Tema 9 Isomería Óptica 2009 Ppt

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Cátedra de Química Orgánica IInstituto de Química Orgánica

Fac. de Bioquímica, Química y Farmacia Universidad Nacional de Tucumán

Objetivos

Al finalizar la misma los alumnos deben:� Comprender el significado de asimetría molecular.� Reconocer un centro estereogénico.� Conocer el significado de actividad óptica.� Reconocer a enantiómeros, diastereómeros y� Reconocer a enantiómeros, diastereómeros ycompuestos meso.� Poder asignar configuración a los centros quiralessegún las reglas CIP.� Realizar representaciones planas y espaciales decompuestos quirales.� Conocer la importancia biológica de la quiralidad.

�� Química Orgánica I, Instituto de Química Orgánica, Fac. de Bqca., Qca. y Fcia., UNT

Estereoquímica

La estereoquímica es el estudiode las moléculas en tresde las moléculas en tresdimensiones.


Isómeros y estereoisómeros

Isómeros: Son compuestos que tienen la misma fórmula molecular, pero

Estereoisómeros:Son los isómeros que tienen la misma secuencia molecular, pero

propiedades físicas y/o químicas distintas.

de enlaces, pero difieren en la distribución espacial de los mismos.


Quiralidad

Quiralidad (del griego Cheir que significamano) es la propiedad que tienen ciertosobjetos de poder existir bajo dos formas queson imágenes especulares una de otra y queno se pueden superponer.no se pueden superponer.


Quiralidad

Pendiente (+)

a)

Pendiente (-)


Quiralidad y actividad óptica

El término quiral se aplica también a las moléculas.Las moléculas quirales se diferencian de las aquiralesen que presentan actividad óptica.

La actividad óptica es la propiedad deLa actividad óptica es la propiedad dedesviar el plano de la luz polarizada.

Este tema es de gran interés debido a que en losseres vivos las moléculas quirales se encuentranampliamente distribuidas.


Quiralidad

Son quirales:

� Los hidratos de carbono

� Los aminoácidos (excepto la glicina)� Los aminoácidos (excepto la glicina)que forman las proteínas

� Los ácidos nucleicos

� Algunos lípidos.


Elementos de simetría

Los elementos de simetría son entesgeométricos, como ser un punto, una recta oun plano alrededor del cual se puede efectuaruna operación de simetría.una operación de simetría.

Una operación de simetría consiste en moverun cuerpo respecto de alguno de loselementos de simetría de manera de llevarlo auna configuración indistinguible de la original.



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180°

C2

180°C CH H C CH H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

120°

C3



2. Plano (σσσσ)La operación de simetría asociada a un plano desimetría es la reflexión. Un plano de simetríadivide en dos partes iguales a una molécula.

CH3CH3CH3

CH3

σσ


Condiciones de quiralidad

Las moléculas quirales no tienenningún plano de simetría.

Hay moléculas quirales que presentan eje propio.

C2 C2

trans-1,2-dimetilciclohexano



1

23

4

Elementos de simetría: 4 C3, 3 C2 y 6 σ.

Tiene planos de simetría, por lo tanto esaquiral.

Metano

Cl

132

Elementos de simetría: 1 C3 y 3 σ.

Tiene planos de simetría, por lo tanto esaquiral.

Clorometano



Elementos de simetría: 1σ.

Tiene un plano de simetría, por

Bromoclorometano

Cl

Tiene un plano de simetría, porlo tanto es aquiral.

12

Br



Bromocloroyodometano

No tiene elementos de simetría. Moléculaasimétrica, no tiene plano de simetría, por lo tanto,es quiral.


Carbono quiral o estereogénico (C*): Seencuentra unido a 4 sustituyentes distintos.

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Átomos estereogénicos

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Existen varios elementos químicos que comparten conel carbono el potencial para ser átomos estereo-génicos, los cuales casi siempre confieren quiralidad ala molécula. Por ejemplo, los átomos del grupo 14pueden ser estereogénicos al contar con 4 ligandos.


pueden ser estereogénicos al contar con 4 ligandos.

Fenilmetilnaftilmetoxisilano 1959 Sommer

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H3C Si OCH3

C6H5

C10H7

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La estructura piramidal de átomo de N sugiere que lasamina terciarias del tipo RR’R’’N podría existir en dosformas enantioméricas, ya que carecen de plano desimetría. Dado la baja energía de activación para suinterconversión es imposible aislarlos a T amb.


N

R''

R'R

N

R''

R'R

interconversión es imposible aislarlos a T amb.


En las sales de amonio cuaternarias, el N es centroestereogénico si tiene 4 sustituyentes distintos. Tambiénse han aislado los óxidos de aminas en sus formasenantioméricas puras.


N

i-Bu

H3CC2H5

i-Pr

Cl-

+ N

H3C

C6H5C2H5

O



Cloruro de trifluorometanosulfinilotrifluorometanosulfinilo

Fluoruro de trifluorometanosulfinilo


Enantiómeros

Los estereoisómeros que son imágenesespeculares no superponibles reciben elnombre de enantiómeros.

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Enantiómeros

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Enantiómeros

Los enantiómeros tienen las mismas propiedadesfísicas (p.f., p.eb.), excepto en el sentido hacia el quehacen girar el plano de luz polarizada.

Los enantiómeros hacen girar el plano de luzpolarizada la misma cantidad de grados (igualmagnitud), pero en sentido contrario.magnitud), pero en sentido contrario. (R)-2-bromobutano (S)-2-bromobutano

Punto de ebullición [ºC] 91,2 91,2

Punto de fusión [ºC] -112 -112

Índice de refracción 1,436 1,436

Densidad 1,253 1,253

[α] +23,1 -23,1


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Actividad óptica

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Dextrógiro: del latín dexter, “derecho”Levógiro: del latín laevus, “izquierdo”


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Actividad óptica

Ácido D-(-)-láctico Ácido L-(+)-láctico


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Rotación específica

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[α] = α (observada)l . c


Luz natural

Luz polarizada


Polarímetro

Un polarímetro mide la rotación de la luzpolarizada.


Diagrama esquemático de un polarímetro


Configuración absoluta y relativa

El arreglo tridimensional exacto de lossustituyentes en un centro de quiralidad es laconfiguración absoluta. Ni el signo ni la magnitudde la rotación por si solos pueden indicar laconfiguración absoluta de una sustancia.configuración absoluta de una sustancia.

CH3

CH3CH2C

OH

H

CH3

CCH2CH3HO

H


Configuración absoluta y relativa

Aunque no se conocía ninguna configuraciónabsoluta hasta mediados del siglo XX, los químicosorgánicos habían determinado en formaexperimental las configuraciones de miles deexperimental las configuraciones de miles decompuestos relacionados entre sí medianteinterconversiones químicas, es decir, determinaronconfiguraciones relativas.


Nomenclatura R,S

La Nomenclatura R,S se utiliza paradeterminar la configuración absoluta delos carbonos quirales.los carbonos quirales.

Para determinar si una molécula es R ó Sse procede de la siguiente manera:


1. Se observan los átomos que están directamenteunidos a cada carbono quiral y se establece un ordende prioridad siguiendo las reglas de Cahn, Ingold yPrelog (reglas CIP).

Nomenclatura R,S

F

CH Cl

Br 1

2

3

4


2. Una vez determinadas las prioridades, se dispone lamolécula de manera que el sustituyente de menorprioridad se encuentre lo más alejado posible delobservador.

Nomenclatura R,S

F

H ClBr 1

2

3

4

F

BrCl12

3


3. Si al recorrer con la vista los sustituyentes se lo hacesiguiendo el sentido de las agujas del reloj la configuraciónes R, si es en sentido contrario a las agujas de reloj laconfiguración es S.

3 3

Nomenclatura R,S

R S

Sentido horario

R: Del latín rectus, “derecha”.S: Del latín sinister, “izquierda”

Sentido antihorario

F

BrCl12

3F

Br Cl1 2

3


Reglas de Cahn, Ingold y Prelog

1. De los átomos unidos directamente al carbonoquiral tiene prioridad el de mayor número atómico(Z).Así por ejemplo:

I > Br > Cl > S > P > Si > F > O > N > C > H

En caso de isótopos tiene prioridad el de mayormasa atómica.

3H > 2H > 1H



Ejemplo:

CH33

Cl1

CH I

Br 2

14 F H

CH332

4



2. Si hay átomos iguales unidos directamente alcarbono quiral se consideran los átomossiguientes hasta que se encuentre una diferencia.

HO H

*2

C CH3

CH3

H

C CH2

H

H

CH3>1

3

4

(S)-2-metil-3-hexanol Este carbono tiene unido 2 C (mayor Z)

y 1 H

Este carbono tiene unido 1

C y 2 H



3. Se considera que los átomos unidos conenlaces múltiples son equivalentes al mismonúmero de átomos unidos con enlaces sencillos.

C CH

H

C

C

H

CH2 CH equivale a

C C H equivale a�� C C

C

C

H

C

C



Como si estuvieraunido a O, O, H

Como si estuvieraunido a C, C

equivale aC O

H

��C O

O

H

C

unido a O, O, H unido a C, C

2

1

3

4 CH3

CNHO

S

1 2

3H

CNCH3

HO


Ejemplos

CBr

H

COOH

CH3

ácido (S)-2-bromopropanoico

C

Br

H COOHH3C

ácido (R)-2-bromopropanoico

21

3

4 3

1

24

21

3

4 2

1

3

4CCH��

OH

COOH

Ácido (2S,3E)-2-metil-2-hidro- xi-3-pentenoico

C CHO

CH3

H2N

H

(R)-2-aminopropanal


Configuración y rotación

En el laboratorio se puede medir una rotación y versi una sustancia es (+) o (-). En el papel, se puededeterminar si a una representación determinada senombra como (R) o (S). No se puede predecir sinombra como (R) o (S). No se puede predecir siuna estructura que llamamos (R) será dextrógira olevógira. De la misma manera no se puede predecirsi una sustancia dextrógira en un matraz tendráconfiguración (R) o (S).


� Si una molécula tiene un único carbonoquiral, sólo puede existir un par deenantiómeros.

� En general, una molécula con n carbonos

Número de estereoisómeros

� En general, una molécula con n carbonosquirales tiene un número máximo de 2n

estereoisómeros posibles, donde n es elnúmero de carbonos quirales.


OHH3CH

HO CH3H

Compuestos con más de un centro quiral

El 3-bromo-2-butanol tiene 2 carbonos quirales porlo que el número máximo de estereoisómeros es 4(22 = 4).

C

C

OHH3C

H3C BrH

C

C

HO CH3

CH3BrH

S

R S

R

Los enantiómeros tienen configuraciones contrariasen todos los centros quirales.

enantiómeros

(2S,3R)-3-bromo-2-butanol

(2R,3S)-3-bromo-2-butanol


HO CHH

OHH CH

Para dibujar los otros estereoisómeros se deja igualun centro quiral y se modifica el otro.

Compuestos con más de un centro quiral

C

C

HO CH3

CH3H

H

Br

C

C

OHH3C

H3C H

H

Br

S R

S R

enantiómeros

(2S,3S)-3-bromo-2-butanol

(2R,3R)-3-bromo-2-butanol


C

C

HO CH3

CH3Br

H

H

C

C

OHH3C

H3C Br

H

H

Diastereómeros

S

R S

R

C

C

HO CH3

CH3H

H

Br

C

C

OHH3C

H3C H

H

Br

Flechas horizontales: enantiómerosFlechas verticales y oblicuas: diastereómeros

R

R

SS


Diastereómeros

Los estereoisómeros que no sonimágenes especulares se denominandiastereómeros.

Tienen propiedades físicas diferentes.

Tienen por lo menos un centro quiral conconfiguración diferente.


C

C

HO CH3

CHH

H

C

C

OHH3C

H C H

H

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SRS

R

CH3HHO

H3C HOH

��

(2S,3S)-2,3-butanodiol (2R,3R)-2,3-butanodiol


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Plano de simetría

S

R

Rotación de 180º en el plano del papel.

C

C

HO CH3

CH3HO

H

H

C

C

OHH3C

H3C OH

H

H

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3H

3H


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Se denominan compuestos meso aaquéllos que, a pesar de tenercarbonos quirales, son aquirales (nocarbonos quirales, son aquirales (notienen actividad óptica) porqueposeen un plano de simetría.


Emil Fischer propuso que los centros quirales del tipoC*abcd, se trazaran de manera que el C* quedara en elcentro del plano del papel, los dos sustituyentes a laizquierda o derecha de C* indicasen enlaces delante delplano del papel mediante una línea horizontal y losgrupos de arriba y abajo indicasen enlaces atrás delplano mediante una línea vertical.

Proyecciones de Fischer

Ácido D-láctico

plano mediante una línea vertical.

COOH

COHH3C

H

C OHH

COOH

CH3

OH

COOH

CH3

H


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= OH

CHO

H

CHO

COHHOH C

= HO

CHO

H

CHO

C

D-gliceraldehído L-gliceraldehído

CH2OHOHHOH2CH CH2OHHO CH2OH

H


Mezcla racémica

Se denomina mezcla racémica oracemato, a aquélla que contiene un parde enantiómeros en una proporción del50% de cada uno. Esta mezcla no tiene50% de cada uno. Esta mezcla no tieneactividad óptica.

Por ejemplo: El 2-butanol racémico sedenomina (��)-2-butanol o (d,l)-2-butanol.


Separación de enantiómeros

La separación de enantiómeros presentes enuna mezcla racémica se realiza mediante latécnica denominada resolución.

La resolución química consiste en laseparación de los enantiómeros mediante laconversión de la mezcla racémica en unamezcla de diastereómeros.


Separación de enantiómeros

Para ello, la mezcla de enantiómeros se hacereaccionar con un compuesto quiral querecibe el nombre de agente de resolución; losenantiómeros se tranforman entonces endiastereómeros, los cuales se puedendiastereómeros, los cuales se puedenseparar mediante destilación, cristalización ocromatografía porque tiene propiedadesfísicas diferentes. Una vez separados, seprocede a la eliminación del agente deresolución para obtener cada uno de losenantiómeros puros.


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Moléculas aquirales con carbonos quirales

COOH

OHH

OHH

COOH

OHH

HHO σσ

OHH

OHH

COOH

HHO

OHH

COOH

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Moléculas quirales sin carbono quiral

I

Br

I

Br

I

Br

I

Br

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CH3

H H

CH3 CH3

HH

CH3


Moléculas quirales sin carbono quiral

)��

C C C

H H

CCC

HH

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C C C

H3C CH3

CCC

CH3H3C

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H3C CH3 Br CH3HH3CH

Br

Br MezclaC C

H H

C C

HH3C

Br Br

C C

HCH3

Br2 +

cis-2-buteno (2S,3S)-2,3-dibromobutano (2R,3R)-2,3-dibromobutano

C C

H

H3C

CH3

H Br

C C

H

HCH3

H3CBr

Br2

trans-2-buteno (2S,3R)-2,3-dibromobutano

meso

Mezclaracémica


*�� !� �� !��#�� (��(��/��/��$��/�� 30�0��0&�� ,)�4 ��

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&�� ,)�43 ��

t-Bu

OH

Ht-Bu

H

OH

trans-4-t-butilciclohexanol 91%

cis-4-t-butilciclohexanol 9%

+

O

t-BuLiAlH4

4-t-butilciclohexanona


Las diferencias en la configuración yconformación de las moléculas tienenconsecuencias tanto del tipo estático como

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consecuencias tanto del tipo estático comode tipo dinámico en las propiedades detales compuestos.


Propiedades estáticas♣Propiedades físicas♣Propiedades espectroscópicas: Absorcionesen el UV, IR, RMN, dicroísmo circular.

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en el UV, IR, RMN, dicroísmo circular.♣Propiedades termodinámicas: diferencias enentalpía (∆∆∆∆Hº), entropía (∆∆∆∆Sº), energía libre(∆∆∆∆Gº), etc.


Propiedades dinámicas

♣ ReactividadPor ejemplo, es un requisito estereo-

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Por ejemplo, es un requisito estereo-electrónico en las reacciones deeliminación bimolecular que los grupos oátomos a eliminar estén orientados en unaconformación anti y no gauche o eclipsada.


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Br H

H3C Ph

-OHrápida

C C

H

Ph

Ph

CH3

+ HBr

Ph

H CH3

Ph

Br H

Br

HPh

H

Ph CH3

-OHlenta

C C

H

Ph

CH3

Ph

Zeritro

+ HBr

1-bromo-1,2-difenilpropano

Ph

H CH3

Ph

H Br

HPh Etreo

1-bromo-1,2-difenilpropano

Ph


Propiedades dinámicas

♣ Entre las consecuencias dinámicas de la estereoquímica en sistemas biológicos es

Consecuencias de la estereoquímica molecular

estereoquímica en sistemas biológicos es posible mencionar las relaciones enzima/sustrato enzimático, anticuerpo/antígeno y droga/receptor.


N

O

O

N

O

O

H

HN

O

O

N

O

O

H

H

(S) (R)

Enantiómeros de la Talidomida.


Enantiómeros de la Talidomida.


Los isómeros configuracionales de la carvona poseen diferente olor.


El (-)-monoglutamato de sodio es un agente químico que se usa para dar sabor a la carne, pero el isómero (+) no tiene sabor.(+) no tiene sabor.

O

(±±±±)-carvona

COOH

H2N H

CH2CH2COO-Na+

(-)-monoglutamato


$�� -��#�� (��(��


COOH

H OH

COOH

HHO

COOH

HO H

COOH

OHH

Ácido (+)-tartárico Ácido (-)-tartárico

Las sales de ácido tartárico fueron los primeros compuestosquirales aislados porque es una de las pocas especiesquímicas que cristaliza en forma de imágenes especularespara cada enantiómero. Este descubrimiento fue realizadopor Pasteur.�� Química Orgánica I, Instituto de Química Orgánica, Fac. de Bqca., Qca. y Fcia., UNT

2001: premio Nobel de Química

� W. Knowles y R. Noyori por el desarrollo decatalizadores para hidrogenaciones asimétricas

Importancia de la estereoquímica

catalizadores para hidrogenaciones asimétricas

� K. Sharpless por la oxidación asimétrica dealcoholes alílicos.


Bibliografía

� Carey, F. Química Orgánica. Ed. Mc Graw Hill. 6� ed.2006.

� Vollhardt, K., Schore, N. Química Orgánica. Ed.Omega, S.A. 3� ed. 2000.

� Wade, L.G. Jr Química Orgánica.Ed. Pearson, 5º Ed.� Wade, L.G. Jr Química Orgánica.Ed. Pearson, 5º Ed.2004.

� Juaristi, E. Introducción a la Estereoquímica y alAnálisis Conformacional. Ed. Colegio Nacional. 1º Ed.2007.

�Juaristi, E.; Eliel, E.; Lehmann, P. y Domínguez, X.Tópicos Modernos de Estereoquímica. Ed. Limusa. 1ºEd. 1983.


http://qcaorganicayalgomas.blogspot.com/


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