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Tema 2Tema 2ISOMERISOMERÍÍA Y ESTEREOISOMERA Y ESTEREOISOMERÍÍAA

Miguel Miguel Carda y Eva FalomirCarda y Eva FalomirUniversidad Jaume IUniversidad Jaume I

TEMA 2

ISOMERÍA Y ESTEREOISOMERÍA

BLOQUE TEMÁTICO II: ISOMERÍA y ESTEREOISOMERÍA

Unidad temática II.1. Introducción a la isomería

II.1.1. Definición de isomería y clasificación de isómeros

II.1.2. Isomería conformacional en compuestos acíclicos

II.1.3. Isomería conformacional en cicloalcanos

II.1.3.1. Conformación del ciclopentano

II.1.3.2. Conformaciones del ciclobutano

II.1.3.3. Conformaciones del ciclopentano

II.1.3.4. Conformaciones del ciclohexano

a) Enlaces axiales y ecuatoriales en el ciclohexano

b) Movilidad conformacional en el anillo del ciclohexano

c) Conformaciones de los compuestos ciclohexánicos monosustituidos

d) Conformaciones de los compuestos ciclohexánicos disustituidos

e) Conformación de bote del ciclohexano

Unidad temática II.2. Isomería configuracional

II.2.1. Rotación restringida de enlaces múltiples

II.2.2. Reglas de nomenclatura E/Z

II.2.3. Quiralidad y actividad óptica

II.2.4. Nomenclatura de enantiómeros con un centro estereogénico

II.2.4.1. Proyecciones de Fischer

II.2.4.2. Propiedades de las proyecciones de Fischer

II.2.5. Compuestos con más de un estereocentro: diastereoisomería

II.2.6. Compuestos meso

II.2.7. Enantiomerismo conformacional

II.2.8. Mezclas racémicas

II.2.8.1. Resolución química

II.2.8.2. Resolución cromatográfica

Bloque Temático II-Isomería y Estereoisomería (www.sinorg.uji.es)

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Unidad temática II.1. Introducción a la isomería

II.1.1. Definición de isomería y clasificación de isómeros

Dos compuestos con igual fórmula molecular pero con propiedades físicas y/o químicas diferentes se denominan isómeros. La palabra isómero se emplea, a modo de término general, para designar aquellos compuestos que están relacionados entre sí de alguna de las siguientes formas: como isómeros estructurales o como estereoisómeros.

Los isómeros estructurales (o constitucionales) son los que difieren en el orden en el que

se enlazan los átomos en la molécula. Por ejemplo, el n-butano y el metilpropano son dos isómeros estructurales con fórmula molecular C4H10.

En el n-butano hay dos clases diferentes de carbonos: los carbonos C1 y C4, con un enlace C-C y tres enlaces C-H, y los C2 y C3, que presentan dos enlaces C-C y dos enlaces C-H.

En el 2-metilpropano hay también dos clases diferentes de carbono. Así, los carbonos C1, C3 y C4 son similares a los carbonos C1 y C4 del butano, puesto que aquéllos tienen un enlace C-C y tres enlaces C-H. Sin embargo, el carbono C2 del 2-metilpropano es diferente al C2 del n-butano, porque aquél tiene tres enlaces C-C y un enlace C-H. En el n-butano no hay ningún átomo de carbono con estas características.

Los estereoisómeros se definen como isómeros que tienen la misma secuencia de átomos enlazados covalentemente, pero con distinta orientación espacial. Hay dos clases de esteroisómeros:

a) Los isómeros conformacionales o confórmeros, que son aquellos que se interconvierten

rápidamente a temperatura ambiente mediante rotaciones sobre enlaces sencillos. Esta clase de isómeros no pueden separarse entre sí.

b) Los isómeros configuracionales, que no pueden interconvertirse y, por tanto, pueden

separarse. Hay dos clases de isómeros configuracionales:

b.1) Los que se originan por la distinta orientación espacial de átomos, o grupos de átomos, alrededor de un enlace doble. Este tipo de estereoisómeros que se denominan isómeros geométricos.


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b.2) Los que se originan por la distinta orientación espacial de átomos, o grupos de átomos,

alrededor de un carbono tetraédrico (hibridación sp3). Esta clase de estereoisómeros abarca a dos tipos:

b.2.1) Los enantiómeros, que se relacionan entre sí por ser imágenes especulares no

superponibles. b.2.2) Los diastereoisómeros o diastereómeros, que son isómeros configuracionales pero

no son imágenes especulares uno del otro.

II.1.2. Isomería conformacional en compuestos acíclicos

En la figura que se da a continuación se representa la forma tridimensional de la molécula del metano. Como se puede apreciar los cuatro enlaces covalentes C-H se dibujan de tres formas diferentes. Los dos enlaces covalentes C-H, dibujados en trazo simple, están contenidos en el plano del papel, mientras que el enlace C-H, dibujado en trazo grueso en forma de cuña se dirige hacia el observador. El cuarto enlace C-H, dibujado mediante una línea a trazos, se aleja del observador.

En la parte de la derecha de la figura anterior se ha representado la molécula de metano en un modelo de varillas y bolas. Se puede apreciar cómo el átomo de hidrógeno que está más cerca del observador, el enlazado con el trazo grueso en forma de cuña, presenta un mayor volumen que el resto de los átomos de hidrógeno. El átomo de hidrógeno más pequeño en el modelo de varillas y bolas se corresponde con el átomo de hidrógeno que está enlazado con la línea a trazos (se aleja del observador). El tamaño diferente de los átomos de hidrógeno en el modelo de varillas y bolas representa la visión en perspectiva que se tendría de esta molécula, según la cercanía o lejanía de los átomos de hidrógeno en relación al observador.

El siguiente hidrocarburo en complejidad, después del metano, es el etano cuya fórmula molecular es C2H6. Los dos grupos CH3 unidos por el enlace C-C se denominan grupos metilo. En la siguiente figura se dibuja la molécula de etano de dos formas diferentes. En la parte de la derecha se da la representación aplastada. En la parte de la izquierda se da una representación más real, con enlaces gruesos en forma de cuña que se acercan al observador, y enlaces a trazos que se alejan del observador, y que ponen de manifiesto la forma tridimensional del etano.

Química Orgánica I-www.sinorg.uji.es 3

En la siguiente figura se indica la conformación alternada de la molécula de etano. En esta conformación ninguno de los átomos de hidrógeno de un grupo metilo eclipsa (tapa) a ninguno de los átomos de hidrógeno del otro grupo metilo.

Una característica del etano es que los átomos de hidrógeno no están fijos en una posición determinada, sino que pueden girar con relativa libertad alrededor del enlace sigma que mantiene unidos a los dos átomos de carbono. Esto es así porque el enlace σ es capaz de mantener el solapamiento lineal sp3-sp3 a pesar del giro relativo de los dos grupos metilo. Cuando se produce el giro de los grupos metilo se pasa de la conformación alternada a la conformación eclipsada, como se indica a continuación:

H

H

H

H

H

H

H

H

HH

H

H

Conformación eclipsadadel etano

Conformación alternadadel etano

giro de 60º alrededor

del enlace sigma

En la siguiente figura se representa de tres formas diferentes la conformación eclipsada del etano.

H

H H

Diferentes representaciones de la conformación eclipsada del etano

H

HH

CH H

C

H

H H

H

Representación deNewman

Representación encaballete


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Si se observa la conformación eclipsada a lo largo del eje C-C los átomos de hidrógeno del grupo metilo posterior quedan tapados por los átomos de hidrógeno del grupo metilo anterior, como se pone de manifiesto en el modelo de varillas y bolas de la figura anterior.

La representación de Newman de la molécula de etano implica la visión de la molécula a lo largo del eje que forma el enlace C-C. El átomo de carbono que queda más próximo al observador se representa por un punto central del que emergen los enlaces restantes. El átomo de carbono posterior se representa por un círculo.

La representación de caballete o en perspectiva de la molécula de etano implica la visión de la molécula desde arriba y desde la derecha de un enlace C-C. Todos los enlaces se dibujan con líneas continuas, de forma que la representación angular proporciona una imagen en perspectiva de la estructura tridimensional.

A temperatura ambiente la molécula de etano está pasando de una conformación alternada a otra alternada, a través de la conformación eclipsada como se indica en la siguiente figura.

60º

H

H H

H

H

H

Conformaciónalternada

Conformacióneclipsada

H

H

HH H

H

60º

H

H H

H

H

H

Conformaciónalternada

60ºH

H

HH

H

H60º

La conformación alternada es más estable que la eclipsada, debido a que en esta conformación la cercanía entre los átomos de hidrógeno provoca repulsión entre sus nubes electrónicas. Esta situación desfavorable no se da en la conformación eclipsada.

En la siguiente figura se representa gráficamente la energía de las conformaciones alternadas y eclipsadas del etano, en función del ángulo dihedro.


El máximo de energía se encuentra en la conformación eclipsada, debido a la compresión estérica que se produce entre las nubes electrónicas de los átomos de hidrógeno.

Recientemente se ha demostrado que la mayor estabilidad de la conformación alternada del etano se debe a un efecto de hiperconjugación, mas que a un efecto estérico. En la conformación alternada se produce una transferencia de densidad electrónica desde el orbital σ C-H al orbital vacío σ* C-H del enlace contiguo. En esta conformación se consigue una óptima estabilización por deslocalización interna de la densidad electrónica, tal y como se representa en la figura que se dibuja a continuación:

Después del etano el siguiente hidrocarburo en complejidad creciente es el propano, cuya fórmula molecular es C3H8. Las representaciones estructurales de este compuesto son las que se dan a continuación:


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Si se mira la molécula de propano a lo largo de uno de los enlaces C-C se observa una disposición espacial eclipsada de los átomos de hidrógeno y del grupo metilo, tal y como se representa en la figura.

CC

C

H H

H

H

H

H

H

Conformación eclipsada del propano

HH

H

HH H

CH3

H

H

H

H H

CH3

Si se lleva a cabo un giro de 60º en el grupo CH3, la conformación eclipsada del etano se convierte en alternada, como se pone de manifiesto en la siguiente figura:

A temperatura ambiente la molécula de etano está pasando de una conformación alternada a otra alternada, a través de la conformación eclipsada. La conformación alternada del propano es más estable que la eclipsada, tal y como se pone de manifiesto en el siguiente diagrama:


Otro ejemplo más complejo de isomería conformacional es el que presenta la molécula del n-butano. En la siguiente figura se da la representación de Newman de las conformaciones del n-butano a lo largo del enlace C2-C3.

Como se observa en la figura anterior, las conformaciones A, C y E son eclipsadas y las B, D y F alternadas Para distinguir unas de otras se ha propuesto la nomenclatura sistemática que se describe a continuación:

a) El prefijo anti se emplea cuando los enlaces de los grupos más voluminosos, que en el

caso del n-butano son los dos grupos metilo, forman ángulos superiores a 90°.

b) El prefijo sin se emplea cuando los enlaces de los grupos más voluminosos, en este caso los dos grupos metilo, forman ángulos inferiores a 90°.

c) La terminación periplanar se aplica cuando los dos grupos más voluminosos están en un

mismo plano.

d) La terminación clinal se aplica cuando los dos grupos voluminosos están en distintos planos.

De acuerdo con esta nomenclatura los confórmeros del n-butano se denominan del siguiente

modo: Conformación A = Conformación sinperiplanar (o eclipsada sin). Conformaciones B y F = Conformaciones sinclinales (o alternada gauche).

Conformaciones C y E = Conformaciones anticlinales (o eclipsada gauche). Conformación D = Conformación antiperiplanar (o alternada anti).

Como cabe esperar la estabilidad de las tres conformaciones alternadas es mayor que la de

las tres conformaciones eclipsadas, pero dentro de cada tipo también hay diferencias energéticas tal y como se muestra en el diagrama que se indica a continuación:


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Diferencias energéticas entre las conformaciones del n-butano

Como se observa en el diagrama anterior, la conformación de menor energía y, por tanto, la más estable y abundante, es la D, alternada anti o antiperiplanar, y la de mayor energía es la conformación A (eclipsada sin o sinperiplanar). Se ha medido una diferencia de 19 kJ/mol (4.5 kcal/mol) entre ambas conformaciones. Éste es un valor relativamente pequeño, fácilmente superable a temperatura ambiente, por lo que a esta temperatura se produce una rápida interconversión entre las conformaciones del n-butano, aunque la gran mayoría de moléculas se encuentran en la conformación alternada anti (conformación D).

La conformación alternada anti (conformación D) es 4 kJ/mol (0.9 kcal/mol) más estable que cualquiera de las conformaciones alternadas gauche (B y F), debido a que en la conformación D los dos grupos metilo están en una situación de máxima separación y, por tanto, de mínima compresión estérica.

Todas las conformaciones eclipsadas presentan tensiones torsionales debido a la repulsión enlace-enlace, y tensiones estéricas, debido a la proximidad de los dos grupos metilo.

El número de moléculas que adoptan una determinada conformación en un momento dado depende de la estabilidad de los confórmeros. En el caso del n-butano se ha comprobado que el 72% de las moléculas de n-butano adoptan la conformación alternada anti y el 28% la alternada gauche. El número de moléculas que presentan conformación eclipsada es mínimo y sólo existen instantáneamente como paso de unas conformaciones alternadas a otras. La preferencia por la conformación alternada es la que explica la representación de las moléculas en zig-zag, como se representa continuación:

II.1.3. Isomería conformacional en cicloalcanos

Los hidrocarburos cíclicos más simples son:

a) El ciclopropano, que tiene la forma de un triángulo equilátero, con ángulos de enlace carbono-carbono de 60º.


b) El ciclobutano, que geométricamente es un cuadrado, con ángulos de enlace de 90º. c) El ciclopentano, con ángulos de enlace carbono-carbono de 108º e) El ciclohexano, con ángulos de enlace carbono-carbono de 109º.

Tensión angular o tensión de Baeyer

Los cicloalcanos cuyo ángulo de enlace difiere del ángulo de enlace ideal de 109º, deben estar tensionados y, por tanto, son más inestables que aquellos cicloalcanos cuyos ángulos de enlace son iguales o muy próximos a 109º. Así, el ciclopropano tiene una tensión angular, debida a la compresión de los ángulos de enlace, de 49º. Este valor es la diferencia entre el ángulo tetraédrico de 109º y el ángulo de enlace carbono-carbono del ciclopropano, que es de 60º.

Tensión angular del ciclopropano 109º - 60º = 49º

De la misma forma se pueden calcular las tensiones angulares del ciclobutano, del

ciclopentano y del ciclohexano:

Tensión angular del ciclobutano 109º - 90º = 19º

Tensión angular del ciclopentano 109º - 108º = 1º

Tensión angular del ciclohexano 109º - 109º = 0º

En la siguiente figura se representan gráficamente las tensiones angulares de los cuatro cicloalcanos anteriores:


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Tensión torsional

Además de la tensión angular en cicloalcanos, hay otros factores que también influyen en el grado de inestabilidad de un cicloalcano. Se acaba de ver que los hidrocarburos acíclicos son más estables en las conformaciones alternadas que en las conformaciones eclipsadas. Esta diferencia de estabilidad entre conformaciones alternadas y eclipsadas se conoce como tensión torsional. En la figura que se da continuación se observa cómo en el ciclopropano, además de la tensión angular debe existir una considerable tensión torsional debido al eclipsamiento de los enlaces C-H.

En cicloalcanos de mayor tamaño de anillo la tensión torsional puede disminuir si el ciclo adopta una conformación plegada, no plana.


Tensión estérica

El tercer factor que contribuye a aumentar el grado de inestabilidad de los cicloalcanos es la tensión estérica, debida a interacciones repulsivas entre átomos o grupos de átomos que están relativamente próximos.

II.1.3. 1. Conformación del ciclopropano

El ciclopropano es un gas, con un punto de ebullición de -33ºC, con ángulos de enlace carbono-carbono de 60ºC.

¿Cómo se puede explicar, desde el punto de vista de la teoría de los orbitales híbridos, tal deformación del ángulo de enlace tetraédrico, que es de 109º? La respuesta es que los enlaces carbono-carbono del ciclopropano están doblados. En un alcano sin tensión el máximo solapamiento orbitálico se consigue cuando los dos átomos que se van a enlazar solapan sus orbitales frontalmente. En el ciclopropano los orbilates sp3 no pueden solaparse de manera frontal y su solapamiento, que se produce de manera tangencial, es mucho menos profundo que el que se produce en los alcanos sin tensión. El resultado es que los enlaces del ciclopropano son mucho más débiles y más reactivos que los de los alcanos típicos, como se pone de manifiesto en la siguiente figura:

II.1.3.2. Conformaciones del ciclobutano

El ciclobutano tiene menor tensión angular que el ciclopropano, porque los ángulos de enlace carbono-carbono son de 90º, y por tanto están más próximos al ángulo de enlace ideal de 109º. Si el ciclobutano fuese plano tendría más tensión torsional que el ciclopropano, al tener ocho interacciones eclipsadas H-H, por tan sólo seis del ciclopropano. En realidad, el ciclobutano no es completamente plano sino que está ligeramente doblado, situándose uno de los átomos de carbono unos 25º por debajo del plano en el que están colocados los otros tres. Este doblamiento provoca un ligero aumento de la tensión angular que queda compensada por una disminución de la tensión torsional, como se observa en la siguiente figura.


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II.1.3.3. Conformaciones del ciclopentano

El ciclopentano está prácticamente ausente de tensión angular porque sus ángulos de enlace carbono-carbono son de 108º. Sin embargo, si el ciclopentano fuese plano tendría una elevada tensión torsional debido a la presencia de diez interacciones eclipsadas H-H. En realidad el ciclopentano adquiere una conformación doblada que, aunque provoca un ligero aumento de la tensión angular, consigue disminuir la tensión torsional al evitar el eclipsamiento directo de los átomos de hidrógeno. Así, cuatro de los átomos de carbono que constituyen el anillo ciclopentánico se colocan en un mismo plano, situándose el quinto átomo de carbono fuera de este plano. A continuación se indica la conformación doblada que adopta el ciclopentano, con los carbonos C1, C2, C3 y C4 en un plano y el carbono C5 fuera del plano. En la proyección de Newman a lo largo del enlace C1-C2 se observa cómo los enlaces C-H están casi alternados.

II.1.3.4. Conformaciones del ciclohexano

El ciclohexano es un hidrocarburo cíclico que no presenta tensión angular ni tampoco tensión torsional. La falta de tensión angular es fácil de explicar porque los ángulos de enlace carbono-carbono son de 109º. Sin embargo, si el ciclohexano fuese plano debería presentar una importante tensión torsional debido al eclipsamiento de sus doce enlaces C-H. En realidad, el ciclohexano adquiere una conformación doblada, denominada conformación de silla, en la que no existe ningún tipo de eclipsamiento H-H y por tanto no hay tensión torsional porque todos los enlaces C-H están alternados.

En la siguiente figura se indica la conformación de silla del ciclohexano, junto con una representación de Newman a lo largo de los enlaces C1-C2 y C4-C5, y en la que se aprecia la posición alternada de los enlaces C-H.


Para dibujar la conformación de silla del ciclohexano es conveniente seguir las siguientes reglas:

1º. Dibujar dos líneas paralelas inclinadas y ligeramente desplazadas una con respecto de la

otra. Estos cuatro átomos de carbono del anillo ciclohexánico estarán ocupando el mismo plano:

2º. Colocar un átomo de carbono a la derecha y por encima del plano en el que están los otros cuatro átomos de carbono. Conectar el átomo de la derecha con los dos átomos de carbono vecinales:

3º. Colocar el sexto átomo de carbono a la izquierda y por debajo del plano en el que están los cuatro átomos de carbono centrales. Conectar el átomo de la izquierda a los dos átomos de carbono vecinales.

Cuando se mira la conformación de silla del ciclohexano, el enlace de la parte inferior está enfrente (más cerca) del observador, y el enlace de la parte superior esta detrás y por tanto más lejos del observador.


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Este enlace está delante

Este enlace está detrás

a) Enlaces axiales y ecuatoriales en el ciclohexano

Una de las consecuencias de la conformación de silla del ciclohexano es que hay dos clases de posiciones en las cuales se colocan los enlaces C-H en el anillo, denominadas posición axial y posición ecuatorial.

El ciclohexano en conformación se silla contiene seis hidrógenos colocados en posiciones axiales y seis en posiciones ecuatoriales.

Cada átomo de carbono del anillo ciclohexánico está enlazado a un átomo de hidrógeno en posición axial y a otro en posición ecuatorial.

Cada cara del anillo ciclohexánico contiene tres hidrógenos en posiciones axiales y tres en posiciones ecuatoriales. Si en la cara superior del anillo los carbonos C1, C3 y C5 colocan los hidrógenos en la posición axial, los carbonos C2, C4 y C6 los colocan en la posición ecuatorial, tal y como se aprecia en la siguiente figura.

b) Movilidad conformacional en el anillo del ciclohexano

Como hay dos clases de enlaces en el anillo ciclohexánico, axiales y ecuatoriales, se debería esperar que los compuestos ciclohexánicos monosustituidos, como por ejemplo el metilciclohexano, existiese en dos formas isoméricas: el metilciclohexano axial y el metilciclohexano ecuatorial. En realidad, solo existe un metilciclohexano porque los anillos ciclohexánicos son conformacionalmente móviles a temperatura ambiente, de manera que dos conformaciones de silla diferentes se interconvierten rápidamente, provocando el intercambio de las posiciones axiales y ecuatoriales, como se indica en la siguiente figura:

Las conformaciones de silla del ciclohexano se pueden interconvertir manteniendo los cuatro átomos de carbono centrales en su sitio y doblando los dos átomos de carbono de los


extremos del anillo en direcciones opuestas. Por ejemplo, el bromociclohexano axial se interconvierte fácilmente, a temperatura ambiente, en bromociclohexano ecuatorial, porque la barrera de energía que tiene que superar esta interconversión silla-silla es de sólo 10.8 kcal/mol, de manera que lo que se observa es lo que parece ser una única estructura:

c) Conformaciones de los compuestos ciclohexánicos monosustituidos

Aunque el anillo ciclohexánico se interconvierte rápidamente entre las dos conformaciones silla-silla, las dos confórmeros de un anillo ciclohexánico monosustituido no son igual de estables. Por ejemplo, en el metilciclohexano el confórmero ecuatorial es 1.8 kcal/mol más estable que el axial, e igual ocurre con otros compuestos ciclohexánicos monosustituidos. Por tanto, un compuesto ciclohexánico monosustituido es más estable en la conformación ecuatorial que en la axial.

La diferencia de energía entre los confórmeros axial y ecuatorial es debido a la tensión estérica causada por las interacciones 1,3-diaxiales. Así, en el metilciclohexano axial el grupo metilo presenta dos interacciones estéricas 1,3-diaxiales con los dos átomos de hidrógeno axiales situados en C3 y C5, como se pone de manifiesto en la siguiente figura:

La proximidad espacial entre el metilo axial y los átomos de hidrógeno axiales en C3 y C5 provoca una repulsión entre las nubes electrónicas que desestabiliza la conformación del metilciclohexano axial. Se ha calculado que el valor de cada una de las interacciones estéricas 1,3-diaxiales metilo-hidrógeno es del orden de 0.9 kcal/mol. Como hay un total de dos interacciones de este tipo en el metilciclohexano axial, la desestabilización de este compuesto, en relación con el metilciclohexano ecuatorial, es de 1.8 kcal/mol (0.9 kcal/mol x 2).

La energía de las interacciones 1,3-diaxiales depende de la naturaleza y del tamaño del grupo sustituyente. Es fácil predecir que cuanto mayor sea el tamaño del grupo mayor será el valor de la energía de interacción 1,3-diaxial.

En la tabla que se da continuación se indican los valores de las interacciones 1,3-diaxiales de un átomo de hidrógeno con una serie de grupos funcionales.


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Interacción 1,3-diaxial X-H

X kcal /mol kJ/mol

-F 0.12 0.5

-Cl 0.25 1.0

-Br 0.25 1.0

-OH 0.5 2.1

-CH3 0.9 3.8

-CH2CH3 0.95 4.0

-CH(CH3)2 1.1 4.6

-C(CH3)3 2.7 11.4

-C6H5 1.5 6.3

-COOH 0.7 2.9

-CN 0.1 0.4

En la tabla anterior se puede observar cómo la interacción estérica 1,3-diaxial aumenta en la

serie -CH3 < -CH2CH3 < -CH(CH3)2 < -C(CH3)3, lo que está en relación directa con el aumento del volumen estérico de estos grupos alquilo. d) Conformaciones de los compuestos ciclohexánicos disustituidos

Como se acaba de explicar en el apartado anterior, el confórmero más estable de un compuesto ciclohexánico monosustituido es el que coloca el sustituyente en la posición ecuatorial. En los compuestos ciclohexánicos disustituidos la situación es más compleja, ya que hay que analizar las dos conformaciones de silla para poder decidir cuál de las dos será la predominante en el equilibrio conformacional.

Uno de los compuestos ciclohexánicos disustituidos más simple, desde el punto de vista funcional, es el 1,2-dimetilciclohexano. Para este compuesto existen dos isómeros denominados cis-1,2-dimetilciclohexano y trans-1,2-dimetilciclohexano. En el isómero cis los dos grupos metilo están del mismo lado del plano molecular, mientras que en el trans los dos grupos metilo están en lados opuestos del plano molecular.

En el cis-1,2-dimetilciclohexano una conformación de silla coloca un grupo metilo en posición axial, por ejemplo en C1, quedando situado el otro grupo metilo en C2 en la posición ecuatorial, como se observa en la siguiente figura.


En la conformación de silla alternativa, el grupo metilo en C1 pasa a estar en posición ecuatorial y el grupo metilo en C2 pasa a colocarse en posición axial, como se observa en la figura anterior.

En la conformación de silla de la izquierda, el grupo metilo axial en C1 presenta dos interacciones 1,3-diaxiales desestabilizantes con los hidrógenos situados en C3 y C5. El grupo metilo en C2, que está situado en una posición ecuatorial, no presenta interacciones 1,3-diaxiales.

En la conformación de silla de la derecha, el grupo metilo de C1 pasa a ocupar una posición ecuatorial, y por tanto carente de interacciones estéricas 1,3-diaxiales. Sin embargo, el metilo en C2 ahora está colocado en posición axial y por tanto presenta interacciones 1,3-diaxiales con los átomos de hidrógeno situados en C4 y C6. El resultado es que las dos conformaciones del cis-1,2-dimetilciclohexano tienen la misma energía porque cada una de ellas tiene un metilo en axial y otro en ecuatorial.

Para el isómero trans-1,2-dimetilciclohexano la situación no es la misma, puesto que en una de las conformaciones de silla los dos grupos metilo ocupan posiciones axiales, y en consecuencia cada uno de ellos presenta dos interacciones 1,3-diaxiales. Por el contrario, en la otra conformación de silla del trans-1,2-dimetilciclohexano los dos grupos metilo ocupan posiciones ecuatoriales y por tanto no presentan interacciones desestabilizantes de tipo 1,3-diaxial. El resultado es que en el trans-1,2-dimetilciclohexano la conformación con los dos grupos metilo ecuatoriales es mucho más estable que la conformación con los dos grupos metilo axiales, como se pone de manifiesto en la siguiente figura:

Un análisis conformacional similar se puede llevar a cabo para cualquier compuesto ciclohexánico sustituido. Por ejemplo, el cis-1-bromo-4-terc-butilciclohexano sólo existe en una conformación, indicada como A en la figura que se da a continaución. En la conformación A el voluminoso grupo terc-butilo está situado en posición ecuatorial:


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La conformación alternativa B, que coloca al grupo terc-butilo en posición axial y al bromo en posición ecuatorial, no existe apenas en el equilibrio conformacional, debido a las enormes interacciones estéricas que se generan entre el grupo terc-butilo y los hidrógenos en las posiciones 1,3-diaxiales. Estas interacciones estéricas se pueden cuantificar del siguiente modo. En el confórmero B el átomo el grupo t-butilo axial presenta dos importantes interacciones estéricas 1,3-diaxiales con los átomos de hidrógeno en C2 y C6. El valor de una interacción 1,3-diaxial entre un grupo t-butilo y un átomo de hidrógeno se cifra en 2.7 kcal/mol (11.4 kJ/mol), y como son dos las interacciones 1,3-diaxiales el valor total de la tensión estérica en el confórmero B es de:

2 x 2.7 kcal/mol = 5.4 kcal/mol

En el isómero conformacional A el átomo de bromo presenta dos interacciones estéricas

1,3-diaxiales con los átomos de hidrógeno en C3 y C5, con un valor cada una de ellas de 0.25 kcal/mol. Como son dos las interacciones 1,3-diaxiales el valor total de la tensión estérica en el confórmelo A es de:

2 x 0.25 kcal/mol = 0.5 kcal/mol

La diferencia de energía entre los dos isómeros es de 4.9 kcal/mol (5.4 kcal/mol - 0.5 kcal/mol). Dicho de otro modo, la conformación A, que coloca al grupo t-butilo ecuatorial en posición ecuatorial, es 4.9 kcal/mol más estable que la conformación B, que coloca al grupo t-butilo en posición axial.

Con los datos de las interacciones estéricas 1,3-diaxiales se pueden calcular los porcentajes en el equilibrio de los dos confórmeros.

1) Cálculo de la constante de equilibrio y de la proporción de confórmeros en el metilciclohexano

A continuación se dibujan las dos conformaciones de silla del metilciclohexano:


El denominado confórmero A tiene dos interacciones estéricas 1,3-diaxial CH3-H que lo inestabilizan en 1.8 Kcal/mol, en relación con el confórmero B.

Cálculo de la constante de equilibrio

Se puede tomar la diferencia de energía de 1.8 Kcal/mol como la variación de energía libre entre los dos confórmeros. La energía libre está relacionada con la constante de equilibrio por la ley indicada a continuación:

∆G = -RT lnK

A T=25ºC (298ºK) y para R=1.98 x 10-3 kcal/ºK.mol, la ley anterior toma los siguientes valores:

-1.8 kcal/mol = (-1.98 x 10-3 kcal/ºK.mol) x (298ºK) lnK

De la ecuación anterior se extrae el valor de la constante de equilibrio:

-1.8 kcal/mol = (- 0.59 kcal/mol) lnK

lnK = 3.05

K=21.11

Cálculo del porcentaje de confórmeros en el equilibrio

A partir de la constante de equilibrio se calculan los porcentajes de confórmeros en el equilibrio:

Inicialmente A= 100

En el equilibrio A= 100-x B=x

21.11= x/100-x

x (%B) = 95.47% %A = 4.53%

Por tanto, en el equilibrio sólo existe un 4.5% de moléculas del confórmero A, más

inestable. El resto (aproximadamente el 95%) adquiere la conformación más estable B.

2) Cálculo de la constante de equilibrio y de la proporción de confórmeros en el trans-1,4-dimetilciclohexano

A continuación se dibuja la estructura del trans-1,4-dimetilciclohexano, vista desde arriba, junto con las dos conformaciones de silla de este compuesto. Debajo de cada conformación de silla se indican las interacciones 1,3-diaxiales que experimenta cada confórmero. Se puede apreciar que el denominado confórmero A es 3.6 Kcal/mol más energético que el confórmero B.


20


Se puede tomar esta diferencia de energía como la variación de energía libre entre los dos confórmeros. La energía libre está relacionada con la constante de equilibrio por la ley indicada a continuación:

∆G = -RT lnK

A T=25ºC (298ºK)y para R=1.98 x 10-3 kcal/ºK.mol, la ley anterior toma los siguientes valores:

-3.6 kcal/mol = (-1.98 x 10-3 kcal/ºK.mol) x (298ºK) lnK

De la ecuación anterior se extrae el valor de la constante de equilibrio: -3.6 kcal/mol = (- 0.59 kcal/mol) lnK

lnK = 6.10 K= 445


A partir de la constante de equilibrio se calculan los porcentajes de confórmeros en el equilibrio:

Inicialmente A= 100 En el equilibrio A= 100-x B=x

445= x/100-x x (%B) = 99.77% %A = 0.23%

Por tanto, en el equilibrio sólo existe un 0.23% de moléculas del compuesto A, más

inestable. Prácticamente todo el trans-1,4-dimetilciclohexano (99.77%) adquiere la conformación B, menos energética porque no tiene interacciones estéricas 1,3-desestabilizantes.

3) Cálculo de la constante de equilibrio y de la proporción de confórmeros en el trans-1-(t-butil)-4-metilciclohexano.

A continuación se dibuja la estructura del trans-1-(t-butil)-4-metilciclohexano, vista desde arriba, junto con las dos conformaciones de silla de este compuesto. Debajo de cada conformación de silla se indican las interacciones 1,3-diaxiales que experimenta cada confórmero. Se puede apreciar que el denominado confórmero A es 7.2 Kcal/mol más energético que el confórmero B.



∆G = -RT lnK

-7.2 kcal/mol = (-1.98x10-3 kcal/ºK.mol)(298ºK) lnK

-7.2 kcal/mol = (- 0.59 kcal/mol) lnK

lnK = 12.2

K= 198789


Inicialmente A= 100

En el equilibrio A= 100-x B=x

198789= x/100-x

x (%B) = 99.9995% %A = 0.0005% 4) Cálculo de la constante de equilibrio y de la proporción de confórmeros en el trans-1,4-diclorociclohexano

A continuación se dibuja la estructura del trans-1,4-diclorociclohexano, vista desde arriba, junto con las dos conformaciones de silla de este compuesto. Debajo de cada conformación de silla se indican las interacciones 1,3-diaxiales que experimenta cada confórmero. Se puede apreciar que el denominado confórmero A es 7.2 Kcal/mol más energético que el confórmero B.


∆G = -RT lnK

-1 kcal/mol = (-1.98x10-3 kcal/ºK.mol)(298ºK) lnK


22

-1 kcal/mol = (- 0.59 kcal/mol) lnK lnK = 1.69

K= 5.4

Cálculo del porcentaje de confórmeros en el equilibrio Inicialmente A= 100

En el equilibrio A= 100-x B=x 5.4= x/100-x

x (%B) = 84.4% %A = 15.6% e) Conformación de bote del ciclohexano

Además de la conformación de silla del ciclohexano existe una segunda posibilidad, llamada conformación de bote, que también está libre de tensión angular y que es la que se describe en la siguiente figura:

Los carbonos C1, C2, C4 y C5 de la conformación de bote del ciclohexano residen en un mismo plano, mientras que los carbonos C3 y C6 están por encima de este plano. Los átomos de hidrógeno internos de los carbonos C3 y C6 se aproximan uno al otro provocando un aumento de la tensión estérica, mientras que los hidrógenos de los carbonos C1, C2, C4 y C5, al estar eclipsados, provocan una considerable tensión torsional en la estructura. La proyección de Newman (estructura de la derecha de la figura anterior) muestra claramente el eclipsamiento de los hidrógenos en C1, C2, C4 y C5.

La conformación de bote es aproximadamente 7.0 kcal/mol (29 kJ/mol) menos estable que la conformación de silla, aunque este valor se reduce a 5.5 kcal/mol (23 kJ/mol) mediante un ligero doblamiento de la estructura, lo que disminuye ligeramente la tensión torsional. La conformación de bote doblada se denomina de bote retorcido.

H

H

H

H

H HH

H

H

H

H

H

12

3

4 5

6 H

HH

H

H

H

HH

H

H

H1

2

3

4

5

6

H

Conformación de bote(7.0 kcal/mol de tensión)

Conformación de bote retorcido(5.5 kcal/mol de tensión)

Conformaciones de bote del ciclohexano

Tensión estérica

La conformación de bote está mucho más tensionada que la de silla y los compuestos ciclohexánicos sólo adoptan la geometría de bote bajo especiales circunstancias.


Unidad temática II.2. Isomería configuracional

II.2.1. Rotación restringida de enlaces múltiples

El doble enlace de los alquenos se representa mediante una doble línea que une a los dos átomos de carbono olefínicos. La orientación de los orbitales sp2 y el solapamiento de los orbitales p en el etileno obliga a colocar a los cuatro átomos que componen esta olefina en el mismo plano. En la siguiente figura se indican varias representaciones de Lewis del etileno, así como las correspondientes representaciones en el modelo de varillas y bolas. La vista superior pone de manifiesto la planaridad de este compuesto.

El siguiente alqueno en complejidad estructural, después del etileno, es el propileno, de

fórmula molecular C3H6. La representación de este compuesto se da en la siguiente figura.


24

Obsérvese que en la molécula de propileno los tres átomos de carbono y los tres átomos de hidrógeno unidos a los carbonos sp2 están contenidos en un plano, no así los tres átomos de hidrógeno del grupo metilo (CH3) que están enlazados a un carbono con hibridación sp3.

Después del propileno el siguiente hidrocarburo olefínico es el de fórmula molecular C4H8. Con esta fórmula se pueden dibujar hasta un total de cuatro olefinas diferentes, que son las que se indican a continuación:

Dos de los isómeros anteriores, los denominados cis-2-buteno y trans-2-buteno no son isómeros estructurales entre sí, puesto que ambos tienen la misma secuencia de átomos enlazados covalentemente. La diferencia entre ellos estriba en la posición relativa en la que se encuentran dispuestos los grupos metilo y los átomos de hidrógeno. Esta clase de isómeros, que se forman como consecuencia de la distinta orientación espacial de átomos o grupo de átomos alrededor de un enlace doble, se denominan isómeros geométricos. En el denominado cis-2-buteno los dos grupos metilo están del mismo lado del doble enlace, mientras que en el trans-2-buteno estos dos grupos metilo están situados en lados opuestos del doble enlace. En la representación que se da a continuación (modelos de varillas y bolas y space-filling) se pone de manifiesto la forma diferente de ambos isómeros del 2-buteno:

¿Cómo se explica la existencia de dos isómeros diferentes del 2-buteno? La respuesta reside en la rotación restringida a lo largo del doble enlace carbono-carbono. La energía de disociación del doble enlace C=C es aproximadamente de 146 kcal/mol y la energía de disociación de un


enlace simple C-C es de 83 kcal/mol. Por tanto, la energía de disociación del enlace π� debe ser de 63 kcal/mol. Por tanto, a diferencia de lo que ocurre en los enlaces simples, en los enlaces dobles C=C no hay libre rotación. II.2.2. Reglas de nomenclatura E/Z

El cis-2-buteno se denomina así porque los dos grupos iguales (grupos CH3) están del mismo lado del doble enlace. Por el contrario, en el trans-2-buteno los dos grupos iguales (grupos CH3) están colocados en lados opuestos del doble enlace. Por tanto, la configuración cis de los enlaces dobles se asigna en aquellos isómeros geométricos que contienen grupos iguales, o similares, del mismo lado del doble enlace y la denominación trans se aplica en aquellos isómeros geométricos que contienen grupos iguales, o similares, de lados opuestos del doble enlace.

El problema de la nomenclatura cis/trans es que presenta muchas ambigüedades ya que muy a menudo se hace complicado elegir cuáles son los grupos similares situados en los carbonos olefínicos. Por ejemplo, no sería fácil asignar la configuración cis o trans en los dos isómeros geométricos del 1-bromo-1-fluoroprop-1-eno:

H

H3C

Br

F

Isómeros geométricos del 1-bromo-1-fluoroprop-1-eno

H

H3C

F

BrI II

Para evitar las ambigüedades que se producen en el sistema de nomenclatura cis/trans la

I.U.P.A.C. ha propuesto un sistema de nomenclatura basado en las reglas de Cahn-Ingold-Prelog, que establecen un orden de prioridad según el número atómico. Estas reglas son las siguientes:

a) Si el doble enlace presenta los dos grupos de mayor prioridad del mismo lado del plano

de referencia se le asigna la configuración Z (del alemán zusammen).

b) Si el doble enlace presenta los dos grupos de mayor prioridad de lados opuestos del plano de referencia se le asigna la configuración E (del alemán entgegen).


26

La asignación de prioridades se basa en el número atómico de los átomos directamente unidos a los carbonos sp2. Por ejemplo, para la asignación de la configuración E o Z del isómero del 1-bromo-1-fluoroprop-1-eno que se da a continuación, se procede del siguiente modo:

a) El carbono sp2 de la izquierda de la figura está unido a CH3 y a H. Como el C tiene mayor número atómico que el H se le asigna a este átomo, y por tanto al grupo CH3, la prioridad:

H

H3C

Br

F

2º

1º

2) El carbono sp2 de la derecha de la figura está unido a Br y a F. Como el Br tiene mayor número atómico que el F se le asigna al bromo la prioridad:

3) Como los dos átomos, o grupos de átomos, prioritarios están de lados opuestos del doble enlace éste tiene configuración E.

II.2.3. Quiralidad y actividad óptica

A principios de siglo XIX Biot señaló que algunas sustancias orgánicas de origen natural poseían la propiedad de girar el plano de la luz polarizada. Este fenómeno consiguió explicarse cuando los químicos comenzaron a considerar la disposición tridimensional de las moléculas en el espacio. Las propiedades geométricas de un carbono con hibridación sp3 hacen que, en el caso de que esté unido a cuatro átomos o grupos de átomos diferentes, la molécula no tenga plano de simetría y que existan dos maneras diferentes de ordenar a los cuatro átomos o grupos de átomos. Estas dos ordenaciones o configuraciones generan dos formas isoméricas denominadas enantiómeros, que son imágenes especulares entre sí pero que no son superponibles.


Cuando esto ocurre se dice que la molécula es quiral y ópticamente activa, puesto que es capaz de desviar el plano de la luz polarizada. Dos enantiómeros desvían el plano de la luz polarizada en la misma magnitud pero en sentidos opuestos.

Al carbono con hibridación sp3 que está unido a cuatro átomos o grupos de átomos diferentes se le denomina estereocentro o centro estereogénico.

En la siguiente figura se dibuja un compuesto de carbono con hibridación sp3 unido a cuatro grupos diferentes, representados por cuatro colores distintos. El reflejo de esta estructura genera su enantiómero:

En la figura que se da a continuación se indican dos compuestos enantioméricos, cuyo estereocentro está unido a cuatro grupos diferentes simbolizados por dos bolas una de color granate y otra verde, un triángulo de color azul y un rectángulo de color naranja. Se puede observar en el dibujo la imposibilidad de superposición entre los enantiómeros.

Enantiómeros: imágenes especulares no superponibles

Cuando una molécula es superponible con su imagen especular se dice que no es ópticamente activa y por tanto es incapaz de desviar el plano de la luz polarizada. Normalmente esto ocurre cuando la molécula presenta un plano de simetría.

La quiralidad , definida como la propiedad de un objeto de no ser superponible con su imagen especular, no es exclusiva de las moléculas orgánicas que contienen estereocentros. En la vida ordinaria se pueden encontrar objetos quirales, y por tanto, no superponibles con su


28

imagen especular, como la mano derecha y la mano izquierda, el pie derecho y el izquierdo, el zapato derecho y el izquierdo, etc:

Objetos quirales

En la siguiente figura se dan ejemplos de objetos cotidianos no quirales, también

denominados aquirales, que son aquellos que son superponibles con su imagen especular:

Objetos aquirales

II.2.4. Nomenclatura de enantiómeros con un centro estereogénico

La configuración de un centro estereogénico se nombra como R o S, utilizando para ello las reglas de prioridad de Cahn, Ingold y Prelog, tal y como se explica a continuación: 1) Cada átomo unido al centro estereogénico recibe un número 1, 2, 3 ó 4. El 1 se asigna al grupo de mayor prioridad y el 4 al de menor prioridad. El grupo prioritario es el de mayor número atómico. 2) Una vez asignado el orden de prioridad se mira el carbono estereogénico desde el lado opuesto al grupo de menor prioridad.

a) El estereocentro es de configuración R (rectus, derecha) si el orden de prioridad decreciente de los restantes grupos gira en el sentido de las agujas del reloj.


b) El estereocentro es de configuración S (sinister, izquierda) si el orden de prioridad decreciente gira en sentido contrario al de las agujas del reloj.

A continuación se aplican estas reglas de prioridad para la asignación de las configuraciones de centros estereogénicos en una serie de compuestos quirales.

Ejemplo 1: Asignación de la configuración R o S de los dos enantiómeros del 1-cloro-1-fluoroetano.

La representación tridimensional de los dos enantiómeros del 1-cloro-1-fluoroetano es la siguiente:

Para asignar las configuraciones de estos dos compuestos se procede del siguiente modo:

1) El orden de prioridad de los grupos unidos al carbono estereogénico es, de mayor a menor, Cl > F > C > H. Por tanto, el orden de prioridad será Cl (1º), F (2º), C (3º) y H (4º).

2) Una vez asignado el orden de prioridad hay que mirar al compuesto quiral desde el lado opuesto al que ocupa el último grupo en prioridad, tal y como se indica en la siguiente figura:

Ejemplo 2: Asignación de la configuración R ó S en estereocentros unidos a más de un átomo igual, como en el compuesto que se da a continuación:


30

1) Se asigna el orden de prioridad de los átomos unidos al carbono estereogénico en base al número atómico que es, en este caso, C, C, C > H. Esta claro que el átomo de hidrógeno es el último en prioridad pero no está claro cual es la prioridad del grupo CH3, del grupo CH(CH3)2 y del grupo CHBr2 puesto que todos estos grupos están unidos al estereocentro por un átomo de carbono.

Para establecer la prioridad entre estos tres grupos se procede del siguiente modo: 2) Para cada uno de los átomos de carbono unido directamente al esterocentro se ordenan, de mayor a menor número atómico, los átomos a los que aquél está unido, tal y como se indica en la siguiente figura:

3) Se establece la prioridad comparando los tres primeros átomos dentro de cada paréntesis. En el ejemplo que se está considerando estos átomos son Br, C y H, que aparecen subrayados en la siguiente figura:

Como el número atómico es Br > C > H esto hace que la prioridad de los grupos sea CHBr2 > CH(CH3)2 > CH3. Según esta ordenación la configuración del estereocentro será R:

Ejemplo 3: Asignación de la configuración R o S en el siguiente compuesto quiral:


1) Se asigna el orden de prioridad de los átomos unidos al carbono estereogénico en base al número atómico que es, en este caso, C, C, C > H. Esta claro que el átomo de hidrógeno es el último en prioridad pero no está claro cual es la prioridad del grupo CH3, del grupo CH(CH3)2 y del grupo C(CH3)3, puesto que todos estos grupos están unidos al estereocentro por un átomo de carbono.

Para establecer la prioridad entre estos tres grupos se procede del siguiente modo: Para cada uno de los átomos de carbono unido directamente al esterocentro se ordenan, de mayor a menor número atómico, los átomos a los que está unido, tal y como se indica en la siguiente figura:

2) Se establece la prioridad comparando los tres primeros átomos dentro de cada paréntesis. En el ejemplo que se está considerando estos átomos son C, C y H, que aparecen subrayados en la siguiente figura:

Esta primera comparación permite asignar al grupo CH3 el número 3 en el orden de prioridad.

3) Para diferenciar al grupo C(CH3)3 del CH(CH3)2 se pasa a comparar el segundo átomo dentro del paréntesis de cada grupo. Como este segundo átomo es en ambos casos el C se pasa a comparar el tercer átomo dentro del paréntesis. En este caso es C y H, lo que determina que el grupo C(CH3)3 es prioritario sobre el grupo CH(CH3)3.


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Según la ordenación anterior la configuración del estereocentro será R:

Para asignar la prioridad de átomos unidos mediante enlaces múltiples se considera que cada enlace π equivale a un enlace simple adicional. Las equivalencias de una serie de grupos que contienen enlaces múltiples se dan en a continuación:

II.2.4.1. Proyecciones de Fischer

La proyección de Fischer es una forma de representar una molécula tridimensional en una superficie bidimensional. Para transformar la representación tridimensional de una molécula con un estereocentro en una proyección de Fischer se siguen los siguientes pasos:

1) Se orienta la estructura de manera que el carbono del esterocentro quede contenido en el plano del papel, dos de los sustituyentes se dirijan hacia el observador y los otros dos sustituyentes se alejen del observador:

2) Se proyectan los dos enlaces que se acercan al observador en la horizontal y los dos enlaces que se alejan del observador en la vertical:


3) Para asignar la configuración R o S en las proyecciones de Fischer se determina primero el orden de prioridad según las reglas de prioridad de Cahn-Ingold-Prelog.

En el caso anterior sería:

4) Se unen los tres grupos prioritarios en el orden 1→ 2→ 3 y se observa si está unión va en el sentido de las agujas reloj o en el sentido contrario.

Si el último grupo en prioridad está en la vertical y la unión 1→ 2→ 3 va en sentido R la

configuración del estereocentro será R.

Si el último grupo en prioridad está en la vertical y la unión 1→ 2→ 3 va en sentido S la configuración del estereocentro será S.

Por ejemplo, en la proyección de Fischer anterior la unión 1→ 2→ 3 va en sentido R y

como el hidrógeno (último en prioridad) está en la vertical, la configuración del estereocentro es R.

Si el último grupo en prioridad está en la horizontal y la unión 1→ 2→ 3 va en sentido R la configuración del estereocentro es opuesta, o sea, S, como en el caso que se indica a continuación:

CH3

OH

CH3CH2 H

1º

2º

3º

4ºConfiguración S

Si el último grupo en prioridad está en la horizontal y la unión 1→ 2→ 3 va en sentido S la configuración del estereocentro es opuesta, o sea R, como en el caso que se indica a continuación:


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II.2.4.2. Propiedades de las proyecciones de Fischer

1) Las proyecciones de Fischer pueden ser movidas 180° en el plano sin que cambie la configuración del estereocentro:

Este giro de 180° en el plano en una proyección de Fischer equivale a un número par de intercambios de grupos en el centro estereogénico.

2) Si una proyección de Fischer se gira 90° se cambia la configuración del estereocentro, porque un giro de 90° equivale a un número impar de intercambios: un total de tres interconversiones, como se indica en la siguiente figura:

OH

CH2CH3

Configuración S

90º

H

CH3

H CH3

Configuración R

OHCH3CH2

II.2.5. Compuestos con más de un estereocentro: diastereoisomería

Cuando un compuesto orgánico contiene dos o más centros estereogénicos son posibles un máximo de 2n estereoisómeros.

En la figura que se describe a continuación se indican las proyecciones de Fischer de los cuatro posibles estereoisómeros del 3-bromobutan-2-ol y las relaciones de estereoisomería que se establecen entre ellos.


II.2.6. Compuestos meso

En la siguiente figura se describen las proyecciones de Fischer de los cuatro posibles estereoisómeros del 2,3-dibromobutano. Se puede observar que los estereoisómeros 2R,3S y 2S,3R presentan un plano de simetría y, aunque aparentan ser imágenes especulares uno del otro, en realidad son el mismo compuesto porque son superponibles. Este tipo de estereoisómeros que carecen de actividad óptica, a pesar de contener en su estructura centros estereogénicos, se denominan compuestos meso.

II.2.7. Enantiomerismo conformacional

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

Bifenilo

H

HH

H

H

H H

H H

H

Sin embargo, el 2,2´-dibromo-6,6´-diyodobifenilo, cuya estructura se indica a continuación, existe en dos formas enantioméricas, a pesar de que el compuesto no contiene centros estereogénicos.

Si la estructura fuese totalmente plana, tal y como se indica en la figura anterior, habría que concluir que el compuesto sería ópticamente inactivo, y por tanto incapaz de existir en dos


36

formas enantioméricas. Sin embargo, la conformación plana del 2,2´-dibromo-6,6´-diyodobifenilo no puede existir porque colocaría los voluminosos átomos de bromo y de yodo en una situación de enorme repulsión estérica, como se pone de manifiesto en la figura que se da a continuación:

Para evitar la interacción estérica entre los átomos de halógeno la molécula adquiere una conformación que coloca a los dos anillos aromáticos mutuamente perpendiculares. De acuerdo con esta disposición de los anillos aromáticos es posible dibujar dos conformaciones alternativas, enantioméricas entre sí, que son las que se indican en la siguiente figura:

.

Las dos conformaciones anteriores, que carecen de plano de simetría, son entre sí imágenes especulares 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 compuestos enantioméricos que desviarán el plano de la luz polarizada en igual magnitud pero en direcciones opuestas. II.2.8. Mezclas racémicas

Cuando la acetofenona se reduce con NaBH4 se genera una mezcla formadas por proporciones iguales de (R)-1-fenil-1-etanol y (S)-1-fenil-1-etanol. A la mezcla formada por proporciones iguales de cada uno de los dos enantiómeros, que se ópticamente inactiva, se le denomina mezcla racémica.


Si se necesitase uno de los dos enantiómeros en forma pura habría que separarlo de la mezcla racémica. La separación de enantiómeros de mezclas racémicas se denomina resolución.

Existen diferentes procedimientos para la resolución de mezclas racémicas pero los más utilizados son la resolución química y la resolución cromatográfica. II.2.8.I. Resolución química

La resolución química consiste en la separación de los enantioméros de la mezcla racémica mediante su conversión en una mezcla de diastereoisómeros. Para ello, la mezcla de enantiómeros se hace reaccionar con compuesto quiral que recibe el nombre de agente de resolución.

Supongamos que la mezcla racémica formada por el (R)-1-fenil-1-etanol y (S)-1-fenil-1-etanol se hace reaccionar con el ácido (R)-2-fenilpropiónico. La reacción de ácidos carboxílicos con alcoholes proporciona ésteres y en este caso se obtendrá una mezcla de dos ésteres diastereoisoméricos:

Los diastereoisómeros tienen propiedades físicas diferentes y pueden separarse mediante destilación, cristalización o cromatografía:


38

Una vez separados los diastereoisómeros por cualquiera de las técnicas de separación anteriormente mencionadas, se procede a la eliminación del agente de resolución para obtener cada uno de los enantiómeros puros. Por ejemplo, en el caso que nos ocupa cada uno de los ésteres diastereoisoméricos se puede saponificar para obtener el alcohol enantiomérico puro y el agente quiral de resolución.

El método de resolución química se resume de forma gráfica en la siguiente figura:

II.2.8.2. Resolución cromatográfica

Este procedimiento de resolución se basa en la utilización de técnicas cromatográficas que emplean como fase estacionaria un compuesto quiral. El fenómeno que permite explicar la separación cromatográfica de mezclas racémicas se basa en las débiles interacciones que forman los enantiómeros con la fase estacionaria quiral. Estas interacciones forman agregados o complejos diastereoisoméricos que tienen diferentes propiedades físicas y por tanto diferentes energías de enlace y diferentes constantes de equilibrio para el acomplejamiento. El enantiómero que forma complejos más estables con la fase estacionaria quiral se mueve más lentamente a lo largo de la columna, y emerge de ella después del enantiómero que forma complejos menos estables y que, por tanto, se mueve más rápidamente.


Sumario de conceptos 1) Isómeros: Compuestos con igual fórmula molecular pero con propiedades físicas y/o químicas diferentes. 2) Isómeros estructurales (o constitucionales): los que difieren en el orden en el que se enlazan los átomos en la molécula. 3) Isómeros conformacionales o confórmeros: los que se interconvierten rápidamente a temperatura ambiente mediante rotaciones sobre enlaces sencillos, y por tanto no pueden separarse entre sí. 4) Tensión angular: la que resulta de la compresión de los ángulos de enlace. 5) Tensión torsional: la que resulta del eclipsamiento de enlaces 6) Tensiíón estéricas: la que resulta de la repulsión entre las nubes electrónicas de átomos o grupos de átomos espacialmente próximos. 7) Estereoisómeros: los que tienen la misma secuencia de átomos enlazados covalentemente, pero con distinta orientación espacial. 8) Isómeros configuracionales: estereoisómeros que no pueden interconvertirse entre si y, por tanto, pueden separarse. 9) Isómeros geométricos: isómeros configuracionales que se originan por la distinta orientación espacial de átomos, o grupos de átomos, alrededor de un enlace doble. 10) Enantiómeros: isómeros configuracionales que se originan por la distinta orientación espacial de átomos, o grupos de átomos, alrededor de un carbono tetraédrico, y además son imágenes especulares no superponibles.

11) Diastereoisómeros o diastereómeros: isómeros configuracionales que se originan por la distinta orientación espacial de átomos, o grupos de átomos, alrededor de un carbono tetraédrico, pero no son imágenes especulares uno del otro. 12) Estereocentro o centro estereogénico: átomo de carbono con hibridación sp3 que está unido a cuatro átomos o grupos de átomos diferentes. 13) Compuesto u objeto quiral: el que no es superponible con su imagen especular. 14) Compuesto u objeto aquiral: el que es superponible con su imagen especular. 15) Compuestos meso: estereoisómeros aquirales, a pesar de contener en su estructura centros estereogénicos.


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16) Mezcla racémica: la constituida por proporciones iguales de cada uno de los dos enantiómeros. 17) Resolución: separación de los enantiómeros de una mezcla racémica.

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