Capítulo 6 Estereoquímica II

Capítulo 6. Estereoquímica II.
La química orgánica tiene como uno de sus objetivos conocer la relación entre estructura
molecular y propiedades. La rama que se ocupa de la estructura en tres dimensiones se
denomina estereoquímica. Un aspecto de la estereoquímica es la estereoisomería.
Recordemos que los isómeros son compuestos diferentes que tienen la misma fórmula
molecular. La clase particular de isómeros que sólo se diferencian por la orientación
espacial de sus átomos (pero que son iguales entre sí en cuanto a qué átomos están unidos a
cuáles otros) se llama estereoisómero.
Isomería geométrica
El doble enlace de los alquenos se representa mediante una doble línea que une a los dos
átomos de carbono olefínicos. La orientación de los orbitales sp2 y el solapamiento de los
orbitales p en el etileno obliga a colocar a los cuatro átomos que componen esta olefina en el
mismo plano. En el esquema de la Figura 1 se indican varias representaciones de Lewis del
etileno, así como las correspondientes representaciones en el modelo de varillas y bolas. La
vista superior pone de manifiesto la planaridad de este compuesto.
H
H2C
CH2
H
C
C
H
H
Vista superior
H
H
H
H
Vista frontal
Figura 1. Diferentes representaciones de la molécula de eteno (o etileno).
El siguiente alqueno en complejidad estructural, después del etileno, es el propileno, de
fórmula molecular C3H6. La representación de este compuesto se muestra en la Figura 2.
H 3C
H3C
HC
CH2
H
C
C
H
H
Vista superior
H3C
H
H
H
Vista frontal
Figura 2. Diferentes representaciones de la molécula de propileno.
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En la molécula de propileno los tres átomos de carbono y los tres átomos de hidrógeno
unidos a los carbonos sp2 están contenidos en un plano, no así los tres átomos de hidrógeno
del grupo metilo (CH3) que están enlazados a un carbono con hibridación sp3.
El siguiente hidrocarburo olefínico es el de fórmula molecular C4H8. Con esta fórmula se
pueden dibujar hasta un total de cuatro olefinas diferentes, que son las que se indican en la
Figura 3.
H2C
CH
CH2
CH3
1-buteno
H3C
CH3
H2C
C
CH3
2-metilpropeno
CH3
C
H
H3C
H
C
C
H
cis-2-buteno
P. Eb. = 4 C
P. F. = -139 C
μ = 0,33 D
C
H
CH3
trans-2-buteno
P. Eb. = 1 C
P.F. = -106 C
μ = 0,00 D
Figura 3. Estructuras químicas posibles para la fórmula molecular C4H8.
Dos de los isómeros anteriores, los denominados cis-2-buteno y trans-2-buteno no son
isómeros estructurales entre sí, puesto que ambos tienen la misma secuencia de átomos
enlazados covalentemente. La diferencia entre ellos consiste en la posición relativa en la que
se encuentran dispuestos los grupos metilo y los átomos de hidrógeno. Esta clase de
isómeros, que se forman como consecuencia de la distinta orientación espacial de átomos o
grupo de átomos alrededor de un enlace doble, se denominan isómeros geométricos. En el
denominado cis-2-buteno los dos grupos metilo están del mismo lado del doble enlace,
mientras que en el trans-2-buteno estos dos grupos metilo están situados en lados opuestos
del doble enlace.
cis-2-buteno
trans-2-buteno
Figura 4. Representaciones cis- y trans-2-buteno.
¿Cómo se explica la existencia de dos isómeros diferentes del 2-buteno? La respuesta reside
en la rotación restringida a lo largo del doble enlace carbono-carbono. La energía de
disociación del doble enlace C=C es aproximadamente de 146 kcal/mol y la energía de
disociación de un enlace simple C−C es de 83 kcal/mol. Por tanto, la energía de disociación
del enlace π debe ser de 63 kcal/mol. Los extremos de la molécula de 2-buteno no pueden
torcerse entre sí, porque para ello se debería romper el enlace π. Por tanto, a diferencia de lo
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que ocurre en los enlaces simples, en los enlaces dobles C=C no hay libre rotación. Como se
ha apuntado antes, este es el origen de la isomería cis-trans.
Nomenclatura de los isómeros geométricos
El cis-2-buteno se denomina así porque los dos grupos iguales, como los dos grupos metilo
(CH3), están del mismo lado del doble enlace. Por el contrario, en el trans-2-buteno los dos
grupos iguales (CH3) están en lados opuestos del doble enlace. Por tanto, la configuración
cis de los enlaces dobles se asigna en aquellos isómeros geométricos que contienen grupos
iguales o similares del mismo lado del doble enlace y la denominación trans se aplica en
aquellos isómeros geométricos que contienen grupos iguales o similares de lados opuestos
del doble enlace.
El problema de la nomenclatura cis/trans es que presenta muchas ambigüedades ya que
muy a menudo se hace complicado elegir cuáles son los grupos iguales o similares situados
en los carbonos olefínicos. Por ejemplo, no sería fácil asignar la configuración cis o trans de
los dos isómeros geométricos del 1-bromo-1-fluoro-propeno (Figura 5).
H
H3C
F
I
Br
Br
H
H3C
II
F
Figura 5. Isómeros geométricos del 1-bromo-1-fluoro-propeno
Para evitar las ambigüedades que se producen en el sistema de nomenclatura cis/trans la
I.U.P.A.C. ha propuesto un sistema de nomenclatura basado en las reglas de Cahn-IngoldPrelog, que establecen un orden de prioridad según el número atómico. Si el doble enlace
presenta los dos grupos de mayor prioridad del mismo lado del plano de referencia se le
asigna la configuración Z (del alemán zusammen). Si el doble enlace presenta los dos
grupos de mayor prioridad de lados opuestos del plano de referencia se le asigna la
configuración E (del alemán entgegen) (Figura 6).
2
2
1
2
H
H
H3C
H
H3C
1
CH3
1
Grupos principales del mismo lado:
doble enlace Z
H
2
CH3
1
Grupos principales de lados opuestos:
doble enlace E
Figura 6. Nomenclatura cis/trans.
La asignación de prioridades se basa en el número atómico de los átomos directamente
unidos a los carbonos sp2. En la Figura 7 se observa a modo de ejemplo la configuración E o
Z de uno de los isómeros del 1-bromo-1-fluoro-propeno (Figura 7).
49
H3C
F
H
Br
Figura 7. 1-bromo-1-fluoro-propeno.
1. El carbono sp2 de la izquierda de la figura está unido a CH3 y a H. Como el C tiene mayor
número atómico que el H se le asigna a este átomo, y por tanto al grupo CH3, la prioridad
(Figura 8).
1
2
Figura 8. Importancia de los radicales unidos a uno de los carbonos.
2. El carbono sp2 de la derecha de la figura está unido a Br y a F. Como el Br tiene mayor
número atómico que el F se le asigna a este átomo la prioridad (Figura 9).
2
1
Figura 9. Importancia de los radicales unidos al otro átomo de carbono.
3. Como los dos átomos o grupos de átomos prioritarios están de lados opuestos del doble
enlace éste tiene configuración E (Figura 10).
1
1
Figura 10. (E)-1-bromo-1-fluoro-propeno.
Aplicando las mismas reglas se puede ver como el estereoisómero II del 1- bromo-1-fluoropropeno es de configuración Z (Figura 11).
1
H
F
H3C
Br
1
Figura 11. (Z)-1-bromo-1-fluoro-propeno.
50
Quiralidad: noción de centro estereoquímico. Nomenclatura R y S
Enantiómeros
El tipo de estereoisomería más interesante es el que da lugar a la actividad óptica. A
principios de siglo XIX Biot señaló que algunas sustancias orgánicas de origen natural
poseían la propiedad de girar el plano de la luz polarizada. Este fenómeno consiguió
explicarse cuando los químicos comenzaron a considerar la disposición tridimensional de
las moléculas en el espacio y la configuración tetraédrica del átomo de carbono. Las
propiedades geométricas de un carbono con hibridación sp3 hacen que, en el caso de que
esté unido a cuatro átomos o grupos de átomos diferentes, la molécula no tenga plano de
simetría y que existan dos maneras diferentes de ordenar a los cuatro átomos o grupos de
átomos.
Estas dos ordenaciones o configuraciones generan dos formas isoméricas denominadas
enantiómeros, que son imágenes especulares entre sí pero que no son superponibles.
Cuando esto ocurre se dice que la molécula es quiral y ópticamente activa, puesto que es
capaz de desviar el plano de la luz polarizada. Dos enantiómeros desvían el plano de la luz
polarizada en la misma magnitud pero en sentidos opuestos.
Al carbono con hibridación sp3 que está unido a cuatro átomos o grupos de átomos
diferentes se le denomina estereocentro o centro estereogénico. En la Figura 12 se dibuja
un compuesto de carbono con hibridación sp3 unido a cuatro grupos diferentes,
representados por cuatro colores distintos. El reflejo de esta estructura genera su
enantiómero.
Carbono sp3 y su imagen especular
Figura 12. Imagen especular de compuestos enantiómeros.
En la Figura 13 se indican dos compuestos enantioméricos, cuyo estereocentro está unido a
cuatro grupos diferentes simbolizados. Se puede observar en el dibujo la imposibilidad de
superposición entre los enantiómeros.Cuando una molécula es superponible con su imagen
especular se dice que no es ópticamente activa y por tanto es incapaz de desviar el plano de
la luz polarizada. Normalmente esto ocurre cuando la molécula presenta un plano de
simetría. La quiralidad no es una propiedad exclusiva de las moléculas orgánicas que
contienen estereocentros. En la vida ordinaria se pueden encontrar objetos quirales, y por
51
tanto, no superponibles con su imagen especular, como la mano derecha y la mano
izquierda, el pie derecho y el izquierdo, el zapato derecho y el izquierdo, etc (Figura 13).
Objetos quirales: no tienen plano de simetría
Imágenes especulares no superponibles
Objetos aquirales: presentan plano de simetría
Figura 13. Imágenes especulares.
La Figura 14 muestra algunos ejemplos de enantiómeros. Los enantiómeros tienen
propiedades físicas idénticas, exceptuando la dirección de rotación del plano de la luz
polarizada; por ejemplo (ver Tabla 1), ambos 2-metil-1-butanoles tienen idénticos puntos de
fusión y ebullición, densidades, índices de refracción y toda constante física que se pueda
medir, excepto una: uno rota la luz polarizada en un plano a la derecha, y el otro, a la
izquierda, hecho que no es sorprendente, puesto que las interacciones de ambos tipos de
moléculas con sus compañeras deben ser las mismas. Solamente la dirección de la rotación
es diferente; la magnitud es la misma, siendo la rotación específica de uno de ellos + 5.90º,
y la del otro, por lo contrario, -5.90º. Al ser estas moléculas tan semejantes, resulta
razonable que puedan rotar la luz la misma magnitud. Son imágenes especulares, como
también lo son sus propiedades: la imagen especular de una rotación en el sentido de las
manecillas de un reloj es una rotación contraría y de, exactamente, la misma magnitud. Uno
de los isómeros, el (-)-2-metil-1-butanol es producto de procesos de fermentación.
COOH
H
C
OH
COOH
HO
CH3
C
H
C2H5
HOH2C
C
CH3
I
C
SO3H
Cl
C
CH2OH
CH3
2-metil-1-butanol
C2H5
H
Cl
H
CH3
ácido láctico
H
H
C2H5
C
SO3H
ácido
cloroiodometanosulfónico
I
Cl
C
CH3
H
C2H5
H
C
Cl
CH3
cloruro de sec-butilo
Figura 14. Representación de algunos enantiómeros.
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Tabla 1. Propiedades físicas del (+)-2-metil-1-butanol y su enantiómero.
(+)-2-metil-1-butanol
(-)-2-metil-1-butanol
(producto de fermentación)
Rotación específica
+5,90°
-5,90°
Punto de ebullición
128,9 °C
128,9 °C
Densidad relativa
0,8193
0,8193
Índice de refracción
1,4107
1,4107
Nomenclatura de los isómeros configuracionales
El sistema más aceptado para nombrar la configuración de un centro estereogénico es la
denominada convención de Cahn, Ingold y Prelog, que asigna una letra R o S a cada centro
estereogénico de una molécula quiral. Las reglas que hay que seguir para asignar una
configuración R o S son las siguientes:
1º. Cada átomo unido al carbono estereogénico recibe un número 1, 2, 3 ó 4. El 1 se asigna
al grupo de mayor prioridad y el 4 al de menor prioridad. La prioridad se establece según el
número atómico: el átomo de mayor prioridad es el de mayor número atómico.
2º. Una vez asignado el orden de prioridad se mira el carbono estereogénico desde el lado
opuesto al grupo de menor prioridad. Si el orden de prioridades decreciente de los restantes
grupos representa una secuencia en el sentido de las agujas del reloj se asigna al
estereocentro la configuración R (rectus, derecha). Si la secuencia gira en el sentido opuesto
a las agujas del reloj la configuración del estereocentro es S (sinister, izquierda). A
continuación se aplican estas reglas de prioridad para la asignación de las configuraciones
de centros estereogénicos en una serie de compuestos quirales.
Ejemplo 1: Asignación de la configuración R o S de los dos enantiómeros del 1-cloro-1fluoroetano. La representación tridimensional de los dos enantiómeros del 1-cloro-1fluoroetano es la de la Figura 15.
F
F
C
H
H3C
C
Cl
Cl
H
CH3
Figura 15. Configuración R o S de un enantiómero.
Para asignar las configuraciones de estos dos compuestos se procede del siguiente modo:
1º. El orden de prioridad de los grupos unidos al carbono estereogénico en base al número
atómico es, de mayor a menor, Cl > F > C > H. Por tanto, el orden de prioridad será Cl (1º),
F (2º), C (3º) y H (4º).
2º. Una vez asignado el orden de prioridad hay que mirar al compuesto quiral desde el lado
opuesto al que ocupa el último grupo en prioridad, tal y como se indica en la Figura 16.
53
2
2
F
F
4
4
H
H
C
C
Cl
Cl
1
1
Secuencia en sentido contrario
a las agujas del reloj
configuración S
Secuencia en el sentido de las
agujas del reloj
configuración R
3
H3C
3
CH3
Figura 16. Forma de asignar la configuración de un compuesto.
Resolución de mezclas racémicas
Cuando la acetofenona se reduce con NaBH4 se genera una mezcla racémica de (R)-1-fenil1-etanol y (S)-1-fenil-1-etanol (Figura 17).
O
OH
NaBH4
OH
+
Ph
CH3
acetofenona
Ph
CH3
(R)-1-fenil-1-etanol
50%
Ph
CH3
(S)-1-fenil-1-etanol
50%
Figura 17. Mezcla racémica de la reducción de la acetofenona.
Si se necesitase uno de los dos enantiómeros en forma pura habría que separarlo de la
mezcla racémica. La separación de enantiómeros de mezclas racémicas se denomina
resolución. Hay diferentes procedimientos para la resolución de mezclas racémicas pero los
más utilizados son la resolución química y la resolución cromatográfica.
Diastereoisómeros
Los estereoisómeros que no son imágenes especulares entre sí se denominan
diastereoisómeros (Figura 18).
[1] Centro que se mantiene igual en ambas moléculas
[2] Centro que cambia (cloro e hidrógeno cambiados de posición)
54
Figura 18. Diastereoisómeros
Se deben reconocer cuántos estereoisómeros pueden existir para compuestos cuyas
moléculas contienen no un centro quiral, sino más de uno. Un ejemplo es el 2,3dicloropentano. Este compuesto contiene dos centros quirales, C-2 y C-3. (¿Cuáles son los
cuatro grupos unidos a cada uno de estos átomos de carbono?) ¿Cuántos estereoisómeros
son posibles?
CH3CH2 CH
Cl
CH
CH3
Cl
2,3-dicloropentano
Figura 19. Molécula de 2,3-diclorometano. Los carbonos señalados
representan centros quirales.
Analizando las especies I y II (Figura 20) observamos que son imágenes especulares no
superponibles, por lo tanto resultan enantiómeros.
espejo
CH3
CH3
H
C
Cl
Cl
C
H
Cl
C
H
H
C
Cl
C2H5
C2H5
I
II
Figura 20. Enantiómeros. Imágenes especulares no superponibles.
Sin embargo, existen otros estereoisómeros del 2,3-dicloropentano. Podemos construir la
estructura III, que resulta imposible de suponer a la I y a la II (Figura 21); desde luego, no es
la imagen especular de ninguna de las dos. ¿Cuál es la relación entre III y I? ¿Entre III y II?
Son estereoisómeros, pero no enantiómeros. Los estereoisómeros que no son imágenes
especulares entre sí se denominan diastereómeros. El compuesto III es un diastereoisómero
de I y también de II.
55
espejo
CH3
CH3
H
C
Cl
Cl
C
H
H
C
Cl
Cl
C
H
C2H5
C2H5
III
IV
Figura 21. Enantiómeros. Imágenes especulares no superponibles.
Empleando modelos, construimos su imagen especular, la estructura IV, y apreciamos que
no es superponible (o interconvertible) con III, por lo que III y IV representan un segundo
par de enantiómeros. Al igual que III, el compuesto IV es un diastereómero de I y II.
Los diastereómeros tienen propiedades químicas similares, puesto que son miembros de la
misma familia; sin embargo, esas propiedades no son idénticas. En la reacción de dos
diastereómeros con una sustancia determinada, ni los dos conjuntos de reactivos ni los dos
estados de transición son imágenes especulares. Los valores de las Energías de Activación
serán diferentes, lo mismo que las velocidades de reacción.
Los diastereómeros tiene propiedades físicas diferentes: Distintos puntos de fusión y de
ebullición, solubilidades en un disolvente determinado, índices de refracción, etc. También
difieren en la rotación específica: pueden tener igual o diferente signo de rotación, y algunos
ser inactivos.
Como consecuencia de sus diferencias en puntos de ebullición y solubilidad, 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.
De este modo, la presencia de dos centros quirales puede conducir a la existencia de hasta 4
estereoisómeros. Para compuestos que tienen tres centros quirales podría haber hasta 8
estereoisómeros; para los que contienen cuatro, hasta 16, y así sucesivamente. El número
máximo de estereoisómeros que pueden existir es igual a 2n, donde n corresponde al número
de centros quirales. El azúcar (+)-glucosa es el carbohidrato más importante y abundante en
la naturaleza, contiene 5 centros quirales, lo que da origen a 25 ó 32 estereoisómeros.
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