Estereoquímica

Estereoquímica
QMC – 121. Química Orgánica I
Semestre I - 2019
Introducción
• Isómeros: compuestos con la misma fórmula
molecular, pero con estructuras diferentes. Se
clasifican en dos clases: isómeros de
constitución y estereoisómeros.
• Isómeros de constitución. Difieren en su
conectividad. Ejemplos: etanol y éter
dimetílico; 1-clorobutano y 2-clorobutano;
pentano e isopentano; acetona y
propionaldehido.
Introducción
• A diferencia de los isómeros de constitución, los
átomos en los estereoisómeros están conectados de
igual manera. Los estereoisómeros (también llamados
isómeros de configuración) difieren de la manera en
que sus átomos están ordenados en el espacio.
Isómeros
Isómeros de constitución
Isómeros cis - trans
Estereoisómeros
Isómeros con centros
asimétricos
Isomería cis - trans
• Resultan de la rotación restringida, que puede ser
ocasionada por una estructura cíclica o por un doble
enlace. Isómeros cis: sustituyentes del mismo lado del
enlace. Isómeros trans: sustituyentes del lado opuesto
del enlace. Ejemplos:
cis-1-bromo-3-clorociclobutano
cis-1,4-dimetilciclohexano
trans-1-bromo-3-clorociclobutano
trans-1,4-dimetilciclohexano
Isomería cis - trans
• Los compuestos con dobles enlaces carbono – carbono
pueden tener isomería cis – trans. El doble enlace está
compuesto de un enlace σ y de un enlace π (barrera de
energía para ruptura del enlace π y rotación: 62
kcal/mol, demasiado alta para que ocurra la rotación).
se rompe un enlace π
isómero cis
isómero trans
Isomería cis - trans
• Como la barrera que impide la rotación alrededor
de un doble enlace C = C es demasiado alta, un
compuesto con un doble enlace puede existir en
dos formas distintas. Ejemplo:
cis-2-penteno
trans-2-penteno
Isomería cis - trans
• Los isómeros cis y trans tienen la misma fórmula
molecular y los mismos enlaces, pero tienen distintas
configuraciones, es decir, difieren en la manera en que
los átomos se orientan en el espacio.
• Pueden ser separados, porque son compuestos
diferentes con propiedades físicas distintas.
isómero cis
P. Eb. = 3,7°C
µ = 0,33 D
isómero trans
P. Eb. = 0,9°C
µ=0D
isómero cis
P. Eb. = 60,3°C
µ = 2,95 D
isómero trans
P. Eb. = 47,5°C
µ=0D
Isomería cis - trans
• Si uno de los átomos de carbono sp2 está
conectado a dos sustituyentes idénticos, el
compuesto no puede tener isómeros cis y
trans.
los isómeros cis y trans no son posibles para estos compuestos, porque
dos sustituyentes sobre un carbono sp2 son iguales
Conformación y configuración
• Las conformaciones (o confórmeros) son distintos
ordenamientos espaciales del mismo compuesto.
No se pueden separar y algunas son más estables
que otras.
Conformación y configuración
• Los compuestos con distintas configuraciones son
compuestos diferentes (por ejemplo, isómeros cis –
trans). Pueden ser separados uno de otro. Se deben
romper enlaces para interconvertir compuestos con
diferentes configuraciones.
Interconversión cis – trans en la visión
• Nuestra capacidad de ver depende en parte de
una interconversión de isómeros cis y trans
que ocurre en nuestros ojos. Una proteína
llamada opsina se une al cis-retinal (formado a
partir de la vitamina A) en células
fotorreceptoras en la retina para formar la
rodopsina. Cuando la rodopsina absorbe luz,
un doble enlace se interconvierte de cis a
trans, generando un impulso nervioso que
juega un rol importante en la visión. El transretinal es liberado de la opsina, se isomeriza
nuevamente a isómero cis y comienza un
nuevo ciclo. Para que se genere un impulso
nervioso, un grupo de unas 500 células
fotorreceptoras debe registrar de cinco a siete
isomerizaciones de rodopsina por célula en un
tiempo de unas pocas décimas de segundo.
Interconversión cis – trans en la visión
• Ciclo del cis y trans retinal y de la rodopsina.
Objetos quirales
• ¿Por qué no podemos ponernos el zapato derecho en
el pie izquierdo? ¿Por qué no podemos ponernos el
guante izquierdo en la mano derecha?
• Las manos, los pies, los guantes y los zapatos tienen
formas definidas, que calzan específicamente objetos
diseñados para el mismo lado. Son objetos quirales
(cheir = mano en griego). Un objeto quiral tiene una
imagen en el espejo que no se puede superponer.
Objetos no quirales
• Una silla no es un objeto quiral. Su reflejo en el
espejo se ve exactamente igual. Se dice que los
objetos que no son quirales son aquirales. Un
objeto aquiral tiene una imagen en el espejo que
se puede superponer con el objeto.
Centros asimétricos
• También las moléculas pueden ser quirales. La causa
usual de que una molécula sea quiral es un centro
asimétrico. Un centro asimétrico (también llamado
centro quiral, marcado con un asterisco) es un átomo
que tiene enlaces con cuatro sustituyentes diferentes.
Ejemplos: 4-octanol, 2-bromobutano.
centro asimétrico
Moléculas con centros asimétricos
• Las moléculas pueden tener uno o varios centros
asimétricos. La tetraciclina es un antibiótico de amplio
espectro, porque es activo contra una amplia variedad
de bacterias. ¿cuántos centros asimétricos posee la
tetraciclina? Ver carbonos sp3.
Isómeros con un centro asimétrico
• Un compuesto con un centro asimétrico, como el 2bromobutano, puede existir como dos estereoisómeros.
Los dos estereoisómeros son análogos con la mano
derecha y la izquierda. Uno es la imagen en el espejo del
otro y no se pueden superponer. Esto los hace moléculas
diferentes.
• Moléculas que son imágenes no superponibles en el
espejo una de otra son llamadas enantiómeros.
imagen en el espejo
no superponible
espejo
los dos estereoisómeros del 2-bromobutano
enantiómeros
Isómeros con un centro asimétrico
• Una molécula que posee una imagen no superponible
en el espejo es quiral. Por ello, cada miembro de un
par de enantiómeros es quiral.
• Una molécula que tiene una imagen superponible en el
espejo es aquiral.
• La quiralidad es una propiedad de un objeto entero o
de una molécula.
enantiómeros
moléculas idénticas
Centros asimétricos y estereocentros
• Un centro asimétrico es también llamado
estereocentro (o centro estereogénico). Un
estereocentro es un átomo en el cual el
intercambio de dos grupos produce un
estereoisómero. Los estereocentros incluyen:
1. Centros asimétricos, en los cuales el intercambio de
dos grupos produce un enantiómero.
2. Los carbonos sp2 de un alqueno o los carbonos sp3
de un compuesto cíclico, en los que el intercambio
de dos grupos convierte un isómero cis en isómero
trans.
Centros asimétricos y estereocentros
• Si bien todos los centros asimétricos son
estereocentros, no todos los estereocentros
son centros asimétricos. Ejemplos:
centro
asimétrico
estereocentro
estereocentro
estereocentro
Representación de enantiómeros
• Se pueden utilizar fórmulas en perspectiva (3 – D) o
proyecciones de Fischer. Una fórmula en perspectiva
muestra dos de los enlaces del centro asimétrico en el
plano del papel, un enlace como una cuña sólida
dirigida hacia adelante del plano del papel y el cuarto
enlace como una cuña punteada extendiéndose por
detrás del plano del papel. La cuña sólida y la cuña
punteada deben estar adyacentes una de la otra.
Ejemplo: par de enantiómeros del 2-bromobutano.
fórmulas en perspectiva de los enantiómeros del 2-bromobutano
Representación de enantiómeros
• Una proyección de Fischer, diseñada a finales de los 1800
por Emil Fischer, representa un centro asimétrico como el
punto de intersección de dos líneas perpendiculares. Las
líneas horizontales representan los enlaces que proyectan
fuera del plano del papel hacia el observador y las líneas
verticales representan los enlaces que se extienden hacia la
parte posterior del plano del papel, alejándose del
observador. La cadena vertical se dibuja generalmente
verticalmente, con el C-1 arriba. Ejemplo: enantiómeros
del 2 – bromobutano.
centro asimétrico
proyecciones de Fischer de los enantiómeros del 2-bromobutano
Representación de enantiómeros
• Cuando se dibuja un enantiómero utilizando una
proyección de Fischer, se pueden poner los
cuatro átomos o grupos unidos al centro
asimétrico en cualquier orden alrededor del
centro. Para dibujar el segundo enatiómero, se
intercambian dos de los átomos o grupos. No
importa cuales dos de ellos se intercambian. Es
mejor intercambiar los grupos de los enlaces
horizontales, porque entonces los enantiómeros
se ven como imágenes en el espejo.
Sistema (R), (S) para designar
enantiómeros
• Para poder distinguir uno de dos enantiómeros,
se utiliza un sistema de nomenclatura, que indica
el ordenamiento de los átomos o grupos
alrededor del centro asimétrico. Para cualquier
par de enantiómeros con un centro asimétrico,
un miembro tendrá la configuración (R) y el otro
la configuración (S). Este sistema de
nomenclatura es llamado sistema de Cahn –
Ingold – Prelog, por los químicos que ganaron el
Premio Nobel por haber diseñado el sistema.
Sistema (R), (S) para designar
enantiómeros
• Reglas para nombrar los isómeros (R) y (S).
1. Cada uno de los cuatro grupos unidos al
estereocentro recibe una prioridad a, b, c o d. La
prioridad se asigna primero en base al número
atómico del átomo que está unido en forma directa
al estereocentro. El grupo con el número atómico
menor recibe la prioridad más baja, d. El grupo con
el siguiente número atómico más alto, recibe la
siguiente prioridad en orden ascendente, c y así
sucesivamente. En el caso de los isótopos, el
isótopo con la mayor masa atómica recibe la
prioridad más alta. Ejemplo: 2–butanol.
Sistema (R), (S) para designar
enantiómeros
2. Cuando la prioridad no se puede asignar en base al
número atómico de los átomos que están unidos
directamente al estereocentro, se examinan los
siguientes grupos de átomos en los grupos sin
asignar. Se asigna una prioridad en el primer punto
de diferencia.
3. Se gira la fórmula (o modelo) de manera que el
grupo con la prioridad menor (d) se pierda de la
vista del observador. Luego se traza el camino de a a
b y luego a c. Si la dirección de giro es en el sentido
de las manecillas del reloj, el enantiómero es (R). Si
la dirección de giro es en el sentido contrario al de
las manecillas del reloj, el enantiómero es (S).
Sistema (R), (S) para designar
enantiómeros
4.Los grupos que contienen enlaces dobles o triples
reciben la prioridad como si ambos átomos se
duplicaran o se triplicaran. Por ello, el grupo
vinilo, - CH = CH2, es de mayor prioridad que el
grupo isopropilo, - CH(CH3)2.
Sistema (R), (S) para designar
enantiómeros
• Para moléculas dibujadas en proyección de
Fischer:
1. Ordenar los grupos (o átomos) unidos al centro
asimétrico en orden de prioridad.
2. Dibujar una flecha de a a b a c. Si la flecha gira en
sentido de las agujas del reloj, el enantiómero tiene
configuración (R). Si apunta en sentido inverso,
tiene configuración (S), siempre y cuando el grupo
con la menor prioridad d esté en un enlace vertical.
rotación horaria significa (R),
pues H está en enlace vertical
(R)-3-clorohexano
(S)-3-clorohexano
Sistema (R), (S) para designar
enantiómeros
3. Si el grupo (o átomo) con la prioridad más baja está
en un enlace horizontal, la respuesta obtenida de la
dirección de la flecha será la opuesta a la correcta.
Si la flecha apunta en dirección de las agujas del
reloj, sugiriendo una configuración (R), el compuesto
en realidad tendrá la configuración (S) y viceversa.
Ejemplo:
rotación horaria significa (S), pues H
está en un enlace horizontal
Actividad óptica de compuestos
quirales
• Los enantiómeros poseen las mismas
propiedades físicas (puntos de ebullición,
puntos de fusión, solubilidades, etc.). Una
diferencia es la manera en la que interactúan
con la luz polarizada plana (debido a la forma
tridimensional distinta en la que los grupos
unidos al centro asimétrico se encuentran) y
otra la manera en que reaccionan con otros
compuestos quirales.
Actividad óptica de compuestos
quirales
• La luz blanca (proveniente de un foco o del sol)
consiste de ondas electromagnéticas que oscilan
en todas las direcciones. Por el contrario, todos
los rayos de un haz de luz polarizada plana
oscilan en un solo plano. La luz polarizada plana
se obtiene al hacer pasar la luz blanca a través de
un polarizador.
Actividad óptica de compuestos
quirales
• En 1815, el físico francés Jean-Baptiste Biot
descubrió que ciertos compuestos orgánicos
naturales son capaces de hacer rotar el plano de
polarización de la luz polarizada plana. Constató
que algunos compuestos hacían rotar el plano de
polarización hacia la derecha y otros hacia la
izquierda. Propuso que la capacidad de las
moléculas de hacer rotar el plano de polarización
de la luz polarizada plana se debía a la asimetría
de las moléculas. Posteriormente, se determinó
que la asimetría se debía a que las moléculas
poseen uno o más centros asimétricos.
Actividad óptica de compuestos
quirales
• Cuando la luz polarizada plana pasa a través
de una solución de moléculas aquirales en un
polarímetro, la luz emerge de la solución con
su plano de polarización sin cambio alguno.
Actividad óptica de compuestos
quirales
• Cuando la luz polarizada plana pasa a través de una
solución de moléculas quirales, la luz emerge con su
plano de polarización con una rotación ya sea en
sentido horario de las agujas del reloj o en sentido
contrario. Si un enantiómero la hace rotar en sentido
horario de las agujas del reloj, su imagen en el espejo
la hará rotar exactamente el mismo ángulo, pero en
sentido contrario.
Actividad óptica de compuestos
quirales
• Un compuesto que hace rotar el plano de polarización
de la luz polarizada plana (compuesto quiral) es
ópticamente activo. Los compuestos aquirales son
ópticamente inactivos.
• Si un compuesto ópticamente activo hace rotar el
plano de la luz polarizada en sentido horario de las
agujas del reloj, se dice que el compuesto es
dextrógiro y se coloca un prefijo (+)- (o a veces d)
delante de su nombre. Si hace rotar el plano de la luz
polarizada en sentido contrario al de las agujas del
reloj, se dice que el compuesto es levógiro y se indica
esto con un prefijo (-)- (o a veces l).
Actividad óptica de compuestos
quirales
• No se debe confundir (+) y (-) con (R) y (S). Los
símbolos (+) y (-) indican la dirección en la cual un
compuesto ópticamente activo hace rotar el
plano de polarización de la luz polarizada plana,
mientras (R) y (S) indican el ordenamiento
espacial de los grupos alrededor de un centro
asimétrico.
• Algunos compuestos con la configuración (R) son
(+) y otros (-), mientras algunos compuestos con
la configuración (S) son (+) y otros (-).
Actividad óptica de compuestos
quirales
• Tanto el (S)-ácido láctico como el (S)-lactato de sodio
tienen la configuración (S), pero el (S)-ácido láctico es
dextrógiro, mientras el (S)-lactato de sodio es levógiro.
• Se puede determinar si un compuesto es (R) o (S) en
base a su estructura, pero la única manera de
determinar si un compuesto es dextrógiro o levógiro es
midiendo el ángulo y la dirección en que hace rotar la
luz polarizada plana en un polarímetro.
ácido (S)-(+)-láctico
(S)-(-)-lactato de sodio
Medición de la rotación específica
• Si se hace pasar luz a
través de dos
polarizadores (lentes
de polarización) en un
ángulo de 90° uno
respecto al otro, no
pasa luz a través de
ellos.
Medición de la rotación específica
• El ángulo de rotación de una sustancia ópticamente activa
varía en función de la longitud de onda, por lo que la
fuente de luz empleada para las mediciones debe ser
monocromática. La mayor parte de los polarímetros
utilizan la luz de una lámpara de sodio (línea D del sodio,
longitud de onda = 589 nm).
• Esquema simplificado de un polarímetro y sus
componentes: fuente de luz, polarizador, tubo de muestra y
analizador.
Medición de la rotación específica
• Se coloca la muestra a ser medida en el tubo de
muestra. Si la muestra es ópticamente activa, hará
rotar el plano de polarización. El analizador, por tanto,
no bloqueará toda la luz y algo de luz llegará al ojo del
observador. Este hará girar el analizador hasta que no
pase luz a través del polarímetro. El ángulo de rotación
del analizador se puede leer entonces en una escala
graduada. Este valor, que se mide en grados, se
denomina la rotación observada (α), que depende del
número de moléculas ópticamente activas que la luz
encontró en su camino, que a su vez dependen de la
concentración de la muestra y de la longitud del tubo
de muestra, además de la temperatura y la longitud de
onda.
Medición de la rotación específica
• Cada compuesto ópticamente activo tiene una rotación
específica característica.
• Rotación específica. Rotación causada por una solución de
1,0 g de un compuesto por mL de solución en un tubo de
muestra de 1,0 dm de longitud a una temperatura y
longitud de onda específicas.
[α]Tlambda = α/l x C
[α] = rotación específica; α = rotación observada; T =
temperatura en °C; l = longitud del tubo de muestra en
decímetros; C = concentración de la muestra en g/L de
solución.
Cuando se usa la línea D del sodio, se indica como
subíndice y la temperatura usual es de 20 °C.
Medición de la rotación específica
• Si un enantiómero tiene una rotación específica
de +5,75°, la rotación específica del otro
enantiómero será -5,75°, porque la molécula que
es imagen en el espejo hace rotar el plano de
polarización el mismo ángulo, pero en dirección
opuesta.
(R)-2-metil-1-butanol
(S)-2-metil-1-butanol
Rotación específica de algunos
compuestos naturales
Compuesto
Rotación
específica
Compuesto
Rotación
específica
Colesterol
Cocaína
-31,5
-16
Penicilina
Progesterona
+233
+172
Codeína
Morfina
-136
-132
Sacarosa
Testosterona
+66,5
+109
Mezcla racémica o racemato
• Es una mezcla en cantidades iguales de dos
enantiómeros (como el (R)-(-)-ácido láctico y el (S)-(+)ácido láctico).
• Las mezclas racémicas son ópticamente inactivas,
porque por cada molécula que hace rotar el plano de
polarización en una dirección, existe una molécula que
es su imagen en el espejo, que hace rotar el plano de
polarización el mismo ángulo en sentido opuesto.
Como resultado, la luz que emerge de una muestra de
mezcla racémica tiene una rotación de 0°. Se utiliza el
símbolo (±) para especificar una mezcla racémica. Por
ejemplo, el (±)-2-bromobutano consiste de una mezcla
de 50% de (+)-2-bromobutano y 50% de (-)-2bromobutano.
Exceso enantiomérico
• Para saber si una muestra particular de un
compuesto consiste de un enantiómero, una
mezcla racémica o una mezcla de enantiómeros
en cantidades desiguales, se puede utilizar la
rotación observada específica, que es la rotación
específica de la muestra.
• Por ejemplo, si una muestra de (S)-(+)-2bromobutano es enantioméricamente pura (solo
un enantiómero está presente), tendrá una
rotación observada específica de +23,1°.
Exceso enantiomérico
• Si una muestra de 2-bromobutano es una
mezcla racémica, tendrá una rotación
observada específica de 0°.
• Si la rotación observada específica es positiva,
pero menor que +23,1°, la muestra es una
mezcla de enantiómeros y la mezcla contiene
más del enantiómero (S) que del enantiómero
(R), porque el enantiómero (S) es dextrógiro.
Exceso enantiomérico
• El exceso enantiomérico, llamado también
pureza óptica, indica cuánto de exceso de un
enantiómero está presente en una mezcla. Se
puede calcular a partir de la rotación
específica observada:
exceso enantiomérico = (rotación observada
específica/rotación específica del enantiómero
puro) x 100%
Exceso enantiomérico
• Por ejemplo, si la muestra de 2-bromobutano tiene una
rotación observada específica de +9,2°, entonces el
exceso enantiomérico es 40%. En otras palabras, el
exceso de uno de los dos enantiómeros comprende el
40% de la muestra.
exceso enantiomérico = (+9,2/+23,1) x 100% = 40%
Si la mezcla tiene un 40% de exceso enantiomérico,
40% de la mezcla es un exceso del enantiómero (S) y
60% es una mezcla racémica. Por tanto, la mezcla
estará formada por un 70% del enantiómero (S) y un
30% del enantiómero (R).
Compuestos con más de un centro
asimétrico
• Muchos compuestos orgánicos tienen más de
un centro asimétrico. Cuanto más centros
asimétricos tiene un compuesto, puede tener
más estereoisómeros. Si se conoce el número
de centros asimétricos, se puede calcular el
número máximo de estereoisómeros para
dicho compuesto. Un compuesto puede
tener un máximo de 2n estereoisómeros,
donde n es igual al número de centros
asimétricos.
Compuestos con más de un centro
asimétrico
• El 3-cloro-2-butanol tiene dos centros asimétricos.
Puede tener un número máximo de cuatro (22 = 4)
estereoisómeros.
enantiómeros eritro
enantiómeros treo
fórmulas en perspectiva de los estereoisómeros del 3-cloro-2-butanol (alternadas)
Compuestos con más de un centro
asimétrico
• Los cuatro estereoisómeros del 3-cloro-2-butanol consisten
de dos pares de enantiómeros. Los estereoisómeros 1 y 2
son imágenes en el espejo no superponibles
(enantiómeros). Los estereoisómeros 3 y 4 son también
enantiómeros. Los estereoisómeros 1 y 3 no son idénticos
y no son imágenes en el espejo uno de otro. Tales
estereoisómeros son llamados diastereoisómeros. Los
estereoisómeros 1 y 4, 2 y 3 y 2 y 4 son también pares de
diastereoisómeros.
enantiómeros eritro
enantiómeros treo
proyecciones de Fischer de los estereoisómeros del 3-cloro-2-butanol (eclipsadas)
Compuestos con más de un centro
asimétrico
• En un par de estereoisómeros, la
configuración de uno de los centros
asimétricos es la misma en ambos, pero la
configuración del otro centro asimétrico es
diferente.
• Los diastereoisómeros son estereoisómeros
que no son enantiómeros (los isómeros cis –
trans también son diastereoisómeros).
Compuestos con más de un
estereocentro
• Los enantiómeros tienen propiedades físicas
idénticas y propiedades químicas idénticas
(reaccionan con reactivos aquirales a la misma
velocidad). Los diastereoisómeros tienen
propiedades físicas distintas (puntos de
fusión, puntos de ebullición, solubilidades,
rotaciones específicas, etc.) y propiedades
químicas diferentes (reaccionan con reactivos
aquirales a diferentes velocidades).
Compuestos con más de un
estereocentro
• Cuando se dibujan estereoisómeros con dos centros
asimétricos adyacentes en proyecciones de Fischer
(en conformaciones eclipsadas), los enantiómeros
con los hidrógenos del mismo lado de la cadena de
carbono son llamados enantiómeros eritro,
mientras que los que poseen los hidrógenos en
lados opuestos son llamados enantiómeros treo.
enantiómeros eritro
enantiómeros treo
fórmulas en perspectiva de los estereoisómeros del 3-cloro-2-butanol (eclipsadas)
Compuestos con más de un
estereocentro
• Las fórmulas en tres dimensiones permiten
mostrar los enantiómeros eritro y treo en
conformaciones alternadas y eclipsadas.
enantiómeros eritro
enantiómeros treo
enantiómeros eritro
enantiómeros treo
Estereoisómeros de compuestos
cíclicos
• El 1-bromo-2-metilciclopentano posee dos centros
asimétricos y cuatro estereoisómeros. Como el
compuesto es cíclico, los sustituyentes pueden ser cis o
trans. Se puede dibujar los enantiómeros tanto para el
isómero cis como para el isómero trans. Cada uno de
los cuatro estereoisómeros es quiral.
cis-1-bromo-2-metilciclopentano
enantiómeros
trans-1-bromo-2-metilciclopentano
enantiómeros
Estereoisómeros de compuestos
cíclicos
• El 1-bromo-3-metilciclohexano también tiene dos
centros asimétricos. El átomo de carbono que forma el
enlace con el bromo y un hidrógeno está también
unido a dos grupos diferentes (-CH2CH(CH3)CH2CH2CH2y -CH2CH2CH2CH(CH3)CH2-), de modo que es un centro
asimétrico. El átomo de carbono unido al grupo metilo
y a un hidrógeno también está enlazado a dos grupos
de cadenas de carbono, así que es también un centro
asimétrico.
estos dos grupos son distintos
centro asimétrico
centro asimétrico
Estereoisómeros de compuestos
cíclicos
• Como el compuesto posee dos centros
asimétricos, tiene cuatro estereoisómeros. Los
enantiómeros pueden ser dibujados tanto para el
isómero cis como para el isómero trans. Cada
uno de los cuatro estereoisómeros es quiral.
cis-1-bromo-3-metilciclohexano
enantiómeros
trans-1-bromo-3-metilciclohexano
enantiómeros
Estereoisómeros de compuestos
cíclicos
• El 1-bromo-3-metilciclobutano no posee centros
asimétricos. El carbono 1 tiene un Br y un H unidos a
él, pero sus otros dos grupos [-CH2CH(CH3)CH2-] son
idénticos. Lo mismo sucede con el carbono 3. Como el
compuesto no tiene un carbono con cuatro diferentes
grupos unidos a él, tiene solo dos estereoisómeros, el
isómero cis y el isómero trans. Ambos son aquirales.
los dos grupos
son iguales
cis-1-bromo-3-metilciclobutano
trans-1-bromo-3-metilciclobutano
Estereoisómeros de compuestos
cíclicos
• El 1-bromo-4-metilciclohexano tampoco tiene
centros asimétricos. Por ello, el compuesto
tiene solo dos estereoisómeros, el isómero cis
y el isómero trans. Ambos estereoisómeros
son aquirales.
cis-1-bromo-4-metilciclohexano
trans-1-bromo-4-metilciclohexano
Compuestos meso
• Algunos compuestos con dos centros asimétricos
tienen cuatro estereoisómeros. Sin embargo, algunos
compuestos con dos centros asimétricos poseen solo
tres estereoisómeros. Ejemplo: 2,3-dibromobutano.
fórmulas en perspectiva de los estereoisómeros del 2,3-dibromobutano (alternadas)
Compuestos meso
• La imagen en el espejo del primer isómero es la misma
molécula. Esto se puede ver más claramente cuando
las fórmulas en tres dimensiones se dibujan en
conformaciones eclipsadas o cuando se utilizan
proyecciones de Fischer.
fórmulas en perspectiva de los estereoisómeros del 2,3-dibromobutano (eclipsadas)
proyecciones de Fischer de los estereoisómeros del 2,3-dibromobutano (eclipsadas)
Compuestos meso
• Se puede ver en imágenes en tres dimensiones que el
compuesto 1 y su imagen en el espejo son idénticas.
Asimismo, se puede ver 1 en proyección de Fischer y su
imagen en el espejo (la única rotación permitida en las
proyecciones de Fischer es de 180° en el plano del
papel).
imagen en el espejo
superimponible
imagen en el espejo
superimponible
Compuestos meso
• El estereoisómero 1 es llamado compuesto meso. A
pesar de que un compuesto meso tiene centros
asimétricos, es aquiral, porque se puede superponer a
su imagen en el espejo (meso = medio en griego).
• Un plano de simetría corta un compuesto meso en dos
mitades, que son la imagen en el espejo una de otra.
compuestos meso
Compuestos meso
• Es fácil reconocer cuando un compuesto con dos
centros asimétricos tiene un estereoisómero que es un
compuesto meso, porque los cuatro átomos o grupos
unidos a un centro asimétrico son idénticos a los
cuatro átomos o grupos unidos al otro centro
asimétrico. Ejemplo:
compuesto meso
compuesto meso
enantiómeros
enantiómeros
Compuestos meso
• En el caso de compuestos cíclicos, el isómero cis
será un compuesto meso y el isómero trans
estará constituido por un par de enantiómeros.
compuesto meso
compuesto meso
enantiómeros
enantiómeros
Compuestos meso
• En la fórmula tridimensional con el ciclohexano plano, el
cis-1,2-dibromociclohexano parece tener un plano de
simetría. Sin embargo, el ciclohexano no es un plano
hexagonal, sino que existe preferentemente en la
conformación silla. Esta no tiene un plano de simetría,
pero la conformación bote si lo tiene. Entonces, ¿es el cis1,2-dibromociclohexano un compuesto meso? La
respuesta es si.
sin plano de simetría
plano de
simetría
confórmero silla
confórmero bote
Compuestos meso
• La existencia de un plano de simetría como
criterio para la existencia de compuestos meso es
válida para compuestos acíclicos. Para estos
compuestos, es mejor observar la conformación
eclipsada. Ejemplo: 2,3-dibromobutano.
plano de
simetría
confórmero eclipsado
sin plano
de simetría
confórmero alternado
Nomenclatura de compuestos con más
de un centro asimétrico
• Si un compuesto tiene más de un centro asimétrico, los
pasos para determinar si un centro asimétrico dado
tiene la configuración (R) o (S) deben ser aplicados
individualmente a cada uno de los centros asimétricos.
Como ejemplo, nombremos uno de los
estereoisómeros del 3-bromo-2-butanol.
Nomenclatura de compuestos con más
de un centro asimétrico
• En primer lugar, se determinará la configuración
de C-2. El OH tiene la mayor prioridad, el C-3
tiene la segunda (C unido a Br, C, H), luego el
grupo CH3 tiene la tercera y finalmente el H la
cuarta. Por tanto, la configuración del C-2 es (S).
Nomenclatura de compuestos con más
de un centro asimétrico
• Luego, se determina la configuración en C-3. Se debe
cambiar el ángulo de visión para ello, estableciéndose
que la configuración de este átomo de carbono es (R).
• Por ello, el nombre del isómero es (2S,3R)-3-bromo-2butanol.
Nomenclatura de compuestos con más
de un centro asimétrico
• Se utiliza un procedimiento similar cuando se usan las
proyecciones de Fischer. En el C-2, la dirección de
rotación una vez determinadas las prioridades es en
sentido horario, lo que indica una configuración (R).
Sin embargo, como el enlace con el sustituyente de
menor prioridad es horizontal, se invierte el sentido y
la configuración es (S).
Nomenclatura de compuestos con más
de un centro asimétrico
• Repitiendo los mismos pasos para el C-3, se
determina que el centro asimétrico tiene la
configuración (R). De esta manera, el isómero
es el (2S,3R)-3-bromo-2-butanol.
Nomenclatura de compuestos con más
de un centro asimétrico
• Los cuatro estereoisómeros del 3-bromo-2butanol se muestran a continuación.
Nomenclatura de compuestos con más
de un centro asimétrico
• El ácido tartárico tiene tres estereoisómeros, porque cada
uno de sus dos centros asimétricos tiene el mismo conjunto
de cuatro sustituyentes. Se muestran a continuación el
compuesto meso y el par de enantiómeros.
ácido (2R,3S)-tartárico
compuesto meso
ácido (2R,3S)-tartárico
compuesto meso
ácido (2R,3R)-tartárico ácido (2S,3S)-tartárico
enantiómeros
ácido (2R,3R)-tartárico
ácido (2S,3S)-tartárico
enantiómeros
Propiedades físicas de los
estereoisómeros del ácido tartárico
Estereoisómero
Punto de
fusión, °C
Rotación
específica
(2R,3R)-(+)ácido tartárico
171
+11,98
Solubilidad,
g/100 g H2O a
15 °C
139
(2S,3S)-(-)-ácido
tartárico
(2R,3S)-ácido
tartárico (meso)
(±)-ácido
tartárico
171
-11,98
139
146
0
125
206
0
139
Separación de enantiómeros
• Los enantiómeros no pueden ser separados por las
técnicas usuales de separación, como la destilación
fraccionada o la cristalización, porque sus puntos de
ebullición y solubilidades idénticas hacen que destilen
o cristalicen simultáneamente. Ejemplo: tartrato de
sodio y amonio.
cristales orientados hacia la derecha cristales orientados hacia la izquierda
tartrato de sodio y amonio
Separación de enantiómeros
• Louis Pasteur fue el primero que logró
separar un par de enantiómeros. Al
trabajar con cristales de tartarato de
sodio y amonio, notó que los cristales no
eran idénticos. Después de separarlos
con un par de pinzas y una lupa,
encontró que una solución de un tipo de
cristales hacía rotar la luz polarizada en
un sentido y una solución del otro tipo
hacía rotar la luz polarizada en el otro
sentido.
Separación de enantiómeros
• El experimento de Pasteur dio origen a un
nuevo término químico. El ácido tartárico se
obtiene de las uvas, de modo que se lo llamó
mezcla racémica (del latín racemus = racimo
de uvas). De ahí que una mezcla de iguales
cantidades de enantiómeros se llama mezcla
racémica. La separación de enantiómeros se
llama resolución de una mezcla racémica.
Separación de enantiómeros
• La separación manual realizada por
Pasteur no es un método universal para
separar enantiómeros, pues la mayoría
no forman cristales que se pueden
distinguir visualmente. Los
enantiómeros se pueden separar por
cromatografía sobre un medio quiral,
que interactúa de manera distinta con
un enantiómero (R) que con otro (S),
haciendo que ambos migren a
velocidades distintas a través de una
columna rellena con medio quiral.
material
quiral
Drogas quirales
• Hasta hace poco, la mayor parte de los
medicamentos con centros asimétricos se
vendían como mezclas racémicas, por la
dificultad de sintetizar enantiómeros puros y
el alto costo de separar los enantiómeros. En
1992, la FDA de E.E.U.U. emitió una norma
para lograr que las empresas farmacéuticas
produjesen las drogas como enantiómeros
puros. Las empresas se han ido adaptando a
esta normativa.
Drogas quirales
• Los enantiómeros pueden tener propiedades fisiológicas
similares o muy diferentes. Existen numerosos ejemplos de
ello. La (S)-(+)-ketamina es cuatro veces más potente como
anestésico que la (R)-(-)-ketamina y los efectos secundarios
de esta droga están relacionados solo al isómero (R). El
enantiómero (S) de Prozac, un antidepresivo, es un mejor
bloqueador de la serotonina, pero se consume mucho más
rápido que el isómero (R). La actividad del ibuprofeno,
analgésico vendido con las marcas Advil, Nuprin y Motrin,
reside principalmente en el enantiómero (S)-(+). Otros
ejemplos son el ingrediente activo del Vicks Vapor y la
metanfetamina (droga “speed).
ingrediente activo de Vicks Vapor
metanfetamina o “speed”
Otros centros asimétricos
• Otros átomos distintos al carbono pueden ser
centros asimétricos. Cualquier átomo que tenga
cuatro átomos o grupos diferentes unidos a él es
un centro asimétrico. Por ejemplo, los siguientes
pares de compuestos, con centros asimétricos de
nitrógeno o fósforo, son enantiómeros.
enantiómeros
enantiómeros
Otros centros asimétricos
• Si uno de los cuatro grupos unidos al nitrógeno es un par de
electrones, los enantiómeros no pueden ser separados,
porque se interconvierten rápidamente a temperatura
ambiente. Esta rápida interconversión es denominada
inversión de amina. El par de electrones libres es
necesario para la inversión, los iones amonio cuaternarios
no muestran esta inversión.
enantiómeros
estado de
transición
orbital p
Otros centros asimétricos
• Una manera de imaginar la inversión de amina es
compararla con un paraguas que se invierte por
causa del viento.
• La energía requerida para la inversión de amina
es aproximadamente 6 kcal/mol (25 kJ/mol),
cerca de dos veces la energía requerida para la
rotación alrededor de un enlace simple C – C,
pero suficientemente baja para permitir que los
enantiómeros se interconviertan rápidamente a
temperatura ambiente. Como resultado, los
enantiómeros no se pueden separar.