Estereoquimica

Luz Marina Jaramillo Ph. D. Depto. de Química

UNIVERSIDAD DEL VALLE VICERRECTORIA ACADÉMICA

DIRECCIÓN DE EDUCACIÓN DESESCOLARIZADA

CURSO DE

QUÍMICA ORGÁNICA GENERAL

AUTORA:

LUZ MARINA JARAMILLO PhD

Profesora Titular

Facultad de Ciencias - Departamento de Química

Santiago de Cali, 2002


ESTEREOQUÍMICA

INTRODUCCIÓN

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

4.1 ESTEREOISOMERÍA: CLASIFICACIÓN DE ESTÉREOI SOMEROS

4.1.1 Enantiomeros

4.1.2 Diastereómeros

4.1.3 Confórmeros

4.2 CONCEPTO DE QUIRALIDAD

4.3 REPRESENTACIÓN CONVENCIONAL DE ENANTIOMEROS CON

UNO Y DOS CENTROS QUIRALES

4.3.1 Proyecciones con Fórmulas de Bolas y Varillas

4.3.2 Proyecciones "Cuña" (o fórmulas bidimesionales)

4.3.3 Proyecciones Fisher

4.4 PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS ENANTIOMEROS: ACTIVIDAD

OPTICA

4.4.1 Luz Polarizada en un Plano

4.4.2 El Polarimetro

4.4.3 Rotación Específica

4.4.4 Descubrimiento de la Enantiomería

4.4.5 Mezcla Racémica

4.4.6 Pureza Optica

4.5 PROPIEDADES QUÍMICAS DE LOS ENANTIOMEROS


4.6 CONFIGURACIÓN

4.6.1 Especificación de la Configuración: Nomenclatura de

Enantiomeros

4.6.2 Sistema (R) , (S) para un Compuesto con Dos Átomos de Carbono

Quirales: Diastereómeros y Compuesto Meso

4.7 ESTEREOQUÍMICA DINÁMICA

4.7.1 Resolución de una Mezcla Racémica


INTRODUCCIÓN

La Química es sin duda una ciencia molecular-. Los fenómenos químicos observable?,

se explican convenientemente en términos de la estructura molecular del material que se

está transformando.

Aquella parte del estudio de la estructura molecular que se ocupa del arreglo especial de

los átomos o grupos en las moléculas, se conoce como Estereoquímica.

Uno de los aportes fundamentales desde el punto de vista histórico al estudio de la

Estereoquímica fue la sugerencia hecha independientemente por Le Bel (francés) y van't

Hoff (holandés) en 1874 de que las moléculas existen en forma tridimensional y que

el carbono en compuestos orgánicos adopta un arreolo tetrahedral. Esta suposición

fue entonces, el punto de partida para explicar ciertos fenómenos íntimamente

relacionados con la Enantiomería o estudio de las moléculas que tienen la propiedad de

rotar el plano de la luz polarizada, fenómeno físico observado inicialmente por Biot (1913).

Otra contribución importante fue también, el reconocimiento de Louis Pasteur (1848-1853)

de que la actividad óptica era causada por estructuras disimétricas o quirales y que

las moléculas capaces de rotar el plano de la luz polarizada a la derecha o izquierda

están relacionados entre si como lo está un objeto a su imagen especular.

El estudio de la estereoquímica permite comprender mejor ciertas sutilezas de la

estructura molecular donde ligeras diferencias en la configuración espacial (como seria

la diferencia que puede


existir entre nuestra mano derecha e izquierda) entre moléculas de un mismo

compuesto hace que se comporten químicamente, de forma tan diferente.

Las sustancias químicas de origen biológico que constituyen los alimentos ofrecen

infinidad de ejemplos donde la estructura molecular determina propiedades físicas tan

evidentes como el olor o el sabor y propiedades químicas que pueden resultar letales.

Asf por ejemplo existen dos glucosas y sólo una desempeña un papel de importancia

extrema en el metabolismo animal, la otra no es metabolizada por los animales (no

podemos sentirle sabor dulce) ni es fermentada por las levaduras. Existen también

dos adrenalinas (hormonas) pero una de ellas tiene actividad hormonal superior. De casi

todos los aminoácidos existentes se presentan dos formas espaciales

ligeramente diferentes pero sólo uno de ellos tiene importancia biológica. No

acabaríamos si continuáramos nombrando ejemplos. A través de esta Unidad se

pretende introducir los conceptos estereoquímicos fundamentales.

La unidad está diseñada para desarrollarla en 18 horas de estudio efectivo.


OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Al concluir el estudio de este material el estudiante estará en capacidad de:

1. Definir correctamente y ejemplificar los términos estereoisómeros, enantiómeros,

diastereómeros y confórmeros.

2. Describir en forma breve y clara los conceptos de quiralidad y enantiomerla.

3. Dada la fórmula estructural completa de un compuesto con uno o dos centros

quiral es representarla en el papel con proyecciones Fisher.

4. Describir el fenómeno de Actividad Optica.

5. Dada la rotación observada de una sustancia, su concentración en la solución y la

longitud del tubo polarimétrico calcular la rotación especifica de esa sustancia.

6. Enumerar las partes esenciales de un polarímetro.

7. Dada la fórmula estructural de un compuesto orgánico quiral, dibujar su par de

anantiómeros y designar su configuración con R/S.

8. Dada la fórmula estereoquímica (en cualquier proyección) de un aminoácido o

carbohidrato designarlo como D o L.

9. Dado la fórmula estereoquímica de un enantiómero con centros


quirales, nombrarlo completamente con el sistema IUPAC y la designación R/S.

10. Definir los términos: modificación pacérnica y pureza óptica.

11. Dadas las fórmulas de un par de estereoisómeros identificarlos como

diastereómeros, estructuras meso o un par de enantiómeros.

12. Describir en términos generales los métodos que se conocen para la resolución

de modificaciones racémicas.

4.1 ESTEREOISOMERÍA: CLASIFICACIÓN DE ESTEREOISÓMEROS

La isomería se definió previamente como el fenómeno medíante el cual dos o mas

compuestos diferentes se representan por medio de fórmulas moleculares idénticas.

Se mencionaron los isómeros estructurales o constitucionales (Sec. 2.2) los cuales

son isómeros que difieren porque sus átomos están unidos en diferente orden. También

debe recordarse que dentro de los isómeros existen otros denominados

estereoisómeros los cuales se refieren a aquellas moléculas que tienen sus átomos o

grupos unidos en el mismo orden pero difieren en el arreglo espacial de sus átomos.

Ellos se clasifican a su vez en:

4.1.1 Enantiómeros

Los enantiómoros o enantiomorfos del griego, enantios, opuesto; morphe, forma) también

llamados isómeros ópticos son compuestos que poseen propiedades físicas y

químicas casi idénticas. Se diferencian tan poco estructuralmente que de todas las

mediciones físicas que pueden efectuarse, solamente una que requiere de un

instrumento especial y de un tipo excepcional de luz puede distinguirlos. Ellos rotan el

plano de la luz polarizada en direcciones opuestas, propiedad que se conoce como la

Actividad Optica y se mide en un Polarímetro (Sec. 4.4.2).

Los enantiómeros se definen como pares de estéreo isómeros no interconvertibles entre sí por rotación alrededor de enlaces simples y cuyas imágenes especulares no son superponibles.

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Este comportamiento los asocia con la propiedad de quiralidad (o disimetría) que se

analizará mas adelante (Sec. 4.2).

4.1.2 Diastereómeros

Son pares de estereoisómeros no interconvertibles entre si por rotación alrededor de enlaces C-C, ni tampoco son imágenes especulares.

Pueden ser quirales y por tanto presentar el fenómeno de actividad óptica.

En este grupo también se incluyen los "isómeros geométricos" cis y trans de los

alquenos y de los cicloalcanos.

Los diastereómeros presentan propiedades físicas diferentes (e.g. punto de fusión, punto de

ebullición, solubilidad, etc.) y por tanto son separables por métodos -físicos

convencionales.

4.1.3 Con f órmer os

Además de la constitución y configuración hay un tercer nivel significativo en la

estructura molecular que es la isomería conformacional. Esta ú l t ima se refiere a

ordenamientos moleculares discretos generados por rotación alrededor de enlaces

simples formales (Ej. conformaciones del etano, butano, ciclohexano, etc.

9


respectivamente).

En esta unidad nos referiremos a aquella parte de la Estereoquímica que se refiere

a los enantiómeros o isómeros ópticos.

4.2 CONCEPTO DE QUIRALIDAD

Quiralidad es sinónimo de disimetría. El término general se relaciona con la palabra

griega "cheir" (que significa mano). Quiralidad significa entonces "sentido de las manos"

o aquel par de imágenes especulares (imágenes de espejo) no superponibles que

tenemos continuamente con nosotros (Ver Fig. 4.1). Los guantes y zapatos son

también quirales (trate de colocarse el guante derecho en la mano izquierda).

Figura 4.1. La imagen de espejo (o reflexión especular) de una mano izquierda es una mano derecha.

Una molécula que pueda superponerse a su imagen especular es aquiral. Por

ejemplo una molécula con un solo átomo de carbono unido a dos sustituyentes idénticos

es aquiral. (Figura 4.2)

10


Figura 4.2. Molécula aquiral (Bromo-clorometano) frente a un espejo.

Por el contrario, una molécula que no pueda superponerse sobre su imagen especular es

quiral. En la Fig. 4.3 se ilustra un ejemplo de estas moléculas en el cual, uno de los

átomos de carbono está unido a cuatro grupos diferentes.

Figura 4.3. Molécula quiral < 1-Bromo-1-cloroetano) -frente a un espejo)

11


Una molécula quiral se presenta en dos formas espaciales llamadas enantiómeros de tal

manera que una muestra de cada enantiómero es capaz de rotar el plano de la luz

polarizada. Así se concluye que la quiralidad es la condición necesaria y suficiente para la

existencia de enantiómeros.

Cómo se establecerá si una molécula (o configuración molecular) es quiral?

En primer lugar la característica estructural más común (pero no la única) que da lugar a

la quiralidad en las moléculas, es la presencia de un átomo de carbono sp3 unido a

cuatro átomos o grupos diferentes. Se dice entonces que la molécula posee un centro

quiral (o carbono asimétrico).

Muchas moléculas (pero no todas) que contienen uno o mas de un centro quiral son

quirales. La mayoría de las moléculas que estudiaremos tendrán al menos un centro

quiral y partirán del arreglo tetrahédrico de metano:

Los siguientes son ejemplos de moléculas quirales en las que se destaca el centro

quiral o carbono asimétrico con un asterisco (*):

2—Butanol Acido 2-hidroxipropanoico (alcohol sec-butílico) (Acido láctico)

12


c)

d)

2-Meti1-1-Clorobutano 1-d-1-f eniletano (α-deuterioetilbenceno)

e)


2,3-dihidroxipropanal <G1iceraldebido)

f)

Aminoácido Leucina

Todas estas moléculas se presentan en la naturaleza como pares de enantiómeros

(imágenes especulares no-superponibles) y giran el plano de la luz polarizada en sentidos

diferentes (+ ó -) pero de igual magnitud.

Por el contrario para una molécula como cloruro de isopropilo sus imágenes de espejo

resultan superponibles y es entonces una molécula aquiral.

Es posible construir modelos de un determinado estereoisómero y su imagen de espejo

y probar si son superponibles o no. Además para moléculas con un centro quiral y dos

centros quirales es relativamente fácil dibujar imágenes o proyecciones que simulen los

modelos e intentar superponerlas mentalmente.

4.3 REPRESENTACIÓN CONVENCIONAL DE ENANTIÓMEROS CON UNO Y DOS

CENTROS QUIRALES.

Se usarán las moléculas del 2-metil-1-butanol

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y del 2,3,4-trihidroxibutanal para ilustrar las diferentes

representaciones convencionales de enantiómeros.

4.3.1 Proyecciones con Fórmulas de Bolas y Varillas

En esta convención el centro quiral (o átomo de carbono asimétrico) se

representa como una bola, los grupos o átomos en el plano horizontal apuntan

hacia el observador (saliendo del plano del papel) y los otros dos en el plano

vertical, apuntan lejos del observador (hacia atrás del plano). Fig. 4.4.

a) 2-Metil-1-butanol

b) 2.3.4-tri-Hidroxibutanal CEritrosa)

CHO CHO

CH20H

Figura 4.4 Fórmulas de Bolas y Varillas

14


4.3.2 Proyecciones "Curra" (o fórmulas bidimensionales)

En esta representación el carbono quiral está unido a dos átomos o grupos mediante

enlaces representados con trazo sencillo. Otro átomo (o grupo) se dibuja conectándolo

con una línea de trazo grueso y el cuarto sustituyente se conecta al carbono quiral a

través de un trazo discontinuo. En la Fig. 4.5 a) y b) se muestran estas

representaciones para las mismas moléculas 2-


Figura 4.5 Fórmulas bidimensional es o proyecciones "curia" a) y b)

Proyecciones s i l l a de cabal lo c).

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metil-1-butanol y 2,3,4-tri-hidroxibutanal. También en la Fig. 4.5 c> se muestra otra

representación para la molécula 2,3,4-trihidroxibutanal (con dos centros quinales).

Es la denominada proyección "silla de caballo" (Fig. 1.14).

Observe que en las fórmulas bidimensionales sólo se cambian de posición relativa

los dos átomos o grupos de los enlaces (trazo grueso e interrumpido) como se

muestra en la Fig. 4.5 o los átomos o grupos de los otros dos enlaces. Si ud.

cambia los cuatro átomos o grupos de sus posiciones relativas es equivalente a

tener el mismo enantiómero original.

En las fórmulas de Fischer y de bolas y varillas también se cambian sólo dos

átomos o grupos.

4.3.3 Proyecciones Fisher

A fines del siglo XIX el químico alemán Emil Fischer propuso fórmulas de

proyección para mostrar la disposición en el espacio de los grupos unidos a los

átomos de carbono quirales. Estas fórmulas se llaman proyecciones Fischer y

fueron ideadas en su momento para representar moléculas de azúcares.

Una proyección de Fischer no es mas que una manera taquigráfica de representar

una fórmula de bolas y varillas.

Estas proyecciones se dibujan extendiendo la molécula en el plano del papel en

todos los sustituyentes eclipsados, unidos a través de líneas horizontales y

verticales donde el punto de

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intersección representa un átomo de carbono quiral. Cada línea horizontal representa un enlace

dirigido hacia el observador, mientras que la línea vertical representa enlaces dirigidos hacia atrás,

lejos del observador (Fig. 4.6).

2,3,4-trihidroxibutanal (eritrosa)

Figura 4.6 Proyecciones Fischer

El carbono en la parte superior de la línea vertical normalmente es el carbono-1 en el compuesto

numerado sistemáticamente por la IUPAC. Las proyecciones Fischer de la Eritrosa pueden

relacionarse a sus proyecciones "s i l la de caballo" y proyecciones

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Newman en la siguiente forma. Para uno de los enantiómeros:

Todos los enlaces eclipsados

Como se observa en los dibujos, los dos grupos de la vertical (-CHO y -CH2OH) en la

proyección Fischer, corresponden a los grupos hacia abajo (-CH2OH y CHO) de la

"silla de caballo" y a los grupos eclipsados (-CH2OH y -CHO) de la proyección

Newman .

Por supuesto que como se trata de enlaces sencillos estas pueden rotar libremente así

que podemos tener distintas conformaciones de la eclipsada que hemos mostrado y

seguimos teniendo el mismo enantiómero.

Lo que debe quedar claro es que toda proyección Fischer corresponde a una

proyección Newman eclipsada que puede extenderse a la "si l la de caballo".

Haga ud. lo mismo para el otro enantiomero!

Ejercicio 4.1

Localice el Átomo de carbono o átomos de carbono asimétrico(s) e indíquelo(s) con un

asterisco en cada una de las siguientes

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moléculas.


a) CH3CH2CH(Cl)CH3 b) (CH3CH2) 2CHCH ( CH3) CH2CH3

c) CH3-CH ( Cl ) CH (OH) CH2CH3

CH3

I d) Ph-CH-CH-CHO I Br

Ejercicio 4.2

Represente con fórmulas de bolas y varillas, proyecciones Fischer y fórmulas

bidimensionales los dos enantiómeros de las moléculas quirales de las páginas 12 y

13.

Solución:

(Para las moléculas a) y c):

a) 2-Butano

Fórmulas de Bolas y Varillas

Proyecciones Fisher

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Proyecciones Bidimensionales ("Cuña”)

c) 2,3-Dihidroxipropanal (Gliceraldehído)

Observe que aquí se cambió la posición relativa de los grupos de los enlaces en el

mismo plano.

Continúe el ejercicio para las moléculas restantes de las Pág. 12 y 13

20



Ejercicio 4.3

Construya un modelo molecular de Bolas y Varillas usando palitos de madera y bolas de

icopor de diferentes tamaños (o colores), para simular los átomos O grupos de uno de

los enantiómeros de Gliceraldehído. Colóquelo frente a un espejo y construya la

imagen del espejo que será el otro enantiómero. Trate de superponerlos entre sí (es

decir trate de coincidir cada enlace, y cada átomo o grupo). Es posible?

Si hace esto mismo con una molécula como el 2-Bromopropano, lograrla superponer

el original y la imagen de espejo?

Qué conclusión obtiene de este ejercicio?

Ejercicio 4.4

Represente con fórmulas Fischer y s i l l a de caballo los enantiómeros c) y d) del

ejercicio 4.1

4.4 PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS ENANTIÓMEROS: ACTIVIDAD ÓPTICA

Con la excepción de la quiralidad, las estructuras de un par de enantiómeros son las

mismas y como se mencionó antes casi todas las propiedades físicas son idénticas.

Por ejemplo, cada enantiómero puro de un par tiene el mismo punto de fusión o punto

de ebullición, la misma densidad, etc. La única propiedad física que los diferencia es la

dirección de rotación (o giro) del plano de la luz polarizada.

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4.4.1 Luz Polarizada en un Plano

La luz blanca ordinaria es el conjunto de ondas electromagnéticas que poseen

energía con una variedad de longitudes de onda, cada una correspondiente a un

color diferente. Estas ondas electromagnéticas son sensibles al ojo humano, se

propagan en todos los medios (incluido el vacío) y vibran en un número infinito de

planos perpendiculares entre sí a la dirección de propagación.

La luz será monocromática (un solo color) si se usan filtros que eliminen a los otros

colores (u ondas componentes) de la luz blanca, o si se genera de una fuente

especial. La lámpara de sodio es una fuente de luz monocromática amarilla que se

usa frecuentemente en el estudio de la actividad óptica. Aunque la luz sea

monocromática, el la vibra en todos los planos posibles que pasan por su línea de

propagación (Fig. 4.7)

Figura 4.7 Direcciones de las ondas de luz emitidas desde una fuente de luz.

Sin embargo ciertos materiales colocados frente a la línea de propagación actúan a

manera de pantalla restringiendo el paso de las ondas luminosas. De esta forma la luz

sólo vibrará en uno solo de los planos posibles. Esta es la llamada luz polarizada

(Figura 4.8). El material que se usa como polarizador de la luz es lo que se denomina

un prisma de Nicol o trozos de calcita (CaCO3) también llamado espato de

Islandia.

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El prisma de Nicol consiste de dos piezas de carbonato de calcio cristalino, revestidas

de cemento (o bálsamo del Canadá). También se puede polarizar un rayo de luz

haciéndolo pasar a través del material llamado Polaroid.

Una substancia ópticamente activa es la que desvía el plano de la luz polarizada en un

ángulo determinado.

Figura 4.8 Rayo de Luz Polarizada en un Plano

4.4.2 El Polarímetro

El polarímetro es un instrumento que se emplea para detectar y medir la actividad óptica

de las sustancias (Fig. 4.9).

Cuando el tubo está vacío, puede observarse que el máximo de luz alcanza el ojo

cuando el arreglo de ambas lentes es tal, que dejan pasar luz que vibra en el mismo

plano. Se ajustan las lentes de modo que se obtenga el máximo de luz (o que se

extinga por completo).

Si la sustancia no afecta el plano de luz polarizada, la transmisión lumínica sigue

siendo máxima y se dice que el

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compuesto es ópticamente inactivo.

Figura 4.9 Representación esquemática de las partes esenciales de un polarímetro

Si la rotación del plano de luz polarizada y por consiguiente el giro de la lente es hacia

la derecha (en sentido de las manecillas del reloj) se dice que la sustancia es

dextrógira (del latin dexter, "derecha"). Su imagen de espejo la cual rota el plano de luz

polarizada hacia la izquierda (en sentido contrario a las manecillas del reloj) se

denomina levógira (del latin, laevus, "izquierda"). La dirección de rotación se especifica

en el nombre del compuesto ópticamente activo por (+) para dextrógiro y (-) para

levógiro. (En la literatura mas antigua se han usado las letras minúsculas d para

dextrógiro y l para levógiro) .

Puede medirse la magnitud de la dirección del giro de la lente mediante el ángulo de

giro en grados.

La cantidad de rotación en grados α no es una constante para un enantiómero dado,

e l la depende de:

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a) longitud del tubo que contiene la muestra

b) temperatura

c) solvente

d) concentración (para soluciones); presión para gases

e) longitud de onda (λ) de la luz empleada

Por supuesto, que rotaciones determinadas para el mismo compuesto bajo las mismas

condiciones son idénticas.

4.4.3 Rotación Específica

La rotación específica [α]DtºC es la cantidad de rotación por 1.00 g de muestra en 1.00

ml de solución en un tubo de longitud 1 dm (10 cm) a una temperatura y longitud de

onda (λ) específicas. La longitud de onda mas comúnmente usada es 589.3 nm (línea

D del sodio), donde 1.0 nm = 10- 9 m, La rotación específica para un compuesto (a

20°C, por ejemplo) puede calcularse de la rotación observada (λ) por la siguiente fórmulas

[α]D20 = α / lc ( 4. 1)

donde: [α]D20 = rotación específica a 20º C

α = rotación observada (en el polarímetro) a 20°C

l = longitud de la celda o tubo que contiene la muestra en dm

c = concentración de la muestra en solución en g/ml

La rotación específica es una propiedad tan importante y característica de un

compuesto como lo son sus puntos de fusión, de ebullición y su densidad. Por ejemplo, la

rotación específica

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de una solución acuosa de sacarosa (o azúcar de mesa) es [α]D20 º = +66.5 º , se

diría entonces que tal sustancia es dextrógira y se designaría como ( + ) - sacarosa.

Los enantiómeros del 2-octanol presentan las siguientes propiedades físicas:

(+) -2- Octanol (-) - 2-Octanol


p.e.

[d]420º

[n]D20º

[α]D17º

86º (20 mm)

0.821

1.4264

+9.9°

86º (20 mm)

0.821

1.4264

- 9.9°

Observe que estas dos sustancias solo difieren en el sentido de la rotación del plano

de luz polarizada.

4.4.4 Descubrimiento de la Enantiomería

La actividad óptica recién descrita fue descubierta en 1815 por el físico francés Jean-

Baptiste Biot (College de France).

Pero quien hizo el descubrimiento de los isómeros llamados enantiómeros, que

presentan ciertas sustancias, fue el químico Louis Pasteur (Ecole Nórmale de Paris) en

1848. Para adquirir

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alguna experiencia en cristalografía, él estaba repitiendo el trabajo anterior de otro

químico sobre sales del ácido tartárico, cuando observó algo sorprendente: el tartrato de

sodio y amonio, aparentemente ópticamente inactivo, existía como una mezcla de dos

clases diferentes de cristales los cuales eran imágenes especulares entre sí.

Empleando una lupa y pinzas, separó la mezcla cuidadosamente en dos montículos

(unos cristales izquierdos y otros derechos) como quien separa zapatos izquierdos y

derechos desparramados sobre un mostrador. Cuál no fue su sorpresa al descubrir que

mientras la solución de la muestra original de aquellas sales, era ópticamente inactiva,

cada grupo de cristales, una vez disueltos en agua era ahora ópticamente activo! Las

rotaciones de ambas soluciones eran iguales pero de signo contrario. En todas

las demás propiedades, ambas sustancias era idénticas.

Puesto que la diferencia en rotación óptica fue observada en solución, Pasteur

concluyó que no se trataba de una característica de los critales, sino de las

moléculas. Propuso que, al igual que los dos tipos de cristales, las moléculas que los

conformaban eran imágenes especulares entre si: acababa de descubrir el

fenómeno de la enantiomería.

Ejercicio 4.5

La concentración de colesterol disuelto en cloroformo es 6.15 g por 100 ml de solución.

a) En un tubo polarimétrico de 5 cm, una porción de esta solución produce una a

(rotación observada)

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= -1.2°. Cuál es la rotación específica de colesterol? b) Pronostíquese α (rotación

observada), si la misma solución se colocara en un tubo de 10 cm.

Solución:

a) c = 6.15 g/100 mL = 0.0615 g/mL

l = 0.5 dm

α = -1.2°

[α]D20 = -1.2 = - 39 º 0.0615 x 0.5

b) 39° = αfksdfjdsf

0.0615 x 1.0

=> α = 39° x 0.0615 x 1.0 = - 2.4°

4.4.5 Mezcla Racémica

Una mezcla de partes iguales de cualquier par de enantiómeros se denomina mezcla

racémica o modificación racémica. Una mezcla racémica es ópticamente inactiva

es decir, no rota el plano de luz polarizada debido a que la rotación de cada

enantiómero es cancelada por la rotación igual y opuesta del otro.

Por supuesto que una solución de un compuesto aquiral también es ópticamente

inactiva pero el origen de esta inactividad es diferente.

Se usa el prefijo (±) para especificar la naturaleza racémica de una muestra en particular.

(En la literatura antigua se usaba el

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prefijo dl). Una muestra de gliceraldehído racémico por ejemplo se llamará (±) -

gliceraldehído y debe estar constituido por 50% de (+)- gliceraldehído, [α]D20 = +8.7º y

50% de (-)- gliceraldehído [α]D20 = -8.7°.

La coincidencia en la mayoría de las propiedades físicas de los enantiómeros tiene una

consecuencia de gran importancia práctica. No pueden ser separados por métodos

ordinarios: no es posible por destilación fraccionada, puesto que sus puntos de

ebullición son idénticos, ni por cristalización fraccionada, pues sus solubilidades en un

solvente determinado son idénticas (a menos que el disolvente sea ópticamente activo);

ni por cromatografía, porque son retenidos con igual firmeza por un adsorbente

determinado ( a menos que sea ópticamente activo) . En consecuencia, la

separación de una modificación racémica en sus enantiómeros (o resolución de una

mezcla racémica representa una tarea especial y a veces, tediosa. Existen varios

métodos de resolución de mezclas racémicas. Se dice que la primera resolución

fue la efectuada por Pasteur (Sec. 4.4.4). Sin embargo, este método es prácticamente

inúti l , puesto que las modificaciones racémicas raras veces forman cristales en forma

de imágenes especulares. El método de resolución que casi siempre se emplea

(también descubierto por Pasteur) implica el uso de reactivos ópticamente activos y

se describirá mas adelante (Sec. 4.7.1).

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4.4.6 Pureza Óptica

La pureza óptica es la medida del exceso de un enantiómero sobre otro en una

muestra ópticamente activa. Un compuesto ópticamente puro es 100% de un

enantiómero. Una mezcla racémica es 0% en pureza óptica (ya que el 50% de un

enantiómero cancela la actividad óptica del 50% del otro enantiómero).

Por otro lado, una muestra ópticamente activa que contenga 75% de un enantiómero

dextrógiro (+ ) y 25% del levógiro (- ) será solamente 50% ópticamente pura. Esto

es: 25% del enantiómero ( + ) cancelará la actividad óptica del 25% del enantiómero ( - ),

quedando entonces un 50% del enantiómero (+) (75% - 25%) responsable de la

rotación neta del plano de la luz polarizada.

El porcentaje de pureza óptica se mide comparando la rotación específica de la

muestra, a aquella del estereoisómero puro o [α]max y aplicando la siguiente ecuación: **

[α]Dt(ºC)

Muestra

% Pureza Optica = ---------- ---------------------------- 100 (4.2) [α]D

t(ºC) Enantiómero Puro

Por ejemplo, para cada enantiómero del ácido láct ico las rotaciones específicas a

15ºC son respectivamente:

Acido- (-) láctico Acido-(+)- láctico [α]D

15ºC = -3.82º [α]D

15ºC = +3.82º

Entonces, una muestra de ácido láctico con 50% de pureza óptica produce una

rotación especifica de +1.91 o -1.91 (0.5 x 3.82) dependiendo de cuál enantiómero

está en exceso.

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Asumiendo que hay una relación lineal entre la rotación específica [α] y la

concentración de los enantiómeros (lo cual es verdad para la mayor parte de los casos),

la pureza óptica es también igual al porcentaje en exceso de un enantiómero sobre el

otro:

% Pureza Optica = Porcentaje en exceso = [(+)] - [( - )] x 100 [(+)] + [( - )] = %[(+)] - %[( - )]

(4.3)

Ejercicio 4.6

El (+)-2- yodobutano tiene una rotación especifica: [α]D24ºC = 15.9º

a) Cual es la rotación observada α (a la misma temperatura) de

una mezcla equimolar de (+) y (-)-2- yodobutano?

b) Cuál es el porcentaje de Pureza Optica de una mezcla que es

25% (+) y 75% (-)-2- yodobutano

c) Cuál es la rotación observada de esta mezcla?

Solución:

a) Si es una mezcla equimolar de los dos enantiómeros α = 0°

porque la rotación del 50% de las moléculas dextrógiras cancela

la rotación de la otra mitad de moléculas levógiras.

b) % Pureza Optica = 75%(+) - 25%(-) yodobutano

= 50% (+) -yodobutano

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O sea que 25% de (-)-yodobutano cancela la rotación de 25% de ( +)-yodobutano

c) αobs = -0.5 x 15.9° = +7.95°

4.5 PROPIEDADES QUÍMICAS DE LOS ENANTIÓMEROS

Los enantiómeros tienen propiedades químicas idénticas, excepto frente a reactivos ópticamente activos.

Así, los dos ácidos lácticos (+) y (-) –CH3-CH-COOH, no sólo son ácidos, sino que

OH

además, tienen la misma fuerza; es decir, disueltos en agua a concentraciones

iguales, ambos presentan el mismo grado de ionización. Los 2-metil-1-butanoles, no

sólo forman los mismos productos (alquenos) por tratamiento con ácido

sulfúrico caliente:

Sino que también los forman exactamente a la misma velocidad. Esto es bien

razonable, puesto que los átomos que sufren el ataque en cada caso se ven

influenciados en su reactividad por exactamente la misma combinación de

sustituyentes. El reactivo que se acerca a ambos tipos de molécula encuentra el

mismo ambiente, por supuesto que uno de ellos es la imagen especular del otro.

32



En el caso especial de un reactivo que sea ópticamente activo, por el contrario, las

influencias ejercidas sobre él durante el ataque a los enantiómeros no son idénticos

por que la velocidad de reacción será diferente, en algunos casos tan diferente, que un

estereoisómero no reacciona del todo.

Por ejemplo, en sistemas biológicos esta especifidad estereoquímica es mas bien

la regla que la excepción, puesto que las enzimas, los catalizadores de importancia

capital, y la mayoría de las sustancias sobre las que actúan, son ópticamente activos.

En otras palabras, casi cada compuesto orgánico que se encuentra en los organismos

vivos es enantiómero de un par. Los alimentos y drogas deben tener las

configuraciones adecuadas a fin de ser útiles al organismo. Por ejemplo el azúcar

(+)-glucosa desempeña un papel de importancia extrema en el metabolismo

animal y sirve de base para una industria de fermentación de grandes ingresos.

En contraste, la (-)-glucosa ni es metabolizada por los animales, ni es fermentada por las

levaduras. Un saborizante de carnes es la sal monosódica del aminoácido ácido (+)-

glutámico, la misma sal de su enantiómero no mejora el sabor de la carne ya que las

papilas gustativas no la reconocen. Cuando el moho (microorganismo) Penicillum

olaucum se alimenta de una mezcla de ácidos tartáricos enantiómeros, sólo consume

el enantiómero dextrógiro dejando intacto el ácido tartárico levógiro. La actividad

hormonal de la (-)-adrenalina natural es de 15 a 20 veces mayor que la de su

enantiómero dextrógiro.

33


(+)-Glucosa Acido- (+)- glutámico

Acido- (-) - tartárico

(-)-Adrenalina (+)- Carvona

Como último ejemplo, el olor característico del aceite de menta verde se debe a la (-)-

carvona; pero la (+)-carvona es la esencia de la alcaravea.

Para comprender mejor la idea sobre la especificidad estereoquímica (estereoespecificidad)

considérense las reacciones de dos enantiómeros con un reactivo ópticamente

inactivo. En ambos casos, los reaccionantes tienen energía igual, o sea un

enantiómero, mas el reactivo, y el otro, mas el reactivo. Los dos estados de

transición de ambas reacciones son imágenes especulares (enantiómeros) así que

también tienen la misma energía. En consecuencia, las diferencias en energías

entre

34

Figura 4.18 Comparando los diagramas de energía para la reacción de cada enantiómero de un compuesto ópticamente activo con un reactivo ópticamente inactivo.

reaccionantes y estados de transición (las Eact) son iguales, como también la velocidad

de reacción.

Considérese, ahora, las reacciones de dos enantiómeros con un reactivo ópticamente

activo. Nuevamente, los reaccionantes tienen la misma energía. Sin embargo, los

dos estados de transición no son imágenes especulares (son diastereómeros Sec. 4.1.2),

por lo que son energéticamente diferentes: las Eact son distintas, como también las

velocidades de reacción.

El principio fundamental que se desprende de la discusión anterior es:

Los enantiómeros exhiben propiedades diferentes (físicas o químicas) solamente en un medio quiral.

35


Un medio quiral (asimétrico) puede ser entonces el reactivo ópticamente activo, que

reacciona a velocidades diferentes con los enantiómeros, como se mencionó arriba.

Pero también puede ser: un disolvente quiral el cual también diferenciaría la

solubilidad de determinado par de enantiómeros; o la superficie quiral de un catalizador;

o la luz polarizada que en su naturaleza íntima proporciona un ambiente asimétrico

para su interacción con los electrones de las moléculas quirales que es lo que produce

la actividad óptica.

4.6 CONFIGURACIÓN

El arreglo de cuatro átomos o grupos alrededor de un Átomo de carbono quiral (o centro quiral) se denomina configuración absoluta alrededor de aquel átomo.

No confunda configuraciones con conformaciones, las cuales son formas que surgen

de la rotación alrededor de enlaces.

La definición de configuración absoluta significa que un par de enantiómeros tienen

configuraciones opuestas. Por ejemplo los dos enantiómeros del gliceraldehído tienen

las configuraciones I y II

36


Pero cuál de las fórmulas estructurales representa el enantiómero dextrorotatorio y cuál

el levorotatorio? Hasta 1951 los químicos no lo sabían!

Sin embargo, se sabía que el (+)-gliceraldehído y el ácido (-)-glicérico (2,3-

dihidroxipropanoico) tenían la misma configuración alrededor del carbono 2 aunque ellos

rotaban el plano de la luz polarizada en direcciones opuestas.

En otras palabras I ó II era dextrógiro y el que lo fuera tendría el OH al mismo lado

que el ácido glicérico levógiro. Aunque los químicos no supieran las configuraciones

absolutas de tales compuestos y de otros muchos, ópticamente activos podía hablarse

de configuraciones relativas de estos compuestos. Antes de 1951 las configuraciones

de compuestos ópticamente activos (especialmente de interés biológico) se habían

relacionado al (+)-gliceraldehído al cual Rosanoff (1986) le había asignado

arbitrariamente, la configuración de I (con el -OH a la derecha). Pero en 1951 J.

M. Bijvoet en la Universidad de Utrecht en Holanda demostró, a través de estudios con

difracción de rayos X, que la suposición de Rosanoff era correcta.

Automáticamente quedaron confirmadas las configuraciones absolutas para

todos aquellos compuestos relacionados al (+)-

37



gliceraldehído (I).

Debe recordarse que la dirección de rotación del plano de la luz polarizada por un

enantiómero particular es una propiedad física. Por otro lado, la configuración absoluta

de un enantiómero particular es una característica de su estructura molecular. No hay

relación simple entre la configuración absoluta de un enantiómero particular y su

dirección de rotación del plano de luz polarizada. Como se dijo, el enantiómero del ácido

glicérico (I I I) con la misma configuración que el (+)-gliceraldehído (I) es levógiro.

4.6.1 Especificación de la Configuración: Nomenclatura de Enantiómeros

Se dijo anteriormente que la rotación del plano de luz polarizada puede indicarse por los

signos (+) o (-). Sin embargo se requiere un sistema que indique la verdadera

configuración absoluta de la molécula alrededor de cada carbono o centro de quiral.

Se conocen dos convenciones para designar el par de enantiómeros de un

determinado compuesto quiral.

4.6.1.1 Sistema de nomenclatura D, L o Convención Fisher

Esta convención fue la primera conocida y emplea las letras mayúsculas D o L para

asignar uno de los dos enantiómeros. Para aplicarla se relaciona la configuración

en el centro

38

asimétrico con aque l la del estándar escogido por Fisher el gliceraldehído. El

designó el enantiómero dextrógiro (+) (que hoy sabemos su configuración absoluta)

con la letra D (mayúscula) y el enantiómero levógiro (-) con la letra L:

D-(+)-gliceraldehído L-(-)-gliceraldehído

O sea que según la proyección Fisher el gliceraldehído que tenia el OH a la derecha era

el D y coincidencialmente resultó ser el dextrógiro. Al mismo tiempo aquel que tenía el

OH a la izquierda era el L.

Como el D-(+)-gliceraldehído (una aldotriosa) podía relacionarse químicamente al resto

de monosacáridos y otros compuestos de interés biológico ya que estos pueden

obtenerse a partir del gliceraldehído, resultaron las dos familias ópticas D y L. Así,

aquellos compuestos biológicos (monosacáridos, ciertos ácidos orgánicos, etc.) que

pertenecen a familia óptica D deberán presentar una configuración similar a la del D-

(+)-gliceraldehído (OH a la derecha) en el penúltimo carbono o últ imo centro quiral, al

usar una proyección Fisher para representar la molécula.

Ejemplos

39


Observe que los signos (+) o (-) que designan la rotación del plano de

luz polarizada no se relacionan con las letras mayúsculas D o L.

En los ejemplos b) y c) se encierra en un rectángulo el último

centro quiral que determina si el estereoisómero es el D o el L.

40


Por otro lado todos los α-aminoácidos* excepto la glicina que es aquiral , pueden existir como

enantiómeros, los cuales pertenecen a una u otra de las familias ópticas D o L. Aquí, el

compuesto de referencia es el aminoácido serina:

L-(-)Serina (+) -Serina

y la proyección Fisher (o de bolas y varillas) donde el grupo amino esté a la izquierda

representa el enantiómero L. En la naturaleza todos los α-aminoácidos obtenidos de la

hidrólisis de proteínas tienen la configuración L en el átomo de carbono α, y esta

configuración es la que corresponde a la proyección Fisher donde el grupo amino está a la

izquierda.

Ejercicio 4.7

Designar los siguientes compuestos de interés biológico como D o L:

_______________

* La letra griega α aquí, se refiere al carbono adyacente al grupo carboxilo y al cual está unido al

grupo amino.

41


Ejercicio 4.8

Dibuje proyecciones Fisher para el par de enantiómeros D, L de los siguientes

compuestos:

4.6.1.2 Sistema (R) , (S) o Convención Cahn-Ingold-Prelog para Compuestos con

un Centro Quiral

Tres químicos, los profesores R. S. Cahn (Inglaterra), C. K. Ingold (Inglaterra) y V. Prelog

(Suiza) desarrollaron un sistema de nomenclatura sin ambigüedades para designar

enantiómeros y que adicionado al sistema IUPAC permitiría escribir su estructura

correcta a partir de este nombre. El sistema no depende de analogías subjetivas a

los sustituyentes de un estándar sino al criterio objetivo de los números atómicos.

Este sistema ut i l iza las letras mayúsculas R y S para designar la configuración de

cada centro quiral (o carbono asimétrico) en una molécula quiral. A diferencia del

sistema D, L las letras R o S designan todos los centros quirales posibles en una

molécula y no solamente uno. La letra R procede del latín rectus, "derecha", mientras

que S procede del latin sinister. "izquierda". Si la molécula tiene solamente un carbono

quiral, un enantiómero será R y el otro S.

Para moléculas con dos o más centros quirales (Sec. 4.6.2) se

42


tendrán distintas combinaciones de las letras R, S designando las configuraciones de

todos los centros quirales lo que origina varias parejas de enantiómeros.

Para asignar una configuración R, S a una molécula quiral con un solo centro quiral

se realizan las siguientes etapas:

Etapa 1

Ordéne los cuatro grupos (o átomos) unidos al carbono quiral, en orden de prioridad

según las reglas de secuencia de Cahn-Ingold-Prelog.

Estas reglas de secuencia se resumen en lo siguiente:

a) Si los cuatro átomos unidos al centro quiral son todos diferentes, la prioridad

depende del número atómico (Z):

El átomo con el mayor número atómico tiene la prioridad mas alta.

Por ejemplo, en el ácido cloroyodometanosulfónico (V):

b) Si dos átomos unidos al carbono quiral son idénticos pero hacen parte de grupos

sustituyentes diferentes, su orden de prioridad se establece de acuerdo a los números

atómicos de los

43


átomos siguientes. Si estos átomos también están enlazados a átomos idénticos se

determina la prioridad en el primer punto de diferencia a lo largo de la cadena. Así

por ejemplo, el compuesto 2-butanol tiene un centro quiral en C-2 al cual están

unidos un átomo de H, un grupo -OH, un grupo, -CH2-CH3 y un grupo -CH3.

la mayor prioridad del grupo hidroxilo no tiene discusión puesto que el oxigeno tiene el

mayor número atómico. Entre el grupo etilo y el metilo la prioridad es para el grupo etilo

donde el átomo de carbono está unido a otro carbono y dos hidrógenos

, mientras que en el met i lo carbono está unido solamente a tres

hidrógenos

44


Observe que el grupo clorometilo toma prioridad sobre el isopropilo aunque el últ imo sea un

grupo mas ramificado. Pero basta con que al menos uno de los átomos siguientes al átomo unido

al centro quiral, tenga el número atómico mayor para que la prioridad del grupo quede definida.

Las dos reglas anteriores del sistema Cahn-Ingold-Prelog permiten hacer la designación R o S de

los compuestos que contienen sustituyentes con enlaces simples enlazados a un carbono quiral.

Para los compuestos quirales que contienen sustituyentes con enlaces múltiples es necesario

aplicar la regla siguiente.

c) Así, las prioridades de los grupos que contienen dobles o triples enlaces se asignan de tal

manera como si los átomos se duplicaran o se triplicaran. Esto es:

Por ejemplo el grupo vinilo -CH=CH2, tiene mayor prioridad que el grupo isopropilo (-

CH(CH3>2)

45


El grupo etinilo -C≡C-H tiene prioridad sobre el grupo tert-butilo:

Ejercicio 4.9

Ordene los siguientes átomos o grupos en orden de prioridad creciente (primero el

menor):

-NH2, -H, -CH3, -CI

Ejercicio 4.8

a) Muestre el orden de prioridad de los siguientes grupos (de

menor a mayor)

b) Entre los grupos n-butilo o isobutilo, cuál tiene mayor

prioridad?

Etapa 2

Una vez que se ha establecido la secuencia correcta de prioridad de los grupos se

continúa el proceso de asignar la configuración. Para ello proyecte la fórmula molecular (o

modelo) con el grupo

46



menor hacia atrás (en la posición mas alejada del observador). Esto se hace a través

de un giro mental de la estructura o construyendo un modelo molecular de la misma

y ejecutando el movimiento real . Debe tenerse cuidado de no colocar

arbitrariamente los sustituyentes, porque esto podría cambiar la configuración verdadera.

Un determinado enantiómero puede visualizarse a través de muchas

proyecciones pero siempre será el mismo. De allí que es importante usar modelos y

representar sus proyecciones en el papel.

Seleccione el grupo que tiene mayor prioridad y desde allí dibuje una flecha curva en

dirección hacia el grupo que le sigue en orden descendente. El grupo de menor

prioridad que está hacia atrás no se tiene en cuenta.

Etapa 4

Si la dirección de la flecha tiene el sentido de las manecillas del reloj, la configuración es

R. Si la flecha tiene sentido contrario a las manecillas del reloj, la configuración es S. Se

ilustrará el procedimiento completo con el compuesto ácido

cloroyodometanosulfónico (V) en cualquiera de sus dos configuraciones. Si usamos

primero una proyección de bolas y varillas tendremos:

47

la flecha curva tiene la dirección en contra de las manec i l l as del reloj por tanto la configuración

es S.

El nombre completo de ese compuesto será entonces:

Acido (S)—cloroyodometanosulfónico (Va)

Ejercicio 4.11

Nombre sistemáticamente y asignando la configuración absoluta los siguientes enantiómeros:

Solución:

a) Etapa 1

Orden de prioridad de los grupos:

HO > -CH2CH3 > CH3 > H

48


Etapas 2, 3, 4:

Ayuda: Haga modelos moleculares de la estructura original (con bolas de icopor y palitos

de madera), para que visualice el giro que coloca al grupo inferior hacia atrás.

b) Etapa 1

Etapas 2, 3, 4

CHO

(R)-2,3-dihidroxipropanal

(R-(+)-gliceraldehído)

c) Hágalo ud.?

Se advierte que las letras R, S tampoco se relacionan con el signo de la rotación

óptica.

En realidad, no es necesario que tengamos que representar siempre a los enantiómeros con

proyecciones de bolas y varillas, o que necesariamente deba realizarse el giro mental de

la fórmula molecular para que el grupo menor quede hacia atrás.

49


La proyección que usamos de bolas y varil las para el ácido Va puede

representarse también con una proyección Fis donde sabemos que los

sustituyentes en la línea vertical salen hacia atrás del plano del papel y aquellos

sobre la línea horizontal salen hacia adelante (Sec. 4.3.3, Fig. 4.6).

Como ya se sabe el orden de prioridad de los grupos, simplemente dibujamos la

flecha curva desde el grupo prioritario hasta el tercero en orden descendente pero

ignorando el grupo de menor prioridad (en este caso hidrógeno).

Según la dirección de esta flecha (en el sentido de las manecillas del reloj) se

trataría de la configuración R. Pero nosotros sabemos que el hidrógeno en esta

proyección está hacia adelante por tanto la configuración no es R sino S (la que

obtuvimos anteriormente).

Si por el contrario la proyección nos la hubiesen dado como:

La configuración es S ya que el hidrógeno está hacia atrás.

50


Ejercicio 4.12

a) Indique las designaciones R o S para cada uno de los siguientes compuestos y

nómbrelos correctamente:

b) Represente con fórmulas de bolas y varillas o proyección Fischer los

siguientes compuestos ópticamente activos:

i) acido ( R )-2-bromopropanoico

ii) (S)- 3f4-dimetil-1-pentino

iii) (S)-1-feniletilamina

Avuda: Primero escriba la fórmula estructural ignorando la

configuración. Luego identifique el carbono quiral (o sea el que está unido a

cuatro grupos diferentes) y por último proyecte la fórmula de tal manera que el

sentido de la flecha produzca el enantiómero solicitado.

Solución:

Luz Marina Jaramillo Ph. D. 51

Depto. de Química

pr oyec c i on es:

Por el sentido de la flecha sería el enantiómero S pero el H está hacia adelante. Entonces es el

enantiómero R que nos pidieron.

Resuelva Ud, los otros dos!

4.4.1.2 Sistema R, S para Compuestos con dos o más Carbonos Quirales:

Diasteréomeros y Compuestos Meso

Hasta aquí todas las moléculas quirales que se han mencionado sólo contienen un átomo de

carbono quiral. Sin embargo, muchas moléculas orgánicas contienen más de un carbono quiral.

La molécula de glucosa (un carbohidrato) en su forma más simple contiene cuatro átomos de

carbono quirales.

Existe una regla útil que ayuda a determinar cuántos estereoisómeros se esperaría

encontrar en un compuesto semejante a este:

El número total de estereoisómeros para un compuesto ópticamente activo no excederá a 2n, donde n es el número de centros quirales.

52


Si hay dos centros quirales, entonces pueden existir hasta cuatro estereoisómeros (22 =

4), si hay tres centros, serán hasta ocho estereoisómeros (23 = 8 ) , si hay cuatro

centros como en la glucosa existirán hasta dieciséis (24 = 16). Efectivamente en la

química de los carbohidratos se conocen todos estos aldohexosas y son nombres

familiares: glucosa, lactosa, manosa, gulosa , etc.

Empezaremos el estudio de las moléculas que contienen mas de un centro quiral con un

compuesto cuyas moléculas contienen dos átomos de carbono quirales, el 2,3-

pentanodiol:

Si aplicamos la regla de 2 , tendremos 4 estereoisómenos. Cuáles son?

Se empieza escribiendo una fórmula de bolas y vari l las (o proyección Fischer) y

después la de su imagen de espejo.

VIlla VIIIb

Empleando modelos podríamos construir primero la estructura VIlla y luego su

imagen especular VIIIb y se prueba si son superponibles. (También podemos hacerlo

mentalmente con los

53


dibujos pero sin sacarlos del plano del papel o del tablero). Encontraremos que estas

estructuras no pueden superponerse, por tanto, representan diferentes

estereoisómeros que llamamos enantiómeros porque son imágenes de espejo entre sí.

También es posible escribir otras dos estructuras IXa y IXb que son también imágenes

especulares, y en los cuales los grupos hidroxilo están en posiciones opuestas.

Las estructuras IXa) y IXb) representan otro par de enantiómeros y ya tenemos los

4 estereoisómeros posibles del 2,3—pentanodiol .

Cuál será la relación estereoisomérica entre VI l la y IXa; VIIIb y IXb; VIlla) y VlIIb);

V l I Ib y IXa?

Si se comparan bien estos estereoisómeros se observa que no son superponibles pero

tampoco son imágenes de espejo. Son por tanto diastereómeros ( Sec. 4.1.2).

Ya se dijo que un compuesto con n. carbonos quirales tienen un máximo de 2n

estereoisómeros, pero puede tener menos de esa

54


cantidad.

Considérese el compuesto 2,3-butanodiol :

Tiene dos centros quirales y esperaríamos cuatro estereoisómeros. Dibujemos primero las

proyecciones donde los dos -OH están del mismo lado:

Si construyéramos modelos de Xa y de Xb y los hacemos superponer entre sí,

encontraremos que sí lo hacen! o sea que Xa y Xb son el mismo compuesto.

Esta confirmación también podemos efectuarla, si giramos 180º la proyección de Xb y la

comparamos con Xa:

Cómo es posible entonces que las imágenes especulares con dos carbonos

quirales se puedan superponer? La respuesta es que al

55


menos en una orientación esta molécula tiene un plano interno de simetría. La mitad

"superior" de la molécula es la imagen especular de la mitad "inferior". Puede decirse que una

mitad de la molécula cancela la quiralidad de la otra mitad y viceversa. Por lo tanto, la molécula

en conjunto es aquiral y no produce rotación del plano de la luz polarizada.

Un estereoisómero que contiene carbonos quirales pero que puede superponerse a su imagen especular, se denomina un compuesto meso.

La orientación de la estructura X es el compuesto meso-2,3-butanodiol . Pero el 2,3-

butanodiol todavía puede existir en otras dos orientaciones con los dos OH en direcciones

opuestas):

Si giramos Xlb 180º y la comparamos con Xla se observa que no son superponibles:

56


Por tanto el compuesto 2,3-butanodiol se presenta como tres estereoisómeros la forma

meso X y el par enan tiómeros XIa y XIb.

Es bueno hacer notar que al escribir las fórmulas para esta clase de compuestos debe

representarse la cadena mas larga de carbonos en una orientación vertical (sea con las

fórmulas de bolas y varillas o las proyecciones Fischer). Por otro lado las

conformaciones son eclipsadas. Esto permite comparar mejor las estructuras que se

representan. Sin embargo, al seguir este procedimiento, debe recordarse que las

moléculas pueden girar en su totalidad y que a temperaturas normales los grupos

que están enlazados por uniones simples giran con toda libertad. Si las

rotaciones de la estructura misma, o las rotaciones de los grupos unidos por enlaces

sencillos hacen que una estructura se pueda superponer con otra, entonces estas

estructuras no representan compuestos diferentes: por el contrario representan

diferentes orientaciones o diferentes conformaciones de las moléculas del mismo

compuesto.

Para finalizar con esta sección se asignará la configuración R o S a los centros quirales

de algunos de los estereoisómeros mencionados.

Escogemos para ello los estereoisómeros: VIlla, IXb y Xla

57


En los tres compuestos los carbonos quirales son C-2 y C-3. Se aisla mentalmente cada

uno, se establece la prioridad de los grupos unidos a él, se traza la flecha curva y se asigna

la letra. Si el grupo menor esta hacia adelante se cambia la letra.

Para VIlla:

- La prioridad de los grupos enlazados a C-2 es:

- La prioridad de los grupos enlazados a C-3 es:

El nombre completo del compuesto VI l la sería: (S,R)-2,3- pentanodiol.

58 Luz Marina Jaramillo Ph. D. Depto. de Química


Habiendo asignado las configuraciones para uno de los estereoisómeros del 2,3-

pentanodiol, es tarea fácil asignar las de los estereoisómeros restantes, basta comparar

cada carbono quiral con aquellos de VI l la y observar si los grupos tienen la misma

orientación o si es contraria:

Asi IXb se llamará: (R,R)-2,3-pentanodiol .

Para XIa es necesario repetir el proceso. Compruebe que se trata del (S,S)-2,3-

butanodiol.

Toda la discusión anterior puede extenderse a compuestos con un mayor número de

centros quirales.

Ejercicio 4.13

Escriba proyecciones Fischer de todos los estereoisómeros de cada uno de los siguientes

compuestos:

a) CH3CH(Br)CH<Cl>CH3

b) HOOC-CHC(OH)CH<(OH)-COOH -

c) CH3CH(OH)CH(OH)CH(OH)CH3

d) En las respuestas a los incisos b) y c) indique los pares de enantiómeros y los

compuestos meso.

Ejercicio 4.14

Identifique cada par de moléculas de los numerales siguientes como isómeros

constitucionales, enantiómeros, diastereómeros, confórmeros.

59

f) Cuáles de los que pueden llamarse diastereómeros son también isómeros geométricos?

Ejercicio 4.15

Nombre correctamente por la IUPAC y usando el sistema R, S los

compuestos:

60



4.7 ESTEREOQUÍMICA DINÁMICA i

La estereoquímica dinámica se refiere al estudio de las reacciones químicas

donde participan estereoisómeros ya sea porque se generan centros quirales desde

moléculas reactantes aquirales, o porque participan moléculas ópticamente activas

rompiendo o no sus enlaces a carbonos quirales. A menudo es necesario conocer

pormenorizadamente la estructura espacial de una molécula reaccionante para predecir o

explicar mediante un mecanismo conocido el posible producto estereoisomérico o

productos estereoisoméricos que se forman. Otras veces, por el contrario de un

conocimiento de la estructura estereoquímica del (de los) producto(s) puede inferirse

el verdadero curso mecanístico de la reacción y así el estudio estereoquímico de la

misma constituye una evidencia o soporte experimental para formular el mecanismo

mas probable de esa reacción.

También dentro de la estereoquímica dinámica se estudian los procedimientos para

resolver mezclas racémicas o sea la separación de un par de enantiómeros que

resultan en una determinada reacción.

Una comprensión profunda de la química orgánica implica estudiar estereoquímicamente

la reacción orgánica siempre que participen moléculas quirales. Por otro lado, la penetración

cada vez mayor en la Biología Molecular o la Química de las reacciones biológicas

donde casi todos los procesos implican compuestos ópticamente activos, ha

proporcionado luces para mimetizar en el laboratorio algunas de estas reacciones. Los

químicos no se

61


contentan ya con generar ciertas moléculas quirales como mezclas racémicas para

luego resolverlas y obtener el estereoisómero de interés sino que su objetivo principal es

diseñar reacciones con catalizadores quirales que garanticen la mayor producción de un

estereoisómero dado.

No es de la incumbencia de este curso llegar a tal manejo de la estereoquímica pero sí

debe quedar claro que la estereoquímica es un aspecto de la química muy fundamental

y debe tenerse algún conocimiento de ella.

4.7.1 Resolución de una Mezcla Racémica (Opcional)

La. separación física en el laboratorio de una mezcla racémica en los enantiómeros puros,

se llama resolución de, o resolver la mezcla racémica. La separación de Pasteur

(Sec. 4.4.4) del tartrato de sodio y amonio racémico fue una resolución de esa

mezcla. Es muy raro que los enantiómeros cristalicen separadamente; por lo tanto, el

método usado por Pasteur no se puede considerar como un método general de

resolución.

El procedimiento mas úti l para la separación o resolución de un par de enantiómeros se

basa en permitir que la modificación racémica reaccione con un solo enantiómero de

algún otro compuesto. Mediante esta reacción la modificación racémica se convierte en

una mezcla de diastereómeros los cuales por tener propiedades físicas diferentes

(Sec. 4.1.2) pueden separarse por métodos físicos convencionales como destilación,

cristalización fraccionada, cromatografía, etc.

62

Supóngase que se desea resolver la modificación racémica de un ácido orgánico: (R)-

RCOOH + (S)-RCOOH. Como es sabido, un ácido carboxílico al reaccionar con una

amina produce una sal de acuerdo a la reacción:

Si hacemos reaccionar la mezcla racémica del ácido carboxílico con el enantiómero de

una amina tal como (S)-R'N2 se producirá un par de sales diastereoméricas: la sal de la

amina del ácido (R) y la sal del ácido (S), como se muestra en la Fig. 4.11

Figura 4.11 Resolución de la modificación racémica de un ácido orgánico

Como se observa en la Fig. 4.11 al final del proceso la sal se trata con ácido mineral

acuoso, para precipitar el ácido

63


orgánico, mientras que la amina en su forma cloruro de alquilamonio (S) -R'NH3Cl -

pasa a la fase acuosa.

Entre las aminas quirales mas comúnmente usadas se encuentran la quinina, la estricina, y

la brucina de origen natural y la anfetarina que existe comercialmente como enantiómero puro.

A su vez una mezcla racémica de aminas (que son bases orgánicas) puede resolverse

empleando uno de los enantiómeros del ácido tartárico.

Por último, otros compuestos racémicos que no son ni ácidos ni bases se resuelven

uniéndoles primero una parte ácida. Por ejemplo, un alcohol racémico puede

reaccionar con un anhídrido de ácido, cíclico para obtener un producto que es al mismo

tiempo un éster y un ácido.

Este ácido racémico ya es posible convertirlo a una mezcla de sales diastereoméricas

por reacción con una amina ópticamente

64


activa. Las sales se separarían y se convertirían nuevamente a los ácidos

enantioméricos como se describió en la Fig. 4.11.

Para recobrar los alcoholes se hace reaccionar cada ácido enantiomérico con

NaOH (ac.) para saponificar el éster de acuerdo a la reacción:

Ejercicio 4.15

El ácido (±)-láctico (p.40) reacciona con el (S)-(-)-2-metil-1-butanol

produciendo una mezcla de ésteres.

a) Escriba las fórmulas tridimensionales de estos ésteres.

b) Cuál es la relación estereoquímica entre el los?

c) Podrían separarse los ésteres por des t i lac ión fraccionada?

d) Podría utilizarse esta reacción como base para resolver el ácido (±)-láctico?

e) Si es así, cómo podrían obtenerse los enantiómeros del ácido láctico?

65


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