Moléculas con varios estereocentros : DiastereómerosSi cloramos el (R,S)-2-bromobutano en el carbono 3, obtendremos cuatro estereo-isómeros del 2-bromo-3-clorobutano

La figura muestra los cuatro estereoisómeros del 2-bromo-3-clorobutano. Cada molécula es enantiómera de una de las otrastres (su imagen especular) y es, al mismo tiempo, un diastereóme-ro de las otras dos restantes. El isómero (2R,3R) es el enantióme-

d l t (2S 3S) di t ó t t dro del compuesto (2S,3S) y es a su vez un diastereómero, tanto dela estructura (2S,3R), como de la estructura (2R,3S). Note que dos estructuras sonenantiómeras cuando poseen configuración opuesta en cada uno de losestereocentros.Note, asimismo, que las proyecciones de Fischer de cada uno de los compuestoscorresponden a las conformaciones eclipsadas de los mismos.

En contraste a los enantiómeros, los diastereómeros, debido a que

no guardan entre sí una relación de objeto a su imagen especular,

son moléculas con diferentes propiedades físicas y químicas. Sus

interacciones estéricas y energías difieren. Así, pueden separarsey g , p p

por destilación fraccionada, cristalización o cromatografía. Tienen

diferentes puntos de fusión y de ebullición y diferentes

densidades de análoga manera a lo que ocurre con los isómerosdensidades, de análoga manera a lo que ocurre con los isómeros

constitucionales. También tienen rotaciones específicas diferentes

Determinación de la configuración absoluta en moléculas con varios estereocentros

Correlaciones isomería cis-trans y Config Absoluta en compuestos cíclicosCorrelaciones isomería cis-trans y Config. Absoluta en compuestos cíclicos

¡ Los isómeros cis y trans en derivados cíclicos son diastereómeros entre sí !

Relación entre número de estereocentros y número de estereoisómeros

¿Cuantos estereoisómeros serían posibles para una molécula con tres estereocentros¿Cuantos estereoisómeros serían posibles para una molécula con tres estereocentrosdiferentes?. Si etiquetamos los tres centros consecutivamente como R o como S, lasposibilidades matemáticas serían las siguientes:

Tendríamos así ocho posibles estereoisómeros, que pueden agruparse en cuatro paresde enantiómeros como se indica acontinuación, siendo, a su vez, cada enantiómero deun par diastereoisómero con el resto de los otros seis estereoisómerosun par, diastereoisómero con el resto de los otros seis estereoisómeros

En general para una molécula con n estereocentros son posibles:En general para una molécula con n estereocentros, son posibles:

N° de estereoisómeros = 2n

Compuestos Meso¿Qué ocurriría si los dos etereocentros de una molécula están igualmente sustituidos?

Para el 2,3-dibromobutano, son así posibles solamente tres esteroisómeros: Un par de enantiómeros y una forma meso.

Un compuesto que contiene dos estereocentros ( o mas estereocentros), “pero es superponible“ con su imagen especular es un compuesto meso

Un hecho carácterístico de un compuesto meso es la presencia de un plano internode simetría que divide a la molécula de tal modo que una mitad es imagen de lade simetría, que divide a la molécula de tal modo que una mitad es imagen de laotra mitad. Una forma meso es, así, aquiral y, por tanto, no muestra actividadóptica, a pesar de contener dos estereocentros.

L i d l d i t í ( l l ) l iLa presencia de un plano de simetría (plano especular),en cualquier“conformación energeticamente accesible”, es suficiente para hacerque una molécula sea aquiral (ver figura abajo)

Compuestos cíclicos también pueden ser meso

El isómero trans del 1,2-bromobutano es quiral. El isómero cis es un compuesto mesoy opticamente inactivo.

ESTEREOQUÍMICA DE LAS REACCIONES ORGÁNICAS¿Porqué la bromación radicalaria del butano dá(R,S)-2-bromobutano racémico?. En el primer( , ) ppaso del mecanismo de la halogenaciónradicalaria, uno de los dos hidrógenos H-2 esabstraido por el átomo de bromo atacante(radical libre). Independientemente delhidrógeno abstraido, este paso genera unradical con hibridación sp2, plano y por tantoaquiral. El centro radicalario posee dos sitios dereacción equivalentes (los dos lóbulos delorbital p), que son igualmente susceptibles de

t d l lé l d b lser atacados por la molécula de bromo en elsegundo paso de la reacción. Como podemosapreciar, los dos estados de transición quedan lugar a los respectivos enantiómeros del 2dan lugar a los respectivos enantiómeros del 2-bromobutano, son imágenes especulares eluno del otro; es decir que tales estados detransición son enantiómeros y así energeticatransición son enantiómeros y, así, energetica-

-mente equivalentes; como consecuencia, las velocidades de formación de losproductos R y S son iguales y se forma una mezcla racémica. En general, laf ió d t i l ti d i t i l dá lformación de compuestos quirales a partir de reaccionantes aquirales, dá mezclasracémicas. O dicho de otra manera, materiales de partida opticamente inactivos danlugar a productos opticamente inactivos, si usamos reactivos también aquirales.

Estereoquímica de la cloración del (S)-2-bromobutano

Consideremos la cloración radicalaria del enantiómero (S) del 2-bromobutano. En estecaso, el átomo de cloro tiene varias opciones de ataque: los dos grupos metiloterminales, el hidrógeno en el estereocentro C2 ó los dos hidrógenos en C3., g g

1.- La cloración en cualquiera de los dos metilos terminales procede: en C1 para dar 2-bromo-1-clorobutano ó en C4 para dar 3-bromo-1-clorobutano. En este último caso, elC4 original pasa ahora a ser el C1, para mantener la numeración mas baja posible paralos sustituyentes. Ambos de esos productos de cloración son opticamente activosporque el estereocentro original ha permanecdo inalterado. Observa, sin embargo, quela conversión del metilo C1 en una unidad clorometilo, cambia la secuencia deprioridades en torno a C2, así, aunque el estereocentro no participa en la reacción, laconfiguración cambia de S a R.

2.- ¿ Qué ocurre si la cloración ocurre en el estereocentro C2 ?

El producto ahora es el 2-bromo-2-cloro-butano. Aún cuando la secuencia de sustitución

en el estereocentro ha cambiado, la molécula permanece quiral. Sin embargo, lamedida del valor de la actividad óptica específica | α | del producto, revela ausencia deactividad óptica; ¿ como se explica ? Para la respuesta debemos observar de nuevo laactividad óptica; ¿ como se explica ?. Para la respuesta debemos observar de nuevo laestructura del radical formado en el curso del mecanismo de la reacción. Se forma unracemato porque la abstracción del hidrógeno en C2, da lugar a un radical conhibridación sp2 plano aquiral La cloración puede ocurrir desde cualquiera de los doshibridación sp2, plano, aquiral. La cloración puede ocurrir desde cualquiera de los doslados, a través de estados de transición enantioméricos de igual energía, como en elcaso de la bromación del butano, vista mas arriba, produciendo ( S )- y ( R )-2-bromo-2-clorobutano a la misma velocidad y en cantidades igualesclorobutano, a la misma velocidad y en cantidades iguales.La reacción es un ejemplo de una transformación en la que un compuesto

opticamente activo, da lugar a un producto opticamente inactivo ( racémico ).

3.- Cloración del (S)-2-bromobutano en C3

La cloración no afecta al centro quiral existente. Sin embargo, la formación de unLa cloración no afecta al centro quiral existente. Sin embargo, la formación de unsegundo estereocentro da lugar a diastereómeros. En concreto, la unión del cloro por ellado izquierdo de C3, en el dibujo, da (2S,3S)-2-bromo-3-clorobutano, mientras que launión a la derecha da lugar a su (2S,3R) diastereómero. Como vimos arriba, lag ( , ) ,cloración en C2 da una mezcla 1:1 de enantiómeros ¿ da la reacción en C3 una mezclaequimolecular de diastereómeros?; La respuesta es ¡No !; éste hecho es facilmenteexplicable, si inspeccionamos los dos estados de transición que dan lugar al producto.La abstracción de cualquiera de los dos hidrógenos resulta en un centro radicalario enC3, sin embargo, en contraste con el radical formado en la cloración en C2, las doscaras de este radical no son imágenes especulares la una de la otra, debido a que elradical retiene la asimetría de la molécula original, como resultado de la presencia delestereocentro en C2. Así, los dos lados del orbital p no son equivalentes. ¿Cuales sonlas consecuencias de esta no equivalencia:

Si las velocidades de ataque a las dos carasdifieren, como puede predecirse deconsideraciones estéricas, entonces las,velocidades de formación de los dosdiastereómeros serán diferentes, comoefectivamente ocurre: el (2S, 3R)-2-bromo-3-clorobutano es preferido sobre su isómero(2S, 3S), por un factor de 3. Los dos estadosde transición que dan lugar a los dosproductos no son imágenes epeculares eluno del otro y no son superponibles, sondiastereómeros, tienen así energíasdif t t t í tidiferentes y representan rutas mecanísticasdiferentes.

Estereoselectividad.- Se define estereoselectividad como la preferencia por unestereoisómero. Una reacción que da lugar a la formación predominante ( óexclusiva) de uno de varios posibles productos estereoisómeros, se dice que esestereoselectiva. P.ej. La cloración del (S)-2-bromobutano en C3 esestereoselectiva, como consecuencia de la quiralidad del radical intermedio. Lacloración correspondiente sobre C2, sin embargo, no es estereoselectiva, comoconsecuencia de que el radical intermedio es aquiral y se forma el racemato.E tí t l ti id d d d h d t d lEn que cuantía ocurra estereoselectividad, depende mucho de todos losfactores implicados: naturaleza del sustrato, de los reactivos, de la reacciónparticular en cuestión y de las condiciones de reacción.

Estereoselectividad en la Naturaleza

En la Naturaleza, las enzimas gobiernan la conversión de compuestos aquirales enmoléculas quirales con una estereoselectividad muy alta . Son capaces de hacer esto,q y p ,porque los enzimas mismos tienen quiralidad y, así, catalizan la conversión demateriales aquirales en aquellos productos que son compatibles con su propiaquiralidad. Un ejemplo, es el mostrado arriba, de la oxidación catalizada por enzima, dela dopamina a la (-)-norepinefrina. El entorno quiral de la reacción creado por el enzima,da lugar a un 100 % de estereoselectividad a favor del enantiómero mostrado.

Resolución de mezclas racémicas: separación de enantiómeros

Moléculas quirales sin centros estereogénicos. Enantiomerismo conformacional.

El bifenilo es un compuesto que no contiene centros estereogénicos y es ópticamente inactivo.

Sin embargo, el 6,6´-dibromo-2,2´-diyodobifenilo, cuya estructura se indica acontinuación, existe en dos formas enantioméricas, a pesar de que el compuesto nocontiene centros estereogénicoscontiene centros estereogénicos

Si la estructura fuese totalmente plana, tal y como se indica en la figura anterior, habríaque concluir que el compuesto sería ópticamente inactivo y por tanto incapaz de existiren dos formas enantioméricas Sin embargo la conformación plana del 6 6´ dibromoen dos formas enantioméricas. Sin embargo, la conformación plana del 6,6 - dibromo-2,2´-diyododifenilo no puede existir porque colocaría los voluminosos átomos de bromoy de yodo en una situación de enorme repulsión estérica.

Para evitar la interacción estérica entre los átomos de halógeno la molécula adquierePara evitar la interacción estérica entre los átomos de halógeno la molécula adquiereuna conformación que coloca a los dos anillos aromáticos mutuamente perpendiculares.De acuerdo con esta disposición de los anillos aromáticos es posible dibujar dosconformaciones alternativas que son las que se indican a continuación:q q

Estas dos conformaciones, que carecen de plano de simetría, son entre sí imágenesespeculares no superponibles. Son por tanto dos conformaciones enantioméricas.Además, como estas dos conformaciones no se pueden interconvertir se puede afirmar,por tanto, que estas dos conformaciones corresponden a dos compuestosenantioméricos que desviarán el plano de la luz polarizada en igualmagnitud pero en direcciones opuestas.