estereoquimica.pdf

Luz Marina Jaramillo Ph. D. Depto. de Qumica

UNIVERSIDAD DEL VALLE VICERRECTORIA ACADMICA

DIRECCIN DE EDUCACIN DESESCOLARIZADA

CURSO DE

QUMICA ORGNICA GENERAL

AUTORA:

LUZ MARINA JARAMILLO PhD Profesora Titular Facultad de Ciencias - Departamento de Qumica

Santiago de Cali, 2002


ESTEREOQUMICA

INTRODUCCIN

OBJETIVOS ESPECFICOS

4.1 ESTEREOISOMERA: CLASIFICACIN DE ESTREOI SOMEROS

4.1.1 Enantiomeros

4.1.2 Diasteremeros

4.1.3 Confrmeros

4.2 CONCEPTO DE QUIRALIDAD

4.3 REPRESENTACIN CONVENCIONAL DE ENANTIOMEROS CON

UNO Y DOS CENTROS QUIRALES

4.3.1 Proyecciones con Frmulas de Bolas y Varillas

4.3.2 Proyecciones "Cua" (o frmulas bidimesionales)

4.3.3 Proyecciones Fisher

4.4 PROPIEDADES FSICAS DE LOS ENANTIOMEROS: ACTIVIDAD

OPTICA

4.4.1 Luz Polarizada en un Plano

4.4.2 El Polarimetro

4.4.3 Rotacin Especfica

4.4.4 Descubrimiento de la Enantiomera

4.4.5 Mezcla Racmica

4.4.6 Pureza Optica

4.5 PROPIEDADES QUMICAS DE LOS ENANTIOMEROS


4.6 CONFIGURACIN

4.6.1 Especificacin de la Configuracin: Nomenclatura de

Enantiomeros

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

Quirales: Diasteremeros y Compuesto Meso

4.7 ESTEREOQUMICA DINMICA

4.7.1 Resolucin de una Mezcla Racmica


INTRODUCCIN

La Qumica es sin duda una ciencia molecular-. Los fenmenos qumicos observable?,

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

est transformando.

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

los tomos o grupos en las molculas, se conoce como Estereoqumica.

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

Estereoqumica fue la sugerencia hecha independientemente por Le Bel (francs) y van't

Hoff (holands) en 1874 de que las molculas existen en forma tridimensional y que

el carbono en compuestos orgnicos adopta un arreolo tetrahedral. Esta suposicin

fue entonces, el punto de partida para explicar ciertos fenmenos ntimamente

relacionados con la Enantiomera o estudio de las molculas que tienen la propiedad de

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

Otra contribucin importante fue tambin, el reconocimiento de Louis Pasteur (1848-1853)

de que la actividad ptica era causada por estructuras disimtricas o quirales y que

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

estn relacionados entre si como lo est un objeto a su imagen especular.

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

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

la diferencia que puede


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

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

Las sustancias qumicas de origen biolgico que constituyen los alimentos ofrecen

infinidad de ejemplos donde la estructura molecular determina propiedades fsicas tan

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

Asf por ejemplo existen dos glucosas y slo una desempea 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 tambin

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

todos los aminocidos existentes se presentan dos formas espaciales

ligeramente diferentes pero slo uno de ellos tiene importancia biolgica. No

acabaramos si continuramos nombrando ejemplos. A travs de esta Unidad se

pretende introducir los conceptos estereoqumicos fundamentales.

La unidad est diseada para desarrollarla en 18 horas de estudio efectivo.


OBJETIVOS ESPECFICOS

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

1. Definir correctamente y ejemplificar los trminos estereoismeros, enantimeros,

diasteremeros y confrmeros.

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

3. Dada la frmula estructural completa de un compuesto con uno o dos centros quiral es representarla en el papel con proyecciones Fisher.

4. Describir el fenmeno de Actividad Optica.

5. Dada la rotacin observada de una sustancia, su concentracin en la solucin y la

longitud del tubo polarimtrico calcular la rotacin especifica de esa sustancia.

6. Enumerar las partes esenciales de un polarmetro.

7. Dada la frmula estructural de un compuesto orgnico quiral, dibujar su par de anantimeros y designar su configuracin con R/S.

8. Dada la frmula estereoqumica (en cualquier proyeccin) de un aminocido o carbohidrato designarlo como D o L.

9. Dado la frmula estereoqumica de un enantimero con centros


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

10. Definir los trminos: modificacin pacrnica y pureza ptica.

11. Dadas las frmulas de un par de estereoismeros identificarlos como diasteremeros, estructuras meso o un par de enantimeros.

12. Describir en trminos generales los mtodos que se conocen para la resolucin de modificaciones racmicas.

4.1 ESTEREOISOMERA: CLASIFICACIN DE ESTEREOISMEROS

La isomera se defini previamente como el fenmeno medante el cual dos o mas

compuestos diferentes se representan por medio de frmulas moleculares idnticas.

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

son ismeros que difieren porque sus tomos estn unidos en diferente orden. Tambin

debe recordarse que dentro de los ismeros existen otros denominados

estereoismeros los cuales se refieren a aquellas molculas que tienen sus tomos o

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

Ellos se clasifican a su vez en:

4.1.1 Enantimeros

Los enantimoros o enantiomorfos del griego, enantios, opuesto; morphe, forma) tambin

llamados ismeros pticos son compuestos que poseen propiedades fsicas y

qumicas casi idnticas. Se diferencian tan poco estructuralmente que de todas las

mediciones fsicas 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 Polarmetro (Sec. 4.4.2).

Los enantimeros se definen como pares de estreo ismeros no interconvertibles entre s por rotacin alrededor de enlaces simples y cuyas imgenes especulares no son superponibles.

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

analizar mas adelante (Sec. 4.2).

4.1.2 Diasteremeros

Son pares de estereoismeros no interconvertibles entre si por rotacin alrededor de enlaces C-C, ni tampoco son imgenes especulares.

Pueden ser quirales y por tanto presentar el fenmeno de actividad ptica.

En este grupo tambin se incluyen los "ismeros geomtricos" cis y trans de los

alquenos y de los cicloalcanos.

Los diasteremeros presentan propiedades fsicas diferentes (e.g. punto de fusin, punto de

ebullicin, solubilidad, etc.) y por tanto son separables por mtodos -fsicos

convencionales.

4.1.3 Con f rmer os

Adems de la constitucin y configuracin hay un tercer nivel significativo en la

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

ordenamientos moleculares discretos generados por rotacin alrededor de enlaces

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

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respectivamente).

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

a los enantimeros o ismeros pticos.

4.2 CONCEPTO DE QUIRALIDAD

Quiralidad es sinnimo de disimetra. El trmino general se relaciona con la palabra

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

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

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

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

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

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

ejemplo una molcula con un solo tomo de carbono unido a dos sustituyentes idnticos

es aquiral. (Figura 4.2)

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

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

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

tomos de carbono est unido a cuatro grupos diferentes.

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

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Una molcula quiral se presenta en dos formas espaciales llamadas enantimeros de tal

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

polarizada. As se concluye que la quiralidad es la condicin necesaria y suficiente para la

existencia de enantimeros.

Cmo se establecer si una molcula (o configuracin molecular) es quiral?

En primer lugar la caracterstica estructural ms comn (pero no la nica) que da lugar a

la quiralidad en las molculas, es la presencia de un tomo de carbono sp3 unido a

cuatro tomos o grupos diferentes. Se dice entonces que la molcula posee un centro

quiral (o carbono asimtrico).

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

quirales. La mayora de las molculas que estudiaremos tendrn al menos un centro

quiral y partirn del arreglo tetrahdrico de metano:

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

quiral o carbono asimtrico con un asterisco (*):

2Butanol Acido 2-hidroxipropanoico

(alcohol sec-butlico) (Acido lctico)

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c)

d)

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

e)


2,3-dihidroxipropanal

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

representaciones convencionales de enantimeros.

4.3.1 Proyecciones con Frmulas de Bolas y Varillas

En esta convencin el centro quiral (o tomo de carbono asimtrico) se

representa como una bola, los grupos o tomos 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 atrs del plano). Fig. 4.4.

a) 2-Metil-1-butanol

b) 2.3.4-tri-Hidroxibutanal CEritrosa)

CHO CHO

CH20H

Figura 4.4 Frmulas de Bolas y Varillas

14 Luz Marina Jaramillo Ph. D. Depto. de Qumica

4.3.2 Proyecciones "Curra" (o frmulas bidimensionales)

En esta representacin el carbono quiral est unido a dos tomos o grupos mediante

enlaces representados con trazo sencillo. Otro tomo (o grupo) se dibuja conectndolo

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

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

representaciones para las mismas molculas 2-


Figura 4.5 Frmulas 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. Tambin en la Fig. 4.5 c> se muestra otra

representacin para la molcula 2,3,4-trihidroxibutanal (con dos centros quinales).

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

Observe que en las frmulas bidimensionales slo se cambian de posicin relativa

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

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

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

tener el mismo enantimero original.

En las frmulas de Fischer y de bolas y varillas tambin se cambian slo dos

tomos o grupos.

4.3.3 Proyecciones Fisher

A fines del siglo XIX el qumico alemn Emil Fischer propuso frmulas de

proyeccin para mostrar la disposicin en el espacio de los grupos unidos a los

tomos de carbono quirales. Estas frmulas se llaman proyecciones Fischer y

fueron ideadas en su momento para representar molculas de azcares.

Una proyeccin de Fischer no es mas que una manera taquigrfica de representar

una frmula de bolas y varillas.

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

todos los sustituyentes eclipsados, unidos a travs de lneas horizontales y

verticales donde el punto de

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interseccin representa un tomo de carbono quiral. Cada lnea horizontal representa un enlace

dirigido hacia el observador, mientras que la lnea vertical representa enlaces dirigidos hacia atrs,

lejos del observador (Fig. 4.6).

2,3,4-trihidroxibutanal (eritrosa)

Figura 4.6 Proyecciones Fischer

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

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

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


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

Todos los enlaces eclipsados

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

proyeccin 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 proyeccin

Newman .

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

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

seguimos teniendo el mismo enantimero.

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

proyeccin 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 tomo de carbono o tomos de carbono asimtrico(s) e indquelo(s) con un

asterisco en cada una de las siguientes

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molculas.


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 frmulas de bolas y varillas, proyecciones Fischer y frmulas

bidimensionales los dos enantimeros de las molculas quirales de las pginas 12 y

13.

Solucin:

(Para las molculas a) y c):

a) 2-Butano

Frmulas de Bolas y Varillas

Proyecciones Fisher

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Proyecciones Bidimensionales ("Cua)

c) 2,3-Dihidroxipropanal (Gliceraldehdo)

Observe que aqu se cambi la posicin relativa de los grupos de los enlaces en el

mismo plano.

Contine el ejercicio para las molculas restantes de las Pg. 12 y 13

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Ejercicio 4.3

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

icopor de diferentes tamaos (o colores), para simular los tomos O grupos de uno de

los enantimeros de Gliceraldehdo. Colquelo frente a un espejo y construya la

imagen del espejo que ser el otro enantimero. Trate de superponerlos entre s (es

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

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

el original y la imagen de espejo?

Qu conclusin obtiene de este ejercicio?

Ejercicio 4.4

Represente con frmulas Fischer y s i l l a de caballo los enantimeros c) y d) del

ejercicio 4.1

4.4 PROPIEDADES FSICAS DE LOS ENANTIMEROS: ACTIVIDAD PTICA

Con la excepcin de la quiralidad, las estructuras de un par de enantimeros son las

mismas y como se mencion antes casi todas las propiedades fsicas son idnticas.

Por ejemplo, cada enantimero puro de un par tiene el mismo punto de fusin o punto

de ebullicin, la misma densidad, etc. La nica propiedad fsica que los diferencia es la

direccin de rotacin (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 electromagnticas que poseen

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

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

propagan en todos los medios (incluido el vaco) y vibran en un nmero infinito de

planos perpendiculares entre s a la direccin de propagacin.

La luz ser monocromtica (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 lmpara de sodio es una fuente de luz monocromtica amarilla que se

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

monocromtica, el la vibra en todos los planos posibles que pasan por su lnea de

propagacin (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 lnea de propagacin actan a

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

slo vibrar 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) tambin 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 blsamo del Canad). Tambin se puede polarizar un rayo de luz

hacindolo pasar a travs del material llamado Polaroid.

Una substancia pticamente activa es la que desva el plano de la luz polarizada en un

ngulo determinado.

Figura 4.8 Rayo de Luz Polarizada en un Plano

4.4.2 El Polarmetro

El polarmetro es un instrumento que se emplea para detectar y medir la actividad ptica

de las sustancias (Fig. 4.9).

Cuando el tubo est vaco, puede observarse que el mximo 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 mximo de luz (o que se

extinga por completo).

Si la sustancia no afecta el plano de luz polarizada, la transmisin lumnica sigue

siendo mxima y se dice que el

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compuesto es pticamente inactivo.

Figura 4.9 Representacin esquemtica de las partes esenciales de un polarmetro

Si la rotacin 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

dextrgira (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 levgira (del latin, laevus, "izquierda"). La direccin de rotacin se especifica

en el nombre del compuesto pticamente activo por (+) para dextrgiro y (-) para

levgiro. (En la literatura mas antigua se han usado las letras minsculas d para

dextrgiro y l para levgiro) .

Puede medirse la magnitud de la direccin del giro de la lente mediante el ngulo de

giro en grados.

La cantidad de rotacin en grados no es una constante para un enantimero dado, e l la depende de:

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a) longitud del tubo que contiene la muestra

b) temperatura

c) solvente

d) concentracin (para soluciones); presin para gases

e) longitud de onda () de la luz empleada

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

condiciones son idnticas.

4.4.3 Rotacin Especfica

La rotacin especfica []DtC es la cantidad de rotacin por 1.00 g de muestra en 1.00 ml de solucin en un tubo de longitud 1 dm (10 cm) a una temperatura y longitud de

onda () especficas. La longitud de onda mas comnmente usada es 589.3 nm (lnea D del sodio), donde 1.0 nm = 10- 9 m, La rotacin especfica para un compuesto (a

20C, por ejemplo) puede calcularse de la rotacin observada () por la siguiente frmulas

[]D20 = / lc ( 4. 1)

donde: []D20 = rotacin especfica a 20 C = rotacin observada (en el polarmetro) a 20C l = longitud de la celda o tubo que contiene la muestra en dm

c = concentracin de la muestra en solucin en g/ml

La rotacin especfica es una propiedad tan importante y caracterstica de un

compuesto como lo son sus puntos de fusin, de ebullicin y su densidad. Por ejemplo, la

rotacin especfica

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de una solucin acuosa de sacarosa (o azcar de mesa) es []D20 = +66.5 , se dira entonces que tal sustancia es dextrgira y se designara como ( + ) - sacarosa.

Los enantimeros del 2-octanol presentan las siguientes propiedades fsicas:

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


p.e.

[d]420

[n]D20

[]D17

86 (20 mm)

0.821

1.4264

+9.9

86 (20 mm)

0.821

1.4264

- 9.9

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

de luz polarizada.

4.4.4 Descubrimiento de la Enantiomera

La actividad ptica recin descrita fue descubierta en 1815 por el fsico francs Jean-

Baptiste Biot (College de France).

Pero quien hizo el descubrimiento de los ismeros llamados enantimeros, que

presentan ciertas sustancias, fue el qumico Louis Pasteur (Ecole Nrmale de Paris) en

1848. Para adquirir

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alguna experiencia en cristalografa, l estaba repitiendo el trabajo anterior de otro

qumico sobre sales del cido tartrico, cuando observ algo sorprendente: el tartrato de

sodio y amonio, aparentemente pticamente inactivo, exista como una mezcla de dos

clases diferentes de cristales los cuales eran imgenes especulares entre s.

Empleando una lupa y pinzas, separ la mezcla cuidadosamente en dos montculos

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

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

mientras la solucin de la muestra original de aquellas sales, era pticamente inactiva,

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

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

las dems propiedades, ambas sustancias era idnticas.

Puesto que la diferencia en rotacin ptica fue observada en solucin, Pasteur

concluy que no se trataba de una caracterstica de los critales, sino de las

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

conformaban eran imgenes especulares entre si: acababa de descubrir el

fenmeno de la enantiomera.

Ejercicio 4.5

La concentracin de colesterol disuelto en cloroformo es 6.15 g por 100 ml de solucin.

a) En un tubo polarimtrico de 5 cm, una porcin de esta solucin produce una a

(rotacin observada)

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= -1.2. Cul es la rotacin especfica de colesterol? b) Pronostquese (rotacin observada), si la misma solucin se colocara en un tubo de 10 cm.

Solucin:

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

l = 0.5 dm

= -1.2 []D20 = -1.2 = - 39 0.0615 x 0.5

b) 39 = fksdfjdsf 0.0615 x 1.0

=> = 39 x 0.0615 x 1.0 = - 2.4

4.4.5 Mezcla Racmica

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

racmica o modificacin racmica. Una mezcla racmica es pticamente inactiva

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

enantimero es cancelada por la rotacin igual y opuesta del otro.

Por supuesto que una solucin de un compuesto aquiral tambin es pticamente

inactiva pero el origen de esta inactividad es diferente.

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

(En la literatura antigua se usaba el

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prefijo dl). Una muestra de gliceraldehdo racmico por ejemplo se llamar () -

gliceraldehdo y debe estar constituido por 50% de (+)- gliceraldehdo, []D20 = +8.7 y 50% de (-)- gliceraldehdo []D20 = -8.7.

La coincidencia en la mayora de las propiedades fsicas de los enantimeros tiene una

consecuencia de gran importancia prctica. No pueden ser separados por mtodos

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

ebullicin son idnticos, ni por cristalizacin fraccionada, pues sus solubilidades en un

solvente determinado son idnticas (a menos que el disolvente sea pticamente activo);

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

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

separacin de una modificacin racmica en sus enantimeros (o resolucin de una

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

mtodos de resolucin de mezclas racmicas. Se dice que la primera resolucin

fue la efectuada por Pasteur (Sec. 4.4.4). Sin embargo, este mtodo es prcticamente

inti l , puesto que las modificaciones racmicas raras veces forman cristales en forma

de imgenes especulares. El mtodo de resolucin que casi siempre se emplea

(tambin descubierto por Pasteur) implica el uso de reactivos pticamente activos y

se describir mas adelante (Sec. 4.7.1).

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4.4.6 Pureza ptica

La pureza ptica es la medida del exceso de un enantimero sobre otro en una

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

enantimero. Una mezcla racmica es 0% en pureza ptica (ya que el 50% de un

enantimero cancela la actividad ptica del 50% del otro enantimero).

Por otro lado, una muestra pticamente activa que contenga 75% de un enantimero

dextrgiro (+ ) y 25% del levgiro (- ) ser solamente 50% pticamente pura. Esto

es: 25% del enantimero ( + ) cancelar la actividad ptica del 25% del enantimero ( - ),

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

rotacin neta del plano de la luz polarizada.

El porcentaje de pureza ptica se mide comparando la rotacin especfica de la

muestra, a aquella del estereoismero puro o []max y aplicando la siguiente ecuacin: **

[]Dt(C)Muestra % Pureza Optica = ---------- ---------------------------- 100 (4.2)

[]Dt(C) Enantimero PuroPor ejemplo, para cada enantimero del cido lct ico las rotaciones especficas a

15C son respectivamente:

Acido- (-) lctico Acido-(+)- lctico []D15C = -3.82 []D15C = +3.82

Entonces, una muestra de cido lctico con 50% de pureza ptica produce una

rotacin especifica de +1.91 o -1.91 (0.5 x 3.82) dependiendo de cul enantimero

est en exceso.

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Asumiendo que hay una relacin lineal entre la rotacin especfica [] y la concentracin de los enantimeros (lo cual es verdad para la mayor parte de los casos),

la pureza ptica es tambin igual al porcentaje en exceso de un enantimero sobre el

otro:

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

(4.3)

Ejercicio 4.6

El (+)-2- yodobutano tiene una rotacin especifica: []D24C = 15.9

a) Cual es la rotacin observada (a la misma temperatura) de una mezcla equimolar de (+) y (-)-2- yodobutano?

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

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

c) Cul es la rotacin observada de esta mezcla?

Solucin:

a) Si es una mezcla equimolar de los dos enantimeros = 0 porque la rotacin del 50% de las molculas dextrgiras cancela

la rotacin de la otra mitad de molculas levgiras.

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

= 50% (+) -yodobutano

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

c) obs = -0.5 x 15.9 = +7.95

4.5 PROPIEDADES QUMICAS DE LOS ENANTIMEROS

Los enantimeros tienen propiedades qumicas idnticas, excepto frente a reactivos pticamente activos.

As, los dos cidos lcticos (+) y (-) CH3-CH-COOH, no slo son cidos, sino que

OH

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

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

slo forman los mismos productos (alquenos) por tratamiento con cido

sulfrico caliente:

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

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

influenciados en su reactividad por exactamente la misma combinacin de

sustituyentes. El reactivo que se acerca a ambos tipos de molcula 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 pticamente activo, por el contrario, las

influencias ejercidas sobre l durante el ataque a los enantimeros no son idnticos

por que la velocidad de reaccin ser diferente, en algunos casos tan diferente, que un

estereoismero no reacciona del todo.

Por ejemplo, en sistemas biolgicos esta especifidad estereoqumica es mas bien

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

capital, y la mayora de las sustancias sobre las que actan, son pticamente activos.

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

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

configuraciones adecuadas a fin de ser tiles al organismo. Por ejemplo el azcar

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

animal y sirve de base para una industria de fermentacin 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 monosdica del aminocido cido (+)-

glutmico, la misma sal de su enantimero 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 cidos tartricos enantimeros, slo consume

el enantimero dextrgiro dejando intacto el cido tartrico levgiro. La actividad

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

enantimero dextrgiro.

33


(+)-Glucosa Acido- (+)- glutmico

Acido- (-) - tartrico

(-)-Adrenalina (+)- Carvona

Como ltimo ejemplo, el olor caracterstico 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 estereoqumica (estereoespecificidad)

considrense las reacciones de dos enantimeros con un reactivo pticamente

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

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

transicin de ambas reacciones son imgenes especulares (enantimeros) as que

tambin tienen la misma energa. En consecuencia, las diferencias en energas

entre

34

Figura 4.18 Comparando los diagramas de energa para la reaccin de cada enantimero de un compuesto pticamente activo con un reactivo pticamente inactivo.

reaccionantes y estados de transicin (las Eact) son iguales, como tambin la velocidad

de reaccin.

Considrese, ahora, las reacciones de dos enantimeros con un reactivo pticamente

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

dos estados de transicin no son imgenes especulares (son diasteremeros Sec. 4.1.2),

por lo que son energticamente diferentes: las Eact son distintas, como tambin las

velocidades de reaccin.

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

Los enantimeros exhiben propiedades diferentes (fsicas o qumicas) solamente en un medio quiral.

35


Un medio quiral (asimtrico) puede ser entonces el reactivo pticamente activo, que

reacciona a velocidades diferentes con los enantimeros, como se mencion arriba.

Pero tambin puede ser: un disolvente quiral el cual tambin diferenciara la

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

o la luz polarizada que en su naturaleza ntima proporciona un ambiente asimtrico

para su interaccin con los electrones de las molculas quirales que es lo que produce

la actividad ptica.

4.6 CONFIGURACIN

El arreglo de cuatro tomos o grupos alrededor de un tomo de carbono quiral (o centro quiral) se denomina configuracin absoluta alrededor de aquel tomo.

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

de la rotacin alrededor de enlaces.

La definicin de configuracin absoluta significa que un par de enantimeros tienen

configuraciones opuestas. Por ejemplo los dos enantimeros del gliceraldehdo tienen

las configuraciones I y II

36


Pero cul de las frmulas estructurales representa el enantimero dextrorotatorio y cul

el levorotatorio? Hasta 1951 los qumicos no lo saban!

Sin embargo, se saba que el (+)-gliceraldehdo y el cido (-)-glicrico (2,3-

dihidroxipropanoico) tenan la misma configuracin alrededor del carbono 2 aunque ellos

rotaban el plano de la luz polarizada en direcciones opuestas.

En otras palabras I II era dextrgiro y el que lo fuera tendra el OH al mismo lado

que el cido glicrico levgiro. Aunque los qumicos no supieran las configuraciones

absolutas de tales compuestos y de otros muchos, pticamente activos poda hablarse

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

de compuestos pticamente activos (especialmente de inters biolgico) se haban

relacionado al (+)-gliceraldehdo al cual Rosanoff (1986) le haba asignado

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

M. Bijvoet en la Universidad de Utrecht en Holanda demostr, a travs de estudios con

difraccin de rayos X, que la suposicin de Rosanoff era correcta.

Automticamente quedaron confirmadas las configuraciones absolutas para

todos aquellos compuestos relacionados al (+)-

37



gliceraldehdo (I).

Debe recordarse que la direccin de rotacin del plano de la luz polarizada por un

enantimero particular es una propiedad fsica. Por otro lado, la configuracin absoluta

de un enantimero particular es una caracterstica de su estructura molecular. No hay

relacin simple entre la configuracin absoluta de un enantimero particular y su

direccin de rotacin del plano de luz polarizada. Como se dijo, el enantimero del cido

glicrico (I I I) con la misma configuracin que el (+)-gliceraldehdo (I) es levgiro.

4.6.1 Especificacin de la Configuracin: Nomenclatura de Enantimeros

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

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

configuracin absoluta de la molcula alrededor de cada carbono o centro de quiral.

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

determinado compuesto quiral.

4.6.1.1 Sistema de nomenclatura D, L o Convencin Fisher

Esta convencin fue la primera conocida y emplea las letras maysculas D o L para

asignar uno de los dos enantimeros. Para aplicarla se relaciona la configuracin

en el centro

38

asimtrico con aque l la del estndar escogido por Fisher el gliceraldehdo. El

design el enantimero dextrgiro (+) (que hoy sabemos su configuracin absoluta)

con la letra D (mayscula) y el enantimero levgiro (-) con la letra L:

D-(+)-gliceraldehdo L-(-)-gliceraldehdo

O sea que segn la proyeccin Fisher el gliceraldehdo que tenia el OH a la derecha era

el D y coincidencialmente result ser el dextrgiro. Al mismo tiempo aquel que tena el

OH a la izquierda era el L.

Como el D-(+)-gliceraldehdo (una aldotriosa) poda relacionarse qumicamente al resto

de monosacridos y otros compuestos de inters biolgico ya que estos pueden

obtenerse a partir del gliceraldehdo, resultaron las dos familias pticas D y L. As,

aquellos compuestos biolgicos (monosacridos, ciertos cidos orgnicos, etc.) que

pertenecen a familia ptica D debern presentar una configuracin similar a la del D-

(+)-gliceraldehdo (OH a la derecha) en el penltimo carbono o lt imo centro quiral, al

usar una proyeccin Fisher para representar la molcula.

Ejemplos

39


Observe que los signos (+) o (-) que designan la rotacin del plano de luz polarizada no se relacionan con las letras maysculas D o L.

En los ejemplos b) y c) se encierra en un rectngulo el ltimo

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

40


Por otro lado todos los -aminocidos* excepto la glicina que es aquiral , pueden existir como enantimeros, los cuales pertenecen a una u otra de las familias pticas D o L. Aqu, el

compuesto de referencia es el aminocido serina:

L-(-)Serina (+) -Serina

y la proyeccin Fisher (o de bolas y varillas) donde el grupo amino est a la izquierda

representa el enantimero L. En la naturaleza todos los -aminocidos obtenidos de la hidrlisis de protenas tienen la configuracin L en el tomo de carbono , y esta configuracin es la que corresponde a la proyeccin Fisher donde el grupo amino est a la

izquierda.

Ejercicio 4.7

Designar los siguientes compuestos de inters biolgico como D o L:

_______________

* La letra griega aqu, se refiere al carbono adyacente al grupo carboxilo y al cual est unido al grupo amino.


Ejercicio 4.8

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

compuestos:

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

un Centro Quiral

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

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

enantimeros y que adicionado al sistema IUPAC permitira escribir su estructura

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

los sustituyentes de un estndar sino al criterio objetivo de los nmeros atmicos.

Este sistema ut i l iza las letras maysculas R y S para designar la configuracin de

cada centro quiral (o carbono asimtrico) en una molcula quiral. A diferencia del

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

molcula y no solamente uno. La letra R procede del latn rectus, "derecha", mientras

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

quiral, un enantimero ser R y el otro S.

Para molculas con dos o ms centros quirales (Sec. 4.6.2) se

42


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

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

Para asignar una configuracin R, S a una molcula quiral con un solo centro quiral

se realizan las siguientes etapas:

Etapa 1

Ordne los cuatro grupos (o tomos) unidos al carbono quiral, en orden de prioridad

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

Estas reglas de secuencia se resumen en lo siguiente:

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

depende del nmero atmico (Z):

El tomo con el mayor nmero atmico tiene la prioridad mas alta.

Por ejemplo, en el cido cloroyodometanosulfnico (V):

b) Si dos tomos unidos al carbono quiral son idnticos pero hacen parte de grupos

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

atmicos de los

43


tomos siguientes. Si estos tomos tambin estn enlazados a tomos idnticos se

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

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

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

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

mayor nmero atmico. Entre el grupo etilo y el metilo la prioridad es para el grupo etilo

donde el tomo de carbono est unido a otro carbono y dos hidrgenos

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

hidrgenos

44


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

grupo mas ramificado. Pero basta con que al menos uno de los tomos siguientes al tomo unido

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

Las dos reglas anteriores del sistema Cahn-Ingold-Prelog permiten hacer la designacin 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 mltiples es necesario

aplicar la regla siguiente.

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

manera como si los tomos 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 -CC-H tiene prioridad sobre el grupo tert-butilo:

Ejercicio 4.9

Ordene los siguientes tomos 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, cul tiene mayor

prioridad?

Etapa 2

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

contina el proceso de asignar la configuracin. Para ello proyecte la frmula molecular (o

modelo) con el grupo

46



menor hacia atrs (en la posicin mas alejada del observador). Esto se hace a travs

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 podra cambiar la configuracin verdadera.

Un determinado enantimero puede visualizarse a travs de muchas

proyecciones pero siempre ser el mismo. De all que es importante usar modelos y

representar sus proyecciones en el papel.

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

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

prioridad que est hacia atrs no se tiene en cuenta.

Etapa 4

Si la direccin de la flecha tiene el sentido de las manecillas del reloj, la configuracin es

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

ilustrar el procedimiento completo con el compuesto cido

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

primero una proyeccin de bolas y varillas tendremos:

47

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

es S.

El nombre completo de ese compuesto ser entonces:

Acido (S)cloroyodometanosulfnico (Va)

Ejercicio 4.11

Nombre sistemticamente y asignando la configuracin absoluta los siguientes enantimeros:

Solucin:

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 atrs.

b) Etapa 1

Etapas 2, 3, 4

CHO

(R)-2,3-dihidroxipropanal

(R-(+)-gliceraldehdo)

c) Hgalo ud.?

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

ptica.

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

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

la frmula molecular para que el grupo menor quede hacia atrs.


La proyeccin que usamos de bolas y varil las para el cido Va puede

representarse tambin con una proyeccin Fis donde sabemos que los

sustituyentes en la lnea vertical salen hacia atrs del plano del papel y aquellos

sobre la lnea 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 hidrgeno).

Segn la direccin de esta flecha (en el sentido de las manecillas del reloj) se

tratara de la configuracin R. Pero nosotros sabemos que el hidrgeno en esta

proyeccin est hacia adelante por tanto la configuracin no es R sino S (la que

obtuvimos anteriormente).

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

La configuracin es S ya que el hidrgeno est hacia atrs.

50


Ejercicio 4.12

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

nmbrelos correctamente:

b) Represente con frmulas de bolas y varillas o proyeccin Fischer los

siguientes compuestos pticamente activos:

i) acido ( R )-2-bromopropanoico

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

iii) (S)-1-feniletilamina

Avuda: Primero escriba la frmula estructural ignorando la

configuracin. Luego identifique el carbono quiral (o sea el que est unido a

cuatro grupos diferentes) y por ltimo proyecte la frmula de tal manera que el

sentido de la flecha produzca el enantimero solicitado.

Solucin:

Luz Marina Jaramillo Ph. D. 51

Depto. de Qumica

pr oyec c i on es:

Por el sentido de la flecha sera el enantimero S pero el H est hacia adelante. Entonces es el

enantimero R que nos pidieron.

Resuelva Ud, los otros dos!

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

Diasteromeros y Compuestos Meso

Hasta aqu todas las molculas quirales que se han mencionado slo contienen un tomo de

carbono quiral. Sin embargo, muchas molculas orgnicas contienen ms de un carbono quiral.

La molcula de glucosa (un carbohidrato) en su forma ms simple contiene cuatro tomos de

carbono quirales.

Existe una regla til que ayuda a determinar cuntos estereoismeros se esperara

encontrar en un compuesto semejante a este:

El nmero total de estereoismeros para un compuesto pticamente activo no exceder a 2n, donde n es el nmero de centros quirales.

52


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

4), si hay tres centros, sern hasta ocho estereoismeros (23 = 8 ) , si hay cuatro

centros como en la glucosa existirn hasta diecisis (24 = 16). Efectivamente en la

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

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

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

compuesto cuyas molculas contienen dos tomos de carbono quirales, el 2,3-

pentanodiol:

Si aplicamos la regla de 2 , tendremos 4 estereoismenos. Cules son?

Se empieza escribiendo una frmula de bolas y vari l las (o proyeccin Fischer) y

despus la de su imagen de espejo.

VIlla VIIIb

Empleando modelos podramos construir primero la estructura VIlla y luego su

imagen especular VIIIb y se prueba si son superponibles. (Tambin 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

estereoismeros que llamamos enantimeros porque son imgenes de espejo entre s.

Tambin es posible escribir otras dos estructuras IXa y IXb que son tambin imgenes

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

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

4 estereoismeros posibles del 2,3pentanodiol .

Cul ser la relacin estereoisomrica entre VI l la y IXa; VIIIb y IXb; VIlla) y VlIIb);

V l I Ib y IXa?

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

tampoco son imgenes de espejo. Son por tanto diasteremeros ( Sec. 4.1.2).

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

estereoismeros, pero puede tener menos de esa

54


cantidad.

Considrese el compuesto 2,3-butanodiol :

Tiene dos centros quirales y esperaramos cuatro estereoismeros. Dibujemos primero las

proyecciones donde los dos -OH estn del mismo lado:

Si construyramos modelos de Xa y de Xb y los hacemos superponer entre s,

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

Esta confirmacin tambin podemos efectuarla, si giramos 180 la proyeccin de Xb y la

comparamos con Xa:

Cmo es posible entonces que las imgenes especulares con dos carbonos

quirales se puedan superponer? La respuesta es que al

55


menos en una orientacin esta molcula tiene un plano interno de simetra. La mitad

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

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

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

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

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

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

opuestas):

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

56


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

meso X y el par enan timeros XIa y XIb.

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

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

frmulas 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

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

que estn 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 molculas del mismo

compuesto.

Para finalizar con esta seccin se asignar la configuracin R o S a los centros quirales

de algunos de los estereoismeros mencionados.

Escogemos para ello los estereoismeros: 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 l, 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 sera: (S,R)-2,3- pentanodiol.



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

pentanodiol, es tarea fcil asignar las de los estereoismeros restantes, basta comparar

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

orientacin o si es contraria:

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

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

butanodiol.

Toda la discusin anterior puede extenderse a compuestos con un mayor nmero de

centros quirales.

Ejercicio 4.13

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

compuestos:

a) CH3CH(Br)CHCH3b) HOOC-CHC(OH)CH

f) Cules de los que pueden llamarse diasteremeros son tambin ismeros geomtricos?

Ejercicio 4.15

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

compuestos:

60



4.7 ESTEREOQUMICA DINMICA i

La estereoqumica dinmica se refiere al estudio de las reacciones qumicas

donde participan estereoismeros ya sea porque se generan centros quirales desde

molculas reactantes aquirales, o porque participan molculas pticamente activas

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

pormenorizadamente la estructura espacial de una molcula reaccionante para predecir o

explicar mediante un mecanismo conocido el posible producto estereoisomrico o

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

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

el verdadero curso mecanstico de la reaccin y as el estudio estereoqumico de la

misma constituye una evidencia o soporte experimental para formular el mecanismo

mas probable de esa reaccin.

Tambin dentro de la estereoqumica dinmica se estudian los procedimientos para

resolver mezclas racmicas o sea la separacin de un par de enantimeros que

resultan en una determinada reaccin.

Una comprensin profunda de la qumica orgnica implica estudiar estereoqumicamente

la reaccin orgnica siempre que participen molculas quirales. Por otro lado, la penetracin

cada vez mayor en la Biologa Molecular o la Qumica de las reacciones biolgicas

donde casi todos los procesos implican compuestos pticamente activos, ha

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

qumicos no se

61


contentan ya con generar ciertas molculas quirales como mezclas racmicas para

luego resolverlas y obtener el estereoismero de inters sino que su objetivo principal es

disear reacciones con catalizadores quirales que garanticen la mayor produccin de un

estereoismero dado.

No es de la incumbencia de este curso llegar a tal manejo de la estereoqumica pero s

debe quedar claro que la estereoqumica es un aspecto de la qumica muy fundamental

y debe tenerse algn conocimiento de ella.

4.7.1 Resolucin de una Mezcla Racmica (Opcional)

La. separacin fsica en el laboratorio de una mezcla racmica en los enantimeros puros,

se llama resolucin de, o resolver la mezcla racmica. La separacin de Pasteur

(Sec. 4.4.4) del tartrato de sodio y amonio racmico fue una resolucin de esa

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

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

resolucin.

El procedimiento mas ti l para la separacin o resolucin de un par de enantimeros se

basa en permitir que la modificacin racmica reaccione con un solo enantimero de

algn otro compuesto. Mediante esta reaccin la modificacin racmica se convierte en

una mezcla de diasteremeros los cuales por tener propiedades fsicas diferentes

(Sec. 4.1.2) pueden separarse por mtodos fsicos convencionales como destilacin,

cristalizacin fraccionada, cromatografa, etc.

62

Supngase que se desea resolver la modificacin racmica de un cido orgnico: (R)-

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

amina produce una sal de acuerdo a la reaccin:

Si hacemos reaccionar la mezcla racmica del cido carboxlico con el enantimero de

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

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

Figura 4.11 Resolucin de la modificacin racmica de un cido orgnico

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

acuoso, para precipitar el cido

63


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

pasa a la fase acuosa.

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

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

A su vez una mezcla racmica de aminas (que son bases orgnicas) puede resolverse

empleando uno de los enantimeros del cido tartrico.

Por ltimo, otros compuestos racmicos que no son ni cidos ni bases se resuelven

unindoles primero una parte cida. Por ejemplo, un alcohol racmico puede

reaccionar con un anhdrido de cido, cclico para obtener un producto que es al mismo

tiempo un ster y un cido.

Este cido racmico ya es posible convertirlo a una mezcla de sales diastereomricas

por reaccin con una amina pticamente

64


activa. Las sales se separaran y se convertiran nuevamente a los cidos

enantiomricos como se describi en la Fig. 4.11.

Para recobrar los alcoholes se hace reaccionar cada cido enantiomrico con

NaOH (ac.) para saponificar el ster de acuerdo a la reaccin:

Ejercicio 4.15

El cido ()-lctico (p.40) reacciona con el (S)-(-)-2-metil-1-butanol

produciendo una mezcla de steres.

a) Escriba las frmulas tridimensionales de estos steres.

b) Cul es la relacin estereoqumica entre el los?

c) Podran separarse los steres por des t i lac in fraccionada?

d) Podra utilizarse esta reaccin como base para resolver el cido ()-lctico?

e) Si es as, cmo podran obtenerse los enantimeros del cido lctico?

65


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