UNIVERSIDAD AUTÓNOMA METROPOLITANA

UNIDAD XOCHIMILCO

División de Ciencias Biológicas y de la Salud

Reactividad de Compuestos Orgánicos de Interés Farmacéutico(3360013)

Isomería y estereoquímica

M. en C. Israel VelázquezM. en C. Israel Velázquez MartínezMartínez

Isomería e introducción a la estereoquímicaIsomería e introducción a la estereoquímica

ContenidoI Representación tridimensional de las moléculas en un planoII IsómerosIII Importacia de la estereoquímicaIV Clasificación de los isómeros

• Isómeros estructurales• Estereoisómeros

V Isomería geométrica• Sistema de nomenclatura (E) y (Z)• Reglas secuenciales• Compuestos cíclicos

•ComposiciónIndica el número de átomos o la constitución global de la molécula = FórmulaMolecular

•ConstituciónIndica la secuencia y unión de los átomo (conectividad). = Estructura (nomenclaturaIUPAC)

•ConfiguraciónIndica la orientación de los átomos en el espacio , esta información la representamosen la Estereofórmula (Ejemplo: Fischer, Cuñas).

•ConformaciónIndica la orientación espacial temporal de los átomos de una molécula , debido afenómenos de rotación o a fenómenos de plegamiento : Fórmula conformacional(Ejemplo: Newman y silla)

Formas de describir a unaFormas de describir a una móléculamólécula

II Representación tridimensional de las moléculas en un planoRepresentación tridimensional de las moléculas en un plano

Metano 1,2-Dicloroetano

• Proyección de cuña

• Representación tridimensional(bolas y varillas)

• Proyección de caballete

Cl

Cl

Cl

Cl

II Representación tridimensional de las moléculas en un planoRepresentación tridimensional de las moléculas en un plano

• Proyección de Fischer

• Proyección de Newman

Fischer Fischer

Cl

HH

Cl

H H

Cl

HH

Cl

H H

Metano 1,2-Dicloroetano

Cl

ClH

HH

H---

Proyección de Haworth

II Representación tridimensional de las moléculas en un planoRepresentación tridimensional de las moléculas en un plano

Proyección de Fischer

D-glucosa(C6H12O6)

H

CHO

OH

HHO

OHH

OHH

CH2OH

O

OH

H

OHHOH

H

OHH

CH2OH

H

Representación tridimensional(bolas y varillas)

IsómerosIsómeros

IIII IsómerosIsómeros• Isómeros constitucionales: son compuestos diferentes que tienen la mismafórmula molecular. (difieren en el orden en el que se enlazan sus átomos).

•Estereoisómeros: tienen la misma secuencia de átomos enlazados covalentemente,pero con distinta orientación espacial.

Estructurales oconstitucionalesEstructurales o

constitucionalesEstereoisómerosEstereoisómeros

PosiciónPosición

CadenaCadena

FuncionalesFuncionales

TautómerosTautómeros

Geométricos(cis-trans)Geométricos(cis-trans)

EnantiómerosEnantiómeros

DiastereoisómerosDiastereoisómeros

Isómeros ConfiguracionalesIsómeros ConfiguracionalesIsómerosConformacionales

IsómerosConformacionales

ÓpticosÓpticos

EjemplosEjemplos dede IsómerosIsómeros estructuralesestructurales..( la diferencia puede verse en una representación plana).

• Isómeros de posición: los compuestos difieren únicamente en la posición del grupofuncional.

Pentanol pentan-2-ol pentan-3-olp.eb. 137.9 C p.eb. 118-119 C p.eb. 115.6 C

p.f. 44-45 C p.f. 113-114 CSol. 2 gr/L Sol. 16 gr/L.

2-nitrofenol 4-nitrofenol

•Las propiedades físicas y químicas son muy parecidas entre ellos, sin que lleguena ser idénticas.

OH

CH3

CH3

OH

CH3

CH3

CH3OH

OHNO2

OH

NO2

• Isómeros de cadena: los compuestos difieren únicamente en la posición de losátomos de carbono.

Hexano 2-metilpentano 3-metilpentano

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3CH3

• Isómeros funcionales: los compuestos tienen la misma fórmula molecular perodifieren en la conexión de los átomos. Tienen distintos grupos funcionales.

(3E)-4-aminobut-3-en-2-ol 3-iminobutan-1-ol 3-amino-2-metilpropanal

4-aminobutan-2-ona 2-metilpropanamida

CH3

NH2

OHCH3

NH

OH

NH2

OCH3

H

CH3

NH2

OCH3

OCH3

NH2

Tautomerismo ceto-enólico

Forma ceto Forma enólica

Tautomerismo imina-enamina

Tautomerismo nitroso-oxima

R2CH-CR=NR R2C=CR-NHR

R2CH-N=O R2C=N-OH

Nitroso Oxima

Imina Enamina

RR'

O

RR'

OH

• Tautómeros: isómeros que difieren en las posiciones relativas de sus átomos. Enla mayoría de los casos, los tautómeros son de energía similar y soninterconvertibles por movimiento apropiado de átomos.

IIIIII Importancia de la estereoquímicaImportancia de la estereoquímica

CO2H

C

CH2

H2N H

CH2

CO2- Na+

CO2H

C

CH2

H NH2

CH2

CO2- Na+

(-)-Monoglutamato de sodioSe usa para dar sabor a la carne. Elisómero (+) no tiene sabor.

N N

O

O O

HCH3

Ph Bu-n

N N

O

O O

CH3H

n-Bu Ph

(narcótico) (anticonvulsivo)

H2NOH

O

O

H2N H

NH2HO

O

O

NH2H

Asparagina

(amarga) (dulce)

Derivados del ácido barbitúrico

(-) (+)

IIIIII Importancia de la estereoquímicaImportancia de la estereoquímica

TalidomidaUn enantiómero reducía las nauseas de las embarazadas e inducía el sueño. El otro tenía

poder teratogénico (de producir las malformaciones en los niños por nacer).

ibuprofeno

(El isómero R es inactivo)

• Síntesis orgánica• Bioquímica• Farmacológica• En alimentos

NNHO

O

O

O NNHO

O

O

O

O

OH

CH3

CH3

CH3

H

1. Isómeros estructurales (isómeros constitucionales)

Son aquellos que difieren en el orden de unión de los átomos.• De cadena: difieren en el arreglo de la cadena de carbonos.• De posición: difieren en la posición del grupo funcional a lo largo de la cadena.• Funcionales: difieren en la naturaleza del grupo funcional presente.• Tautómeros: están en equilibrio rápido. En casi todos los casos, un protón se

desplaza de un átomo de la molécula a otro.

IVIV Clasificación de los isómerosClasificación de los isómeros

Fórmula molecular Isómeros estructurales

C4H10

C3H7Cl

C2H6O

CH3CH2CH2CH3 CH3 CH

CH3

CH3

CH3CH2CH2Cl CH3 CH3

CH3

Cl

CH3CH2OH CH3OCH3

Tipo

cadena

posición

funcionales

2. Estereoisómeros

• Son aquellos que muestran el mismo orden de unión de los átomos y difieren

solamente en el arreglo tridimensional de los átomos.

• A las estructuras tridimensionales diferentes se les llama configuraciones. Se

caracterizan porque no pueden convertirse una en la otra.

Clasificación 1.

• Isómeros geométricos (isómeros cis-trans).

• Isómeros ópticos (enantiómeros).

Clasificación 2.

• Enantiómeros: son imágenes especulares.

• Diastereoisómeros: no son imágenes especulares.

VV Isomería geométricaIsomería geométricaLos isómeros geométricos o isómeros cis-trans:• Difieren en que los grupos están del mismo lado o de lados opuestos en un lugar derigidez de la molécula (por ejemplo, un doble enlace).

• Resultan de la rotación impedida en torno a dobles enlaces y en ciclos.• Tienen propiedades físicas diferentes.• Se presentan en dos clases de compuestos: alquenos y compuestos cíclicos.• Para que se dé la isomería geométrica en los alquenos cada átomo de carbonounido por el enlace π debe tener dos grupos diferentes unidos a él.

Dos grupos del mismo lado del enlace πestán en cis (del latín, “en este lado”)

Dos grupos de lados opuestos del enlace πestán en trans (del latín, “al otro lado”)

Cis-1,2-dicloroeteno(p.eb. 60 °C)Isómero cis

Trans-1,2-dicloroeteno(p. eb. 48 °C)Isómero transLa palabra cis o trans

se adiciona al nombrede la molécula

Cl

H

Cl

H

H

Cl

Cl

H

CH3H

CH3 H

HH

CH3 CH3

Cis-but2-eno Trans-but2-eno

Isomería geométrica: compuestos cíclicosIsomería geométrica: compuestos cíclicos• Dos sustituyentes en un compuesto cíclico pueden estar del mismo lado del

anillo o del lado opuesto.Cuando dos grupos están en lados opuestos están en trans.Cuando dos grupos están del mismo lado están en cis.

trans-2-metil-ciclohexanol cis-2-metil-ciclohexanol

CH3

OH

CH3

OH

OH OH

Cis-ciclohexano-1,2-diol(1R,2S)-ciclohexano-1,2-diol

Cis-ciclohexano-1,2-diol

La IUPAC desaconseja el uso del término isomería geométrica cuándo puedeestablecerse la Configuración Absoluta de un carbono quiral.

OH OH

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

(1R,3S)-1,3-dimetilciclohexanoCis-1,3-dimetilciclohexano Cis-1,4-dimetilciclohexano Trans-1,4-dimetilciclohexano

Isomería geométrica: compuestos cíclicosIsomería geométrica: compuestos cíclicos

O

OH

CH3

H

H

O OH

CH3

H

H

Ácido oléicoácido (9Z)-octadec-9-enóico

p.f. 16 C

Ácido elaídicoácido (9E)-octadec-9-enóico

p.f. 43.7 C

• Los isómeros cis-trans difieren en sus propiedades físicas (puntos defusión, etc.) y en muchos aspectos de su reactividad química

• También es posible que los dos sustituyentes de un ciclo, sean extremos de unamisma cadena.

• Dos anillos de ciclohexano se pueden unir de modo cis o trans.

Cis-decalina

Trans-decalina

Cis

Trans

Isomería en sistemas de anillos fusionadosIsomería en sistemas de anillos fusionados

• En los esteroides pueden tener una fusión de los anillos A y B en posición cis otrans pero las otras fusiones de anillos (B-C) y (C-D) usualmente son trans.

Cis

Cis

Trans

Trans

Conformaciones de los EsteroidesConformaciones de los Esteroides

Isomería geométrica: sistema de nomenclatura (Isomería geométrica: sistema de nomenclatura (EE) y () y (ZZ))• No todos los isómeros geométricos pueden nombrarse con el sistema cis-trans.• El sistema (E) y (Z) se basa en la asignación de prioridades a los átomos o grupos

unidos a cada carbono del doble enlace.• Si los átomos o grupos de mayor prioridad están de lados opuestos el isómero es (E).• Si los átomos o grupos de mayor prioridad están del mismo lado el isómero es (Z).• La prioridad se basa en los números atómicos de los átomos unidos directamente a

los carbonos del doble enlace. El número atómico mayor, tiene prioridad sobre losmenores:

F Cl Br I9 17 35 53Número atómico:

Prioridad creciente

• Los isómeros geométricos frecuentemente se nombran, si es posible, con los prefijos cis ytrans; el sistema (E) y (Z) generalmente sólo se usa para los compuestos que no se puedendesignar con los prefijos cis y trans.

Cl

F

I

Br

F

Cl

I

Br(2Z)-1-Bromo-2-cloro-2-fluoro-1-yodoeteno

(2E)-1-Bromo-2-cloro-2-fluoro-1-yodoeteno

Z (del alemán zusammen) E (del alemán entgegen)

Isomería geométrica: reglas secuencialesIsomería geométrica: reglas secuenciales

Con el número atómico no siempre se puede determinar el orden de prioridades:

Para estos casos se han desarrollado un conjunto de Reglas secuenciales:

1. Si los átomos son diferentes tiene la prioridad el de mayor número atómico.

2. Si están presentes dos isótopos del mismo elemento, tiene prioridad el de masa

superior.

3. Si dos átomos son idénticos, se usa el número atómico de los átomos siguientes

hasta que se encuentre el primer punto de diferencia en la cadena.

CH3

CH2CH3

H

CH3

¿(E) o (Z)?

Isomería geométrica: reglas secuencialesIsomería geométrica: reglas secuenciales

Con el número atómico no siempre se puede determinar el orden de prioridades:

4. En las estructuras con átomos unidos por dobles o triples enlaces, cada átomo se

duplica, (por un doble enlace), o se triplica, (para los triples enlaces).

CH3

CH2CH3

H

CH3

¿(E) o (Z)?

-CH=CHR se considera como -CH-CHR| |C C C C

| |-C≡CR se considera como -C-C-R

| |C C

R R| |

-C=O se considera como -C-O|

O-C

•La isomería Endo-exo es un tipo especial de isomerismo encontrado encompuestos orgánicos con un sustituyente en un sistema bicíclico con cabeza depuente.

•El prefijo endo se utiliza para el isómero con el sustituyente situado lo más cercaposible al puente más grande. (“Cis” o “syn”).

•El refijo exo se utiliza cuándo el sustituyente se encuentra lo más lejos posible delpuente más grande (“Trans” o “anti”)

IsomeriaIsomeria EndoEndo--ExoExo

OH

H

H

OH

2-borenol

Exo Endo

IsomeriaIsomeria SinSin--antianti•Es una isomería similar a la isomería geométrica cis-trans, pero en vez de dobleenlace C=C, tenemos otros dobles enlaces diferentes, como C=N; N=N o N=S.

•Es típica de iminas, oximas, azocompuestos.

•Se denomina sin al isómero cuyos grupos de mayor prioridad están juntos,y anti en el caso en que dichos grupos de mayor prioridad están opuestos.

“sin” “anti”Oximas

IsomeriaIsomeria inin--outout

•La isómeros in-out también se presenta en el caso de anillos cuando una cadenaactúa como grupo sustituyente a ambos lados.

•Se da en sales de diaminas tricíclicas con el átomo de nitrógeno como cabeza depuente a ambos lados y cadenas largas actuando como puente. Cuándo k, l y mson mayores a 6, el enlace N-H puede estar dirigido hacia adentro (in) o haciaafuera (out) de la molécula; dando lugar a los 3 isómeros siguiente:

Análisis ConformacionalAnálisis Conformacional

ContenidoI Conformaciones de compuestos de cadena abierta

• Conformación

• Confórmeros o isómeros conformacionales

II Conformaciones de los compuestos cíclicos

• Tensión anular

• Plegado del ciclohexano y repulsiones hidrógeno-hidrógeno

III Confórmeros del ciclohexano

• Sustituyentes ecuatoriales y axiales

• Ciclohexanos disustituidos

II Conformaciones de compuestos de cadena abiertaConformaciones de compuestos de cadena abierta

ConformaciónSon los ordenamientos atómicos diferentes que pueden intercambiarsepor rotación en torno a enlaces simples.

Proyección de Newman

Proyección de cuña

Representacióntridimensional(bolas y varillas)

1,2-Dicloroetano

Cl

ClH

H

H H Cl

HH

H

HCl Cl

HH

H

ClH

Cl

H H

H

Cl

HHCl

HHH

Cl

ClCl

HHH

H

Confórmeros o isómeros conformacionales• Son las conformaciones diferentes que corresponden a mínimos deenergía.• Aunque una molécula puede adoptar cualquier número deconformaciones, algunas son más estables que otras. Estasconformaciones se llaman confórmeros, ue son tambiénestereoisómeros.

ángulo diedro (ángulo de torsión)Un ángulo diedro está definido por cuatro átomos sucesivos y los 3enlaces que los unen. Por convención se le pueden asignar valoresdesde 0 a 180 .

ángulo de enlaceEstá definido por 3 átomos sucesivos y los 2 enlaces que los unen.Su valor está determinado por la Geometría de la molécula y lahibridación de los átomos que lo conforman.

• Ángulo diedro : Es el ángulo creado por la intersección de dos planos.

Eclipsada alternada

Análisis Conformacional• Consiste en el estudio de todas las conformaciones posibles de una molécula, de loscambios de energía necesaria para pasar de un confórmero a otro y de la influencia deuna conformación en las propiedades de la molécula.• No todas las conformaciones de un compuesto son igualmente estables.Desestabilización de algunas de ellas debida a tensión torsional y estérica.

Tensión torsionalResulta de la repulsión entre los pares de electroneselnzalantes, que es mayor en los “confórmeros eclipsados”.

Tensión estérica•Se debe a las Fuerzas de Van der Waals repulsivas que sedan entre átomos que se ven forzados a acercarse más de loque permiten sus radios atómicos.

•Resulta del volumen de los átomos o grupos que se hallanpróximos. Cuanto mayor son los átomos o grupos, mayor es latensión estérica.

ConfórmerosConfórmeros o isómeroso isómeros conformacionalesconformacionales• Son las conformaciones diferentes que corresponden a mínimos de energía.• Aunque una molécula puede adoptar cualquier número de conformaciones,algunas son más estables que otras. Estas conformaciones se llaman confórmerosque son también estereoisómeros.

Confórmeros alternadosSon aquellos en la que los grupos unidos están lo más alejados posible unos de otros.

Confórmeros eclipsadosSon aquellos en la que los grupos están tan próximos como sea posible.

Conformaciones del etanoConformaciones del etano

Para el etano existen dos disposiciones posibles de sus átomos en el espacio,debido a la libre rotación que presenta el orbital molecular sigma.

En la proyección de Newman la rotación alrededor del enlace sencillo C-C produjodos conformaciones diferentes. En la conformación eclipsada todos los átomos dehidrógeno del primer carbono son paralelos a los átomos del hidrógeno en elsegundo carbono. La conformación alternada tiene los átomos de hidrógeno delprimer carbono a 60º desde los átomos de hidrógeno en el segundo carbono. Elángulo diedro de las conformaciones eclipsadas es de 0º, mientras que el ángulodiedro para las conformaciones alternadas es de 60º.

Conformaciones del etanoConformaciones del etano

Conformaciones del etanoConformaciones del etano

A- Conformación alternada: De menor energía, por lo tanto, la más estable.

B- Conformación eclipsada: El carbono 2 está girado 60° con respecto a la posición que tiene enA. Es la de mayor energía.

1

2

1

2 60°Vista a lo largo delos carbonos 1 y 2

Vista a lo largo delos carbonos 1 y 2

Análisis conformacional del etanoAnálisis conformacional del etano

• La conformación eclipsada del etano es aproximadamente 3 kcal/mol menosestable que el confórmero alternado, debido a pequeñas repulsiones entre loselectrones de enlace de los átomos de hidrógeno.• A temperatura ambiente las conformaciones del etano son interconvertibles. Sinembargo, se esperaría que un mayor porcentaje de moléculas estuvieran en laconformación alternada.

Conformaciones del propanoConformaciones del propano

•Cuando un enlace C-C del propano gira, la energía torsional varía más o menoscomo en el caso del etano, pero con 0,3 kcal/mol (1,2 kJ/mol) de energía torsionaladicional en la conformación eclipsada.•Al igual que con el etano, las conformaciones alternadas de propano tienen unaenergía más baja que las conformaciones eclipsadas. Puesto que el grupo metiloocupa más espacio que un átomo de hidrógeno, la tensión torsional será 0,3 kcal/molmás elevada para el propano que para el etano.

Análisis conformacional del propano.Análisis conformacional del propano.

Las rotaciones alrededor del enlace central del butano dan lugar a disposicionesmoleculares diferentes. Tres de esas conformaciones tienen nombres específicos.

Para el butano existen dos conformaciones alternadas diferentes: gauche y anti. Laconformación gauche tiene un ángulo diedro de 60º entre los grupos metilo,mientras que la conformación anti tiene un ángulo diedro de 180º entre los gruposmetilo. Hay una conformación distinta cuando el ángulo diedro entre los gruposmetilo es 0º, esta conformación se denomina totalmente eclipsada

Conformaciones del butanoConformaciones del butano

AnálisisAnálisis conformacionalconformacional del butanodel butano• Fijando la atención en el enlace C-C central, es una molécular similar al etano perocon un grupo metilo reemplazando dos hidrógenos en cada carbono.

• Puede existir en conformaciones eclipsadas y alternas (como el etano).• Los grupos metilo dan lugar a dos tipos de conformaciones alternadas que difierenen las posiciones relativas de dichos grupos:

Confórmeros anti (del griego anti, “contra”)Es la conformación alternada en la cual los grupos metilo están separados por lamáxima distancia.

Confórmeros gauche (del francés gauche, “torcido”)Es la conformación alternada en la cual los grupos metilo están más próximos.

Oblicuas = gauche

DiagramaDiagrama de energía de las conformaciones del butanode energía de las conformaciones del butanoEn la Figura se muestran las relaciones energéticas de la rotación completaalrededor del enlace carbono 2 – carbono 3.

Eclipsada 0 Alternada 60 Eclipsada 120 Alternada 180 Eclipsada 240 Alternada 300

I II III IV V VISinperiplanar sinclinal anticlinal antiperiplanar anticlinal sinclinal

Cisoide gauche eclipsada anti eclipsada gauche

•El prefijo anti se emplea cuando los enlaces de los grupos más voluminosos (eneste caso los dos grupos metilo) forman angulos superiores a 90°.•El prefijo sin se emplea cuando los enlaces de los grupos más voluminosos (eneste caso los dos grupos metilo) forman angulos inferiores a 90°.•La terminación periplanar se aplica cuando los dos grupos más voluminososestán en un mismo plano.•La terminación clinal se aplica cuando los dos grupos voluminosos están endistintos planos.

Conformación D = Conformación antiperiplanar (o alternada anti).Conformaciones B y F = Conformaciones sinclinales (o alternada gauche).Conformaciones C y E = Conformaciones anticlinales (o eclipsada gauche).Conformación A = Conformación sinperiplanar (o eclipsada anti).

La conformación totalmente eclipsada es aproximadamente 1,4 kcal (5,9 kJ) másalta en energía que las otras conformaciones eclipsadas, ya que los grupos metilode los extremos están tan próximos que sus nubes de electrones experimentan unafuerte repulsión. Esta clase de interferencia entre dos grupos voluminosos seconoce como tensión estérica o impedimiento estérico

Las otras conformaciones eclipsadas tienen una energía más baja que laconformación totalmente eclipsada, pero aun así son más inestables que lasconformaciones alternadas

•Podemos concluir que para cualquier alcano la conformación más estable seráaquella en la que todos los enlaces C-C estén dispuestos de forma alternada y en laque todos los sustituyentes más voluminosos guardan entre sí una disposición anti.

•Si la molécula tiene sustituyentes que no son grupos alquilo, al realizar su análisisconformacional habrá que considerar además otros tipos posibles de interaccionesde no enlace; pueden ser factores polares, formación de enlaces de hidrógeno, etc.

Energía correspondiente a interacciones enEnergía correspondiente a interacciones en confórmerosconfórmeros de alcanosde alcanos

Interacción causa Energía (kcal/mol)

H-H eclipsada tensión torsional 0.9H-Me eclipsada tensión torsional +algo de tensión estérica 1.35Me-Me gauche tensión estérica 0.9Me-Me eclipsada tensión torsional y estérica 3-5

IIII Conformaciones de compuestos cíclicosConformaciones de compuestos cíclicos

Ciclopropano ciclobutano ciclopentano ciclohexano

•En estereoquímica, la tensión angular se refiere auna conformación específica en una molécula, en la que existen ángulosde enlace que se desvían de los ángulos de enlace ideales requeridospara conseguir la máxima fuerza de enlace.

•Generalmente, la tensión angular afecta a moléculas cíclicas. La tensiónangular en moléculas cíclicas también es denominada tensión deBaeyer.

IIII Conformaciones de compuestos cíclicosConformaciones de compuestos cíclicos

Tensión anular• En 1885 Adolf von Baeyer propuso que todos los compuestos cíclicos,excepto el ciclopentano, presentarían “tensión” debido a que sus ángulosde enlace no se aproximan al ángulo tetrahédrico de 109.5°.

• Propuso que el ciclopentano debería ser el anillo más estable.

Calores de combustión medidos experimentalmente para un grupo deCalores de combustión medidos experimentalmente para un grupo decicloalcanoscicloalcanos..

Las moléculas de los cicloalcanos son más inestables que las de los alcanos líneales deigual número de átomos de carbono. Esa inestabilidad puede ser cuantificada conayuda de los calores de combustión y formación.

(CH2)nn Calculado Experimental Diferencia

(Tensión total) Tensión por CH2

3 -472.2 -499.8 27.6 9.24 -629.6 -655.9 26.3 6.65 -787.0 -793.5 6.5 1.36 -944.4 -944.5 0.1 0.07 -1101.8 -1108.2 6.4 0.98 -1259.2 -1269.2 10.0 1.39 -1416.6 -1429.5 12.9 1.4

10 -1574.0 -1586.0 14.0 1.411 -1731.4 -1742.4 11.0 1.112 -1888.8 -1891.2 2.4 0.214 -2203.6 -2203.6 0.0 0.0

•El ciclopropano, tiene el calor ce combustión por grupo metileno más alto, lo cualcoincide con la teoría de Baeyer de que su energía interna es elevada debido a latensión angular. El ciclobutano tiene menor tensión angular y el ciclopentano comoera de esperar aún tiene menos tensión angular.

•Sin embargo, al contrario de lo que predice la teoría de las tensiones de Baeyer,el ciclohexano tiene menos calor de combustión por grupo metileno que elciclopentano.

•Cada grupo metileno contribuye con un menor incremento a la energía interna delciclohexano que las unidades de metileno del ciclopentano.

•Si la distorsión angular fuese mayor en el ciclohexano que en el ciclopentano, sedebería de haber observado lo contrario.

•Además, los calores de combustión por metileno de los anillos superiores sontodos muy parecidos y similares a los del ciclohexano.

•Por tanto podemos concluir que los ángulos de enlace de los cicloalcanossuperiores no son muy diferentes de los ángulos de enlace de los alcanos decadena abierta. La teoría de las tensiones de Baeyer se contradice con el hechoexperimental.

ÁngulosÁngulos de enlace en losde enlace en los cicloalcanoscicloalcanos

CiclohexanoCiclohexano((másmás estableestable))

Ciclopropano

• El ciclopropano presenta tensión anular. Es el más reactivos de los alcanos.• Los orbitales sp3 de los carbonos no se pueden superponer completamente entresí debido a que los ángulos entre los carbonos geométricamente deben ser de60°.

Los ángulos de enlace se han comprimido hasta 60º, en lugar de 109,5º de losángulos de enlace correspondientes a la hibridación sp3 de los átomos decarbono. Esta severa tensión angular da lugar a un solapamiento no lineal de losorbitales sp3 y forma «enlaces torcidos

La compresión del ángulo del ciclopropano es 49,5º. La alta reactividad de losciclopropanos se debe al solapamiento no lineal de los orbitales sp3

La tensión angular y la tensión torsional en el ciclopropano hacen que el tamañode este anillo sea extremadamente reactivo.

La conformación del ciclobutano es tal que el anillo está ligeramente doblado.Esta deformación de la coplanaridad proporciona un relajamiento parcial deleclipsamiento de los enlaces, como se observa en la proyección de Newman.Compare esta estructura real con la hipotética estructura plana

Un compuesto cíclico con 4 o más átomos de carbono adopta conformacionesque no son planas para relajar la tensión del anillo. El ciclobutano adopta laconformación doblada para disminuir la tensión torsional causada al eclipsar losátomos de hidrógeno

Ciclobutano

Ciclobutano

• El ciclobutano es menos reactivo que el ciclopropano pero más reactivo que elciclopentano.

La conformación del ciclopentano está ligeramente doblada, como la forma deun sobre. Esta conformación plegada reduce el eclipsamiento de los gruposCH2 adyacentes

Ciclopentano

Ciclopentano• De acuerdo con Baeyer, el anillo de ciclopentano es estable y mucho menosreactivo que los anillos de tres y cuatro miembros.

Plegado de otros anillos y repulsiones hidrógeno-hidrógeno

• El ciclopentano está ligeramente plegado de manera que los átomos dehidrógeno están alternados.

• El ciclobutano también está plegado.

• El ciclopropano deber ser plano (geométricamente, tres puntos, tres átomos de

carbono) definen un plano. Los átomos de hidrógeno están eclipsados.

Ciclohexano

• El ciclohexano y los anillos más grandes se encuentran en conformaciones plegadasy no son particularmente reactivos.

• En la naturaleza, los anillos más comunes son los de cinco y seis átomos decarbono. Esto no se debe a la tensión anular sino que al aumentar el tamaño de lacadena disminuye la probabilidad de que sus extremos se encuentren para formarel anillo.

El ciclohexano es especial puesto que no tiene tensión de anillo. Probablementeesta es la causa de que sea una unidad muy abundante en sustancias naturales.¿Por qué?

Si el ciclohexano fuera plano, el anillo tendría unángulo interno de 120º, muy inadecuado para unhibridación sp3. Además, todos los hidrógenosestarían eclipsados

En realidad el ciclohexano no es plano sino queadopta una conformación denominada silla,donde los ángulos internos son próximos a losideales de la hibridación sp3. En estaconformación todos los hidrógenos estánalternados.

Plegado delPlegado del ciclohexanociclohexano y repulsionesy repulsiones hidrógenohidrógeno--hidrógenohidrógeno..

Ciclohexano

IIIIII ConfórmerosConfórmeros deldel ciclohexanociclohexano

Un anillo de ciclohexano está es un estado de continua flexión entre formas

diferentes. Sin embargo, la forma de silla es la más estable por tener a los

hidrógenos alternados.

La conformación másestable

La conformación de barca simétrica del ciclohexano, el eclipsamiento de los enlacesda lugar a tensión torsional. En la molécula representada, la barca se retuerce y seforma la barca torcida, una conformación con los enlaces menos eclipsados y conmenor interacción entre los dos hidrógenos mástil.

Conformaciones delConformaciones del ciclohexanociclohexano

A- Conformación silla: De menor energía, por lo tanto, la más estable.

B- Conformación bote: De mayor energía, menos estable.

Enlacesaxiales

Enlacesecuatoriales

AnálisisAnálisis conformacionalconformacional deldel ciclohexanociclohexano

Conformación de bote

Tensión en enlaces

Dos enlaces eclipsados

Dos hidrógenos conproblemas estéricos

Conformación de botetorcido

Pequeña tensión enenlaces

Dos enlacesparcialmente eclipsados

Dos hidrógenos conpequeños problemasestéricos

Conformación desilla

Sin tensión en enlaces

Sin enlaces eclipsados

Hidrógenos sinproblemas estéricos

Debido a la libertad de giro de los enlaces simples C-C el ciclohexano tieneotras conformaciones además de la de silla

Conformaciones delConformaciones del ciclohexanociclohexano

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

1º. Dibuje dos líneas paralelas inclinadas y ligeramentedesplazadas una respecto de la otra. Estos cuatro átomos decarbono del anillo ciclohexánico estarán ocupando el mismoplano.

2º. Coloque un átomo de carbono a la derecha y por encima delplano en el que están los otros cuatro átomos de carbono yconéctelo con los dos átomos de carbono vecinales:

3º. Coloque el sexto átomo de carbono a la izquierda y pordebajo del plano en el que están los cuatro átomos de carbonocentrales y conéctelo 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) delobservador y el enlace de la parte superior esta detrás ypor tanto más lejos del observador.

Enlaces axiales y ecuatoriales en elEnlaces axiales y ecuatoriales en el ciclohexanociclohexano..

•Una de las consecuencias de la conformación de silla del ciclohexano es que haydos 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 enposiciones axiales y seis en posiciones ecuatoriales.

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

•Cada cara del anillo ciclohexánico contiene tres hidrógenos en posicionesaxiales y tres en posiciones ecuatoriales, de manera que si en la cara superior delanillo los carbonos C1, C3 y C5 se colocan los hidrógenos en la posición axial; enlos carbonos C2, C4 y C6 se colocarán en la posición ecuatorial.

Sustituyentes ecuatoriales y axiales

Aunque el anillo de ciclohexano no es un plano, se puede considerar que loscarbonos (en la conformación de silla) forman aproximadamente un plano. Si seconsidera a la molécula de esta manera se pueden distinguir dos tipos de enlaces:• Enlaces ecuatoriales: son los que unen a los átomos que se encuentran en elplano, en un cinturón alrededor del “ecuador” del anillo.

• Enlaces axiales: son los que unen a los átomos que de encuentran paralelos aun eje perpendicular al plano.

• En la conformación de silla, cada carbono posee un enlace ecuatorial y otro axial.• En la interconversión entre los confórmeros, los hidrógenos axiales se conviertenen ecuatoriales, mientras que los ecuatoriales se convierten en axiales.

Los ciclohexanos 1,1-disustituidos no tienen isómeros configuracionales

• Su equilibrio conformacional será degenerado si R y R' son iguales.

• Si son diferentes, predominará la forma silla que tenga en axial el grupo demenor energía conformacional.

Conformaciones de losConformaciones de los ciclohexanosciclohexanos 1,11,1 disustituidosdisustituidos

Análisis conformacional delAnálisis conformacional del metilciclohexanometilciclohexano..

Interacciones axialInteracciones axial--axialaxial

• Cuando el metilo en el metilciclohexano está en posición axial, hay unainteracción entre este grupo y los hidrógenos axiales en el mismo lado del anillo:se repelen mutamente. A estas interacciones entre grupos axiales se les llamainteracciones axial-axial.

• Cuando el grupo metilo está en posición ecuatorial, las repulsiones son mínimas.• A temperatura ambiente, aproximadamente el 95% de las moléculas están en laconformación en donde el metilo es ecuatorial.

Fig 134 fessenden, al final

Proyección deProyección de NewmanNewman deldel metilciclohexanometilciclohexano: metilo axial.: metilo axial.Cuando el sustituyente metilo está en posición axial en C1, está en disposicióngauche respecto a C3.

El grupo metilo axial en C1 también adopta una relación gauche respecto a C5 delanillo.

En la proyección deNewman resulta más fácilobservar la interacciónestérica entre elsustituyente metilo y loshidrógenos y carbonos delanillo

Proyección deProyección de NewmanNewman deldel MetilciclohexanoMetilciclohexano: metilo ecuatorial.: metilo ecuatorial.

Vista a lo largo del enlace C1-C2 de la conformación en la cual el grupo metilo estáen posición ecuatorial. Observe que el grupo metilo es anti respecto a C3.

Un grupo metilo ecuatorial será anti respecto a C3. Esta conformación tiene unaenergía más baja y se prefiere sobre la conformación con el metilo en la posiciónaxial

InteracionesInteraciones deldel metilciclohexanometilciclohexano

Conformaciones con grupos extremadamente voluminosos.Conformaciones con grupos extremadamente voluminosos.

Algunos grupos son tan voluminosos que en posiciones axiales tienen muchoimpedimento estérico. Los ciclohexanos con sustituyentes ter-butilo muestran queposición axial tiene en gran medida impedimento estérico. Sin considerar al resto delos grupos, la conformación más estable la tiene un grupo ter-butilo en posiciónecuatorial. La siguiente figura muestra las grandes interacciones estéricas en unaconformación de silla con un grupo ter-butilo axial.

Los sustituyentes alquilo sobre los anillos de ciclohexano tenderán a serecuatoriales para evitar interacciones 1,3-diaxial. Los grupos como los ter-butilo sontan voluminosos que forzarán la conformación de silla cuando estén en la posiciónecuatorial, sin considerar al resto de los grupos.

Análisis conformacional delAnálisis conformacional del tt--butilciclohexanobutilciclohexanoLa diferencia de energía entre un confórmero axial y otro ecuatorial es mayor cuantomás voluminoso es el grupo sustituyente.

Se dice que el t-butilciclohexano está“congelado” o “anclado” en estaconformación

Aunque el anillo no está realmente congelado, la diferencia de energía (5.6 kcalmol)entre ambas conformaciones implica que sólo 1 en 10,000 moléculas tiene el grupot-butilo en posición axial en un momento dado.

Cambio de energía libre del equilibrio axial-ecuatorial para varios sustituyentes R

Conformaciones deConformaciones de ciclohexanosciclohexanos disustituidosdisustituidosCuando el ciclohexano tiene un sustituyente, las dos sillas en equilibrio dejan de estardegeneradas en energía. En general, la conformación con el sustituyente enecuatorial es más estable, como lo demuestran los siguientes datos experimentales.

R Gº(kcal/mol) R Gº(kcal/mol)H 0 F 0.25

CH3 1.75 Cl 0.52CH3CH2 1.75 Br 0.55

(CH3)2CH 2.20 I 0.46(CH3)3C >5 OH 0.94CO2H 1.41 CH3O 0.75

CO2CH3 1.29 NH2 1.40

¿Por qué el grupo metilo tiene una energía conformacional de 1.75¿Por qué el grupo metilo tiene una energía conformacional de 1.75 kcalkcal/mol?./mol?.

La interacción gauche entre dos metilostiene un costo energético de 0,9 Kcal/mol

En el metilciclohexano hay dos interacciones de este tipo

Por ello un grupo metilo en axial esmás inestable por un valor deaproximadamente 1.8 kcal/mol.

Los sustituyentes son menos estables en disposición axial debido a la interaccióncon los grupos metileno en posiciones 3 y 5. Dependiendo del tamaño delsustituyente la interacción será más o menos severa y el valor de la energíaconformacional será más o menos grande.

EnergíaEnergía yy equilibrioequilibrio

• La proporción relativa de los dos confórmeros dependerá de su diferencia de energíaE = RT ln K

• R es la constante de los gases [8.315 J/(K•mol)], T es la temperatura en Kelvin, y Kes la constante de equilibrio entre los dos confórmeros.

Isómero 1,2 trans

Isómero 1,2 cis

Conformaciones de losConformaciones de los ciclohexanosciclohexanos 1,21,2 disustituidosdisustituidos

Isómero 1,2 cis

Isómero 1,2 trans

Las dosconformaciones

son igual deestables

1,21,2--dimetilciclohexanodimetilciclohexano

Las dosconformacionesNO son igual de

estables

Más estable

CisCis 1,21,2--dimetilciclohexanodimetilciclohexano

TransTrans 1,21,2--dimetilciclohexanodimetilciclohexano

Isómero 1,3 trans

Isómero 1,3 cis

Conformaciones de losConformaciones de los ciclohexanosciclohexanos 1,31,3 disustituidosdisustituidos

Ciclohexanos disustituidosDos sustituyentes en un anillo de ciclohexano pueden ser cis o trans. Ambosisómeros geométricos pueden tener una variedad de conformaciones.

En un ciclohexano1,3-disustituido, elisómero cis es másestableque el isómero transdebido a que en cisambos sustituyentespueden serecuatoriales.

a,a e,e

e,a a,e

1,31,3 --dimetilciclohexanodimetilciclohexano

Isómero 1,3 cis

Isómero 1,3 trans

Isómero 1,4 trans

Isómero 1,4 cis

En cada caso el equilibrio conformacional estará desplazado hacia la forma sillaque menos sustituyentes tenga en axial y/o la que tenga el sustituyente de mayorenergía conformacional en disposición ecuatorial.

Conformaciones de losConformaciones de los ciclohexanosciclohexanos 1,41,4 disustituidosdisustituidos

ciscis--11--terter--butilbutil--44--bromociclohexanobromociclohexano

La conformación con el grupo ter-butilo en ecuatorial es prácticamente la única conformaciónque existe.

Compuesto Orientación -H° (kJ/mol)

•cis-1,2-dimetil ax-eq 5223trans-1,2-dimetil eq-eq 5217*

•cis-1,3-dimetil eq-eq 5212*trans-1,3-dimetil ax-eq 5219

•cis-1,4-dimetil ax-eq 5219trans-1,4-dimetil eq-eq 5212*

*más estable del par de estereoisómeros

CaloresCalores dede combustióncombustión dede dimetilciclohexanosdimetilciclohexanos isoméricosisoméricos

Conformación delConformación del ciscis--1,41,4--didi--terter--butilciclohexanobutilciclohexano

La conformación más estable del cis-1,4-di-ter-butilciclohexano es una barcaretorcida. Cualquiera de las posibles conformaciones de silla requiere que uno de losgrupos ter-butilo voluminosos ocupe una posición axial.

Puesto que los grupos ter-butilo son los más estables en las posicionesecuatoriales, cuando hay dos grupos ter-butilo éstos obligarán al ciclohexano ainterconvertirse en una conformación de barca retorcida.

Isómeros ópticosIsómeros ópticos

ContenidoI Isómeros ópticos

• Elementos de simetría• Moléculas simétricas, disimétricas y asimétricas• Carbono asimétrico y quiralidad• Nomenclatura R y S• Actividad óptica• Resolución de mezclas racémicas

Espejo para comprobar laEspejo para comprobar la quiralidadquiralidad

Utilice un espejo para comprobar la quiralidad. Un objeto es quiral si su imagenespecular es diferente de la del objeto original.

Las imágenes en un espejo de objetos quirales no se pueden superponer, por lo quetodos los átomos coinciden con el átomo equivalente de la otra molécula

•El tipo de estereoisomería más interesante es el que da lugar a la actividadóptica. A principios de siglo XIX Biot señaló que algunas sustancias orgánicas deorigen natural poseían la propiedad de girar el plano de la luz polarizada.

•Este fenómeno consiguió explicarse cuando los químicos comenzaron aconsiderar la disposición tridimensional de las moléculas en el espacio y laconfiguración tetraédrica del átomo de carbono.

•Las propiedades geométricas de un carbono con hibridación sp3 hacen que, enel caso de que esté unido a cuatro átomos o grupos de átomos diferentes, lamolécula no tenga plano de simetría y que existan dos maneras diferentes deordenar a los cuatro átomos o grupos de átomos.

•Estas dos ordenaciones o configuraciones generan dos formas isoméricasdenominadas Enantiómeros.

QuiralidadQuiralidad: noción de centro: noción de centro esteroquímicoesteroquímico..

EnantiómerosEnantiómeros

•Los enantiómeros son estereoisómeros que se relacionan entre sí poruna reflexión: son imágenes especulares entre sí, y no son superponibles.

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

•Todos los centros estereogénicos o estereocentros en un isómero tienen laconfiguración opuesta en el otro.

•Dos compuestos que son enantiómeros entre sí tienen las mismas propiedadesfísicas, a excepción de la dirección en que giran la luz polarizada. (mismamagnitud pero en sentidos opuestos).

•También tienen las mismas propiedades químicas, excepto el modo en queinteractúan con diferentes isómeros ópticos de otros compuestos.

•Por esta razón, los enantiómeros puros exhiben el fenómeno de la actividadóptica y pueden ser separados sólo con el uso de un agente quiral. En lanaturaleza, sólo está presente uno de los dos enantiómeros de la mayoría de loscompuestos biológicos quirales, tales como los aminoácidos (excepto la glicina,que es aquiral).

Quiralidad (del griego kéir: mano)

Enantiómeros de un átomo de carbono asimétrico. Las dos imágenes especularesno son superponibles.

Las relaciones objeto-imagen especular no superponibles se denominanenantiómeros o quirales.

EnantiómerosEnantiómeros

MoléculasMoléculas nono quiralesquirales

Un átomo de “carbono quiral” tiene cuatro sustituyentes diferentes. Los átomosde carbono presentan dos o más sustituyentes iguales, no son quirales, porquelas imágenes en un espejo se pueden superponer.

Ambas moléculas representan la misma molécula

PlanosPlanos dede simetríasimetría especularespecular..

El cis-1,2-diclorociclopentano tiene un plano de simetría especular. Cualquiercompuesto con un plano de simetría especular interno no puede ser quiral.

Un plano de simetría divide la molécula en dos imágenes especulares internas, porlo que todos los átomos se reflejan entre sí a través del plano especular interno.Los planos de simetría pueden atravesar los átomos dividiéndolos en dos. Losciclos cis, tales como 1,2-diclorociclopentano, tienen un plano de simetríaespecular interno, por lo que no son quirales.

Plano dePlano de simetríasimetría..

Un átomo de carbono con dos sustituyentes idénticos (sólo tres sustituyentesdiferentes) normalmente tiene un plano de simetría especular interno. La estructurano es quiral.

Solamente los compuestos con átomos de carbono quirales tienen la posibilidadde ser quirales.

Asignar la configuración absoluta de (Asignar la configuración absoluta de (RR) y () y (SS).).

• Se utiliza el Sistema de Cahn,Ingold y Prelog.• Utilizando una representación tridimensional o un modelo molecular, ponga el

grupo de prioridad 4(menor número atómico) en la parte de atrás y observe lamolécula a lo largo del enlace del carbono asimétrico hacia el grupo deprioridad 4.

• Dibuje una flecha desde el grupo de prioridad 1 (mayor número atómico),hacia la prioridad 2, sin atravesar la prioridad 3.

• Si la flecha va en el sentido de las agujas del reloj, el átomo de carbonoasimétrico se conoce como (R) (del latín, rectus, «a la derecha»); si la flechava en sentido contrario al de las agujas del reloj, el átomo de carbono quiral seconoce como (S) (del latín, sinister, «izquierda»).

• Puesto que la naturaleza puede diferenciar entre los enantiómeros, nosotrostenemos que ser capaces de distinguirlos también. Asignamos a cadaenantiómero una configuración absoluta basada en la estructuratridimensional del carbono asimétrico.

AsignaciónAsignación dede la configuración absoluta de (la configuración absoluta de (RR) y () y (SS))

Representación de las proyecciones de FischerRepresentación de las proyecciones de Fischer

En las proyecciones de Fischer cada carbono tetraédrico se representa como unacruz en la que, las líneas horizontales se dirigen hacia afuera del papel y lasverticales hacia adentro.

orientar

Construir proyecciónFischer

Asignar prioridadDeterminarconfiguración

Si el último grupo en prioridad está en la horizontal y la unión 1→ 2→ 3 va ensentido R la configuración del estereocentro es opuesta, o sea, S. porque el grupode menor prioridad está en la horizontal, y lo que se lee es en realidad la imagenespecular

Si el último grupo en prioridad está en la horizontal y la unión 1→ 2→ 3 va ensentido S la configuración del estereocentro es opuesta, o sea, R, . porque elgrupo de menor prioridad está en la horizontal, y lo que se lee es en realidad laimagen especular

Proyecciones de Fischer a tridimensionalProyecciones de Fischer a tridimensional

107

CHO

H

CH2OH

OH

CHOH

CH2OHHO

CHO

H

CH2OH

OH

CHO

HCH2OHHO

CHO

HCH2OHHO

Eje imaginario

Proyección de Fischer

(R)-Gliceraldehído

Proyección de cuñas

Hacia adelante del planoHacia atrás del plano En el plano

Movimientos en una proyección de FischerMovimientos en una proyección de Fischer

Se puede girar 180º sobre el plano y se tiene la misma estructura.

Si se gira 90º se tiene una estructura diferente.

108

OH

CHO

CH2OH

H

R

OH

CHO

CH2OH

H H

CH2OH

CHO

OH

R R R

H

CH2OH

CHO

OH

Rotación de 180° sobre el plano

OH

CHO

CH2OH

H OH

CHO

CH2OH

H CHO

H

OH

HOCH2 CHO

H

OH

HOCH2Giro de 90°

R SR R

El compuesto es el mismo,pero está mal representado

La representación de lossustituyentes horizontales yverticales en proyección deFischer es la siguiente:

Se puede fijar uno de los cuatro sustituyentes del centro quiral, y girar los otros tres,ya sea hacia la derecha o la izquierda sobre el plano y se sigue teniendo la mismaestructura.

109

OH

CHO

CH2OH

H

R R

CHO

CH2OH

OH

H OH

CH2OH

H

OHC

OH

CHO

CH2OH

H

R

H

CHO

OH

HOH2C OH

H

CHO

HOH2C

R

R R

CHO

CH2OH

OH

H

H

CHO

OH

HOH2C

R

R

Si se intercambian dos grupos se tiene el enantiómero.

¿Cuáles de las siguientes proyecciones de Fischer del gliceraldehido representan almismo enantiómero?

ACH2OH

H

CHO

HO

B

OH

H

CHO

HOCH2 CH2OH

H

CHO

HO

C D

CH2OH

OH

H CHO

OH

CHO

CH2OH

H

R

H

CHO

CH2OH

OH

S R S

OH

CH2OH

CHO

HOH

CHO

CH2OH

H

Convierta en representaciones tetraédricas las proyecciones de Fischer quesiguen, y asigne estereoquímica S o R a cada una

AZÚCARES D Y LAZÚCARES D Y LConfiguración Relativa

111

COOH

CH3

NH2 H

CHO

CH3

H OH

CH3

CH2CH3

H CHO(a) (b) (c)

CHO

CH2OH

H OH

D-(+)-Gliceraldehído

(R)-(+)-Gliceraldehído

CHO

CH2OH

OH H

L-(-)-Gliceraldehído

(S)-(-)-Gliceraldehído

CHO

CH2OH

H OH

OH H

H OH

H OH

CHO

CH2OH

HO H

H OH

HO H

HO H

D-Glucosa L-Glucosa

Asigne la configuración R o S a cada uno de los átomos de carbono quirales delos siguientes azúcares, y diga si cada uno es un azúcar D o L

La (+)-arabinosa, una aldopentosa ampliamente distribuida en las plantas, puedenombrarse sistemáticamente como:

(2R,3S,4S)-2,3,4,5-tetrahidroxipentanal.Trace una proyección de Fischer de la (+)-arabinosa e identifíquela como unazúcar D o L.

CHO

CH2OH

OH H

OH H

CHO

CH2OH

H OH

OH H

H OH

CH2OH

H OH

OH H

O

CH2OH

COOH

CH3

H OH

CH2OH

OH H

H OH

O

CH3

(a) (b) (c) (d) (e)

Configuración Relativa de las AldosasConfiguración Relativa de las Aldosas

113

CHO

CH2OHH OH

D-(+)-Gliceraldehído

CHO

CH2OH

H OH

H OH

CHO

CH2OH

OH H

H OH

D-(-)-Eritrosa D-(-)-Treosa

CHO

CH2OH

H OH

H OH

H OH

D-(-)-Ribosa

CHO

CH2OH

OH H

H OH

H OH

D-(-)-Arabinosa

CHO

CH2OH

H OH

OH H

H OH

D-(+)-Xilosa

CHO

CH2OH

OH H

OH H

H OH

D-(-)-Lixosa

CHO

CH2OH

H OHH OHH OHH OH

CHO

CH2OH

OH HH OHH OHH OH

CHO

CH2OH

H OHOH HH OHH OH

CHO

CH2OH

OH HOH HH OHH OH

CHO

CH2OH

H OHH OHOH HH OH

CHO

CH2OH

OH HH OHOH HH OH

CHO

CH2OH

H OHOH HOH HH OH

CHO

CH2OH

OH HOH HOH HH OH

D-(+)-Alosa D-(+)-Altrosa D-(+)-Glucosa D-(+)-Manosa D-(-)-Gulosa D-(-)-Idosa D-(+)-Galactosa D-(+)-Talosa

Aldotriosa

Aldotetrosas

Aldopentosas

Aldohexosas

Cuando la molécula tiene dos carbonos asimétricos (consecutivos), se deberepresentar bajo la conformación eclipsada, así no sea la preferida.

Proyecciones de Fischer en moléculas con dos centrosProyecciones de Fischer en moléculas con dos centros quiralesquirales

REGLA PRÁCTICA

Si en una proyección de Fischer se realiza un número par de permutaciones entrelos sustituyentes de un centro asimétrico, se obtiene la configuración original dedicho centro asimétrico. Si se realiza un número impar de permutaciones, se obtienela configuración invertida.

Una molécula con n estereocentros tiene un máximo de 2n estereoisómeros.

MoléculasMoléculas con más de un centrocon más de un centro quiralquiral

D-(+)-AlosaRRRRp.f. 148º

D-(+)-AltrosaSRRRp.f. 103º

D-(+)-GlucosaRSRRp.f. 154º

D-(+)-ManosaSSRR

p.f. 136º

D-(-)-GulosaRRSR

D-(-)-Idosa

SRSR

D-(+)-GalactosaRSSRp.f. 169º

D-(+)-TalosaSSSRp.f. 134º

Rotación óptica

La luz que no está polarizada está formada por ondas que vibran en cadadirección. Cuando se utiliza un polarizador, solamente las ondas que vibran en lamisma dirección que el eje del filtro pueden pasar a través de él. La luzplanopolarizada solamente vibra en una dirección.

Fenómenos Ondulatorios: POLARIZACIÓNFenómenos Ondulatorios: POLARIZACIÓNEs un fenómeno que sólo puede darse en ondas transversales y es característico

de las ondas electromagnéticas.

o que cambia continuamente de direccion luz no polarizada

Existen algunos cristales especiales que sólo dejan pasar a su través lasondas electromagnéticas polarizadas en una determinada dirección (filtropolarizador) por lo que tras pasar por ellos la luz se polariza (linealmente)

Se debe a que la perturbación en este caso son magnitudes vectoriales (camposE y B), que pueden tener una dirección de vibración fija….

Luz polarizada linealmenteLuz polarizada linealmente

La polarización consiste en que la dirección de vibración de los campos E y Bsigue una regla. Se habla así de luz polarizada:

oLinealmente (c)oCircularmente (a)oEliticamente….(b)

La luz natural (del sol, focos, lámparas…) no está polarizada

Se puede analizar el estado de polarización de la luz usando varios filtrospolarizadores.

Simulacion1

Diagrama esquemático de un polarímetro.Diagrama esquemático de un polarímetro.

La luz se origina en una fuente (generalmente una lámpara de sodio), y pasa através de un polarizador y la celda de muestra. El filtro analizador es otropolarizador equipado con un transportador angular; se gira hasta que se observala máxima cantidad de luz y la rotación se lee en el transportador.

La luz de una lámpara de sodio pasa a través de un filtro que selecciona la luzamarilla de emisión (la línea D). Esta luz polarizada pasa por la celda de muestraque contiene una solución del compuesto que se está analizando. Solamente loscompuestos quirales tienen una actividad óptica y pueden girar el plano de la luzpolarizada. La luz que deja la celda de muestra pasa a continuación a través de unsegundo filtro polarizador que se puede girar hasta que se observe que la luzdetermina la magnitud y la dirección de la rotación óptica.

LosLos enantiómerosenantiómeros y la actividad ópticay la actividad óptica

o Los enantiómeros presentan propiedades físicas idénticas, con la excepción de sucomportamiento frente a la luz polarizada.

o Un enantiómero gira el plano de la luz polarizada en el sentido de las agujas delreloj, es dextrógiro (+). El otro enantiómero provoca rotación en el sentido contrarioal de las agujas del reloj, es levógiro (-).

o Este fenómeno asociado a sustancias quirales se conoce como actividadóptica.

o Medida de la rotación de la luz: La rotación óptica se mide con unpolarímetro que consta de de una fuente de luz, un polarizador del que saleluz oscilando en un único plano, el recipiente que contiene el enantiómero yun analizador (otro filtro polarizador) que permite medir la rotación de la luz.

Con el fin de poder comparar la magnitud de la actividad óptica de diferentessustancias, se define el término de rotación específica ([α]) que corresponde alángulo, expresado en grados, que se desvía el plano de la luz polarizada cuandoun haz de ésta atraviesa 1 dm de una disolución cuya concentración es de 1 g/mL,a t(oC).

RotaciónRotación específicaespecífica [[]]

[] = α / cla = rotación observada

c = concentración en g/mLl = longitud del tubo en dm

Dextrorrotario: designa con la letra d o (+), desvía el plano de luzpolarizada a la derecha (sentido de las manecillas del reloj).

Levorrotatorio: designa con la letra l o (-), desvía el plano de la luzpolarizada a la izquierda (sentido opuesto a las manecillas del reloj)

Enantiómeros del ácido láctico

Nombre Ácido (+)-láctico Ácido (-)-láctico

Punto de fusión 26oC 26oC

Densidad (25o) 1,248 1,248

Solubilidad en agua

Solubilidad en alcohol

pKa 3,86 3,86

[]D25 +3,8 -3,8

COOH

CH3 OH

H*

COOH

CH3OH

H*

Propiedades de losPropiedades de los enantiómerosenantiómeros

RotaciónRotación específicaespecífica dede algunosalgunos compuestoscompuestos orgánicosorgánicos

Compuesto [] # centrosPenicilina V +233.0 3Sucrosa +66.5 10Camfor +44.3 2Colesterol -31.3 8Morfina -132.0 5

ReconocimientoReconocimientoquiralquiral

Reconocimiento molecular de la epinefrina por un enzima. Sólo el enantiómerolevógiro encaja en el sitio activo del enzima.

Reconocimiento quiralReconocimiento quiral

La naturaleza puede diferenciar fácilmente los enantiómeros. Los sitios activos de losenzimas normalmente se diseñan para alojar solamente uno de los enantiómeros conobjeto de formar el complejo enzima-sustrato. El otro enantiómero no encajará en elsitio activo del enzima, por lo que no mostrará actividad.

Mezclas racémicas.Mezclas racémicas.

Algunas veces, a las mezclas racémica se les llama racematos, par (±), o par (d,l).Una mezcla racémica se simboliza escribiendo (±) o (d,l) antes del nombre delcompuesto. Por ejemplo, el 2-butanol racémico se simboliza por (±)-2-butanol o«(d,l)-2-butanol».

Cuando una solución contiene cantidades iguales de ambos enantiómeros nomostrará una rotación óptica. Esta mezcla 1:1 se denomina mezcla racémica oracemato.

22--ButanolButanol racémicoracémico..

La hidrogenación de la 2-butanona forma el 2-butanol racémico. El hidrógeno seadiciona desde cualquier lado del doble enlace. La adición de H2 por un lado dalugar al producto (R), mientras que si se adiciona por el otro lado se obtiene elproducto (S).

Muchas reacciones forman mezclas racémicas de productos, especialmentecuando el materia inicial es aquiral y el producto es quiral

En aquellos casos en los que se tenga o se llegue a través de un proceso sintético auna mezcla de enantiomeros es necesario determinar la proporción de los mismos opureza enantiomérica

1.- Mediada de la rotación Optica

2.- Métodos cromatográficos

3.- Resonancia Magnética Nuclear

Métodos para la evaluaciónde la pureza enantiomérica

Pureza enantiomerica = Exceso enantiomérico (e.e.) = [%R - %S] o [%S - %R]

PUREZA OPTICA (OP) = (Rotación Experimetnal/ rotación Máxima) x 100%

Si se conoce el (αmax) y si el producto de partida es ópticamente puro

Si el producto de partida no es ópticamente puro

RENDIMIENTO OPTICO = (op DE PRODUCTOS / op DE REACTIVOS) X 100%)

Pureza óptica (%P.O.)Pureza óptica (%P.O.)

• La pureza óptica está relacionada con las mezclas parcialmente racémicas ydetermina qué porcentaje de uno de los enantiómeros está en exceso, en relacióncon la mezcla racémica.

• Para mezclas de pares de enantiómeros, de acuerdo con la composición, lamezcla puede o no tener actividad óptica. Así, por ejemplo, sea una mezcla de losenantiómeros (+)-A y (-)-A, con mayor proporción de (+)-A, la rotación ópticapuede expresarse:

αobs. = α obs. (+)-A + α obs. (-)-A

Como: [α(+)-A] = - [α(-)-A]

Por tanto: α obs.=[α(+)-A].l.c(+)-A + [α(-)-A]. l.c(-)-A

α obs. = [α(+)-A].(cA(+) - c(-)-A) . l

Si a la mezcla de un par de enantiómeros se le considera como un compuestoúnico, se observaría que la rotación especifica de esa mezcla no corresponderíaa la rotación específica de un enantiómero puro; sería en valor absoluto menor, yse le denomina rotación específica observada, siendo proporcional al porcentajedel enantiómero que se encontraría en exceso.

P.O. =C A(+) - C A(-)C A(+) + C A(-)

x 100 %A(+)

P.O. = x 100 %[ ]ob.

[ ]puro (exceso)

Donde: CA(-): concentración del enantiómero levógiroCA(+): concentración del enantiómero dextrógiro

obs.[]ob. = l x CtotalC A(+) + C A(-)Ctotal =

Pureza óptica (%P.O.)Pureza óptica (%P.O.)

% P.O. Composición porcentualde la mezcla

Composición porcentual dela mezcla

100 % (+) 100 % (+) Es el enantiómero (+) puro

80 % (+) 90 % (+) y 10 % (-) Mezcla parcialmente racémica conexceso del enatiómero (+)

50 % (+) 75 % (+) y 25 % (-) Mezcla parcialmente racémica conexceso del enatiómero (+)

20% (-) 60 % (-) y 40 % (+) Mezcla parcialmente racémica conexceso del enatiómero (-)

0 % (+) 100 % (-) Es el enantiómero (-) puro

ComposiciónComposición porcentual y pureza óptica.porcentual y pureza óptica.

ProblemasProblemas• Calcular la pureza óptica, exceso enantiomérico, y composición centesimal del

enantiómero (+), si una mezcla de enantiómeros presenta una rotación específica de+7,56º, siendo la rotación del enantiómero puro +24,73º.

• Una disolución acuosa conteniendo 10 g de fructosa ópticamente pura se diluyóhasta 500 mL con agua y se colocó en un tubo polarimétro de 20 cm de largo. Larotación óptica medida fue de -5.2º .

• Si esta disolución se mezcla con 500 mL de una disolución que contuviese 5 gramosde fructosa racémica. ¿Cuál sería la rotación específica de la mezcla resultante?¿cuál sería la pureza óptica?

• El colesterol cuando se aisla de fuentes naturales, es un único enantiómero. Larotación observada de 0,3 gramos de muestra de colesterol en 15 mL de cloroformoen un tubo de muestro de un polarímetro de 10 cm es -0,78º. Calcular la rotaciónespecífica del colesterol dextrógiro.

• Se preparó una muestra de colesterol sintético que tenía una rotación [a]D2o= -13º.Determine la composición centesimal y la P.O. del colesterol sintético.

FormasFormas diastereoméricasdiastereoméricas..

Cada miembro de un par de enantiómeros es un diastereómero de cada uno delos miembros del otro par.

Los diastereómeros se encuentran en moléculas con dos o más átomos de carbonoquirales. Existen dos pares de enantiómeros (imágenes especulares). La relaciónque existe entre los estereoisómeros que no son imágenes especulares es ladiastereomería, es decir, son diastereómeros entre ellos.

EstereoisómerosEstereoisómeros del 3del 3--bromobutanbromobutan--22--olol

Una forma meso es un compuesto que contiene dos o más estereocentros y essuperponible con su imagen especular.

Los compuesto meso contienen un plano de simetría que divide la molécula en dos,de tal forma que una mitad es la imagen especular de la otra

CompuestosCompuestos mesomeso..

CompuestosCompuestos mesomeso..

El 2,3-dibromobutano es un ejemplo de un compuesto que tiene menos de 2n

estereoisómeros, tiene dos carbonos asimétricos, C2 y C3, por lo que la regla 2n

predice un máximo de cuatro estereoisómeros. Las cuatro permutaciones de lasconfiguraciones (R) y (S) en C2 y C3 se representan a continuación. Construyamodelos moleculares de estas estructuras para compararlas.

¿Por qué en el caso del ácido tartárico (ácido 2,3-dihidroxibutanodioico), con dosestereocentros, sólo se producen tres estereoisómeros?

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

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

Enantiomeria en Compuestos con Restricción ConformacionalEnantiomeria en Compuestos con Restricción Conformacional

Este bifenilo tetrasustituido no puede transformarse en su conformación simétricaporque los átomos de yodo y de bromo son demasiado voluminosos. La moléculaestá «bloqueada» en una de las dos conformaciones alternadas quirales,enantioméricas

Algunas moléculas pueden ser quirales, aunque no tengan ningún átomo decarbono asimétrico. Estos compuestos normalmente son tan voluminosos que nopueden interconvertirse entre sus dos conformaciones de imagen especular. Lasmoléculas están «bloqueadas» en una de las dos conformaciones posibles queson imágenes especulares no superponibles y, por tanto, se las consideraenantiómeros.

Los isómeros configuracionales son aislables, ya que es necesaria una grancantidad de energía para interconvertirlos (energía necesaria para la ruptura deenlaces), mientras que los isómeros conformacionales generalmente no sonaislables, debido a la facilidad de interconversión aun a temperaturasrelativamente bajas. La rama de la estereoquímica que estudia los isómerosconformacionales que son aislables (la mayoría derivados del bifenilo) sellama atropisomería.

Ejemplo de atropisomería en el 6,6’-dinitro-2,2’-difenilbenzoico

AtropisomeríaAtropisomería

QuiralidadQuiralidad en losen los alenosalenosEl átomo de carbono 3 de este aleno es el que tiene hibridación sp. Los átomosde carbono 2 y 4 tienen hibridación sp2, pero sus planos son perpendicularesentre sí. Ninguno de los átomos de carbono va unido a cuatro átomos diferentes,por lo que no hay átomos de carbono asimétricos; sin embargo, el 2,3-pentadienoes quiral, según se puede comprobar con los modelos y con la siguienterepresentación de los enantiómeros.

El átomo de carbono central de un aleno tiene hibridación sp y es lineal, mientrasque los átomos de carbono de los extremos tienen hibridación sp2 y sontrigonales. Los alenos son quirales cuando cada uno de los átomos de carbonotienen al final dos sustituyentes diferentes.

alenosalenos

Aleno aquiral

C C C

H

CH=CHCH=CHCH2CO2HCCCCHH

Nocardia acidophilus []D = -130o

MicomicinaMicomicina

Los siguientes compuestos ¿seránLos siguientes compuestos ¿serán quiralesquirales??

¿Son¿Son quiralesquirales estosestos diolesdioles??

(aislar) Óptimamenteactivo

¿son¿son quiralesquirales estosestos diolesdioles??

También tienen 2centros quirales

No sonquirales

pero

Clasificación de las relaciones entre moléculasClasificación de las relaciones entre moléculas

¿Tienen la misma fórmula molecular?ó

¿Son iguales sus pesos molecularesy sus composiciones elementales?

SI NO No son isómeros

Son la mismamolécula

¿Son superponibles?

SI NO

Son isómeros Son isómerosestructurales

¿Difieren únicamente en el arreglode sus átomos en el espacio?

SI

Sonestereoisómeros

Son estereoisómerosconfiguracionales

Son estereoisómerosconformacionales

SI

¿Son aislables a temperaturaambiente o próxima a ella?

NOSI

¿Es uno de ellos superponible conla imagen en el espejo del otro?

NO

Son enantiómeros

Son quirales ¿Son superponibles con susrespectivas imágenes en el espejo?

SINO Son aquirales

Son diasteroisómeros

NO

Resolución de aminoácidosResolución de aminoácidos RR,, SS..

Mezcla deenantiómeros

de aminoácidos

Mezcla deenantiómeros

de aminoácidos

Mezcla de salesdiasteroméricas

Formación de salesFormación de sales diastereoisómericasdiastereoisómericas

FormaciónFormación diastereómerosdiastereómeros

1º.- Síntesis de diastereómeros

2º.- Separación diastereómeros

3º.- Eliminación del agente de resolución

Las enzimas catalizan selectivamente la hidrólisis de amidas formadas de

L-aminoácidos (S).

Mezcla deenantiómeros

de aminoácidos

Mezcla deenantiómeros

de aminoácidos

Aminoácido S Aminoácido R

Resolución enzimáticaResolución enzimática

ResoluciónResolución cromatográficacromatográfica

Los enantiómeros del compuestoracémico forman complejosdiastereoméricos con la sustanciaquiral del relleno de la columna. Unode los enantiómeros se enlaza conmás fuerza que el otro, por lo que semueve más lentamente a través de lacolumna.

La interacción diferente entre losdiastereómeros y el relleno de lacolumna es la base de la cromatografíaquiral. Un diastereómero interactuarámás con el relleno de la columna,mientras que el otro diastereómero,que interactúa menos, puede pasar através de la columna y salir de lacolumna primero.

Algunos ejemplos de Fasesestacionarias quirales

Las interacciones atractivas entre el substrato y la fase estacionaria quiral puedenser debidas a: puentes de Hidrógeno, interacciones electrostáticas, interacciones πaceptor-donor.