H H H H Cl H H H H H ¾ ISÓMEROS CONFIGURACIONALES No Interconvertibles, Interconvertibles para pasar de uno a otro se necesita un gran aporte de energía que suele suponer rotura y formación de enlaces covalentes ENANTIÓMEROS Estereoisómeros que son imágenes especulares no superponibles O H C H Br Cl H O H C Br Cl ENANTIÓMEROS Estereoisómeros que son imágenes especulares no superponibles Cl H O H C C H HO Cl H O H Cl H C C Cl OH DIASTEREÓMEROS O DIASTEREOISÓMEROS Estereoisómeros que NO son imágenes especulares Cl H O H C C H HO Cl H O H C C Cl H Cl OH DIASTEREÓMEROS O DIASTEREOISÓMEROS Estereoisómeros que NO son imágenes especulares H3C C H3 C C C Cl Cl Z (cis) C H3 Cl H3C C E (trans) Cl QUIRALIDAD Moléculas quirales y aquirales Todos los ejemplos quirales contienen un átomo que está conectado con cuatro grupos sustituyentes diferentes. Tal átomo se llama “átomo asimétrico“,(E.g., carbón asimétrico) ó “estereocentro” estereocentro . Los centros de este tipo son denotados a veces por un asterisco (*) . Las moléculas con un solo estereocentro son siempre quirales. Veremos mas adelante que estructuras con mas de un estereocentro puden o no, ser quirales. Quiralidad y Simetría Muchos objetos quirales, tales como escaleras espirales, no tienen estereocentros. Esta declaración es también verdad para muchos moléculas quirales. quirales “Recuerda Recuerda que el único criterio para quiralidad es la naturaleza no superponible de un objeto con su imagen especular”. Por ahora, confinaremos nuestra discusión a las moléculas que son quirales como consecuencia de la presencia de estereocentros. Pero ¿cómo determinamos si una molécula es quiral o no? Como habrá notado ya, no es siempre fácil decir. Una manera a toda prueba es construir los modelos moleculares de la molécula y de su imagen especular y buscar superponibilidad, p p Sin embargo, g este p procedimiento es muyy costoso en tiempo. p Un método más simple es buscar simetría en la molécula bajo investigación. “Para la mayoría” de las moléculas orgánicas, tenemos que considerar solamente una prueba para la quiralidad: la presencia o la ausencia de un plano de simetría . Un plano de simetría (plano especular) es uno que biseca la molécula de tal forma que la estructura que queda en un lado del plano refleja la parte en el otro lado. Por ejemplo, el metano tiene seis planos de simetría, el clorometano tiene tres, diclorometano dos, bromoclorometano uno, y bromoclorofluorometano ninguno. ¡ Las moléculas quirales no pueden tener un plano de simetría ! SUMARIO Una molécula quiral puede existir en cualquiera de dos formas estereoisómeras llamadas enantiómeros las cuales se relaciona entre sí como un objeto y su imagen especular no enantiómeros, superponible. “ La mayoría de las moléculas orgánicas quirales” contienen estereocentros, aunque existen estructuras quirales que carecen de tales centros. Una molécula que contiene un plano de simetría es aquiral. Substancias quirales en la Naturaleza Muchos compuestos orgánicos existen en l naturaleza la t l solo l como uno de d sus enantiómeros, algunos como ambos. La alanina natural, un aminoácido muy abundante solo existe como uno de sus abundante, enantiómeros; mientras que el ácido láctico se encuentra en sangre y músculos como uno de sus enantiómeros y en el suero de la leche y algunos frutos como una mezcla de ambos de sus enantiómeros El olor de la alcaravea se debe al enantiómero de “carvona” mostrado; mientras que el sabor b tí i típico d la de l menta verde es debido a su otro enantiómero enantiómero. Quiralidad en el mundo macroscópico ACTIVIDAD ÓPTICA Polarímetro Todas las propiedades físicas (p.e; p.f; d; etc.) de dos enantiómeros son idénticas, salvo una: el sentido en que q e rotan, rotan en la misma magnitud magnit d (rotación óptica, óptica α), α) el plano de polarización polari ación de un haz de luz polarizada. Un enantiómero que rota el plano de la luz en el sentido de las agujas del reloj , se dice que es dextrorotatorio y se describe (arbitrariamente) al compuesto como el (+)-enantiómero. (+) enantiómero Consecuentemente, el otro enantiómero, que efectúa la rotación en sentido contrario a las agujas del reloj, es levorotatorio y llamado el (–)-enantiomero. A ésta especial interacción con la luz se le denomina actividad óptica y los enantiómeros son frecuentemente descritos como isómeros ópticos. Rotación específica Donde: α = rotación óptica observada en grados t = temperature en °C λ = longitude de onda de la luz empleada (normalmente la linea D de emisión del sodio (589 nm) l = longitud de la celdilla de la disolución en decímetros c = concentración en g/ml , indicando el solvente (para sustancias poco solubles se suele expresar en g/100 ml) Pureza óptica, Mezcla Racémica y Exeso Enantiomérico Si tenemos una mezcla 1:1 de (+)-2-bromobutano y (-)-2-bromobutano, no se observa rotación óptica neta y, por tanto, la mezcla es opticamente inactiva. Tales mezclas se denominan racémicas. Algunas veces puede establecerse un equilibrio químico entre los dos enantiómeros de una sustancia, i a través é de d ruptura y reformación f ió de d enlaces. l A tall proceso se le l denomina d i racemización . P. ej. La (+)-alanina sufre una racemización muy lenta en depósitos fósiles por ruptura de enlaces terciarios C-H, un proceso que resulta en una reducción de su actividad ópti a óptica. Puede observarse actividad óptica en mezclas de enantiómeros, pero solamente si los enantiómeros están presentes en cantidades diferentes. Usando la medida de la rotación óptica, podemos calcular la composición de la mezcla. mezcla Por ejemplo, si una solución de (+)-alanina de un fósil exhibe un [ α ] de sólo + 4,25 ( la mitad de la del enantiómero puro), podemos decir que la mitad de la mezcla es el enantiómero (+) puro y el otro 50 % es una mezcla racémica. racémica Se dice, dice así, así que hay un 50% de exceso enantiomérico. Puesto que la porción racémica consta de cantidades iguales de los isómeros ( ) y ((-), (+) ), la composición p de la mezcla es 75 % del isómero ((+)) y 25 % del isómero ((-). ) El 25 % de (-)- enantiómero cancela la rotación del mismo % de (+)-isómero. Se dice, así, que la mezcla posee una pureza óptica ó exceso enantiomérico del 50 % ( 75 % - 25 %) y la rotación óptica observada es la mitad de la del enantiómero dextrorotatorio puro. En general: SUMARIO Dos enantiómeros p pueden ser distinguidos g por su actividad óptica, p p , esto es,, p por el modo en como interaccionan con la luz polarizada como medida en un polarímetro. Uno de los enantiómeros rota siempre la luz polarizada en el sentido de las agujas del reloj (dextrorotatorio) y el otro, en igual número de grados, en sentido contrario a las agujas del reloj ( levorotatorio). La rotación específica [ α ], es una constante física sólo posible en moléculas quirales. Una mezcla 1:1 de dos enantiómeros constituye una mezcla racémica y es opticamente inactiva. Una mezcla de dos enantiómeros puede tener actividad óptica, siempre que los mismos estén en distintas proporciones, la cual se puede establecer mediante medida de su rotación específica ífi sii se conoce la l de d uno de d los l enantiómeros tió puro y expresarse en % de d pureza óptica ó ti ó exceso enantiomérico. La interconversión de enantiómeros a través de un proceso de equilibrio químico da lugar a racemización y, por tanto, a la desaparición de actividad óptica. CONFIGURACIÓN ABSOLUTA ¿ Cómo establecemos la estructura de un enantiómero puro de un Compuesto p quiral?. Y una vez conocida la respuesta, q p , ¿ hayy algún g modo de nombrarlo inambiguamente y distinguirlo de su imagen especular?. y X puede p establecer la configuración g absoluta La difracción de Rayos Desafortunadamente, no hay una correlación directa entre el signo de la rotación óptica y la estructura de un enantiómero particular. P. ej., la conversión del ácido láctico en su sal sódica cambia el signo ( y grado) de la rotación, a pesar de que la configuración del carbono asimétrico permanece inalterada. ¿ Cómo sabemos entonces que el enantiómero levorotatorio del ácido Láctico tiene la estructura indicada?. Tal información puede obtenerse a través del análisis de difracción de Rayos X por un monocristal de la sustancia. Esto no significa que cada compuesto quiral deba ser sometido a análisis de difracción de Rayos X para establecer su estructura. La configuración absoluta puede ser establecida por correlación química con una molécula lé l cuya propia i estructura t t h sido ha id probada b d por éste ét método. P. ej., conociendo la configuración del estereocentro en el Ácido (-)-láctico por difracción de Rayos X , también queda establecida la configuración absoluta de su (+)-sal (+) sal sódica ( esto es, es la misma), misma) ya que en la transformación química no ha intervenido para nada el carbono asimétrico. CONFIGURACIÓN ABSOLUTA: REGLAS DE SECUENCIA R-S Para dar nombre a enantiómeros de forma inambigua, necesitamos un sistema que nos permita indicar la configuración de las moléculas moléculas; una especie de nomenclatura “mano derecha” frente a “mano izquierda”. Un sistema de tal naturaleza fue ideado por los químicos: R.S. Cahn, C. Ingold y V. Prelog. Orden de prioridad: a > b > c > d Una vez establecida U t bl id la l configuración, fi ió ell símbolo í b l R ó S se añade ñ d como un prefijo fij entre t paréntisis é ti i al nombre del compuesto quiral, como en : (R)- 2-bromobutano, ó (S)-2-bromobutano. El signo de la rotación del plano de la luz polarizada puede añadirse , si se conoce, como en : (S)-(+)-2bromobutano y (R)-(-)-2-bromobutano. (R) ( ) 2 bromobutano Es importante recordar, recordar sin embargo, embargo que los símbolos R y S no correlacionan necesariamente con el signo de la rotación óptica ( α ). Reglas de prioridad para los sustituyentes sobre el centro asimétrico Ejemplo: asignación de la configuración absoluta del (-)-2-bromobutano Recuerda que el hecho de que éste enantiómero sea levorotatorio no nos dice nada acerca de su configuración absoluta; puede ser R ó S. S El modus operandi para establecerla se indica a continuación: SUMARIO El signo de la rotación óptica no puede usarse para establecer la configuración absoluta de un estereoisómero. En su lugar debe emplearse la difracción de Rayos X (ó correlaciones químicas). químicas) Podemos expresar la configuración absoluta de una molécula quiral como R ó S por aplicación de las reglas de secuencia de Cahn Cahn-Ingold-Prelog Ingold Prelog,que que nos permite clasificar los sustituyentes en orden de prioridad creciente. Situando el grupo de as baja p prioridad o dad hacia ac a at atrás, ás, lo o mas as a alejado ejado mas de nuestra vista, deja el resto de sustituyentes en sentido de las agujas del reloj ( R ) ó en sentido contrario a las agujas del reloj ( S) Proyecciones de Fischer Manipulación de las proyecciones de Fischer Rotaciones en el plano Una rotación de 90° en el plano da lugar a un cambio de configuración. Una rotación de 180° en el plano mantiene la configuración. Intercambio de sustituyentes Un número impar de intercambio de sustituyentes cambia la configuración. Un número par de intercambio de sustituyentes mantiene la configuración Determinación de la configuración absoluta en Proyecciones de Fischer 1 Partiendo de la estructura espacial ( cuña y linea discontinua), 1. discontinua) se dibuja la correspondiente proyección de Fischer. 2. Se asignan las prioridades de los sustituyentes de acuerdo con las reglas de secuencia de Cahn-Ingold-Prelog. 3. Se hacen los intercambios de sustituyentes y necesarios ((teniendo en cuenta las reglas vistas en la diapositiva anterior) para que el sustituyente de menor prioridad quede situado en la parte superior. 4. Se mira para los tres sustituyentes restantes si el camino desde el de mayor prioridad al de menor prioridad sigue el movimiento de las agujas del reloj ( R) o el sentido contrario a las agujas del reloj ( S ). ¿ Cual es la configuración absoluta en Cada uno de estos ejemplos?