7.-estereoquímica

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7.-ESTEREOQUÍMICA
INTRODUCCIÓN
Los isómeros estructurales
Se definen como isómeros, todos aquellos compuestos químicos que poseen
igual fórmula global, es decir, están constituidos con los mismos elementos y en la
misma proporción pero tienen diferente estructura química. De esta manera, es
posible encontrar varios tipos de isómeros llamados estructurales. El 2-metilpentano
y el n-hexano son un ejemplo de isomería de cadena. El 1-clorobutano y el 2clorobutano, poseen igual fórmula global pero difieren en la posición del halógeno en
la cadena, por lo tanto se les llama isómeros de posición. El etanol y el dimetiléter
son isómeros funcionales. En resumen, los isómeros estructurales difieren en que
teniendo la misma fórmula global, sus átomos están unidos entre sí de diferente
manera.
Los isómeros espaciales o estereoisómeros
Existe otro tipo de isómeros en los cuales tiene prioridad la distribución
espacial de sus átomos. Esto debe considerarse como una consecuencia natural de
la tridimensionalidad de las moléculas. Son entes físicos reales que se mueven en un
espacio tridimensional.
A toda esta especie de compuestos se les llama estereoisómeros, y según
su posibilidad de transformación entre un estereoisómero y otro, pueden distinguirse
dos subclases:
CONFORMACIONALES
ESTEREOISÓMEROS
CONFIGURACIONALES
Esquema Nº1
Los estereoisómeros llamados conformacionales son aquellos en los que
solo basta, la rotación sobre uno de sus enlaces simples C-C, para obtener otro
isómero conformacional, uno y otro se distinguen por su contenido de energía
potencial la que se genera por interacción entre sus átomos constituyentes.
200
H
H
C
H
H
fijo
rotar
C
H
H
Figura Nº1
Ya nos hemos encontrado con ellos al estudiar el análisis conformacional de
los alcanos y cicloalcanos. Recordemos que si se hacen rotar los grupos metilo del
etano por ejemplo, sobre su enlace C-C, aparecen isómeros configuracionales como
el eclipsado y alternado.
HH
H
H
H
H
H
HH
H
(A) alt ernada
HH
(B) eclipsada
Estructura Nº3
En el caso del butano, aparecen además de los mencionados, otros tales
como el gauche, anti.
CH3
CH3
HH
CH3
H
HH
CH3
H
H
H
eclipsado
1
H
CH
H 3
HH
H
H
H
CH3
gauche
2
CH3
CH3
H
eclipsado2
3
anti
4
Estructura Nº4
También puede verse esta clase de isomería en compuestos cíclicos tales
como, el ciclohexano, con su forma silla y bote
201
H H
H
H
H
H
H
H
H
H
HH
H
H
H
H
HH
H
H
H
H
conformación BOT E
H H
conformación SILLA
Esquema Nº3
Por otro lado, los estereoisómeros configuracionales son aquellos que
tienen restricción de movimiento que les impide pasar de un isómero a otro y esto
solo puede hacerse, rompiendo y formando enlaces. Ejemplos típicos de estos
isómeros son el cis y trans de los alquenos y cicloalcanos. Cis para denotar que los
sutituyentes están al mismo lado del doble enlace carbono-carbono en los alquenos
disustituidos o al mismo lado del plano del anillo en los compuestos cíclicos y trans
en lados opuestos al doble enlace y plano del anillos.
H
H
Br
Br
C C
CH2CH3
CH3
alqueno cis
H
H
cicloalcano cis
Estructura Nº1
CH3
H
Cl
C
H
C
C6H5
alqueno trans
H
H
Br
cicloalcano trans
Estructura Nº2
Si quiero pasar desde un isómero cis al trans, tengo primero que romper un
enlace, luego girar una parte de la molécula y luego reconstruir nuevamente el
enlace.
202
CIS
R
R'
C
CIS
C
H
H
romper
y rot ar
volver a
unir
R
H
T RANS
C C
H
R'
Esquema Nº2
La transformación entre estos isómeros implica una considerable cantidad de
energía (alrededor de 65 Kcal/mol en alquenos) en la primera etapa, por lo que las
moléculas, en condiciones normales, permanecerán sin interconvertirse.
LAS MOLÉCULAS TRIDIMENSIONALES Y SU REPRESENTACIÓN.
En estereoquímica, es importante saber representar las moléculas
espacialmente. Por ejemplo, la molécula de etano que se muestra más abajo
dibujada en dos dimensiones, puede ser representada en el espacio de varias
maneras, utilizando distintos tipos de modelos moleculares llamados proyecciones:
H
H
H
C
C
H
H H
etano en dos dimensiones
Estructura Nº5
1.- Proyección de Cuña: Aquí el trazo sólido que se engruesa en forma de cuña,
indica que el enlace se proyecta por encima del plano del papel, el trazo punteado
hacia atrás del plano del papel y el continuo y delgado, sobre la superficie del papel.
203
H
H
H
H
H
H
2.- Proyección de Caballete: En este caso, la molécula aparece como si se
estuviera mirando en perspectiva, oblicuamente desde arriba y los enlaces son
trazos delgados y continuos.
H
H
H
H
H
H
3.- Proyección de Newman: Esta representación mira la molécula a lo largo de un
enlace carbono-carbono. El átomo de carbono que queda más próximo al espectador
está representado por un punto desde el cual emergen radialmente los tres enlaces
carbono-hidrógeno. El átomo de carbono posterior y más lejano al espectador, está
representado por un círculo desde cuyo perímetro salen radialmente también los
otros enlaces carbono-hidrógeno.
H
H
H
H
H
H
4.- Proyección de Fischer: Esta forma de representar las moléculas, es la visión
desde una posición superior de ellas. El enlace carbono-carbono queda sobre el
plano del papel. Los trazos horizontales son los enlaces que emergen desde el plano
del papel hacia el espectador. Los trazos punteados son los enlaces que se
proyectan hacia atrás del plano del papel alejándose del espectador. El dibujo de la
izquierda demuestra esta situación. Sin embargo, lo que se encuentra normalmente
204
en literatura es el dibujo de la derecha. Esto significa que, hay que tener en mente y
respetar las convenciones que están implícitas en este tipo de dibujo.
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
Figura Nº2
ENANTIÓMEROS, IMAGEN ESPECULAR Y QUIRALIDAD
Es una experiencia común, la dificultad que se encuentra al tratar de colocar
un guante de la mano derecha en la izquierda y vise versa. Esto se debe a que los
dedos de una mano son todos diferentes, tienen un orden establecido y, no
presentan entre ellos ningún elemento de simetría interno como podría ser por
ejemplo, un centro, un eje o un plano de reflexión.
Entre los muchos diferentes elementos de simetría que es posible encontrar
en una molécula estan:
Un centro de simetría es aquel punto dentro de un objeto, desde el cual,
cualquier proyección que se haga desde él hasta otro punto de ese cuerpo, en
sentido inverso siempre encontrará una imagen idéntica del otro extremo.
Una esfera es el ejemplo más representativo de aquel cuerpo que tiene en su
centro geométrico un centro de simetría. La molécula de tetracloruro de carbono o el
metano son algunos ejemplos simples de cuerpos con un centro de simetría y el
núcleo del átomo de carbono de esas moléculas coincide con su centro de simetría.
El benceno también es un ejemplo de molécula que posee ambos elementos de
simetría.
Un plano de simetría puede ser considerado como aquel que divide un
objeto, como por ejemplo una molécula, de tal forma, que lo que queda a un lado de
205
ese plano es como la imagen del objeto original que se refleja en un espejo. Son
aparentemente indistinguibles una frente a la otra. Sin embargo, ambas poseen
propiedades físicas y químicas que efectivamente, las hacen diferentes entre sí.
Centro de simetría
del benceno
Uno de los planos de simetría
del benceno
Por ejemplo, examinemos nuestras manos. ¿Se ha fijado usted que aun
cuando son idénticas entre sí no pueden superponerse?. Esto es algo notable. Son
idénticas solo en el sentido de que una es la imagen del reflejo en un espejo de la
otra. En otras palabras, la mano izquierda es idéntica a la imagen que se obtendría
colocando la mano derecha frente a un espejo. Así, una es imagen especular de la
otra. Vea el recuadro derecho en la figura Nº3 de más abajo.
Sin embargo, si ambos objetos poseen algún elemento de simetría interno,
estos pasan a ser superponibles entre sí punto a punto. Un buen ejemplo de este
caso es un tenedor como aquel que se muestra más abajo en el recuadro izquierdo.
reflejo o mano derecha
mano izquierda
plano de simetríaespejo
plano de simetría
Ambas imagenes son superponibles
T ENEDOR
espejo
Las manos no pueden superponerse
MANOS
Figura Nº3
Esta misma propiedad puede hacerse extensiva a las moléculas. El metano
por ejemplo, tiene una imagen especular que es idéntica a sí misma y puede
superponerse puesto que tiene elementos de simetría (seis planos de simetría) La
figura Nº4, muestra solo dos de ellos, en los cuales siempre quedarán dos de sus
átomos de hidrógenos sobre él..
206
H
H
C
H
H
planos de simet ria
perpendiculares ent re si
Figura Nº4
Si al metano que posee cuatro átomos de hidrógeno dispuestos espacialmente
de manera tal que son seis los planos de simetría que la atraviesan, y todos pasando
por su centro de simetría, le cambiamos sucesivamente sus átomos de hidrógeno por
igual número de átomos o grupos de átomos diferentes, el número de planos de
simetría disminuirá sucesivamente hasta que no quede ninguno de ellos. El carbono
de esta molécula quedará finalmente unido a cuatro grupos distintos, y no presentará
ningún elemento de simetría.
H
H
H
B
A
C
C
H
H
D
Esquema Nº4
Este metano sustituido es equivalente a una de nuestras las manos, y para
obtener la otra, lo deberemos colocar frente a un espejo y observar su reflejo.
A
H
B
B
C
C
D
molécula sust it uida
D
H
imagen especular
ESPEJO
Figura Nº5
A
207
Semejante a lo que sucede con las manos, la molécula sustituida del metano,
no puede superponerse con su propia imagen especular, no tiene elementos de
simetría.
Aquellas moléculas que muestran este comportamiento se llaman quirales.
Así, una molécula quiral es aquella que no es superponible con su imagen especular,
y el carbono al que están sujetos los cuatro grupos o átomos diferentes es un centro
estereogénico o asimétrico. Dicho de otra manera, para que una molécula sea
quiral, debe tener por lo menos un centro asimétrico o estereogénico, y ese centro,
que generalmente es un átomo de carbono, deberá estar unido a cuatro grupos o
átomos diferentes.
Un centro asimétrico, significa entonces, que este no debe poseer elementos
de simetría tales como planos ejes y centros de simetría.
Por ejemplo, como vimos anteriormente el metano posee varios planos de
simetría.
plano de simet ría
H
(b)
lado
izquierdo
(a)
H
H C
(c)
H (a)
Figura Nº6
En este caso, el plano de simetría coincide con el plano del papel, y los dos
hidrógenos (a) han quedado también colocados sobre el plano. Los otros dos está: el
uno (b) hacia atrás y el otro (c) hacia delante del plano. Giremos ahora la molécula
levantando el lado izquierdo de la figura de manera tal que el plano de simetría
quede ahora perpendicular al plano del papel y pueda mirarse la molécula desde otra
perspectiva:
H (a)
(b)
H
C
H
(c)
H (a)
plano de simetría
Figura Nº7
208
Ahora, se ven claramente los hidrógenos (a), que estando sobre el plano de
simetría, se proyectan hacia atrás del espectador. Los otros dos átomos de
hidrógeno (b) y (c) se proyectan hacia adelante, simétricamente, hacia ambos lados
del plano de simetría.
Estos elementos de simetría, aparecen sobre cualquier átomo de carbono que
esté unido a por lo menos dos grupos idénticos. Por lo tanto, un carbono con dos
grupos iguales no es un centro asimétrico o estereogénico y por lo tanto no
contribuye a la quiralidad en la molécula de la que forma parte.
Por ejemplo: el 2-bromopropano no es quiral, pero en cambio el 2bromobutano sí lo es. Vea la estructura Nº6.
H
H
H3C
C
H3C
CH3
Br
C CH2 CH3
Br
Estructura Nº6
En el primer caso, de los cuatro átomos y grupos de átomos que están unidos
al carbono, dos de ellos son grupos idénticos (- CH3), por lo que hay un plano de
simetría. Por lo tanto, esta molécula, es aquiral. En el segundo caso, el carbono 2
está unido a cuatro grupos diferentes, -H, - CH3, - CH2CH3 y – Br, por lo tanto
constituye un centro asimétrico y la molécula es quiral.
Recuerde que una molécula quiral no puede superponerse con su imagen
especular. La imagen especular de una molécula quiral es también quiral, y se la
llama enantiómero. Un enantiómero entonces es la imagen especular no
superponible de una molécula quiral.
espejo
H
H3C
C
H
CH2CH3
H3CH2C
C
CH3
Br
Br
un par de enantiómeros
Figura Nº8
Un par de enantiómeros, es la molécula quiral y su imagen especular. Esto
significa que la relación estereoisomérica entre ellas es ser enantiómeros entre sí.
209
LA CONFIGURACIÓN.
Al observar un par de enantiómeros, se verá que difieren entre sí en que
poseen intercambiados dos de sus cuatro grupos diferentes. Así, en las figuras de los
enantiómeros de arriba, cualquiera que tomáramos como referencia, solo bastaría
con tomar su grupo –CH3 y su grupo –CH2CH3 e intercambiarlos entre sí para
obtener la otra estructura o enantiómero. Se hace evidente que la distribución en el
espacio de los grupos unidos a un carbono asimétrico es muy importante y así, dada
una molécula quiral, solo basta con intercambiar dos de los grupos del centro
asimétrico o estereogénico para obtener su enantiómero o imagen especular. Aquí
vuelve a presentarse el concepto de que para pasar de una configuración a otra hay
necesariamente que romper y formar enlaces.
El ordenamiento tan especial que tiene en el espacio el centro estereogénico
de una molécula quiral se llama configuración, y por lo tanto, cada enantiómero
posee su propia configuración. En un par de enantiómeros con un centro
estereogénico hay dos configuraciones, que tendrán que ser distinguidas, una de la
otra mediante la nomenclatura. Esto tiene la ventaja de poder dibujarlas a partir de su
nombre y viceversa sin que reste duda alguna.
NOMENCLATURA PARA LA CONFIGURACIÓN DE LOS
ESTEREOISÓMEROS.
Hay algunas reglas que se aplican para distinguir la configuración de los
estereoisómeros. Estas son prácticamente iguales a las definidas para distinguir las
estructuras estereoisoméricas E,Z en los alquenos. Los autores de esta
nomenclatura son los mismos Cahn, Ingold y Prelog de la nomenclatura CIP que ya
revisamos y solo hay una diferencia que la distingue del caso de los alquenos.
Consiste en que hay reglas muy bien definidas que permiten visualizar e identificar el
centro estereogénico:
g
D
C
A
B
Figura Nº9
REGLA Nº1: Se ordenan, de mayor a menor según su número atómico todos los
átomos unidos directamente al carbono estereogénico. Aquel que tenga mayor
número atómico tendrá la primera prioridad, y se le asignará con el Nº 1. Al que sigue
en prioridad se le dará el Nº 2 y así hasta llegar al grupo de prioridad Nº 4.
210
I > ,..., >C l > F > N > C ,...,> H
PRIORIDAD
Figura Nº10
REGLA Nº2: Si más de un átomo, directamente unido al carbono del centro
asimétrico, tiene el mismo número atómico, entonces, se debe continuar la
comparación de los números atómicos a través de las cadenas de ambos grupos,
alejándose del carbono estereogénico, hasta encontrar la primera diferencia que dará
la prioridad correspondiente. No se debe considerar la suma de los números
atómicos en el grupo para efectuar la comparación, solo se debe considerar la
primera diferencia encontrada en el proceso de la comparación. Cada átomo
está unido a otros tres átomos, luego, se debe comparar el pool de átomos unidos al
carbono en cuestión y ganará aquel átomo de mayor número atómico.
C,H,H
CH2
g
unido a
C
B
CH2
CH2
CH3
OH
O,H,H
Figura Nº11
En el ejemplo, (Figura Nº11), los dos grupos –CH2- no pueden definir su
prioridad, por lo que se debe continuar a lo largo del grupo hasta encontrar la primera
diferencia. Así, aquel grupo que contiene oxígeno es el que tiene mayor prioridad de
los dos.
Veamos ahora un ejemplo concreto: el 2-bromobutano.
H
C
Br
CH3
CH2CH3
Estructura Nº7
Observando los átomos directamente unidos al carbono estereogénico y
aplicando la primera regla, no hay duda en que el bromo, como el elemento de mayor
número atómico tiene la prioridad Nº1. En cambio, los carbonos del metilo y del etilo
no permiten determinar cual de los dos es prioritario sobre el otro. Según la regla
dos, este caso se resuelve examinando los números atómicos de los átomos
siguientes dentro del grupo hasta encontrar la primera diferencia. El carbono del
metilo esta unido solo a tres hidrógenos, en cambio el carbono del etilo está unido a
211
dos hidrógenos y a un carbono que es la primera diferencia encontrada y por tanto el
grupo etilo tiene la segunda precedencia o prioridad Nº 2 después del bromo. Al
metilo le corresponderá la prioridad Nº 3 y al hidrógeno la Nº 4.
REGLA Nº3: Los átomos unidos por enlaces múltiples, se deben tratar como si
hubiese igual número de enlaces simples entre los átomos involucrados.
C
O
C
C
O
O
C
H
equivale a
N equivale a
C
N
C
C
N
N
H
Figura Nº12
Veamos un ejemplo de la regla Nº 3:
este carbono está unido
a tres oxígenos
O
(2) C
(1) Br
CH
(4) 3
OH
C
(3)
C
N
este carbono esta unido
a tres nit rógenos.
Figura Nº13
Los números entre paréntesis indican el orden de prioridad de los grupos
unidos al carbono estereogénico.
Una vez fijada de esta manera las prioridades de los grupos unidos al centro
asimétrico, se aplican estas al estereoisómero y se resuelve su configuración. Ahora
el centro estereogénico deberá mirarse de una manera tal que deje detrás de él,
al átomo o grupo de átomos de menor prioridad.
212
D
átomo o grupo de
átomos de menor
prioridad
g
D
g
A
B
A
B
Nº2
Nº1
Figura Nº14
Si la prioridad de los átomos o grupo de átomos es:
A(1) > B(2) > D(3) > g(4)
Entonces A será 1, B será 2 etc. En la estructura Nº1 de la figura Nº15, la
lectura de las prioridades de los grupos, describe una curva A-> B -> D o 1-> 2-> 3,
moviéndose en el sentido que lo hacen los punteros de un reloj, y aquello
corresponde por “convención” a la configuración R.
D
D
g
g
A
B
R
Nº1
B
A
S
Nº2
Figura Nº15
A la estructura Nº2, le corresponde la configuración en la cual la curva
describe un movimiento en sentido contrario a la estructura Nº1, es decir, contrario al
movimiento de los punteros del reloj. Es la configuración S. Aquí R y S son
enantiómeros e imágenes especulares entre sí.
TRANSFORMACIÓN DE PROYECCIONES DE CUÑA A FISCHER.
Esta transformación es una más de las existentes, ya que no es la única, y
cada cual podrá elegir la que más le acomode.
Para este caso particular, y en general es también válido, hay que
preocuparse que al hacer estas transformaciones no alterar la configuración del
213
centro asimétrico. Un buen criterio, entre otros, es comenzar dejando el grupo de
menor prioridad ( Nº4) sobre uno de los extremos del eje vertical para dejarlo
proyectado hacia atrás en la proyección de Fischer , permitiendo entonces leer
directamente de la figura el sentido del giro y definir la configuración sin más
complicaciones.
Br (1)
(2) CO2H
C
(1) Br
CH
(4) 3
HO2C
(2)
(3)
CN
CN
(3)
(4)CH
3
C on figu ración (S )
Figura Nº16
Por otro lado, los grupos o átomos que en la proyección de cuña están sobre
el plano del papel deben quedar en la proyección de Ficher en extremos opuestos de
la misma línea vertical que los une. Si no se cumple con esta precaución se corre el
riesgo de dibujar el enantiómero o imagen especular, puesto que se está
intercambiando un par de grupos o átomos del centro estereogénico. Así por
ejemplo, la transformación como se plantea siguiendo estas indicaciones es:
H (4)
H (4)
(1)Br
(3) CH3
(1) Br
C
CH2CH3
(2)
CH3
(3)
(2)
CH2CH3
C on fi gu raci ón (S )
eje imaginario
Esquema Nº5
Al girar la molécula en 90º alrededor del eje imaginario para que el grupo etilo
y el hidrógeno queden hacia atrás, deja el plano definido por el hidrógeno (4) el
carbono estereogénico y el etilo (2) como una recta. Este giro a su vez, hace que el
214
bromo se ubique a la izquierda de esta línea y el metilo a la derecha emergiendo
ambos desde el plano del papel.
Por otro lado, si dejamos el grupo Nº 4 y el grupo Nº 3 unidos por la misma
línea vertical al igual que lo hicimos con el hidrógeno y el etilo anteriormente, en
Fischer resulta en un cambio de configuración:
H (4)
H (4)
(1) Br
(3) CH3
(2)
CH2CH3
(1) Br
C
CH2CH3
(2)
(3)
CH3
Configuración (R)
Configuración (S)
Hay cambio de configuración de (S)
a (R)
Figura Nº17
REGLAS NEMOTÉCNICAS SIMPLES EN LA ESTEREOQUÍMICA DE LOS
CICLOS
Trabajar con ciclos en estereoquímica, suele ser un problema serio, sobre
todo para quienes no están familiarizados con el tema. Esto se origina en el uso
ambiguo de las proyecciones. Tomemos por ejemplo, la adición de ácido bromhídrico
a un ciclohexeno sustituido:
CH3
CH3
H
HBr
CH3
CH3
215
Br
(por arriba)
CH3
CH3
Br
CH3
CH3
CH3
(por abajo)
(a)
CH3
(b)
Br
Tanto (a) como (b), son estructuras espacialmente indefinidas cuando se trata
de encontrar la configuración. No están bien definidas las posiciones arriba,
abajo, atrás y adelante, lo cual hace difícil e incierto la determinación de sus
configuraciones.
Para evitar estas dificultades, podemos como alternativa, recurrir a una
representación de cuña siempre que nos propongamos respetar algunas reglas
simples y fáciles de recordar:
REGLA Nº1.- El ciclo debe mantenerse siempre en el plano del papel.
H
H
R
CH3
REGLA Nº2 .- Lo que queda hacia delante (
) del plano del papel y lo que queda
hacia atrás (
) deben ser dibujadas aproximadamente como la continuación del
lado del polígono, como puede verse en el dibujo:
H
H
Sobre el plano
Bajo el plano
216
REGLA Nº3.- Los grupos de átomos o átomos que están sobre el plano están
representados por cuñas sólidas y los gropos que están hacia atrás del plano
por cuñas segmentadas como se muestra en el ejemplo de más abajo:
Cl
4
3
R
5
6
H
2
H
1
CH3
(A)
Así, en la figura del estereoisómero (A), están perfectamente definidas las
posiciones de todos los elementos importantes para la estereoquímica. La molécula
(A) es la (R)-3-cloro-1-metilciclohexeno. En el átomo de carbono 3 el átomo de cloro
está saliendo, hacia el espectador, y el hidrógeno está hacia atrás. El doble enlace
C=C, junto al metilo y el hidrógeno involucrados están en el plano del papel.
Veamos ahora, tomando en cuenta estas normas, como puede representarse
la reacción de adición de HBr sobre la molécula (A)
Según Markovnikov, la adición sigue como sabemos:
Cl
Cl
H
R
H
CH3
HBr
H
R
H
H
CH3
(A)
El ataque del bromuro puede ser por arriba del plano o por debajo del plano
para producir finalmente (a) y (b)
.
217
Cl
H
R
Br (por arriba)
CH3 (a)
S
Cl
H
Br
R
Cl
CH3
H
R
Br
R
Br (por abajo)
(b)
CH3
Determinar ahora la configuración del nuevo centro quiral, es tarea fácil, según
las proyecciones obtenidas, y el nombre completo de estos estereoisómeros es
respectivamente:
(a)
(1S,3R)-1-bromo-3-cloro-1-metilciclohexano
(b)
(1R,3R)-1-bromo-3-cloro-1-metilciclohexano
La relación estereoquímica entre ellos es ser diastereoisómeros. Sus
enantiómeros respectivos (c) y (d) son:
CH3
S
R
Cl
H
Cl
H
Br
S
S
CH3
Br
(c )
(d)
El nombre de los diatereómeros (c) y (d) es:
(c)
(1R,3S)-1-bromo-3-cloro-1-metilciclohexano
(d)
(1S,3S)-1-bromo-3-cloro-1-metilciclohexano
Otro ejemplo, en el cual puede observarse la aplicación de estos criterios
nemotécnicos es la reacción de Br2 en CCl4 al ( R)-3-meticiclopenteno.
218
CH3 H
(por arriba)
(a)
R
Br
H + Br
CH3 H
H
R
CH3
Br2/CCl4
CH3 H
CH3
(por abajo)
H
R
(b)
+ Br
Br
CH3
CH3 H
R
(a)
+ Br
(por abajo)
R
R
(c)
H
CH3 Br
El nombre de ( c) es: (1R,2R,3R)-1,2-dibromo-1,3-dimetilciclopentano
CH3 H
(b)
+ Br
(por arriba)
R
(d)
S
S
H
Br
Br CH3
Y el nombre de (d) es: (1S,2S,3R)-1,2-dibromo-1,3-dimetilciclopentano
Br
219
PROBLEMA:
Dada la siguiente proyección de Fischer para la estructura (A):
H
C2H5
(A)
CH3
OH
H
Br
CH3
Determine la configuración de cada uno de los centros estereogénicos.
PROPIEDADES DE LOS ENANTIÓMEROS
Todas las propiedades físicas y químicas que no dependen de la simetría, son
comunes a ambos enantiómeros. Punto de fusión, punto de ebullición, densidad,
solubilidad (en solventes aquirales), además de la reactividad y velocidad de
reacción en procesos no bioquímicos. Sin embargo, hay algunas propiedades del
mundo físico que sí dependen de la quiralidad. Un enantiómero, por ejemplo, es
capaz de interaccionar con la luz polarizada y girar su plano de vibración. Esta
rotación, que es medida en un instrumento llamado polarímetro, puede ser hacia el
lado izquierdo (-) levógira o hacia el lado derecho (+) dextrógira.
Hay tendencia a asociar la configuración R o S al sentido o dirección de la
desviación del plano de la luz polarizada, sin embargo, no hay ninguna relación entre
estos hechos. La relación entre configuración R o S y dirección de la rotación del
plano de la luz polarizada solo puede ser determinada experimentalmente. Pueden
darse todas las combinaciones posibles entre estas dos variables. Por ejemplo: R(+)
o R(-) y S(+) o S(-) indistintamente, es decir, una molécula quiral de configuración R
puede ser dextrógira o levógira. Su relación deberá ser determinada
experimentalmente y una vez que se ha determinado esta relación, podemos estar
seguros que su enantiómero S rotará la luz polarizada en sentido contrario.
LOS ESTEREOISÓMEROS Y LA LUZ POLARIZADA.
La física clásica, nos dice que un rayo de luz posee ondas que vibran en
numerosos planos perpendiculares a la propagación.
220
sentido de la propagación
luz no polarizada
prisma
luz polarizada
Figura Nº18
Este caos vibracional puede alterarse si se coloca un prisma de carbonato de
calcio cristalino, llamado espato de Islandia, en la trayectoria de este rayo de luz. El
efecto que se logra es la alineación de los diferentes planos de vibración en un solo
plano lo que se conoce como luz polarizada. El plano de la luz polarizada coincide
con el eje del prisma.
Dos planos de luz polarizada colocados perpendicularmente entre sí impiden
el paso de la luz polarizada. Este principio es usado en la construcción de los
polarímetros, que son utilizados para medir la magnitud del giro del plano de la luz
polarizada cuando se hace pasar esta a través de la solución que contiene una
sustancia ópticamente activa.
Un polarímetro posee dos prismas con sus ejes dispuestos
perpendicularmente entre sí de manera que el campo del ocular del instrumento se
observa oscuro al no dejar pasar la luz proveniente de la fuente luminosa. Entre
ambos prismas se coloca la solución problema. Si esta es ópticamente activa, el
campo del ocular se ilumina debido a que la sustancia ha girado el plano de la luz
polarizada. Entonces para restablecer la oscuridad en el objetivo, hay girar el prisma
más próximo al ocular. El ángulo de giro se mide en grados y según el sentido de
este giro calificará la sustancia en dextrógira (+) si la desviación es a la derecha o
levógira (-) si es hacia la izquierda.
ejes de los
prismas
Muestra
Ocular
O
O
fuente
luminosa
luz polarizada
emergente
P rismas
Esque m a simplificado de u n polarím e tro
Figura Nº19
La magnitud de la desviación obtenida en el polarímetro se llama rotación
observada obs y depende de las variables como la concentración c, es decir, el
número de moléculas de la sustancia problema con las que la luz polarizada se
221
encuentra en su camino al pasar a través de la muestra; se expresa en gramos por
centímetro cúbico. La temperatura t (que generalmente es 25ºC) puesto que es una
variable que incide en la densidad de la sustancia problema. La longitud de la celda l
donde se coloca la muestra, es decir, la longitud del camino que la luz polarizada
debe atravesar dentro de la muestra, se expresa en decímetros, y finalmente la
longitud de onda  de la luz utilizada, que es de 589 nanómetros nm correspondiente
a la línea D del sodio.
Para comparar los valores de rotación óptica de diferentes sustancias
ópticamente activas, es necesario estandarizarlos. Al definir las condiciones
experimentales de la medición, se obtiene la rotación óptica específica, [  ]t , es
decir: aquel valor de rotación óptica obtenida cuando la concentración del
estereoisómero puro (R o S), es de c = 1 g/mL, en un portamuestra de l = 1 dm de
longitud en el sentido del paso de la luz, a una temperatura de t = 25ºC y utilizando
como fuente luminosa el de una lámpara de vapor de sodio con longitud de onda  =
589 nm
[  ]t  = obs / (l) (c)
Fórmula Nº1
Entonces, si l es igual a 1 y si c es igual a 1 entonces la Rotación Específica
es:
[  ]t  = obs
Fórmula Nº2
La rotación específica es una constante física del compuesto isomérico puro,
ópticamente activo, que lo caracteriza al igual que el punto de fusión, densidad,
índice de refracción etc.
La configuración de los estereoisómeros, cobra mucha importancia para los
Biólogos, Bioquímicos y Químico Farmacéuticos. Para los últimos, un enantiómero
puede ser un potente antibiótico en cambio su imagen especular ser totalmente
inactivo frente a la misma bacteria. Para los bioquímicos, un enantiómero S, por
ejemplo, interacciona con una enzima en algún proceso vital, y el otro, el R, su
imagen especular se comporta como una especie totalmente ajena frente a la misma
enzima.
222
MEZCLA RACÉMICA.
Una sustancia (enantiómero) dextrógira (+), desviará el plano de la luz
polarizada en un ángulo exactamente igual, pero, en sentido opuesto al de su imagen
especular el enantiómero levógiro (-)
Esta situación, plantea la posibilidad de que una mezcla de enantiómeros R
levógiro, por ejemplo, con S dextrógiro en concentraciones iguales, cancelen su
actividad óptica observada en ellos separadamente. Entonces, un racemato o mezcla
racémica será aquella sustancia química sin propiedades ópticas, debido a que el
50% (en concentración) de ella es dextrógira y el otro 50% es levógira. Como es de
esperar, la posición del plano de la luz polarizada no se altera.
Hay muchas reacciones en química orgánica que producen mezclas
racémicas, sobre todo en aquellas en que hay sustitución o adición. Así por ejemplo,
una molécula aquiral como el 1-buteno al reaccionar con ácido bromhídrico, sufre el
ataque del protón según la regla de Markovnikov y pasa en una primera etapa lenta,
por un intermediario que es un carbocatión de estructura plana. Posteriormente, este
intermediario será atacado por el ion bromuro.
H
H
C
C
CH2CH3
H
1-buteno molécula aquiral
+
H
Br
aquiral
H3C
C
H
CH2CH3
carbocatión plano
Esquema Nº6
Como este carbocatión intermediario es plano porque el carbono tiene
hibridación sp2, el bromuro podrá atacarlo por cualquiera de los dos lados. Si lo hace
por arriba, (Vea el esquema Nº7) camino (a), produce un estereoisómero con
configuración (R) y si el ataque es por abajo, por el camino (b), producirá el
estereoisómero (S)
La probabilidad de que el ataque sea por arriba es igual a que sea por
abajo. Por lo que la concentración de ambas moléculas quirales será de un 50%
para cada una. La relación que hay entre ellas es ser enantiómeros entre sí. Una es
imagen especular de la otra.
223
Br
(a)
C
H3C
H
CH2CH3
C on fi gu raci ón (R)
H3C
H
C
+
Br
CH2CH3
H3C
C
(b)
CH2CH3
H
Br
C on fi gu raci ón (S )
Esquema Nº7
Ambos estereoisómeros del 2-bromobutano son ópticamente activos por
separado, presentando entonces rotación óptica, una será dextrógira y la otra será
levógira, pero como son enantiómeros y están en igual proporción en el producto de
la reacción, la actividad óptica de una se cancelará con la de la otra, dando como
resultado esta mezcla racémica ópticamente inactiva. Cuando sucede esto se dice
que ha habido racemización completa y el producto es denominado como: (+/-)-2bromobutano
No siempre los productos de las reacciones son mezclas racémicas. Como se
verá posteriormente, algunas veces se produce más de un enantiómero que del otro,
en esos casos, el producto de la reacción presentará rotación óptica la que será una
fracción del valor que muestre el enantiómero puro que esté en exceso. Por ejemplo
si se toma el enantiómero puro (R)-3-bromo-3-metilhexano y se lo calienta en agua,
se produce después de un tiempo, un alcohol parcialmente racémico el que una vez
colocado en un polarímetro muestra una rotación observada de obs = +4,50º. La
reacción involucrada se muestra mas abajo:
H5C2
H3C C
H7C3
Br
Configuración (R)
H2O
calor
C2H5
HO
C
CH3
C3H8
Conf iguración (S)
P roducto =
H5C2
+
H3C C
H7C3
OH
Conf iguración (R)
Alcoholes enantiómeros
Esquema Nº8
Si el producto de reacción muestra actividad óptica, esto quiere decir que la
racemización no fue completa, dicho de otra manera, uno de los enantiómeros se
produjo en mayor cantidad.
224
Si se conoce la rotación específica de los alcoholes quirales, entonces es
posible determinar la composición enantiomérica de la mezcla de reacción.
Supongamos que la rotación específica del enantiómero (S) es: [  ]tD =
+13,5º, la de su enantiómero será el mismo valor pero con signo opuesto.
Supongamos además que la fracción molar del alcohol (S) es XS y la del alcohol (R)
es XR, entonces se puede aplicar la relación siguiente:
obs = XS ([ S ]tD) + XR ([ R ]tD)
Fórmula Nº3
que dice que la actividad óptica o rotación óptica observada del producto de la
reacción será proporcional al producto de la rotación específica del enantiómero (S)
por su fracción molar, más el producto de la rotación específica del otro enantiómero
(R) por su fracción molar. De manera que cada enantiómero en la mezcla producto
contribuye de manera proporcional a su concentración en la rotación óptica
observada de la mezcla. Como se tiene una sola ecuación con dos incógnitas será
necesario expresar una en función de la otra para resolverla. Esto se consigue
sabiendo que la suma de las fracciones molares de todos los componentes de una
mezcla debe ser igual a uno, entonces en este caso se cumple que:
XS + XR = 1
De aquí
XR = 1 – XS
Fórmula Nº4
Y reemplazando, se expresa la relación de más arriba en función de una sola
variable.
obs = XS ([ S ]tD) + ( 1 - XS )([ R ]tD)
Fórmula Nº5
Sustituyendo los valores conocidos en la relación matemática, tenemos:
+4,5 = XS (+13,5) + (1 – XS )(-13,5D)
Resolviendo, se obtiene para XS el valor de 0,67 y para XR el valor de 0,33.
Al multiplicar por 100 se obtiene que el alcohol (S) está participando en un
67% de la mezcla y el otro alcohol enantiómero en un 33%.
Como puede verse, el alcohol de configuración (S) está en mayor proporción
en la mezcla y utiliza un 33% de su concentración para cancelar la actividad óptica
del alcohol de configuración (R). El exceso de (S) es el responsable de la rotación
óptica observada en el producto de reacción.
225
PROBLEMAS:
1.- Al someter a hidrólisis el (R)-2-bromo-3-metilbutano en una mezcla de agua
y acetona (50% y 50%) respectivamente, el producto de reacción arroja una
lectura de -4,6º en el polarímetro.
a.-Si la rotación específica del (R)-3-meti-2-butanol es = +16º, calcule la
composición porcentual de la mezcla (R) y (S) de estereoisómeros en el
producto de la reacción.
MOLÉCULAS CON VARIOS CENTROS ESTEREOGÉNICOS.
LOS DIASTEREÓMEROS.
Fischer nos da la forma ideal de representar moléculas estereoisómeras con
más de un centro asimétrico.
Ya se vio previamente que una molécula quiral con un centro estereogénico
posee imagen especular, por lo que son dos estereoisómeros. Uno R y el otro S.
H
Br
H
Cl
Br
Cl
CH3
CH3
R
S
Un par de enantiómeros con un solo cent ro asimétrico
Estructura Nº8
Aquí hay que recordar que en la figura, los hidrógenos y los metilos están
hacia atrás del plano del papel. En cambio, los halógenos de las dos moléculas están
proyectados hacia el espectador.
Cuando se trata de una molécula con dos centros asimétricos o
estereogénicos, deberemos esperar cuatro estructuras isoméricas que se relacionan
entre sí de acuerdo con:
226
H
R
A
R
D
H
H
B
B
E
D
S
R
A
A
E
E
H
R
S
B
B
D
E
S
S
H
H
H
H
1
2
3
4
A
D
Estructura Nº9
Como puede verse en la estructura Nº9, deberá haber por cada centro
estereogénico, un par de enantiómeros R,S, y como son dos centros asimétricos,
será el doble o sea cuatro estereoisómeros. Aquí, la estructura (1) que es R-R tiene
su imagen especular en la estructura (4) que es S-S. A su vez, las estructuras (2) y
(3) que son S-R y R-S respectivamente, también son imágenes especulares entre sí,
y por lo tanto son enantiómeros. Queda claro que no todas las estructuras son
enantiómeros con todas. Por ejemplo, la estructura (1) no es imagen especular de la
(2) ni de la (3) Su relación estereoisómera es diferente, es diastereomérica.
En un par de estereoisómeros, se dice que una de ellas es diatereoisómera
con relación a la otra, cuando difieren en por lo menos en una configuración de un
centro estereogénico y por lo tanto no es imagen especular y además no son
superponibles.
Consideremos la molécula siguiente, como ejemplo de lo aseverado más
arriba: 1,2-dicloro-1-fenil-2-metilbutano. (Estructura Nº10)
CH3
Cl
H
1
C
2
C
CH2CH3
Cl
Estructura Nº10
Al tener dos centros estereogénicos, C1 y C2, esta molécula debería presentar
cuatro estereoisómeros:
227
H
Ph
Cl
H
H
1
R
2
R
Cl
Cl
C2H5
Cl
1
S
2
R
Ph
Ph
C2H5 H5C2
H
1
R
2
S
Cl
Cl
Cl
H5C2
1
S
2
S
CH3
CH3
CH3
CH3
1
2
3
4
1R-2R
Cl
1S -2S
1R-2S
1S -2R
Ph
Estructura Nº11
Aquí, las estructuras isómeras 1 y 4 son enantiómeros entre sí, al igual que 2
con 3. Pero, 2 y 3 son estructuras diastereómeras de 1 y 4 y viceversa.
LOS COMPUESTOS MESO
Véase ahora otro ejemplo, que en realidad, es la descripción muy somera de
lo que encontró Luis Pastear a mediados del siglo XIX, en los albores de la
estereoquímica. Esta experiencia nos sirve para definir otro concepto: los
compuestos meso.
Pasteur se encontró al estudiar los residuos cristalinos que se producen
durante la preparación del vino, con un compuesto que poseía dos centros
asimétricos o estereogénicos. Este es el ácido tartárico o ácido 2,3dihidroxibutanodioico, con dos centros asimétricos que implican según lo hemos
visto, la existencia de cuatro estereoisómeros. Estos son:
COOH
H
H
2
R
3
S
COOH
COOH
OH
H
OH
HO
2
R
3
R
OH HO
H
H
2
S
3
S
COOH
H
HO
OH
HO
2
S
3
R
COOH
COOH
COOH
1
2
3
4
2S -3S
2S -3R
2R-3S
2R-3R
H
H
COOH
Estructura Nº12
Observando bien, los estereoisómeros 2 y 3 son un par de enantiómeros y uno
de ellos será, con toda seguridad, dextrorrotatorio (+), el otro por supuesto,
levorrotatorio (-) Esto habría que determinarlo experimentalmente. En todo caso,
228
ambos presentarían, actividad óptica sobre el plano de la luz polarizada, si fuesen
colocados en un polarímetro por separado.
Ahora bien, si tomamos cualquiera de los estereoisómeros 1 o 4 y lo
colocamos en un polarímetro, encontramos que ninguno de ellos posee actividad
óptica a pesar de que a primera vista son enantiómeros entre sí, poseen dos centros
asimétricos cada uno en C2 y C3. La razón de este hecho aparentemente anormal, es
que cada una de ellas tiene un plano de simetría interno entre los carbonos 2 y 3.
COOH
H
H
2
R
3
S
COOH
OH
HO
OH
HO
2
S
3
R
P lano se
simetría
H
H
COOH
COOH
4
1
Espejo
2R-3S
2S-3R
C ada cu adran te e s i m age n e spe cu l ar h acia abajo o h acia e l lado
Esquema Nº9
Parecieran ser imágenes especulares, sin embargo, se observa efectivamente
presentan un plano de simetría (la mitad superior de cada molécula es el reflejo o
imagen de la parte inferior) Hay que recordar que la existencia de un elemento de
simetría interno en una estructura hace que la molécula sea aquiral, sin embargo, un
argumento igualmente contundente es aquel que dice que, si C2 es un centro
estereogénico, deberá presentar actividad óptica haciendo girar el plano de la luz
polarizada hacia algún lado, y la parte inferior de la molécula, es decir, C3 que es el
otro centro estereogénico e imagen especular de C2, deberá presentar también
actividad óptica y esta deberá hacer girar el plano de la luz polarizada hacia el lado
contrario y en exactamente la misma magnitud cancelándose internamente la
actividad óptica. Esto es un fenómeno interno de la molécula y funciona como un
racemato interno.
Este razonamiento es válido para los dos estereoisómeros 1 y 4. Ambas
estructuras son aquirales, tienen ese plano interno de simetría que hace que la
actividad óptica se cancele. Finalmente queda un tercer argumento: Si se gira el
estereoisómero 1 o 4 en 180º sobre sí mismo, cada una de ellas es superponible con
la otra. Lo que quiere decir que ambas estructuras son el mismo estereoisómero.
En resumen, un compuesto meso es aquel estereoisómero que posee un
plano de simetría interno que hace: que lo que esté a un lado de dicho plano, sea la
imagen especular de lo que esté al otro lado del plano. La configuración de los
229
centros estereogénicos que están en lados opuestos del plano es contraria y por lo
tanto su actividad óptica o quiralidad se cancela internamente. En estas sustancias el
plano de la luz polarizada no se altera o desvía hacia ningún lado y se presentan
como aquirales.
Otra consideración importante a tener presente, es aquella que dice que
dentro de los compuestos lineales no se comportarán como meso aquellos que
tengan 3,5,7 etc centros quirales impares.
Por último, cabe mencionar aquí, que los compuestos meso presentan
propiedades físicas como: solubilidad, punto de fusión, punto de ebullición y por
supuesto actividad óptica diferente a la que presentan sus otros estereoisómeros.
Por ejemplo, las propiedades físicas del ácido tartárico demuestran este
hecho:
Actividad óptica
Ángulo de rotación
(+) dextro
(-) LEVO
(+/-) MESO
+11,90
-11,90
0,00
Punto de fusión ºC Solubilidad en H2O
G/mL a 25ºC
170
147
170
147
140
120
Tabla Nº1
Otro ejemplo, lo constituye el 1,2-difenil-1,2-dihidroxietano, que al igual que el
ácido tartárico, muestra una estructura meso.
OH OH
C
C
H
H
1,2-dihidroxi-1,2difenilet ano
Estructura Nº13
Actividad óptica
Ángulo de rotación
Punto de fusión
(+) dextro
(-) levo
(+/-) MESO
+97,6
-97,6
0,0
120
120
139
Tabla Nº2
Solubilidad en H2O
G/mL a 20ºC
0,25
230
Si se tiene un tercer centro asimétrico en una molécula, nos encontramos con
8 estereoisómeros. Más abajo, pueden verse los 8 estereoisómeros del 2,4-dibromo3-hexanol.
H
C2H5
HO
H3C
H
R
4
S
3
S
2
Br
C2H5
H
H
Br
H3C
H
2S,3S,4R
R
4
R
3
S
2
H
Br
R
4
HO
S
3
Br
S
2
Br
C2H5
OH
Br
H
2S,3R,4R
H
C2H5
H
4
R
3
R
2
H
2R,3R,4R
Br
Br
OH
H
CH3
Br
H
CH3
H
2S,3S,4R
H
R
Br
H
S
4
R
3
R
2
H
2R,3R,4S
C2H5
Br
OH
HO
CH3
Br
S
4
S
3
R
2
H
2R,3S,4S
C2H5
H
CH3
231
H
Br
H
H3C
H
S
4
R
3
S
2
C2H5
Br
OH
HO
Br
H
2S,3R,4S
H3C
S
4
S
3
S
2
C2H5
H
Br
H
2S,3S,4S
Estructura Nº14
Esto quiere decir que: el número de estereoisómeros aumenta en un factor de
dos por cada centro estereogénico existente en la molécula.
# de centros
# de estereoisómeros
estereogénicos.
1
2=21
2
4=22
3
8=23
.......
N
.......
2n
Configuraciones
R,S
R-R,R-S,S-R,S-S
R(R-R,R-S,S-R,S-S) + S(R-R,RS,S-R,S-S)
......
muchos
Tabla Nº3
En general, el número de estereoisómeros esperados será igual a:
(2n)
Fórmula Nº6
Donde n es el número de centros estereogénicos en la molécula.
Antes de proseguir, sería bueno hacer algunas consideraciones sobre el
manejo de las proyecciones de cuña como representación de estereoisómeros de
varios centros asimétricos y su transformación a proyecciones de Fischer.
Dada una estructura de cuñas de un estereoisómero como la que se muestra
en la figura Nº20, con dos centros estereogénicos, es lícito hacer los siguientes
232
cambios en estas proyecciones, sin alterar la configuración de sus centros
estereogénicos:
Br
R'
R'
R
H
(S )
H
H
(S )
(R)
R
(R)
Br
H
Br
Br
giro en 180º para
dejar los bromos
al mismo lado
Figura Nº20
El giro en 180 grados de una parte de la molécula sobre el enlace C-C que
une los dos centros estereogénicos no altera su configuración. Este giro nos deja los
átomos de bromo al mismo lado y sobre el plano del papel lo que permite hacer
fácilmente la transformación a la proyección de Fischer, al colocar verticalmente el
enlace de los carbonos estereogénicos. Nótese que a la izquierda quedarán los
grupos R y R’ (en la proyección de cuña estos se proyectan hacia el espectador) y
los hidrógenos que están proyectados hacia atrás quedarán a la derecha de la
vertical. Los bromos quedarán hacia atrás del plano del papel como lo exige la
proyección de Fischer:
Br
R'
R
H
R
H
(S)
(R)
R'
Br
Br
(S)
H
(R)
H
Br
Figura Nº21
Es aconsejable dejar los hidrógenos hacia atrás, porque es directa la lectura
de la configuración si es que hubiera que determinarla:
H
Br
R
R'
(S)
(R)
H
H
Br
Br
R'
(S)
(R)
R
H
Br
mantener fijo
Figura Nº22
El movimiento efectuado en los tres grupos superiores del estereoisómero no
cambia su configuración. Esto es permitido, siempre que cada grupo sea cambiado a
233
la posición siguiente, sin saltarse a la posición subsiguiente. La otra parte de la
molécula debe mantenerse fija. Esta misma operación es posible de hacer con el otro
centro asimétrico y así lograr colocar los hidrógenos hacia atrás. El movimiento es
equivalente a rotar la parte móvil de la molécula alrededor del enlace C-C de los
centros estereogénicos.
mantener fijo
H
Br
(S)
R
R'
(R)
Br
H
H
R'
Br
(S)
R
(R)
H
Br
mantener fijo
Figura Nº23
Todas estas operaciones pueden aplicarse para cambiar de posición cualquier
grupo en un centro estereogénico, sin alterar su configuración, siempre que se
respeten esas simples reglas implícitas.
ALGUNAS REACCIÓNES DE ADICIÓN QUE GENERAN CENTROS
ESTEREOGÉNICOS.
Hay numerosas reacciones capaces de generar centros estereogénicos. Entre
ellas están las de sustitución nucleofílica (ver el capítulo 8, página 182) y las
reacciones de adición a dobles enlaces en sustratos tales como:
A).-Un alqueno Cis o Trans
R'
R
H
H
H
R
R'
H
Cis
Estructura Nº15
B).- Alqueno en A con R igual a R’
C).- Con alquenos cíclicos y cíclicos ramificados.
T rans
234
R
R
H
H
H
H
H
H
R puede ser H
Estructura Nº16
D).- Con alquenos terminales, etc.
Y darán origen a centros asimétricos, con las siguientes reacciones:
1.- Adición de HBr con o sin peróxido.
2.- Adición de Br2 / CCl4
3.- Adición de Br2 / acuoso. (Halohidrinas)
4.- Hidroxilación Syn con KmnO4, en medio alcalino. Cis dihidroxilado.
5.- Hidroxilación Anti. Epoxidación.
6.- Hidroboración-oxidación, en medio alcalino.
7.- Oximercuración-reducción.
Sea la siguiente reacción general de adición de bromo a un doble enlace de
un alqueno CIS:
R
R'
+
H
Br2
PRODUCT OS
H
Esquema Nº10
La naturaleza de los productos de esta reacción dependerá del ataque inicial
del bromo, puesto que el alqueno es plano en los seis átomos involucrados con el
doble enlace, este ataque puede llevarse a cabo por arriba o por debajo de este
plano.
235
La primera etapa de esta reacción es la siguiente:
H
H
+ Br
+
Br
Br
Br
intermediario
H
H
R'
R
R'
R
(a)
Se simula el ataque del bromo por debajo del plano del alqueno
Esquema Nº11
En la siguiente etapa el anión bromuro atacará al ion halonio intermediario
cíclico, por arriba según vía (a) para producir (A) o vía (b) para producir (B)
(a)
(b)
R'
R
H
H
Br
H
+
R'
Br
R
Br
intermediario
Br
Br
H
+
Br
H
H
R
(A)
R'
(B)
Esquema Nº12
La misma secuencia se repite si el primer ataque del bromo se lleva a cabo
por arriba del plano del alqueno.
En resumen producirá finalmente otros dos estereoisómeros semejantes a (A)
y (B):
R
+
R'
H
H
Br
Br
H
(a')
(b')
R'
Br
R
Br
H
(A')
H
Br
Br
H
R
+
R'
(B')
int ermediario
Esquema Nº13
Los cuatro productos estereoisómeros que resultan de la reacción tienen cada
uno, dos centros estereogénicos. Cabe preguntar ¿Qué relación estereoisomérica
habrá entre ellos?
236
H
Br
H
R'
Br
R
(B')
(A')
Br
Br
H
+
Br
H
H
H
R
R'
+
Br
H
H
Br
R
R'
R
Br
(A)
R'
(B)
Esquema Nº14
Para responder a esa pregunta, es necesario determinar la configuración de
cada centro estereogénico en cada una de las estructuras y luego compararlas entre
sí.
La comparación de configuraciones resulta más sencilla en proyecciones de
Fischer:
H
Br
Br
R'
R
Br
Br
R'
Br
H
R'
R
H
H
(S)
(S)
R
Br
H
H
(A')
Esquema Nº15
Repitiendo la operación para cada estructura:
Br
R'
H
(S )
(S )
R
Br
Br
R'
H
(S )
(S )
H
(R)
R
R
Br
Br
(R)
H
Br
R
R'
Br
(R)
(R)
H
H
H
H
(A)
(A')
(B)
(B')
Br
R'
Esquema Nº16
La observación de estos estereoisómeros, nos permite llegar a las siguientes
conclusiones: Las estructuras (A) y (A’) son la misma molécula, al igual que (B) y (B’)
Por lo tanto la reacción de adición de bromo a un alqueno de tipo cis produce solo
dos estereoisómeros (A) y (B) y la relación que hay entre ellos es que son
enantiómeros. (R,R) y (S,S).
Si el alqueno es un TRANS,
Estructura Nº17
H
R'
R
H
237
los productos que se obtienen al adicionar bromo son:
El ataque del bromuro sobre el intermediario, por el lado de arriba:
(a)
(b)
R'
H
R
H
Br
H
+
R'
Br
H
Br
intermediario
Br
Br
H
H
+
Br
R
R
R'
(A)
(B)
Esquema Nº17
Ahora el bromuro ataca por el lado de abajo del intermediario:
H
+
R'
R
H
Br
Br
H
R'
Br
H
(a')
Br
Br
H
+
Br
R
R
H
(B')
(A')
(b')
R'
intermediario
Esquema Nº18
Los cuatro estereoisómeros producto de la reacción son
H
Br
(R)
(S )
H
R'
Br
R
R
(A')
H
Br
(S )
(R)
Br
R'
R'
H
(B')
H
Br
R
Br
Br
H
H
H
Br
R
(A)
R'
(B)
Esquema Nº19
Aquí nuevamente (A) y (A’) son idénticos, lo mismo que (B) y (B’) Pero en este
caso los centros estereogénicos son (R,S) para (A) y (S,R) para (B) (A) y (B) son
imágenes especulares no superponibles, es decir son enantiómeros.
Si R = R’ entonces (A) = (B) y son meso.
RESOLUCIÓN DE UNA MEZCLA RACÉMICA.
Una mezcla racémica, es aquella que está formada por concentraciones
iguales de dos enantiómeros. Recuérdese que los enantiómeros poseen idénticas
propiedades físicas, salvo el sentido de la rotación óptica del plano de la luz
polarizada, por lo que resulta imposible separarlos con los métodos corrientes de
laboratorio tales como: destilación, recristalización y extracción con solventes
racémicos etc.
Uno de los métodos más utilizados con este propósito, es aprovechar el hecho
de que los diatereómeros poseen, justamente, diferentes propiedades físicas y
químicas. Así, es posible tomar una mezcla racémica y tratarla con un reactivo quiral.
238
Se obtiene de ello un par de diastereómeros con propiedades químicas y físicas
perfectamente diferentes y por tanto separables.
AB(R,R)
A(R) 50%
+
B(R)
A(S )50%
AB(S ,R)
Enantiómeros
formando una
mezcla racémica
React ivo
quiral
Diast ereómeros
separables
Los e n antióm e ros ti e n e n propie dade s qu ím i cas y fí sicas i ndisti n gu i bl e s
Esquema Nº20
Un ejemplo concreto: El ácido 2-bromopropanoico, posee un centro
estereogénico por lo que la mezcla racémica de esta molécula presenta un par de
estereoisómeros indistinguibles entre sí, física y químicamente.
Al esterificar los componentes de la mezcla racémica con un alcohol quiral, se
logra obtener un par de diatereoisómeros como se muestra más abajo:
H
H3C
H
S
COOH
H3C
CH3
S
COO
CH3
Br
+
HO
S
H
H
H
CH3
Cl
Br
R
COOH
CH3
Mezcla racémica (+/-)
P ropiedades químicas
indistinguibles
Esquema Nº21
Br
ESTERIFICACIÓN
H
Cl
Br
H
S
R
CH3
COO
S
H
Cl
Diastereómeros con propiedades
químicas y físicas diferentes
Una vez separados los diastereómeros, aprovechando la diferencia de alguna
de sus propiedades físicas, como por ejemplo la solubilidad, le seguirá en este caso
particular, un tratamiento con una solución diluida de hidróxido y calentamiento suave
para producir la hidrólisis en cada uno de los ésteres. Esto permite recuperar los
ácidos enantiómeros separadamente.
239
CONFIGURACIÓN ABSOLUTA Y RELATIVA.
La distribución real de los grupos de un centro estereogénico, se llama
configuración absoluta. Saber los grados de la rotación del plano de la luz polarizada,
provocado por un estereoisómero, como también, conocer la dirección de la rotación,
no nos da ninguna información que nos conduzca a la verdadera configuración del
estereoisómero. Esta fue la situación del conocimiento en estereoquímica hasta
antes de los trabajos de J. M. Bijvoet en 1951. Antes solo podíamos conformarnos
con configuraciones relativas. Esto solo podía ayudarnos a hacer compatibles los
valores experimentales de actividad óptica con configuraciones de modelos teóricos
propuestos. Variaciones estructurales inducidas por transformaciones químicas,
hacían también asociar una estructura configuracional propuesta (reglas de
nomenclatura CIP) con una rotación específica, pero en todo caso, seguía siendo
una configuración relativa.
En el año 1951, el Autor citado, usando métodos de rayos X, pudo determinar
la configuración absoluta del ácido tartárico. Actualmente hay varias configuraciones
absolutas conocidas, como por ejemplo el (S) y el (R) -2-butanol, dextrógiro y
levógiro respectivamente.
PROBLEMAS DEL CAPÍTULO ESTEREOQUÍMICA:
1.-Resuelva el siguiente problema:
a) Usando fórmulas de proyección adecuadas (Fischer o cuñas) deduzca la
estructura del alqueno (A) que origina el estereoisómero (2S,3S)-2,3-dibromo-1fenilbutano (B) por adición de bromo en CCl4.
b) En la reacción se produce otro estereoisómero (C).
adecuadamente y determine la relación estereoquímica que hay con (B).
Dibújelo
2.-El Ritalín, cuya estructura se muestra en la figura (F), es un estimulante del
sistema nervioso central. En base a esa estructura indique:
H
C6H5
N
CHCOOCH3
(F)
Ritalín
a). ¿Cuántos estereoisómeros pueden esperarse de esta molécula?
b). Haga un dibujo de cada uno de ellos mediante fórmulas espaciales
adecuadas (Fischer, cuñas etc.) asignándole la configuración respectiva a cada
centro asimétrico que usted señale y
240
c) Determine la relación estereoisomérica que hay entre ellos.
3.- La reacción de adición de HBr a un alqueno es:
R
CH
CH2
+
HBr
R
CH
CH3
Br
a).- Dibuje la estructura del estereoisómero producto de la reacción que se
muestra más abajo, suponiendo que el ataque del anión bromuro sucede solo por
debajo del plano del anillo.
CH3
+
H
HBr
?
b).- ¿Cuál es la configuración del centro estereogénico que se encuentra en el
producto obtenido?
4.- La reacción de adición de Br2 en CCl4 al 1-buteno, es:
CCl4
CH3CH2CH CH2 + B2
CH3CH3CHBrCH2Br
a).- Dibuje la estructura del estereoisómero obtenido, suponiendo que el
ataque del Br- (Anión bromuro), procede por arriba del plano determinado por el
doble enlace.
b).- Determine su configuración.
5.- El tratamiento del Cis-1,2-difeniletano, óptimamente inactivo con OsO4 e hidrólisis
con bisulfito de sodio (NaHSO3) produce estructuras estereoisoméricas del 1,2difenil-1,2-dihidroxietano.
a) Identifique la configuración de cada centro estereogénico en los productos de
reacción.
b) ¿Qué relación estereoisomérica hay entre esas estructuras? (Enantiómeros,
Diastereómeros ,Meso, etc.)
c) ¿Cuáles de estas estructuras tiene actividad óptica? Justifique su respuesta.
6.-Examine cuidadosamente las siguientes cuatro estructuras estereoisoméricas y
diga:
a) Cuales son enantiómeros.
b) Cuales son diastereómeros.
c) Cuales son iguales.
241
Br
H
H5C2
CH3
H3C
CH3
H3C
H
Br
C2H5
H
H
C2H5
H
CH3
CH3
H
CH3
Br
H
H
C2H5
Br
CH3
(A)
(B)
(C )
(D)
7.- El tratamiento del Trans-2-buteno, ópticamente inactivo, con KMnO4 en medio
básico, produce estructuras estereoisoméricas del 2,3-dihidroxibutano.
a) Identifique la configuración de cada centro estereogénico en los productos de
reacción.
b) ¿Cuál es la relación estereoisomérica que hay entre esas estructuras?
c) Dibuje y diga ¿cuál de ellas tiene actividad óptica? Justifique su respuesta.
8.- Se hace reaccionar el ácido (2R)-2-metil-3-butenoico con ácido bromhídrico
gaseoso y seco:
a).- Dibuje utilizando estructuras apropiadas y nombre los productos de la
reacción.
b).- Diga cual es la relación estereoisomérica que hay entre ellos.
c).- Diga finalmente, si el producto en su conjunto posee actividad óptica y
porqué.
7. Si usted adiciona HBr gaseoso a la molécula 3-bromo-1-buteno.
a) ¿Cuántos estereoisómeros son posibles como productos de la reacción?.
Indique solamente el número.
b) Dibuje adecuadamente los posibles productos de la reacción y asigne las
configuraciones de los carbonos estereogénicos correspondientes.
c) ¿Cuál es la relación estereoisomérica que hay entre ellos?
9.-El -selineno, es un producto natural que se encuentra en la planta conocida
comúnmente como “apio”. Posee dos anillos en su estructura como muestra la
figura.
CH3
-selineno
H
H3C
CH2
H
CH2
a) Asigne la configuración a los centros estereogénicos de la molécula.
242
b) Si se hace reaccionar el -selineno con el HBr gaseoso y seco. ¿Cuántos
estereoisómeros totales habrían después de la reacción?
c) Nombre el -selineno considerando su estereoquímica y las reglas de IUPAC.
10.-Haga un esquema de síntesis de la molécula 4-bromo-2-penteno a partir de 2bromopropionaldehido (A) y cualquier otro reactivo orgánico e inorgánico necesario.
CH3
(A)
CH
CHO
Br
2-bromopropionaldehido
En el supuesto caso de que el producto de la síntesis correspondiera a: (4S)-4-Br-2penteno, sométalo a una reacción con KMnO4 en medio básico:
(a).- Identifique y dibuje la configuración de cada centro estereogénico en los
productos de la reacción.
(b).- ¿Cuál es la relación estereoisomérica que hay entre ellos?
(c).- Diga cual de ellos es ópticamente activo.
11.- Complete el siguiente esquema de síntesis:
AlCl3
(A)
Br
(A)
NBS
(B)
KOH/EtOH
(C ) + (D)
1)
(C )
Ph3P
2) BuLi
HBr
(E)
Ph3P
CHCH3
Una vez realizado el paso anterior:
a) Asigne las estructuras y condiciones correctas a las correspondientes
letras del esquema.
b) A lo menos una de las estructuras que usted debe proponer, posee un
centro estereogénico. Nómbrela, incluyendo su configuración.
12.- Al tratar el ciclopenteno con Br2 en tetracloruro de carbono (CCl4), se producen
algunas especies estereoisoméricas.
243
a)
Dibuje los diferentes estructuras que se han producido en esta reacción y
defina la configuración de los diferentes centros estereogénicos en cada
uno de ellos.
b)
¿Cuál es la relación estereoisomérica entre esos productos de reacción?.
(Enantiómeros, diastereómeros, meso, etc)
c)
¿Tiene actividad óptica el producto de reacción o alguno de los
estereoisómeros individualmente?
13.- Dada la siguiente proyección de Fischer para la estructura (A):
H
C2H5
(A)
CH3
OH
H
Br
CH3
a) Determine la configuración de cada uno de los centros estereogénicos.
b) Si (A) ha sido obtenido mediante la reacción de las halohidrinas, deduzca
mediante fórmulas espaciales adecuadas ( E o Z ) la estructura del alqueno
precursor.
c) Si el grupo hidroxilo tiene mayor prioridad funcional que los halógenos,
colóquele nombre al compuesto (A), incluyendo la configuración de los centros
quirales.
244
14.- Encuentre usted e indique las relaciones estereoquímicas que hay entre estos
estereoisómeros: (Enantiómeros, diastereómeros, etc.)
H
OH
OH
OH
H
CH2SH
CH2SH
(A)
CH2SH
H
OH
H
OH
CH2SH
(B)
CH2SH
CH2SH
OH
CH2SH
HO
H
H
CH2SH
OH
H
H
(D)
(C)
15.-El 1-fenil-2-metilciclopropeno, cuando es hidratado mediante una reacción de
hidroboración-oxidación, produce varios estereoisómeros:
a).- Haga un esquema general de esta reacción de hidratación (sin incluir el
mecanismo).
b).- Determine la configuración (R,S) de cada uno de los carbonos
estereogénicos en los productos.
c).- ¿Qué relaciones estereoisoméricas (enantiómero, diastereómero, etc.) hay
entre los diferentes estereoisómeros obtenidos?
16.- El Cloranfenicol (A), que es un antibiótico efectivo para combatir la fiebre
tifoidea, muestra un valor de rotación específica [  ]25= +18,6º y su estructura es:
NO 2
HO
H
(A)
H
NHCOCHCl2
CH2OH
Dibuje su enantiómero (B) y calcule, la composición porcentual de una mezcla de
estos estereoisómeros que presenta una rotación observada de +6,2º a 25ºC y
explique brevemente su respuesta.
245
17.- Al someter a hidrólisis el (R)-2-bromo-3-metilbutano en una mezcla de agua y
acetona (50% y 50%) respectivamente, el producto de reacción arroja una lectura de
-4,6º en el polarímetro.
a.-Si la rotación específica del (R)-3-meti-2-butanol es = +16º, calcule la
composición porcentual de la mezcla (R) y (S) de estereoisómeros en el producto de
la reacción.
b.-De una breve explicación del porqué de la lectura (-4,6º), basándose en el
mecanismo que de cuenta de la formación de los productos R y S.
18.- a) Usando fórmulas de proyección adecuadas (Fischer o cuñas) deduzca la
estructura del alqueno (A) que origina el estereoisómero (2S,3S)-2,3-dibromo-1fenilbutano (B) por adición de bromo en CCl4.
En la reacción se produce otro estereoisómero (C). Dibújelo adecuadamente y
determine la relación estereoquímica que hay con (B).
19.- Las bromohidrinas se producen cuando un alqueno sustrato se hace reaccionar
con bromo en agua. Suponga que el sustrato es el Cis-2-penteno.
a) Escriba el mecanismo general de esta reacción.
b) ¿Cuales estereoisómeros se obtendrán como producto de la reacción?
c) ¿Cuál es la relación estereoisomérica entre estos productos?