Química Orgànica

Dr. Antonio DelgadoDra. Cristina MinguillónDr. Màrius Rubiralta

• Estereoisomeria• Quiralitat

Atès el caràcter i la finalitat exclusivament docent ieminentment il∙lustrativa de les explicacions a classed'aquesta presentació, els autors s’acullen a l’article 32 de laLlei de Propietat Intel∙lectual vigent respecte de l'ús parciald'obres alienes com ara imatges, gràfics o altre materialcontingudes en les diferents diapositives

2

Bloc 1: Estructura

Tema 4. Estereoisomeria i quiralitat

Molècules quirals: enantiòmers i racemats. Activitat òptica. Configuracióabsoluta: les regles seqüencials R‐S. Projeccions de Fischer. Quiralitat encompostos nitrogenats: la inversió de les amines. Estereoisomeria deguda a lapresència de dos centres estereogènics: enantiòmers i diastereòmers. Formesmeso. Nomenclatura eritro‐treo. Estereoisomeria deguda a la presència de mésde dos centres estereogènics. Estructura dels carbohidrats. Convenció deFischer: D, L. Sèries D i L en carbohidrats i aminoàcids. Representacions deHaworth i formes de cadira. Estereoisomeria E/Z. Exemples en lípids.Estereoisomeria i interacció biològica.

Bibliografia:Bettelheim et al, Capítol 2McMurry, Capítols 3 i 4Vollhardt, Capítol 2

3

IsomeriaISÒMERS

compostos amb la mateixafórmula molecular

ISÒMERS ESTRUCTURALScompostos que difereixen en la connectivitat dels seus àtoms

ESTEREOISÒMERScompostos que difereixen en la disposició 

espacial dels seus àtoms

CONFÒRMERSInterconvertibles per rotació 

d’enllaços senzills

ISÒMERS CONFIGURACIONALSNO interconvertibles

DIASTEREÒMERSestereoisòmers amb diferent distància

entre àtoms o grups d'àtoms

ENANTIÒMERSestereoisòmers imatge especular l’un de l’altre

4

QuiralitatPropietat d’un objecte de ser diferent de la seva imatge en un mirall.

Quiralitat: Apareix també en les molècules.

cheir (grec)= mà

5

ClorodifluorometàLes dues estructures són imatges especulars.

6

ClorodifluorometàLes dues estructures són imatges especulars.Però no són enantiòmers perquè es poden superposar.

7

Br

Cl

H

F

BromoclorofluorometàLes dues estructures són imatges especulars.Són enantiòmers perquè NO es poden superposar.La molècula és quiral.

H

Cl

Br

F

Girem lamolècula 180°

H

Cl

Br

F

8

QuiralitatLa quiralitat és la conseqüència de la presència d’elements estereogènics a la molècula.

Centres estereogènics

Eixos estereogènics

Plans estereogènics

1

23

4

1

23

4 23

4 23

23

4

9

w

x y

z

C

Centre estereogènicCentre estereogènic: un àtom tetraèdric, comunament un àtom de carboni, amb quatre substituents diferents.

També es pot dir:Centre quiral (desaconsellat)Centre asimètricEstereocentre

10

IsomeriaCENTRES

ESTEREOGÈNICS?

SI

Un Mes d’un

NO

ELEMENT DE SIMETRIA EN LA MOLECULA?

MOLECULA QUIRAL

ENANTIÒMERS

NO SI

MOLECULA AQUIRAL

11

2‐Bromobutà

ENANTIÒMERSNo superposables12

Centre estereogènicNo hi ha pla de simetria(molècula quiral)

Pla de simetriaPla de simetria: pla de reflexió a través del qual s’obté una copia idèntica a l’original.La presència d’un pla de simetria és un indicador de que la molècula és aquiral.

13

CH3CH3CH2

CH3CH2H3C NH

HNH3C

CH3

O

O

Molècules aquirals que tenen un centre de simetria

Centre de simetriaCentre de simetria (centre de inversió) (i): Una molècula té un centre de simetria quant per cada àtom hi ha un àtom idèntic diametralment oposat a aquest centre i equidistant d’aquest.La presència d’un centre de simetria és un indicador de que la molècula és aquiral.

14

Activitat òpticaEls enantiòmers presenten idèntiques propietats físiques macroscòpiques amb una excepció: l’activitat òptica.Activitat òptica (birefringència circular): capacitat d’un material per a desviar el pla de la llum polaritzada.Llum polaritzada: radiació electromagnètica (generalment monocromàtica) que oscil∙la en un pla. 

15

Activitat òptica

Cada enantiòmer d’una parella desvia el pla de la llum polaritzada cap el costat oposat.

(+) Dextrogir (d): cap a la dreta(‐) Levogir (l): cap a l’esquerra

Racèmic/barreja racèmica: barreja equimolecular dels dos enantiòmers.Les barreges racèmiques NO tenen activitat òptica.

16

Polarimetria

Les barreges d’enantiòmers que contenen un excés d’un d’ells són òpticament actives.La mesura del canvi en el pla de la llum polaritzada s’anomena polarimetria i es determina amb un polarímetre.La polarimetria s’utilitza per a determinar la composició en enantiòmers d’una barreja.

17

Polarímetres

18

l.c100.T

Rotació òptica específica

Dimensions físiques:graus.L2.M‐1

l: dmc: g/mL

Exemple: Àcid (R)‐mandèlic:[]D20 = ‐155,4 (c: 2,913, EtOH 95%)

589 nm

PolarimetriaRotació òptica específica []: característica del compost quiral en determinades condicions (dissolvent, temperatura, longitud d’ona, ...)

La rotació òptica específica és una constant física pròpia de la substancia (com ho són el punt de fusió, d’ebullició o la densitat).19

Rotació òptica específica []: característica del compost quiral en determinades condicions (dissolvent, temperatura, longitud d’ona, ...)

Rotació òptica específica

20

Rotació òptica: Coneguda la rotació òptica específica d’un compost, la rotació òptica permet el càlcul de la composició enantiomèrica d’una barreja d’enantiòmers.Puresa òptica: mesura de la composició en enantiòmers d’una barreja

p .100

max

Puresa òptica

En una mescla racèmica (barreja equimolecular dels dos enantiòmers) el valor de rotació òptica =0En un compost aquiral: =0Si ≠0, un dels enan òmers predomina sobre l’altre: Hi ha un excés enantiomèric.El valor de puresa òptica acostuma a coincidir amb l'excés enantiomeric. 21

Excés enantiomèric: Excés d’un dels enantiòmers sobre la barreja racèmica, expressat en percentatge.

Excés enantiomèric

R80%

S20%

%ee % A %B A B A B

100

ee: 60%

22

La mesura de la rotació òptica observada per una mostra depènde:

L’estructura de la molècula quiralLa concentració de la dissolucióEl dissolvent que s’utilitzaLa longitud d’ona de la llumLa temperatura a la que es fa la determinacióLa presencia de contaminants (compostos diferents del que es vol determinar la puresa òptica) siguin quirals o no.

La polarimetria és una tècnica molt fàcil d’utilitzar i molt assequible però amb una sensibilitat i fiabilitat limitades.

Polarimetria

23

Centres estereogènics: nomenclaturaLa configuració dels centres estereogènics es determina aplicant les regles de Cahn, Ingold i Prelog.Configuració absoluta: R / S (“Rectus”‐llatí‐ dreta;

“Sinister” –llatí‐esquerra)

24

Cahn,Ingold,PrelogRegla 1: Tenen prioritat els àtoms de major número atòmic.

25

Cahn,Ingold,PrelogRegla 1: Tenen prioritat els àtoms de major número atòmic.Regla 2: A igualtat de Z, explorar les cadenes fins a trobar un punt de diferència.

26

Cahn,Ingold,PrelogRegla 1: Tenen prioritat els àtoms de major número atòmic.Regla 2: A igualtat de Z, explorar les cadenes fins a trobar un punt de diferència.Regla 3: enllaços múltiples

27

Exemples

28

Configuració absoluta/rotació òpticaR/S: designen una determinada distribució de grups al voltant d’un centre estereogènic.(+)/(‐): designen el sentit de la rotació òpticad/l: designen el sentit de la rotació òptica

Dos compostos diferents amb el mateix signe de rotació òptica no tenen perquè tenir la mateixa configuració absoluta.Els enantiòmers de configuració absoluta R o S tindran signes de rotació òptica contraris.

29

Projecció de FischerRepresentació en dues dimensions d’un àtom de carboni tetraèdric (tridimensional). La molècula es dibuixa en forma de creu.L’àtom tetraèdric és el centre de la creu.Els àtoms connectats per enllaços horitzontals es situen per sobre del pla del dibuix.Els àtoms connectats per enllaços verticals es situen per sota del pla del dibuix.

30

Projecció de Fischer

31

Projecció de FischerLes projeccions que es poden convertir una en l’altre mitjançant un nombre parell de canvis són equivalents (representen la mateixa molècula).Una projecció de Fischer no es pot “aixecar” del pla en que es dibuixa.

32

Projecció de FischerUn gir de 90° en el pla converteix la molècula en l'enantiòmer del compost original.Un gir de 180° en el pla condueix a una projecció equivalent a la original.

33

Quiralitat de les aminesPot ser quiral l’àtom de nitrogen?

34

Quiralitat de les aminesQuan una amina té tres substituents diferents (a més del parell d’electrons) reuneix les característiques estructurals per a ser quiral.

No obstant ...

35

Inversió de Walden de les aminesA temperatures convencionals no són quirals degut a un procés d’isomerització ràpid anomenat inversió.

Barrera energètica per a la inversió: 5‐7 kcal.mol‐1 (superable a temperatura ambient).Per tant, és impossible evitar la racemització d’una amina a temperatura ambient si l’àtom de nitrogen és l'únic centre estereogènic de la molècula.

36

La inversió de l’àtom de nitrogen no es produeix en els sistemes de tetraalquil amoni.Les sals de tetraalquil amoni són quirals quan els quatre substituents són diferents.

R1

NR2 R3

R4

R1

NR2R3

R4

Quiralitat de centres tetraèdrics

37

La inversió NO es produeix ni en el sofre ni en el fòsfor.Les fosfines i els sulfòxids poden ser quirals.

PR2 R3

R4P

R2R3

R4

SO R3

R4S

OR3

R4

Quiralitat de centres tetraèdrics

fosfines

sulfòxids

38

2‐Bromo‐3‐clorobutàMolècules amb més d’un centre estereogènic:

Isòmers configuracionals 39

Separació d’enantiòmers: Resolució

40

Resolució per cristal∙lització

41

Resolució per cromatografia

DetectorFaseMòvil

(+/‐)

42

2,3‐Dibromobutà

43

Formes mesoLes formes meso tenen un pla de simetria.

44

Formes mesoEls compostos cíclics també poden tenir formes meso.

45

4 centres estereogènics16 estereoisòmers

Nombre d’estereoisòmersNombre màxim d’estereoisòmers: 2n (n: nombre de centres estereogènics i dobles enllaços amb possibilitat d’isomeria Z/E).El nombre màxim es redueix si hi ha formes meso o bicicles amb pont. O

HOCH2CH—CH—CH—CH‐CH

OH OH OH OH

HO H

E R

H OH

E S

HHO

Z R

H OH

SZ

3‐Penten‐2‐ol: un doble enllaç i un centre estereogènic

46

Nombre d’estereoisòmers

Àcid còlic (àcid biliar: actua com a tensioactiu)11 centres estereogènics.211 = 2048 estereoisòmersUn d’ells és l’àcid còlic naturalUn altre és l’enantiòmer d’aquest.Els altres 2046 són diastereòmers de l'àcid còlic47

Nomenclatura Eritro/TreoLa nomenclatura eritro‐treo s’utilitza per a indicar la configuració relativa en molècules de dos centres estereogènics.Es determina amb les projeccions de Fischer.La molècula s’ha d’orientar amb la cadena carbonada en vertical i l’àtom de carboni més oxidat en l’extrem superior.eritro: substituents iguals o anàlegs del mateix costat de la projecció de Fischer.

CO2H

CH3

H

H

HO

HO

CO2H

CH3

H

H

OH

OH

eritro48

Nomenclatura Eritro/Treoeritro: substituents iguals o anàlegs del mateix costat de la projecció de Fischer.treo: substituents iguals o anàlegs en costats diferents de la projecció de Fischer.

CO2H

CH3

H

H

HO

HO

CO2H

CH3

H

H

OH

OHCO2H

CH3

H

H

HO

OH

CO2H

CH3

H

H

OH

HOeritro

treo49

AldohexosesTots són diastereòmers entre si. Alguns epímers (diastereòmers que difereixen en la configuració d’un sol centre estereogènic).

50

Per convenció l’isòmer amb el grup OH a la dreta en la projecció de Fischer s’anomena D‐gliceraldehid i L‐gliceraldehid l’enantiòmer d’aquest.

2

C

C

CH

H OH

OH

OH

C

C

CH2

OH H

OH

OH

HO H

CH2OH

CHO

Gliceraldehidun centre estereogènic: dos enantiòmers un és (+) i l’altre (‐).

H OH

CH2OH

CHO

51

AldohexosesEls carbohidrats amb el grup OH del darrer centre estereogènic a la dreta constitueixen la sèrie D.

52

AminoàcidsEls aminoàcids naturals tenen configuració L (es correspon a la configuració absoluta S).

53

Aminoàcids

54

Aminoàcids

55

Aminoàcids

56

AldosesEls sucres naturals són de la sèrie D.

triosa

tetroses

pentoses

hexoses

57

Cetosestriosa

tetrosa

pentoses

hexoses

58

Hemiacetals cíclics: glucosa

Hemiacetal de 6membres: forma piranosa.Hemiacetal de 5membres: forma furanosa. 

59

Hemiacetals cíclics: fructosa

60

S

carbonianomèric

R

carbonianomèric

Projeccions de Haworth

En produir‐se la ciclació, el grup carbonil es converteix en un nou centre estereogènic: carboni anomèric.La formació de l’hemiacetal origina dos nous compostos, diastereòmers entre si: anòmers.Si la configuració del nou centre és S, es tracta de l'anòmer .Si la configuració del nou centre és R, es tracta de l’anòmer .

61

Equivalència Haworth/Fischer

Per fer la projecció de Haworth cal adaptar la projecció de Fischer unint amb una línia els àtoms del nou enllaç, sense canviar l’esquelet basic de la forma original.Formes conformacionals 62

fructosa

glucosa

DisacàridsDisacàrids: s’originen per la formació d’un acetal entre dos sucres.

sacarosa

lactosa 63

cisSubstituents del 

mateix costat de la cadena principal

C C

H

R

R

H

C C

R

H

R

H

Alquens: Com que la rotació de l’enllaç C=C no és possible, la seva presència a la molècula dóna origen a estereoisòmers.Isòmers geomètrics / diastereòmers(un tipus d'isòmers configuracionals).

transSubstituents en 

costats diferents de la cadena principal

Isomeria cis‐trans

64

C C

CH3(CH2)6CH2 CH2(CH2)6CO2H

H H Àcid oleic(cis)

Isomeria cis‐transNomenclatura cis‐trans:

Útil quan hi ha un substituent igual en cadascun dels dos àtoms de carboni del doble enllaç.Ambigua quan tots els substituents són diferents.

C C

H F

Cl Br

1‐Bromo‐2‐cloro‐1‐fluoroetè(cis? trans?)

65

C CC C

Entgegen, E(en contra, oposat)

Zusammen, Z(junts)

prioritari

Nomenclatura E‐ZE: Substituents prioritaris en costats diferents.Z: Substituents prioritaris en el mateix costat.

prioritari prioritari

prioritari

Prioritat: ordre de número atòmic (regles de Cahn‐Ingold‐Prelog).66

Nomenclatura E‐Z

C C

H F

Cl Br

(Z)‐1‐Bromo‐2‐cloro‐1‐fluoroetè

E: Substituents prioritaris en costats diferents.Z: Substituents prioritaris en el mateix costat.

L’àtom de número atòmic més elevat té prioritat.

Cl>H Br>F

prioritari prioritari

67

Àcids grassosÀcids carboxílics no ramificats, sovint amb un nombre parell d'àtoms de carboni ( entre 12 i 20).Els més importants tenen 18C: esteàric, oleic, linoleic i linolènic.

OH

O

Oleic acid (C18)

OH

O

Linoleic acid (C18)

OH

O

Linolenic acid (C18)Arachidonic acid (C20)

OH

O

CH3(CH2)16COOH Stearic acid (C18)

C

C C

C

HH

C

C H

C

CH

Cis alkeneCommon in fatty acids

Trans alkeneRare in fatty acids

68

Z

69

Àcids grassosEls àcids grassos saturats són sòlids a temperatura ambient.La seva regularitat estructural els hi permet un empaquetament de les molècules que fa màxima la interacció intermolecular.

70

El àcids grassos insaturats són líquids a temperatura ambient.Els dobles enllaços cis interrompen la regularitat de l’empaquetament molecular.

Àcids grassos insaturats

71

Quiralitat en els sistemes biològicsEls aminoàcids són quirals i també les proteïnes.Els carbohidrats són quirals.Els àcids nucleics són quirals.

72

Quiralitat en els sistemes biològics

2

3

aspartamedulcorant

(S,S) dolç, (R,R) amarg

73

74

Anàlisi enantioselectiva en aliments

La major part dels components dels aliments són naturalment enantiomericamentpurs: L’anàlisi enantioselectiva en aquest context s’orienta a controlar possibles fraus (autenticitat) o bé la qualitat, sobre tot en aliments processats.  

Components aromàtics i saboritzants (origen natural/sintètic).

Identificació de marcadors per valorar autenticitat i/o adulteració.

Control i monitorització del processat i emmagatzematge:Fermentació i activitat microbiològica (vi/formatge).Avaluació del processat d’aliments (escalfament, …).Envelliment.

Control i monitorització dels additius alimentaris, contaminants,fàrmacs, i els seus metabòlits.

Additius tecnològics.Fàrmacs administrats a animals de granja.Contaminants ambientals.

Seguretat alimentaria i autentificació