ISOMERA

ESTEREOISOMERA - I SEMESTRE-2015TEMAS QUE SE REPASAN O SE INTRODUCEN1. Conceptos de introduccin a la estereoisomera

2. Proyecciones de Fischer.

3. Isomera geomtrica en alquenos

4. Isomera geomtrica en compuestos cclicos.

5. Isomera ptica

6. Ismero R S

CONCEPTOS DE REPASO O DE INTRODUCCIN A LA ESTEREOISOMERA

Es necesario empezar con la siguiente advertencia: El estudio de la estereoqumica exige a la vez observacin, concentracin mental e imaginacin para lograr la visualizacin de la molcula, objeto de anlisis, en el espacio tridimensional y la deduccin de las consecuencias de tal disposicin espacial. En esta ciencia se usa el trmino isomerismo para significar la cualidad por la cual, sustancias diferentes poseen la misma frmula molecular. Por ejemplo la frmula molecular C3H8O puede corresponder al propanol y al metoxietano o ter etilmetlico.

CH3CH2CH2-O-H

CH3CH2-O-CH3

Propanol

ter etilmetlico

El isomerismo se clasifica en estructural y espacial. El primero implica que la secuencia de kernels y enlaces dentro de la frmula molecular pueden ser diferentes mientras que en el isomerismo espacial tal secuencia o sucesin de partes es la misma pero se orientan diferentemente en el espacio tridimensional. El estudio del fenmeno por el cual existen compuestos diferentes, con mismos: nmero y clases de kernels, enlaces y pares de electrones no enlazantes, y secuencia u orden de aparicin de los anteriores elementos, pero con una diferencia permanente, en su orientacin espacial o tridimensional, de por lo menos uno de los mencionados elementos estructurales, se denomina estereoisomerismo. Las sustancias implicadas en el estereoisomerismo se llaman estereoismeros. Cuando se habla de configuracin de una molcula se hace referencia a la estructura espacial de sta. La estereoqumica (del griego stereos: slido, tridimensional, espacial) involucra la disposicin tridimensional de las molculas y el comportamiento qumico que depende de este arreglo. As pues, este concepto comprende un aspecto esttico y otro dinmico de la estructura qumica desarrollada. El punto de vista esttico del estereoisomerismo queda comprendido cuando se habla de configuracin de las molculas, mientras que el atributo dinmico hace referencia a la conformacin de la molcula. En otras palabras, si la diferencia entre estereoismeros pude claramente establecerse sin que sea absolutamente necesario recurrir a movimientos relativos internos a la molcula, entre partes de ella, se estar haciendo uso de las configuraciones moleculares, pero si la diferencia solo se logra al tomar en cuenta tales movimientos (funcin de tiempo) se estar apelando a diferentes conformaciones moleculares. Una primera clase de estereoisomerismo se encuentra en la isomera geomtrica en torno a un doble enlace C=C. Cada uno de estos carbonos esta unido a dos kernel o grupos de kernels; cuando estas parejas son diferentes se presentan ismeros cis y trans, si los grupos o kernels unidos a uno de los carbonos, de los que forman el C=C, son correspondientemente iguales a los unidos al otro carbono. Aquel ismero que tenga los grupos iguales enfrentados, el primero de ellos unido a uno de los carbonos del doble enlace C=C, y el segundo al otro de estos carbonos, se denomina ismero cis; el ismero que tiene enfrentados los grupos diferentes, es el trans.

cido cis-2-butenodioico cido trans-2-butenodioico

cido malico

cido fumrico

Cuando los grupos o kernels unidos a uno de los dos carbono que forman el C=C, son diferentes entre s, pero no son correspondientemente iguales a los del segundo carbono, deben asignarse denominaciones Z o E. Para comprender esta asignacin es necesario recordar el criterio de la prioridad entre kernels. Es prioritario el kernel con mayor nmero atmico (z) y si se comparan istopos, primar el de mayor masa (A). Si se miran los dos kernel que se unen a uno de los carbonos de la funcin C=C y tienen el mismo z, es necesario comparar el kernel prioritario un paso ms all del sitio del C=C, sobre cada una de las dos cadenas que se unen al carbono considerado; si an no se ha definido la prioridad, se requerir dar un paso adicional y comparar. Se procede de igual manera con el otro carbono del doble enlace. Una vez se haya determinado el grupo prioritario sobre cada carbono del doble enlace se tomar como Z la sustancia que contenga enfrentados, a lado y lado del doble enlace, los grupos prioritarios. Si se enfrenta un grupo prioritario de un carbono con el no prioritario del otro carbono se tendr el ismero E. La siguiente frmula corresponde a la hormona testosterona, encargada del desarrollo y permanencia de las peculiaridades masculinas en el hombre, tiene un doble enlace Z por lo siguiente. El carbono 4 se enlaza, en sentido opuesto al enlace (, a un hidrgeno y al carbono del carbonilo, haciendo de ste el grupo prioritario. El carbono 5 se une a dos carbonos, el 6 y el 10, con lo cual no se podra determinar cual es prioritario; pero 6 se une a un carbono y dos hidrgenos mientras 10 lo hace a tres carbonos, que implica que ste sea el grupo prioritario. Como los dos grupos prioritarios, uno del carbono 4 y el otro del 5 estn enfrentados, el ismero es Z.

La testosterona tiene geometra Z

La isomera cis y trans tambin se usa para designar la posicin de grupos con relacin a un plano promedio de una estructura monocclica. Este plano promedio se localiza de forma que la mitad del esqueleto cclico est por encima y la mitad por debajo. Los ciclos de 3 miembros son de por s planos; pero en las conformaciones ms estables de los ciclos de 4, 5 y 6 miembros, mostradas a continuacin, el plano promedio corta la estructura cclica en los sitios indicados por las flechas.

Por lo dicho la siguiente estructura es el ismero cis-3-hidroxiprolina.

La calidad de ser estereoismero, es la estereoisomera, que involucra uno o ms compuestos con uno o ms compaeros que le son diferentes, pero formados con la misma secuencia de kernel, enlaces y pares de electrones no enlazantes (en cuanto a su naturaleza y nmero) La distincin entre ellos radica en la diferente orientacin de cierto sector o sectores moleculares en el espacio tridimensional.

La estereoqumica tambin trata la reactividad de los estereoismeros. Un ejemplo bioqumico de valor histrico lo aport Louis Pasteur, en 1858, cuando describi experimentos demostrativos de la accin fermentativa del hongo Penicillium glaucum sobre el cido (+)-tartrico, pero la inocuidad de este microorganismo frente al correspondiente estereoismero, el cido (-)-tartrico.

Recurdese que en las sustancias como las que se acaban de mencionar los signos (+) y (-) significan rotacin del plano de luz polarizada en direccin del movimiento de las manecillas del reloj (+) o en contra (-) Pero, qu es la luz polarizada?. Las ondas de la luz ordinaria vibran en cualquiera del infinito nmero de planos perpendiculares a la direccin de propagacin. Ciertos materiales (como, calcita, placas Polaroid, filtros o rendijas polarizantes) solo transmiten ondas luminosas que vibran en planos paralelos. Se dice que la luz ha sido polarizada en un plano.

Un material posee actividad ptica cuando hace rotar la luz polarizada que lo atraviesa. Una molcula con actividad ptica no se puede superponer (o penetrar en todo su volumen) con su imagen especular es decir su reflexin en un espejo. Si una estructura tridimensional se puede superponer con su imagen especular en toda su extensin no debe rotar el plano de la luz polarizada que la atraviesa y no tendr actividad ptica.

Quiralidad es la propiedad por la cual una sustancia pura no puede ser superpuesta en todo su volumen con su imagen especular. Aquiralidad es el concepto contrario del anterior. Una sustancia quiral (adjetivo) tiene actividad ptica mientras la aquiral (adjetivo) no. Si una sustancia es quiral su imagen especular tambin lo es y estas dos hace un par de sustancias distintas e estereoisomricas (adjetivo) o ms precisamente enantiomricas (adjetivo) El sustantivo correspondiente al adjetivo enantiomrico es enantimero. Un compuesto quiral y su imagen especular no superponible, en todo su volumen con el primero, constituyen un par de enantimeros. Las dos sustancias que forman el par de enantimeros exhiben propiedades fsicas y qumicas idnticas a excepcin de las siguientes:

1. Rotan el plano de luz polarizada en un ngulo igual pero en sentidos opuestos, si uno hace rotar + x, el otro lo hace en x; por ello, se dice que los dos cuerpos son antpodas pticos. El enantimero que hace rotar el plano de luz polarizada en sentido del movimiento de las manecillas del reloj (+) se clasifica como enantimero dextro-rotatorio, su contraparte (-) es el enantimero levo-rotatorio.

2. Los dos enantimeros reaccionan con un tercer compuesto quiral a velocidades diferentes. La diferencia puede ser muy pequea o muy grande; ejemplos de esto se hallan entre compuestos qumicos involucrados en procesos vitales, mientras un enantimero puede ser inactivo biolgicamente (aminocidos de la familia D) su compaero enantiomrico es activo (aminocido de la familia L)

Las siguientes propiedades en la mayora de los casos son dismiles pero en otros la disimilitud es tan pequea que se torna despreciable o inexistente.

3. Velocidad de reaccin con un compuesto aquiral en presencia de un catalizador con actividad ptica.

4. Solubilidad en solvente quiral

5. ndice de refraccin o espectro de absorcin cuando la tcnica involucra luz polarizada circularmente.

Una racemato o mezcla racmica es aquel agregado compuesto por exactamente la misma cantidad de cada uno de los enantimeros; tambin se ha dicho que es la mezcla equimolecular (cantidades equivalentes, expresadas en mol-g) de enantimeros. Las propiedades de la mezcla racmica no siempre son las mismas que las de sus componentes los enantimeros. En primer trmino, esta clase de mezclas no tiene actividad ptica; adicionalmente, el punto de fusin, el calor de fusin, la solubilidad, o el calor de disolucin, puede ser distinto al correspondiente al de uno de los enantimeros puros. Por ejemplo, tanto el cido (+)-tartrico (enantimero dextro-rotatorio) como para el cido (-)-tartrico (levo-rotatorio) tienen punto de fusin de 170 C y solubilidad a 20 C de 1390 g / L; estos valores para la mezcla racmica son 205 C y 206 g / L. La separacin de los dos componentes de una mezcla racmica se llama resolucin de la mezcla

El grado de rotacin del plano de luz polarizada por un compuesto quiral se mide mediante la rotacin especfica, definida mediante la siguiente expresin.

[( ](C = ( / l.c para soluciones

[( ](C = ( / l.d para lquidos puros

En estas frmulas, ( es el ngulo en grados de rotacin ledo en el polarmetro (ver lectura a continuacin) l es la longitud de la interaccin luz materia, o la longitud de la celda que contiene la solucin o la sustancia pura, medida en decmetros, c es la concentracin que puede darse en g / mL o g / dL (es necesario especificar esta unidad pues [( ] puede cambiar con la concentracin) d es la densidad del lquido puro en g /mL.

______________________________________________________________________________

Lectura

El polarmetro es un instrumento para medir la rotacin especfica y comprende: una fuente luminosa, un elemento polarizador, un elemento analizador y una celda para la muestra. Cuando la celda no contiene muestra, la luz recibida por el detector tiene su mxima intensidad si los ejes del polarizador y del analizador se encuentran enfrentados o paralelos. Si se gira el analizador en cualquier sentido la intensidad lumnica se reduce. Si el eje del analizador forma ngulo recto con el eje del polarizador, la intensidad es mnima (oscuridad) El ngulo ledo es 0 en la escala. Cuando se va a medir [( ] de una solucin, primero ha de colocarse el solvente en la celda y se gira el analizador hasta oscuridad en el detector lo que implica fijar [( ] en 0. Se coloca luego la solucin en la celda y si el soluto hace girar el plano de la luz, volver a aparecer iluminacin en el detector; se gira el polarizador nuevamente hasta oscuridad y se lee al ngulo de giro como ( la rotacin observada; que puede ser en sentido de las manecillas del reloj para un soluto dextro-rotatorio (del latn dexter) o al contrario para uno levo-rotatorio (del latn laevus)Criterios para conocer la existencia de quiralidad en un material o molcula

1. La imposibilidad de superponer el cuerpo, en todo su volumen, con su imagen especular.

2. La ausencia de: a. Plano de simetra (aquel que atraviesa el objeto de tal manera que lo est en un lado del plano es reflejo especular exacto de lo que est al otro lado) b. Centro de simetra (punto dentro del objeto tal que operando sobre cualquier lnea recta que pase por ste, se encuentren partes idnticas del cuerpo a distancias iguales pero en sentido opuesto) c. Eje alternante de simetra de orden n (es un eje que pasa por el objeto de tal forma que cuanto este se rota un ngulo de 360 /n, en torno de tal eje, y luego se efecta una reflexin en un plano perpendicular a dicho eje, se obtiene un objeto idntico al original.

Si un compuesto o molcula cumple con cualquiera de estos criterios es quiral. Un kernel perteneciente a una molcula que cumple una de estas condiciones es quiral. Se habla de un carbono quiral, de un nitrgeno quiral, un fsforo quiral, etc., Un kernel de carbono que se une a cuatro kernel o grupos de kernel, todos distinto, es necesariamente un carbono quiral (carbono asimtrico, carbono estereognico o carbono estereomrico) y por tanto posee actividad ptica.

Una molcula orgnica que contiene solo un carbono quiral es una molcula quiral, sin embargo, una molcula que no posee carbono quiral puede ser quiral si cumple uno de los criterios antes anunciados. La L-alanina posee solo un carbono quiral y es una molcula quiral.

L-Alanina

El cido 2,6,2,6-bifenilotetracarboxlico no posee carbono pero es una molcula que cumple cualquiera de los dos criterios de quiralidad. En esta molcula no hay rotacin de sectores alrededor del enlace fenilo-fenilo central.

Hay molculas que pueden ser quirales o no y que poseen ms de un kernel quiral, pero antes de ver algunos ejemplos recordemos el concepto de proyeccin de Fischer, lo cual facilita el dibujo de los ejemplos de molculas de mltiples centros con actividad ptica. Si se observa la frmula antes dibujada de la L-alanina, sta ha de imaginarse con el carbono quiral (central) reposando en el plano del dibujo, los dos grupos verticales o sea el superior (COOH) y el inferior (CH3) se dirigen hacia atrs del plano del dibujo, mientras que los dos grupos colocados horizontalmente a la derecha (H) y a la izquierda (H2N) salen del papel en esas direcciones. En una proyeccin de Fischer lo dicho se toma como regla: Cuando se dibuja o se fija la atencin en un centro quiral ste y sus cuatro sustituyentes pueden estar representados en dos dimensiones (en un plano) pero debe ser imaginado o entendido en tres dimensiones, de tal forma que los grupos verticales, el que se dirige hacia arriba y aquel hacia abajo, van detrs del plano del dibujo; mientras que los dos grupos dibujados horizontalmente, a la derecha y hacia la izquierda del centro quiral, van por fuera del plano del dibujo. Como ejemplo obsrvese el dibujo antes mencionado de la L-alanina en frmula tipo proyeccin de Fischer y sus abreviaciones:

=

= =

Con la D-(-)-ribosa enseguida se da un ejemplo ms de conversin de un dibujo molecular con apariencia parcial de tres dimensiones a su proyeccin de Fischer, sper-simplificada

=

En esta estructura se aprecian tres carbonos quirales. Puede Usted sealarlos?

La nomenclatura Cahn-Ingold-Prelog para de un centro quiral

Este sistema diferencia la orientacin de un centro quiral con su enantimero; uno es R y el otro S. Cal es R? Para saberlo sganse los criterios generales reflejados en el siguiente resumen de las reglas de Cahn-Ingold-Prelog:

1. Enumrense (de 1 a 4) los cuatro kernels unidos al centro quiral, en orden descendiente de nmero atmico, z, y si se involucran istopos ir primero el de mayor masa. Si como en el caso del nitrgeno en aminas el centro quiral solo tiene tres kernel enlazados y un par solitario de electrones (LP) en la cuarta direccin, se toma el LP como ltimo grupo o sea el nmero 4.

2. Cuando 2 o ms kernels, unidos al central, son iguales pero a su vez enlazan otros, formando cadenas, tmense prioritarios aquellos que se unen, un paso ms all del centro, a kernels de mayor z. Si la indeterminacin no se destruye con el segundo kernel en cadena, se mirar el tercer kernel en cadena, y as sucesivamente, siempre en direccin del kernel de mayor z.3. Si los grupos que se estn comparando involucran un doble (y con mayor razn un triple) enlace, por ejemplo -CH=CH2, -CH2-CH3, se ha de tomar como prioritario el de la doble unin. Desde luego el triple enlace prime sobre el doble. Pero dos enlaces simples priman sobre un doble: -CH(CH3)-CH3 > CH=CH24. Una vez establecido el orden de 1 a 4 de los kernel que se unen al central considerado, mentalmente se rota ste ltimo hasta esconder o eclipsar detrs de s el kernel nmero 4. En ese instante se ver el kernel central rodeado de los grupos nmero 1, 2, y tres, cada uno a 120 de su vecino. Si para ir circularmente del kernel 1 al 2, sin pasar por el 3, se hace en sentido de las manecillas del reloj, el centro quiral ser R; si en direccin contraria, el kernel con actividad ptica ser SAl aplicar estos criterios al carbono central de la L-alanina, antes dibujada, resulta S, y si lo hacemos con los tres carbonos quirales de la D-(-)-ribosa, todos son R. El enantimero de la D-(-)-ribosa es la L-(+)-ribosa; una imagen especular de la otra. En el ismero L los tres carbonos quirales son S. Si numeramos los carbonos de estas sustancias [ver estructura de la D-(-)-ribosa] como corresponde es decir de arriba hacia abajo (el carbono uno, C-1, es el carbonlico) el ismero que tiene sus carbonos quirales (C-2, C-3, C-4) respectivamente S, R, R se denomina D-(-)-arabinosa y su enantimero la L-(+)-arabinosa tiene sus carbonos quirales, R, S, S. Otros ismeros de los anteriores monosacridos son el R, S, R D-(+)-xilosa y la D-(-)-lixosa, los cuales tambin tienen sus respectivos enantimeros. Desde luego que los estereoismeros R, R, R y S, S, R no son enantiomricos entre s, ellos son un par de diastereoismeros. El trmino anterior, por lo tanto se asigna a la pareja de estereoismeros que no son enantimeros. Los diastereoismeros que solo se diferencian en el signo de uno de los centros quirales, se denominan epmeros Para esta determinacin han de compararse los centros quirales correspondientes; el primer carbono de cada diastereoismero, luego el segundo carbono de cada diastereoismero y as sucesivamente. Las siguientes cuatro estructuras son estereoisomricas entre s; A y D son adems son un par de enantimeros, B es epimrico con C y D.

A B C

D

Epmeros que reciben el nombre de anmeros son los encontrados en las piranosas y furanosas, cuando el centro quiral diferente se localiza en el carbono 1; como en las prximas dos estructuras.

(-D-Glucopiranosa (-D-Glucopiranosa

En algunas molculas que poseen dos o ms centros quirales, puede existir un plano de simetra intramolecular, esto es, un plano que refleja la mitad de su estructura en la otra. En estos casos una mitad rota el plano de luz polarizada en un sentido y la otra mitad lo hace en sentido contrario, en el mismo grado, lo que implica que la una parte deshace lo que la otra hace y el resultado es rotacin nula. Estos compuestos aquirales, con centros quirales, sin actividad ptica por compensacin interna, se llaman compuestos meso. La siguiente estructura de un diol, es ejemplo de compuestos meso; en esta estructura se hallan dos centros quirales (marcados con asterisco) uno R y el otro S (en compuestos meso los centros quirales se presentan en parejas R-S); el plano de simetra pasa por la lnea interrumpida.

Un compuesto meso.______________________________________________________________________________

Lectura

Resolucin de la mezcla racmica mediante enzimas Un mtodo que los qumicos usan para separar los enantimeros que conforman un racemato es mediante enzimas. Por ejemplo las esterasas impulsan la hidrlisis de los steres para producir un alcohol y un cido carboxlico. La sal de sodio del (S)-naproxeno es un anti-inflamatorio, pero no su compaero enantiomrico. Al sintetizarlo se obtiene una mezcla racmica del ster metlico del naproxeno. Mediante la esterasa, en medio acuoso con pH entre 7 y 8 se hidroliza el (S)-ster, con formacin de la sal sdica del cido, pero no el ismero R. Siendo la sal bastante ms soluble en agua que el ster se separan por simple filtracin.

Quiralidad en las molculas biolgicas: En la naturaleza abundan las sustancias con centros quirales y si por molcula existe n de esto, el nmero N de estereoismeros pertenecientes a la frmula molecular comn es:

N = 2n m

En donde m es el nmero de compuestos meso. Si no existe posibilidad de compuestos meso, la frmula es N = 2n. Supngase que existen solo tres centros quirales por molcula, entonces n = 3 y N = 8 estereoismeros. Sin embargo, los procesos sintticos de compuestos naturales, llevados a cabo en un organismo en particular, generalmente no producen sino uno o muy pocos de estos. Las enzimas son ejemplos (la quimiotripsina con 251 centros quirales, que cataliza en animales la digestin de protenas) muy importantes de existencia separada de uno de los varios estereoismeros posibles. La estructura espacial de las enzimas biolgicas est hecha para actuar sobre el sustrato biolgico, otros estereoismeros no tienen la orientacin adecuada de sus grupos de kernel par lograr acoplar adecuadamente con el sustrato. Casos adicionales se encuentran en antibiticos y frmacos quirales [penicilinas, eritromicina, (S)(S)-captopril, (S)-ibuprofeno, (S)-dopamina etc.] dentro de los cuales solo ciertos estereoismeros son activos y otros, en vez de ser benficos, resultan perjudiciales.________________________________________________________________________________

ACTIVIDAD EN EL TALLER1. Para los alquenos, explique la isomera geomtrica cis y trans y el sistema de nomenclatura Z y E. Mencione las reglas para nombrar un compuesto con uno u otro tipo de nomenclatura y de dos ejemplos de cada caso.

2. Qu es un ismero? Diferencie isomera geomtrica, estructural y ptica.

1. Qu significa rotacin del plano de luz polarizada?

3. En qu consiste la medicin de la rotacin ptica, cmo se realiza y qu aplicacin tiene?

4. Defina enantimeros

5. Por qu a los enantimeros se les conoce como ismeros pticos?

6. Qu son centros quirales y explique qu relacin tienen con la formacin o no de los enantimeros.

7. Qu son enantimeros dextrorrotatorios y levorrotatorios?

8. Explique los sistemas de nomenclatura R, S; D, L y (+) (-) para los compuestos que presentan isomera ptica.

9. Qu es una mezcla racmica o racemato?

10. Seale con un asterisco (*) los carbonos quirales (si los hay) en la siguiente frmula:

11. Cules de las siguientes molculas son quirales y cules no?

Pirano Adrenalina Guanidina cido ctrico

12. Sobre las estructuras de los siguientes compuestos seale con asterisco los carbonos quirales: a) 2-bromopropano b) 1,2-difenil-1-fluoretano.

13. En qu consisten las proyecciones de Fischer.

14. Dibuje las proyecciones de Fischer para el 2,3 - dihidroxipropanal (gliceraldehido) y para la

2,3,4-trihidroxibutanal (eritrosa).

15. Para cada uno de los compuestos anteriores: a) Seale los carbonos quirales. b) Diga que

nmero de diasteroismeros se forman, represntelos. c) Forme los enantimeros.

16. Dibuje las estructuras del cido 2-aminopropanoico y del cido 2aminoetanoico.

17. Para cada uno de los compuestos anteriores: a) Seale los carbonos quirales. Dibuje los

respectivos enantimeros.PAGE 10

_1093542920.bin

_1093554576.bin

_1093613327.bin

_1093630716.bin

_1093674126.bin

_1093674351.bin

_1093630953.bin

_1093631251.bin

_1093630054.bin

_1093630340.bin

_1093614257.bin

_1093610959.bin

_1093612501.bin

_1093601629.bin

_1093543335.bin

_1093551300.bin

_1093554528.bin

_1093551026.bin

_1093546409.bin

_1093543168.bin

_1093429913.bin

_1093431238.bin

_1093542639.bin

_1093431072.bin

_1093422724.bin

_1093429565.bin

_1093418396.bin