDOMIDA
La talidomida, que fue desarrollada por la compañía farmacéutica alemana
Grünenthal Gmb H, es un fármaco que fue comercializado entre los años 1957 y
1963 como sedante y como calmante de las náuseas durante los tres primeros
meses de embarazo (hiperémesis gravídica).
Como sedante tuvo un gran éxito popular ya que, en un principio, se creyó que no
causaba casi ningún efecto secundario y, en caso de ingestión masiva, no resultaba
letal. Este medicamento, producido por Grünenthal GmbH en Alemania, provocó
miles de nacimientos de bebés afectados de focomelia, anomalía congénita que se
caracterizaba por la carencia o excesiva cortedad de las extremidades.
La talidomida afectaba a los fetos de dos maneras: bien que la madre tomara
el medicamento directamente como sedante o calmante de náuseas o bien que
fuera
el
padre
quien
lo
tomase,
ya
que
la
talidomida
afectaba
al
esperma transmitiendo los efectos nocivos desde el momento de la concepción.
Una vez comprobados los efectos teratogénicos nocivos del medicamento (que
provocaban malformaciones congénitas) descubiertos inicialmente por el doctor
Widukind Lenz y su compañero de la Clínica Universitaria de Hamburgo, el español
Claus Knapp, este fue retirado con más o menos prisa en los países donde había
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sido comercializado bajo diferentes nombres. España fue de los últimos, pues lo
retiró en 1963.
Investigando se descubrió que había dos talidomidas distintas, aunque de igual
fórmula molecular, en las cuales cambiaba la disposición de los grupos en un
carbono, cosa que hasta entonces no se tenía en cuenta. Se trataba, por tanto, de
una sola molécula con dos enantiómeros. Están pues (según la nomenclatura
actual) la forma R (que producía el efecto sedante que se buscaba) y la S (que
producía efectos teratogénicos y la que causaba focomelia). Este descubrimiento
produjo que a partir de ese momento se tuviese en cuenta la estereoisomería en
moléculas, utilizando el sistema R/S actual.
La talidomida fue comercializada bajo estos nombres (entre otros): Imidan, Varian,
Contergan, Gluto Naftil, Softenon, Noctosediv, Entero-sediv, Entero-SedivSuspenso…
6. Diasterómeros
Estereoisómeros que no son imágenes especulares entre sí.
Los diasterómeros tienen propiedades químicas similares puesto que son miembros
de la misma familia; sin embargo, no son idénticas. En la relación de dos
diasterómeros con una sustancia determinada, ninguno de los dos conjuntos de
reaccionantes ni de los estados de transición son imágenes especulares, por lo que
–salvo por pura coincidencia- no serán de energías iguales.
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Los diasterómeros tienen diferentes propiedades físicas: distintos puntos de fusión
y de ebullición, solubilidades en un solvente determinado, índices de refracción,
etcétera. También difieren en la rotación específica: pueden tener igual o diferente
signo de rotación y algunos pueden ser inactivos.
Como consecuencia de sus diferencias en puntos de ebullición y solubilidades, al
menos en principio, pueden separarse por destilación o cristalización fraccionadas;
igualmente, debido a diferencias en forma molecular y polaridad, difieren en
adsorción, por lo que pueden separarse por cromatografía.
7. Compuesto Meso
Se llaman compuestos meso a aquellos que tienen átomos de carbonos asimétricos
pero son aquirales. En estos casos, la imagen especular de estos, es en sí, el mismo
compuesto. Este tipo de compuestos no presenta actividad óptica y presentan un
plano de simetría que divide en dos la molécula.
Uno de los requisitos de los compuestos meso es tener por lo menos dos
sustituyentes en común. Aunque este es un requisito, hay compuestos que
presentan
esta
característica
y
no
son
compuestos
meso.
Por ejemplo, en el 2,4-pentanodiol, tanto el segundo y cuarto átomos de carbono,
que tienen estereocentros, tienen los cuatros sustituyentes en común.
Dado que un isómero meso tiene una imagen especular superponible, un
compuesto con un total de n estereocentros no puede tener 2 n estereoisómeros,
dado que uno de ellos es meso.
Los compuestos meso se basan en el número de centros estereogénicos
representado por la fórmula de 2 a la n, n siendo el número de centros quirales para
determinar la cantidad de estereoisómeros que tiene la molécula.
8. Proyecciones de Fischer
¿Cómo hacer una proyección de Fischer?
Proyectar consiste en dibujar en dos dimensiones (plano) una molécula. En la
proyección de Fischer la molécula se dibuja en forma de cruz con los sustituyentes
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con los sustituyentes que van al fondo del plano en la vertical y los grupos que salen
hacia nosotros en la horizontal, el punto intersección de ambas líneas representa el
carbono proyectado.
La proyección de Fischer puede hacerse para varios carbonos de la molécula. El
primer paso consiste en dibujar la molécula eclipsada y en segundo lugar girarla
dejando unos grupos hacia nosotros y otros al fondo del papel.
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El número de isómeros puede calcularse a partir de la fórmula 2n , donde n es el
número de centro quirales, aunque en algunos casos el número es menor debido a
los meso.
Ejemplo1:
Un compuesto con n átomos de carbono asimétricos, en teoría deberá tener 2n
estereoisómeros.
1. Identificar los carbonos quirales (que tengan cuatro grupos distintos
alrededor del carbono) y se marcan con un asterisco (
).
2. Determinar mediante la fórmula 2n el número de estereoisómeros
existentes.
n=2; porque tiene dos carbonos quirales.
22=4, tiene cuatro estereoisómeros.
3. Hacer las proyecciones de Fischer.
3.1. Dibujar una proyección de Fischer para la molécula.
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3.2.
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Buscar la imagen de espejo de la estructura anterior
son imágenes de espejos
y al girar una 180° y ver
que no se superponen,
se
denominan
ENANTIÓMEROS
3.3.
Cambiar de posición los sustituyentes de uno de los carbonos
quirales (los que se encuentran en la línea horizontal), de tal
manera que se genere otra estructura diferente a las anteriores.
El Br del primer carbono quiral se ubicó a
la izquierda de la estructura. Ver inciso
3.1.
Puede cambiar la posición de los átomos
(hacia la izquierda o hacia la derecha)
pero manteniéndolos en el mismo
carbono.
3.4.
Buscar la imagen de espejo de la estructura anterior.
son imágenes de espejos
y al girar una 180° y ver
que no se superponen,
se
denominan
ENANTIÓMEROS
3.5.
Identificar los diasterómeros.
Todas aquellas que no son imágenes de espejo.
(1) y (3), (1) y (4), (2) y (3), (2) y (4)
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Ejemplo 2:
2,3 – dibromo butano
CLASE # 13
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Ejercicios
¿Cuántos estereoisómeros tienen las siguientes moléculas? Clasifíquelos en:
enantiómeros, Diasterómeros o Compuesto meso.
a.
b.