Versin original: DR. CARLOS A. RIUS ALONSO

UNIDAD DE APRENDIZAJE 06

Objetivo terminal del curso:

Desarrollar las competencias argumentativas, interpretativas y propositivas.

Objetivos de la Unidad:

Revisin de conceptos previos, sobre la isomera y las frmulas tridimensionales.

Dominio conceptual sobre los aspectos estructurales que derivan de la disposicin espacial de las molculas, de las reacciones qumicas implicadas, tanto en la creacin y eliminacin de estereocentros.

Ismeros

Ismeros constitucionales

Estereoismeros

Ismeros conformacionales

Ismeros configuracionales

Diastereoismeros

Enantiomeros

Ismeros Cis-Trans

Diastereoismeros con centros Estereognicos

*

ESTRUCTURALES

ESTEREOISMEROS

ISMEROS

CONFORMACIONALES

CONFIGURACIONALES

Diasteremeros

Enantimeros

OTRA VISIN GLOBAL DEL PROBLEMA

ISMEROS ESTRUCTURALES

DE CADENA

Butano

Metilpropano

Propan-1-ol

Propan-2-ol

DE POSICIN

DE FUNCIN

Propan-1-ol

Metoxietano

Quiralidad

Todo objeto cuya imagen especular no sea superponible al objeto se dice que es un objeto quiral por ejemplo:

Un guante derecho es el espejo se ve como si fuese izquierdo. Un automvil en el espejo se ve con el timn invertido.Un tornillo de rosca derecha se ve en el espejo como rosca izquierda.

Espejo para comprobar la quiralidad

Utilice un espejo para comprobar la quiralidad. Un objeto es quiral si su imagen especular es diferente de la del objeto original.Las imgenes en un espejo de objetos quirales no se pueden superponer, por lo que todos los tomos coinciden con el tomo equivalente de la otra molcula.

*

Espejo para comprobar la quiralidad

*

Quiralidad:

Es una propiedad segn la cual un objeto (no necesariamente una molcula) no es superponible con su imagen especular. Cuando un objeto es quiral se dice que l y su imagen especular son enantimeros

La condicin suficiente y necesaria para que se de la enantiomera es la asimetria o disimetra (presencia solo de ejes propios de simetria) del objeto.

Molculas no quirales

Un tomo de carbono quiral tiene cuatro sustituyentes diferentes. Los tomos de carbono presentan dos o ms sustituyentes iguales, no son quirales, porque las imgenes en un espejo se pueden superponer.

Ambas molculas representan la misma molcula

*

Plano de simetra

Un tomo de carbono con dos sustituyentes idnticos (slo tres sustituyentes diferentes) normalmente tiene un plano de simetra especular interno. La estructura no es quiral.Solamente los compuestos con tomos de carbono quirales tienen la posibilidad de ser quirales.

*

Plano de simetra

*

Planos de simetra especular

El cis-1,2-diclorociclopentano tiene un plano de simetra especular. Cualquier compuesto con un plano de simetra especular interno no puede ser quiral.

*

Planos de simetra especular

Los planos de simetra pueden atravesar los tomos dividindolos en dos. Los ciclos cis, tales como 1,2-diclorociclopentano, tienen un plano de simetra especular interno, por lo que no son quirales.trans-1,2-diclorociclopentano no tiene plano de simetra especular. Los tomos de cloro no se reflejan uno en otro a travs de un hipottico plano especular.

*

Los compuestos cclicos disustituidos, tales como:

trans-1,2 dicloropentano son quirales.

No tienen un plano de simetra especular interna.

*

6.cdx7.cdx

Enantimeros

Enantimeros de un tomo de carbono asimtrico. Las dos imgenes especulares no son superponibles.Las relaciones objeto-imagen especular no superponibles se denominan quiralidad y a los estereoisomeros que tienen esta relacin se les denomina enantiomeros.

*

Enantimeros

*

Enantimeros de la adrenalina

En el ejemplo, la hormona adrenalina posee dos enantimeros, pero slo la forma levgira (R) es secretada por la mdula adrenal.

*

8.cdx9.cdx

Cuando se administra R-adrenalina a un paciente, sta tiene el mismo efecto estimulante que la adrenalina natural. Sin embargo la forma S carece de efecto y es hasta ligeramente txica.

*

Imgenes especulares

Estas imgenes especulares son diferentes. Slo el enantimero de la izquierda puede ser metabolizado por un enzima; el de la derecha no es reconocido por el enzima como un aminocido til.

Alanina o cido 2-aminopropanoico, segn.

*

Imgenes especulares

Aunque incluso los enantimeros tengan la mayor parte de las mismas propiedades fsicas, la naturaleza puede diferenciar fcilmente entre los enantimeros. La naturaleza es estereoselectiva.

*

Las configuraciones

Configuracion ABSOLUTA (asignacin con reglas de Cahn Ingold Prelog)Configuracion RELATIVA

Asignar la configuracin ABSOLUTA de (R) y (S)

Regla 1 Asignar una prioridad a cada grupo enlazado al tomo de carbono quiral.La prioridad se asigna segn los nmeros atmicos de los tomos enlazados, a mayor nmero atmico mayor prioridad.

*

Asignar la configuracin ABSOLUTA de (R) y (S)

Regla 2 Dadas las prioridades se coloca hacia atrs al grupo de menor prioridad y se recorre los tres grupos restantes de primera prioridad a 2 y 3 ..Si el recorrido sigue el sentido horario se conoce como (R) (del latn, rectus, a la derecha).Si el recorrido sigue el sentido antihorario se conoce como (S) (del latn, sinister, izquierda).

*

Para el bromoclorofluormetano hay dos ismeros

Br > Cl > F > H

En general:

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

Extensin a la Regla 1

Si hubiese dos o ms tomos iguales en prioridad, unidos al tomo asimtrico, se sigue la asignacin de prioridades tomando en cuenta los siguientes tomos enlazados. As:

Extensin a la Regla 1

De existir enlaces mltiples (doble y/o triple) se cuenta como doble o triple presencia de enlace.

Representacin de las proyecciones de Fischer

*

Representacin de las proyecciones de Fischer

La proyeccin de Fischer utiliza un par de lneas perpendiculares para representar un tomo de carbono asimtrico. Las lneas horizontales se proyectan hacia el observador y las lneas verticales se alejan del observador. Las proyecciones de Fisher tienen en cuenta la determinacin de la configuracin absoluta sin tener que girar la molcula.

*

Configuracin relativa

La configuracin relativa compara la configuracin de un producto con la de otro (es una relacin determinada experimentalmente), aun cuando no se conozca la configuracin absoluta de ellas.

Configuracin relativa

retencin

inversin

15.cdx16.cdx

Molecula quirales sin centro quiral

Propiedades de los enantimeros

Enantimeros del cido lctico Nombrecido (+)-lctico cido (-)-lctico Punto de fusin 26oC26oCDensidad (25o) 1,2481,248Solubilidad en agua Solubilidad en alcohol pKa3,863,86[a]D25+3,8-3,8

Diasteremeros

Son estereoismeros que no son superponible ni son imagen especular entre s .Los disteremeros tienen distintas propiedades fsicas:

Puntos de ebullicin, fusin solubilidad, ndice de refraccin, rotacin especfica, etc.

Diasteremeros

Formas diastereomricas

Cada miembro de un par de enantimeros es un diasteremero de cada uno de los miembros del otro par. Los diasteremeros se encuentran en molculas con dos o ms tomos de carbono quirales. Existen dos pares de enantimeros (imgenes especulares).

Diasteremeros

Isomera cis-trans en anillos

La isomera cis-trans tambin es posible cuando hay un anillo disustituido. El cis- y el trans-1,2-dimetilciclopentano son ismeros geomtricos y tambin diasteremeros. El diasteremero trans tiene un enantimero, pero el diasteremero cis tiene un plano especular interno de simetra, por lo que es aquiral.Normalmente los anillos trans-1,2 disustituidos son quirales y por tanto, tienen una imagen especular. Los anillos cis disustituidos contienen un plano de simetra interno que hace que las imgenes especulares se superpongan dejando el estereoismero cis aquiral.

Isomera cis-trans en anillos

Compuestos meso

El 2,3-dibromobutano es un ejemplo de un compuesto que tiene menos de 2n estereoismeros.Tiene dos carbonos asimtricos, C2 y C3, por lo que la regla 2n predice un mximo de cuatro estereoismeros.

MESO

ACTIVIDAD PTICA

La luz que no est polarizada est formada por ondas que vibran en todas direcciones. Cuando se utiliza un polarizador, solamente las ondas que vibran en una direccin que el eje del filtro pueden pasar a travs de l. La luz plano polarizada solamente vibra en una direccin.

*

ACTIVIDAD PTICA

*

Con el fin de poder comparar la magnitud de la actividad ptica de diferentes sustancias, se define el trmino de rotacin especfica ([a]).Rotacin especfica ([a]) que corresponde al ngulo, expresado en grados, que se desva el plano de la luz polarizada cuando un haz de sta atraviesa 1 dm de una disolucin de muestra cuya concentracin es de 1 g/mL, a determinada t(oC).

Diagrama esquemtico de un polarmetro

La luz se origina en una fuente (generalmente una lmpara de sodio), y pasa a travs de un polarizador y la celda de muestra. El filtro analizador es otro polarizador equipado con un transportador angular; se gira hasta que se observa la mxima cantidad de luz y la rotacin se lee en el transportador.

*

Diagrama esquemtico de un polarmetro

La luz polarizada pasa por la celda de muestra que contiene una solucin del compuesto que se est analizando. Solamente los compuestos quirales tienen una actividad ptica y pueden girar el plano de la luz polarizada.La luz que deja la celda de muestra pasa a continuacin a travs de un segundo filtro polarizador que se puede girar hasta que se observe que la luz determina la magnitud y la direccin de la rotacin ptica.

*

Actividad ptica

Las sustancias quirales segn el giro de la luz polarizada se clasifican en:

Dextrorrotatorios: si el giro del plano de luz polarizado es horario (+).Levorrotatorio: si el giro del plano de luz polarizada es antihorario (-).

Actividad ptica

(+)-cido lctico (-)-cido lctico (+)-2-butanol (-)-2-butanol (+)-2-metil-1-butanol (-)-2-metil-1-butanol (+) glucosa metabolismo animal (fermenta)

(-)glucosa no es metabolizable (no fermenta)

Actividad ptica

(+) cido tartrico consume el penicillum glaucum.

(-) cido tartrico no es consumido.

(-) adrenalina es hormona mucho ms efectiva que su ismero (+) adrenalina.(-)-efedrina: frmaco (descongestionante), la (+) no lo es e interfiere.

Rotacin especfica:

El ngulo de giro de la luz polarizada depende del nmero de molculas pticamente activas que encuentran a su paso es decir:

Concentracin de la sustancia.Longitud de celda.

ACTIVIDAD PTICA

Solucin de (+) 2-butanol, 6g de 40mL (0,15g/mL) en un polarmetro 200mm (2dm) se obtiene un giro de la luz 4,05

Actividad ptica de enantiomeros

(+)-cido lctico [ ] = + 3,8 (-)-cido lctico [ ] = - 3,8 (+)-2-butanol [ ] = + 13,5 (-)-2-butanol [ ] = - 13,5 (+)-2-metil-1-butanol [ ] = + 9,5 (-)-2-metil-1-butanol [ ] = - 9,5

Mezclas de sustancias pticamente activas

Si se mezclan dos sustancias pticamente activas A y B, el ngulo girado del plano de luz polarizada es adicin de lo que aporta cada sustancia. = A + B A = [A ] CA l B = [B ] CB l

Mezclas racmicas

Cuando una solucin contiene cantidades iguales de ambos enantimeros no mostrar una rotacin ptica.Esta mezcla 1:1 se denomina mezcla racmica o racemato.

*

Mezcla racmica

= d + ld = [d ] Cd ll = [l ] Cl l [d ] = - [l ] Cd = Cl = 0

pticamente inactiva

Algunas veces, a las mezclas racmicas se les llama racematos,

par (), o par (d,l).

Una mezcla racmica se simboliza escribiendo () o (d,l) antes del nombre del compuesto.

Ejemplo: 2-butanol racmico se simboliza ()-2-butanol

o (d,l)-2-butanol.

*

La pureza ptica:

Define la cantidad de enantimeros en exceso respecto a la cantidad de mezcla racmica sobre la cantidad total. Pureza ptica = (4/12)*100 = 33,33%

Composicin porcentual y

pureza ptica

% P.O.Composicin porcentual de la mezclaComposicin porcentual de la mezcla100 % (+)100 % (+)Es el enantimero (+) puro80 % (+)90 % (+) y 10 % (-)Mezcla parcialmente racmica con exceso del enatimero (+)50 % (+)75 % (+) y 25 % (-)Mezcla parcialmente racmica con exceso del enatimero (+)20% (-)60 % (-) y 40 % (+)Mezcla parcialmente racmica con exceso del enatimero (-)0 % (+)50 % (-) y 50 % (+)Es la mezcla racmica

Si a la mezcla de un par de enantimeros se le considera como un compuesto nico, se observara que la rotacin especifica de esa mezcla no correspondera a la rotacin especfica de un enantimero puro.El valor absoluto es menor, y se denomina rotacin especfica observada, siendo proporcional al porcentaje del enantimero que se encontrara en exceso.

Pureza ptica (%P.O.)

Donde: CA(-): concentracin del enantimero levgiro

CA(+): concentracin del enantimero dextrgiro

Pureza ptica (%P.O.)

Propiedades biolgicas

R-(-)-epinefrina es una hormona que segrega la molcula adrenol, la (+) carece del efecto y es ligeramente txica.La (-) carvona es la fragancia asociada al aceite de menta, la (+) carvona tiene aroma a la semilla de zanahoria (desagradable) (aceite de alcaravea).

Propiedades biolgicas

Propiedades biolgicas

Resolucion de mezcla racmica

Es la tcnica de separacin de parejas de enantiomeros.

Muchas reacciones forman mezclas racmicas de productos, especialmente cuando el materia inicial es aquiral y el producto es quiral

*

Resolucin enantiomrica.

El caso ms comn, es la mezcla racmica de bases o cidos, los cuales al reaccionar con un agente de resolucin, un enantimero puro de un cido o base respectivamente, se transforman en una mezcla de sales diastereomricas separables por recristalizacin.Los agentes de resolucin suelen ser productos naturales quirales.

Resolucin enantiomrica.

Los agentes de resolucin suelen ser productos naturales quirales, como los cidos: (+)-lctico, (+)-tartrico,

(-)-mlico y los alcaloides que tienen naturaleza bsica, tales como: (-)-brucina, la (-)-cinconina, (-)-quinina y otros.

La L-feniletilamina es un producto fcil de obtener por sntesis y de resolver en sus correspondiente enantimeros, los cuales, una vez separados, pueden ser utilizados para la resolucin de mezclas racmicas de cidos.

El caso general de resolucin de una mezcla racmica de propiedades bsicas es

Cromatografa quiral de enantimeros.

Los enantimeros del compuesto racmico forman complejos diastereomricos con la sustancia quiral del relleno de la columna. Uno de los enantimeros se enlaza con ms fuerza que el otro, por lo que se mueve ms lentamente a travs de la columna.La interaccin diferente entre los diasteremeros y el relleno de la columna es la base de la cromatografa quiral. Un diasteremero interactuar ms con el relleno de la columna, mientras que el otro diasteremero, que interacta menos, puede pasar a travs de la columna y salir de la columna primero.

Cromatografa quiral de enantimeros

Reconocimiento quiral

Reconocimiento molecular de la epinefrina por un enzima. Slo el enantimero levgiro encaja en el sitio activo del enzima.La naturaleza puede diferenciar fcilmente los enantimeros. Los sitios activos de los enzimas normalmente se disean para alojar solamente uno de los enantimeros con objeto de formar el complejo enzima-sustrato. El otro enantimero no encajar en el sitio activo del enzima, por lo que no mostrar actividad bioqumica.

*

*

Ismeros conformacionales y configuracionales

diferentes

37.cdx38.cdx39.cdx40.cdx41.cdx

Ismeros conformacionales y configuracionales

42.cdx43.cdx

El radical generado es plano y los lbulos son atacados con igual probabilidad por el bromo molecular, lo que produce 2-bromobutano racmico.

A) GENERACIN DE UN CENTRO QUIRAL

B) FORMACIN DE UN SEGUNDO CENTRO QUIRAL44.cdx45.cdx

C) REACCIONES CON RUPTURA DE ENLACES EN EL CENTRO QUIRAL

Una reaccin estereoqumica en la que se produce una sustitucin (ruptura de un enlace) en el centro quiral, pierde la quiralidad, en razn a que se forma una cara enantiotpica.

46.cdx

D) REACCIONES DE MOLCULAS QUIRALES SIN RUPTURA DE ENLACE DEL ESTEROCENTRO

47.cdx48.cdx

D1)

49.cdx50.cdx

D2)

La formacin de los productos II y IV corresponde a dos casos de reacciones en las que intervienen molculas quirales, sin generacin de ningn centro estereognico nuevo, ni ruptura de enlaces en el centro quiral existente. En ambos casos, la reaccin transcurre con retencin de la configuracin en el centro estereognico existente en el compuesto de partida:

Estereoquimica dinamica (reacciones)

D3) Bromacin del (S)-2-Clorobutano en C3

:

Bromacion del (S)-2-Clorobutano en C3

:

Importancia de la enantioselectividad en los medicamentos

"Durante su embarazo, a mi madre le recetaron talidomida contra los mareos matutinos. Mi madre tom talidomida dos veces, dos cucharaditas de t en total. La talidomida fue la causa de mis discapacidades congnitas, por las que he necesitado 32 operaciones en toda mi vida y he pasado unos ocho aos en el hospital antes de cumplir los 16, en una ciudad distinta a la que vivan mis padres".

Producin industrial del aminocido L-Dopa (til en el tratamiento del Parkinson) usando catalizadores quirales (Knowles)

*

H

F

Br

Cl

H

F

Br

Cl

Br

C

Cl

H

F

Br

C

Cl

H

F

Cl

F

H

Br

Cl

F

H

Br

OH

OH

C

CH

2

-NH

2

-CH

3

H

HO

+

R-Adrenalina

*

OH

HO

C

CH

3

-NH

2

-CH

2

H

HO

+

S-Adrenalina

*

C

H

3

C

H

COOH

N

H

2

N > C > H

Cl

C

Br

F

H

Cl

C

Br

F

H

-CHBr

2

> -CH

2

Cl > -C(CH

3

)

3

>

C

H

CH

2

F

C

H

3

> -CH(CH

3

)

2

> -CH

2

-CH

3

C

H

3

C

H

C

H

2

C

H

3

C

H

C

C

C

O

C

C

C

N

H

C

O

O

C

C

C

C

N

N

C

2

H

5

C

OCH

3

H

3

C

(H

3

C)

2

C

C

2

H

5

C

OCH

3

(H

3

C)

2

C

H

3

C

C

2

H

5

C

Cl

H

3

C

(H

3

C)

2

HC

C

2

H

5

C

(H

3

C)

2

HC

H

3

C

+H

O

CH

3

H

+

-

C

C

C

H

Cl

Cl

H

C

C

C

H

Cl

Cl

H

Br

I

Br

I

COOH

C

H

3

O

H

H

*

COOH

C

H

3

O

H

H

*

C

H

3

C

H

C

H

C

H

3

Br

Cl

C

H

3

C

H

C

H

C

H

2

C

H

3

Br

Cl

2-Bromo-3-clorobutano

3-Bromo-2-cloropentano

H

H

CH

3

Br

Cl

C

2

H

5

H

H

CH

3

Br

Cl

C

2

H

5

H

H

CH

3

C

2

H

5

Cl

Br

H

H

CH

3

C

2

H

5

Cl

Br

I

II

III

IV

Enantimeros: I-II; III-IV

Diasteremeros: I-III, IV y II-III, IV

COOH

COOH

H

OH

OH

H

COOH

COOH

H

OH

OH

H

(-)-cido tartrico

(+)-cido tartrico

COOH

COOH

H

H

OH

OH

COOH

COOH

H

H

OH

OH

meso

[

]

l

c

observado

a

a

=

[

]

(

)

(

)

o

5

,

13

2

15

,

0

05

,

4

+

=

+

=

a

+

+

+

+

+

+

+

+

P.O. =

C

A(+)

- C

A(-)

C

A(+)

+ C

A(-)

x 100 %

A(+)

+

+

+

+

+

+

+

+

P.O. =

x 100 %

[

a

]

ob.

[

a

]

puro (exceso)

a

obs.

[

a

]

ob.

=

l

x

C

total

C

A(+)

+

C

A(-)

C

total

=

N

H

2

O

H

N

H

2

H

O

O

amarga

dulce

Asparragina (aminocido)

N

H

2

O

H

N

H

2

H

O

O

Cl

O

H

O

H

H

Cl

O

H

O

H

H

1-cloro-2,3-propanodiol

veneno

frmaco

N

O

O

N

H

O

O

N

O

O

N

H

O

O

Talidomida

(R)-talidomida

(S)-talidomida

(antidepresivo)

(mutgeno)

H

H

linoneno

(+)-limoneno

(-)-limoneno

(naranjas)

(limones)

O

NHCH

3

H

F

3

C

fluoxetina: mezcla racmicaes antidepresiva

(S)- evita la migraa

(S)-fluoxetina

R

H

CH

3

HH

H

HH

H

CH

3

H

H

H

R

R

R

CH

3

H

CH

3

H

H

HH

H

H

H

H

H

S

S

CH

3

H

CH

3

H

H

HH

H

H

H

H

H

H

CH

3

HH

H

HH

CH

3

H

H

H

H

H

H

3

C

HH

H

HH

H

3

C

H

H

H

H

R

S

S

R

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

R

S

S

R

S

R

R

S

H

H

CH

3

-CH-CH

2

-CH

3

Cl

CH

3

-CH-CH-CH

3

Cl

Cl

2

LuzUV

Cl

C

C

Cl

H

3

C

H

H

CH

3

+

Cl--Cl

CC

Cl

H

3

C

H

H

CH

3

Cl

CC

Cl

H

3

C

H

H

CH

3

Cl

S

S

S

R

S

C

2

H

5

C

H

H

3

C

(H

3

C)

2

HC

Cl

2

LuzUV

C

2

H

5

C

Cl

H

3

C

(H

3

C)

2

HC

C

2

H

5

C

Cl

(H

3

C)

2

HC

H

3

C

+RR

S

CH

3

-CH-CH

2

-CH

3

Cl

CH

2

-CH-CH

2

-CH

3

Cl

Br

2

LuzUV

Br

C

2

H

5

C

H

H

3

C

Cl

Br

2

LuzUV

C

2

H

5

C

H

Br-H

2

C

Cl

O

C

H

H

3

C

C

2

H

5

I

C

H

H

H

_

Na

+

O

C

H

H

3

C

C

2

H

5

C

H

H

H