199
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
Figura Nº1
H
Ya nos hemos encon encontr trado ado con con ello elloss al C C rotar estudiar el análisis H H conf confor orma maci cion ona al de los los alcano alcanoss y ciclo cicloal alcan canos os.. H H fijo fijo Rec Recorde ordemo moss que que si se hacen rotar los grupos metilo del etano por ejemplo, ejemplo, sobre su enlace C-C, aparecen isómeros configuracionales como el eclipsado y alternado.
HH
H H
H
H
H
H (A) alternada
HH
HH
(B) eclipsada
Estructura Nº3
En el caso del butano, aparecen además de los mencionados, otros tales como el gauche, anti. CH3 CH3
HH
HH
CH3 H
CH3
H
H H
eclipsado 1
H
CH H 3
HH
H
H
H CH3
gauch e 2
CH3
CH3 H
eclipsado2 3
4
Estructura Nº4
También puede verse esta clase de isomería en compuestos cíclicos tales como, el ciclohexano, con su forma silla y bote
200
H
Figura Nº1
H
Ya nos hemos encon encontr trado ado con con ello elloss al C C rotar estudiar el análisis H H conf confor orma maci cion ona al de los los alcano alcanoss y ciclo cicloal alcan canos os.. H H fijo fijo Rec Recorde ordemo moss que que si se hacen rotar los grupos metilo del etano por ejemplo, ejemplo, sobre su enlace C-C, aparecen isómeros configuracionales como el eclipsado y alternado.
HH
H H
H
H
H
H (A) alternada
HH
HH
(B) eclipsada
Estructura Nº3
En el caso del butano, aparecen además de los mencionados, otros tales como el gauche, anti. CH3 CH3
HH
HH
CH3 H
CH3
H
H H
eclipsado 1
H
CH H 3
HH
H
H
H CH3
gauch e 2
CH3
CH3 H
eclipsado2 3
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
H H
H
H
HH
H H
conformación SILLA
HH
H H H H conformación BOTE
Esquema Nº3
estereoisómeros eros configuraci configuracionale onaless son aquellos que Por otro lado, los estereoisóm tienen restricción de movimiento que les impide pasar de un isómero a otro y esto solo solo puede puede hacerse hacerse,, rompie rompiendo ndo y forman formando do enlaces enlaces.. Ejempl Ejemplos os típic típicos os de estos estos isómeros isómeros son el cis y trans de los alquenos alquenos y cicloalcanos cicloalcanos.. Cis para denotar que los sutituyentes sutituyentes están al mismo lado del doble enlace carbono-carbono 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
H H
C6H5
alqueno trans
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 rotar
volver a unir R H TRANS C C H R' Esquema Nº2
La transformació transformación n entre estos isómeros implica una considerable considerable cantidad 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 este estere reoq oquí uími mica ca,, es impo import rtan ante te sabe saberr repr repres esen enta tarr las las molé molécu cula lass espac espacia ialm lment ente. e. Por Por ejemp ejemplo, lo, la molé molécu cula la de etan etano o que que se mues muestr tra a más más abaj abajo o 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
TENEDOR
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 simetria perpendiculares entre 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 H D
C H
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 sustituida
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 simetría
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
H (a) plano de simetría
Figura Nº7
(c)
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 C CH2 CH3
CH3
Br
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 (- CH 3), 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, - CH 3, - 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 > ,..., > Cl > 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 –CH 2- 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 nitrógenos. 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
D
g
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 (4)CH3
HO2C (2)
(3) CN
CN (3) (4) CH
Configuración (S)
3
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
Configuración (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
C
(2) CH2CH3
(1) Br 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 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:
l 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 S
Br (por arriba) Cl
H
CH3 (a) 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 Br (c )
Cl
H
Cl
H
Br
S S CH3 (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 Br 2 en CCl4 al ( R)-3-meticiclopenteno.
218
(por arriba)
(a)
CH3 H R Br
H + Br
CH3 H H
R
CH3
Br 2/CCl4
CH3 H CH3 (por abajo)
(b)
H
R
+ Br
Br CH3
(a)
+ Br
(por abajo)
CH3 H R Br R R H
(c)
CH3 Br El nombre de ( c) es: (1R,2R,3R)-1,2-dibromo-1,3-dimetilciclopentano
(b)
+ Br
(por arriba)
CH3 H R (d)
S S
H
Br Br CH3
Y el nombre de (d) es: (1S,2S,3R)-1,2-dibromo-1,3-dimetilciclopentano
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
Ocular
Muestra
O
O fuente luminosa
luz polarizada emergente Prismas Esquema simplificado de un polarímetro
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 λ 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 ]t , es experimentales de la medición, se obtiene la rotación óptica específica, [ 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
H CH2CH3
1-buteno molécula aquiral Esquema Nº6
+
H
Br
aquiral
H3C
C
H
CH2CH3 carbocatión plano
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
Configuración (R) H3C
H CH2CH3
C
+
Br H3C
(b)
C
CH2CH3 H
Br Configuración (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 α obs = +4,50º. La reacción involucrada se muestra mas abajo: H5C2 C H3C H7C3
Br
Configuración (R)
H2O calor
C2H5 HO
C
CH3 C3H8
Configuración (S) Producto =
H5C2 +
C H3C H7C3
OH
Configuración (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: [ α ]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 – X S
Fórmula Nº4
Y reemplazando, se expresa la relación de más arriba en función de una sola variable.
Fórmula Nº5
obs
= XS ([
S
]tD) + ( 1 - XS )([
R
]tD)
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 centro asimétric 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 C 2, esta molécula debería presentar cuatro estereoisómeros:
227
H Ph Cl
H
H
1
R
2
R
Cl
Cl
1
S
C2H5
Cl
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-2S
1S-2S
1R-2R
1S-2R
Ph Cl
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
2
R
H
3
S
COOH
COOH
OH
H
OH
HO
2
R
3
R
OH HO H
H
2
S
3
S
COOH HO
2
S
OH HO
3
R
H
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 C 2 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
COOH 1
2
S
3
R
Plano se simetría H H
COOH 4
Espejo 2R-3S 2S-3R Cada cuadrante es imagen especular hacia abajo o hacia el 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 (+) dextro (-) LEVO (+/-) MESO
Ángulo de rotación Punto de fusión ºC Solubilidad en H2O G/mL a 25ºC +11,90 170 147 -11,90 170 147 0,00 140 120
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-1,2difeniletan 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
Br
C2H5
S
3
H
H
S
2
Br
H3C
H 2S,3S,4R
R
4
R
3
S
2
H Br
Br
C2H5
R
4
Br
OH
HO
S
3
H
Br
Br
S
2
CH3
H 2S,3R,4R
H C2H5
H
H 2S,3S,4R
H
H
R
4
Br
Br
S
4
R
3
OH
H
R
3
OH
R
2
CH3
Br
R
2
CH3
H 2R,3R,4R
H 2R,3R,4S
C2H5
S
4
HO
S
3
H
Br
R
2
CH3
Br
H 2R,3S,4S
C2H5
231
H Br H H3C
S
H 4
R 3 S
2
C2H5
Br
S
4
C2H5
OH
HO
S
3
H
Br
H3C
S
2
Br
H 2S,3R,4S
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 Configuraciones estereogénicos. 1 2=21 R,S 2 2 4=2 R-R,R-S,S-R,S-S 3 3 8=2 R(R-R,R-S,S-R,S-S) + S(R-R,R-S,SR,S-S) ....... ....... ...... n N 2 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' (S)
H
H
R
R' (S)
(R)
(R)
Br
H
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: R H
R'
(S)
R
H
(R)
R'
Br
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: R R'
Br (S)
(R)
H
Br
H
R'
Br
H (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 Br (S)
R R'
(R)
H
Br
H
R'
Br
H (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 H
Cis Estructura Nº15
B).- Alqueno en A con R igual a R’ C).- Con alquenos cíclicos y cíclicos ramificados.
R' Trans
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 Br 2 / CCl4 3.- Adición de Br 2 / acuoso. (Halohidrinas) 4.- Hidroxilación Syn con KmnO 4, 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
Br 2
PRODUCTOS
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:
R
H
+ Br Br
H
+ Br
Br intermediario
H
H
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) R
R'
H
H
(b)
H
Br + Br
Br intermediario
R
H R'
R
+
Br
H
Br
Br
(A)
H
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')
intermediario
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'
R
R'
Br H (B')
R
Br
Br
H
+
Br
H
H R
R'
+
(A') Esquema Nº14
H
Br
R
Br
H
Br
(A)
R' (B)
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 R
R'
R
Br
H
Br H
R'
Br
Br
R'
H
H (S) (S)
R Br
H
(A') Esquema Nº15
Repitiendo la operación para cada estructura: H H H (R) (S) (S) R Br R Br R (S) (S) (R) R' Br R' Br Br
H (A)
H (A')
H (B)
H (R)
Br
R
R'
(R) Br
Br R'
H (B')
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) R'
H
(b)
H
R
H
Br + Br
H
Br intermediario
R'
+
H
Br
R
R
Br
Br
H
(A)
R'
(B)
Esquema Nº17
Ahora el bromuro ataca por el lado de abajo del intermediario:
H
+ Br
R'
R
H
Br
Br H
H (a')
intermediario
R R'
+
Br
R
Br
Br H (B')
(A')
(b')
H
R'
Esquema Nº18
Los cuatro estereoisómeros producto de la reacción son H
Br (R) (S)
H
R' Br
R
R
(A')
H
Br
(S) (R) R' Br H
(B')
H
Br
R R'
Br
H
H Br
R (A)
R'
Br
H (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% +
A(S) 50%
B(R) AB(S,R)
Enantiómeros formando una mezcla racémica
Reactivo quiral
Diastereómeros separables
Los enantiómeros tienen propiedades químicas y físicas indistinguibles 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 (+/-) Propiedades 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 CCl 4. b) En la reacción se produce otro estereoisómero (C). Dibújelo adecuadamente y determine la relación estereoquímica que hay con (B). 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
CHCOOCH 3
(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 +
?
HBr
H
b).- ¿Cuál es la configuración del centro estereogénico que se encuentra en el producto obtenido? 4.- La reacción de adición de Br 2 en CCl4 al 1-buteno, es: CH3CH2CH
CH2
+ B2
CCl4
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 OsO 4 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.
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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 KMnO 4 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 α -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
α-selineno
H H3C CH2
H
CH2
a) Asigne la configuración a los centros estereogénicos de la molécula.
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Si se hace reaccionar el α -selineno con el HBr gaseoso y seco. ¿Cuántos estereoisómeros totales habrían después de la reacción? c) Nombre el α -selineno considerando su estereoquímica y las reglas de IUPAC.
b)
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 CH (A)
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 KMnO 4 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 Br 2 en tetracloruro de carbono (CCl4), se producen algunas especies estereoisoméricas.
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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.
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14.- Encuentre usted e indique las relaciones estereoquímicas que hay entre estos estereoisómeros: (Enantiómeros, diastereómeros, etc.) H
OH
OH H
CH2SH
H
OH
(A)
OH H
CH2SH (B)
CH2SH
CH2SH
OH CH2SH
HO
H
H
CH2SH
OH
OH
H
CH2SH
CH2SH
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 [ α ]25λ = +18,6º y su estructura es:
NO 2
(A)
HO H
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.
