Estreoquimica

Química Orgánica Avanzada José Luis Ravelo Socas

1

Tema 2 Principios estereoquímicos.

2.1 QUIRALIDAD Y ELEMENTOS DE SIMETRÍA.

Cuatro aspectos generales definen la estructura de la molécula:

1. Composición. Clase y número de átomos que dan lugar a la molécula.

2. Conectividad. Forma en que los átomos se enlazan entre sí.

3. Configuración. Los “isómeros configuracionales” pueden ser enantiómeros o

diastereoisómeros (ambos presentan igual composición y conectividad).

• Enantiómeros. Son esteroisómeros que son imágenes especulares uno del otro.

• Diastereoisómeros. Son esteroisómeros que no son enantiómeros.

Ejemplo: ácido tartárico.

CO2H

OHH

HHO

CO2H

CO2H

HHO

OHH

CO2H

CO2H

OHH

OHH

CO2H

A B C

A y B son enantiómeros

A y C son diastereoisómeros

B y C son diastereoisómeros

4. Conformación. Orientación en el espacio de los átomos de una molécula, como resultado de

rotaciones alrededor de enlaces sencillos.

Cl

H H

ClH

H

Cl

H H

HH

Cl

Cl

H H

HCl

Hgauche gaucheanti

25 ºC 25 ºC


2

En resumen: Las moléculas que tienen la misma fórmula molecular y la misma secuencia de

átomos enlazados covalentemente, pero distinta orientación en el espacio se llaman

“estereoisómeros”, los cuales podemos dividir en dos clases:

• Interconvertibles a temperatura ambiente, por rotación entorno a enlaces sencillos, se

llamarían “estereoisómeros conformacionales”.

• Los que se interconvierten con dificultad a temperatura ambiente, por rotación entorno a

enlaces sencillos, y por tanto pueden aislarse “estereoisómeros configuracionales”.

La quiralidad es una propiedad geométrica. Un objeto es quiral si no es superponible con su imagen

especular. Y “aquiral” cuando el objeto y su imagen son superponibles.

Los elementos de simetría de interés en esteroquímica son:

a) Eje de simetría. Cuando la operación de un eje Cn (n = 360º / grados de rotación) permite

obtener una estructura indistinguible con la original.

R

R

180ºR

R

C2

R R

R120º

C3 R R

R

b) Plano de reflexión (σ). Plano que divide a la molécula en dos mitades idénticas.

R

R σ


3

c) Centro de simetría (i). Es un punto formal en el centro de la molécula, desde el cual cada

átomo presente encuentra su equivalente que se encuentra a igual longitud de i.

C i

.C

Et

H

CH3

H

H3C

Et

d) Eje de rotación-reflexión (Sn). Presente en aquellas moléculas que pueden ser rotadas en

torno a un eje (en un ángulo de 360º/n) y entonces reflejada a través de un plano

perpendicular al eje, dando lugar a una estructura idéntica a la original.

R

R

R

R

R

R

R

R

R

R

R

R

1) 90º2) Reflexión

S4

Una molécula es aquiral si contiene alguno de los elementos de simetría: Sn, i, σ. Una molécula

quiral no debe poseer tales elementos de simetría.

2.2 RELACIONES ENANTIOMÉRICAS.

Las moléculas que existen como imágenes especulares, no son superponibles, y se denominan

enantiómeros, y son compuestos quirales.

Las moléculas que contienen un único centro asimétrico son siempre quirales.


4

CH3

CEt

OHH

CH3

CEtHO

H

Las moléculas con más de un centro asimétrico no son siempre quirales.

CO2H

HHO

HHO

HHO

CO2H

CO2H

OHH

OHH

H

CO2H

OHσσσσ σσσσ

a. Pureza ótica.

La luz normal esta formada por un gran número de ondas orientadas al azar. Sin embargo, ciertas

sustancias cristalinas presentan la característica de dejar pasar la luz en un único plano,

diciéndose que la luz esta polarizada en un plano.

+ αααα- αααα

Rayos de la luz no polarizada

Rayos de la luz polarizada

Plano de polarizacióngira en sentido contrario

a las agujas del reloj

Plano de polarizacióngira en el sentido delas agujas del reloj

Cuando la luz polarizada interacciona, con las moléculas “aquirales” no hay cambios en la

dirección del plano de polarización. Pero cuando las moléculas son “quirales” se observa una

variación en la dirección, del campo de la luz polarizada. Puede darse una rotación en sentido


5

contrario a las agujas del reloj, lo que indica que la sustancia es levógira o levorrotatoria, y se

designará como “-“ o “l”. Si el giro ocurre en el sentido de las agujas del reloj indica que la

sustancia es dextrógira o dextrorrotatoria, y se designará como “+” o “d”.

El polarímetro es un instrumento que presenta una fuente de luz y dos prismas, uno produce la luz

polarizada y otro detecta las rotaciones en el plano de polarización, para lo cual se coloca la

sustancia a investigar en un tubo entre ambos prismas. Lo que se mide es el ángulo de giro del

plano de polarización (α = rotación óptica observada).

Luz

Prismapolarizador

Prismaanalizador

Tubo demuestra

Escala Ocular

Para poseer una magnitud medible y que sea igual en todos los sitios, esta la rotación específica.

La rotación específica depende de:

• Sustancia (concentración).

• Longitud de la luz polarizada (λ).

• Temperatura y disolvente.

• Longitud del tubo.

[αααα] T

D=

ααααl x c

� T= temperatura en grados centígrados.

� D= longitud de onda (λ) (línea D del sodio).

� α= ángulo de rotación observado.

� c= concentración en gr/mL.

� l= longitud del tubo de muestra en decímetros.

Si una mezcla, presenta uno de los dos enantiómeros en mayor proporción que el otro, se

observará una cierta rotación óptica correspondiente al porcentaje de la especie en exceso. Se

llama “exceso enantiomérico” al porcentaje de enantiómero en exceso con respecto al otro.


6

e.e. = / %R - %S /

Valor absoluto

Otra forma de medir el “e.e.” es:

%e.e. =rotación específica de la mezclarotación específica del enantiómero

x 100

b. Determinación de la configuración absoluta.

La disposición de los sustituyentes en torno al estereocentro o centro quiral se llama

“configuración absoluta” de un compuesto.

Se ha desarrollado un sistema general de designar la configuración absoluta basada en las

Reglas de prioridad de “Cahn-Ingold-Prelog”.

• La configuración de un estereocentro se designa como R (rectus, diestra, derecha),

cuando al establecer un orden de prioridad a los sustituyentes del entorno, e ir del de

mayor prioridad al de menor, lo hacemos en el sentido de las agujas del reloj.

• La configuración se designa como S, si al ir del sustituyente de mayor prioridad al de

menor, lo hacemos en sentido inverso a las agujas del reloj (sinister, siniestra,

izquierda).

1

C23

4

1

2 3

R1

3 2

S1

C32

4


7

c. Reglas de asignación de prioridad de los sustituyentes.

1) El átomo(s) directamente unido al estereocentro con mayor número atómico se le asigna la

mayor prioridad. Ejemplo: I > Br > Cl > S > P > Si > F > O > N > C > H

2) En el caso de más de un sustituyente con el mismo número atómico directamente unido al

estereocentro, pasaran a revisarse los átomos siguientes en cada cadena hasta que se encuentra

una diferencia.

BrH2C C

H

H

C

H

CH3

C

Cl

CH3

CH3

12

3

4

S

3) Dobles y triples enlaces se cuentan como dos o tres enlaces sencillos para cada uno de los

átomos implicados.

C C

C C C C

C C

C C

C C

C C

C O

C N C N

N C

C O

O C

N C

HOH2C C

H

H

C

H

OH

C

O

H

23

1

4

S


8

4) En presencia de isótopos, el de mayor masa atómica tiene prioridad:

T > D > H

3H > 2H > 1H

5) Una vez asignado el orden de preferencia, la molécula se orienta con el sustituyente de

prioridad inferior lo más alejado posible, del observador, y se mira como están dispuestos los

otros grupos.

CHO

CCH2OH

HO

H

1

2

3

4

ROHH

CHO

CH2OH

CHO

CH2OH

H OH

Proyección de Fischer

CH3

CCH2CH3Br

H

1

3

2

4

SBrH

CH3

CH2CH3

CH3

CH2CH3

H Br

Proyección de Fischer

R-gliceraldehido

S-2-bromobutano

d. Relaciones enantioméricas.

Muchas moléculas quirales, no poseen centros quirales o estereocentros, deben poseer ejes o

planos quirales y se dicen que son disimétricas respecto a estos.

C

C

Cc d

ba

c d

ba

eje quiral aleno con nºpar de dobles

enlacesalquiliden-ciclohexano

ba

c d

Xbifenilo

dba

c

espiranos


9

La configuración absoluta de estas moléculas se especifíca de acuerdo a las reglas de Cahn-

Ingold-Prelog modificadas.

ab

c d

La asignación de la prioridad para los cuatro sustituyentes de este tetrahedro alargado permite

establecer el sentido R o S, al cual añadiremos como subíndice la letra “a” (para indicar la

presencia de ejes de quiralidad: “Ra” y “Sa”).

Cuando dos sustituyentes de cada extremo del eje son iguales, podemos modificar la regla: “Los

sustituyentes más próximos al observador son prioritarios frente a los más alejados”. Ejemplo:

1

2

1 2 Sa

2

1

1 2 Ra

CH3

H

H3C H

F

H

H3CO H SaCCCF

H OCH3

H

CCCH3C

H CH3

HSa

Otras moléculas poseen planos de quiralidad, y en este caso se las denomina: “Rp” o “Sp”.

1) Debe identificarse el plano de quiralidad.


10

2) Hay que seleccionar una de las dos caras del plano, cerca del punto “P”, desde donde se

coloca el observador para determinar el sentido de la quiralidad.

3) Al pasar del punto “P” al primer átomo en el plano de quiralidad, a este le asignamos la

prioridad más alta. La segunda prioridad al átomo directamente unido a él y la tercera prioridad

se asigna de la misma manera. Ejemplo:

H

H

Rp

1

23

trans-ciclooctano

CO2H

13

2 Rp

p-ciclofano

Helicidad: Caso especial de quiralidad, en el cual las moléculas de similar hélices enroscada o

escalera en espiral, forman espirales a derecha o izquierda. Dependiendo si la hélice desde el

punto más próximo al observador se enrolla a derecha ( R ó M ) o a izquierda (S o P), le daremos

una u otra asignación ( M o P ).

R (M) S (P)Hexahelicenos

2.3 RELACIONES DIASTEREOISOMÉRICAS.

Se pueden calcular según la fórmula “2n” donde n= número de centros quirales presentes.


11

CH3

H3C Cl

Br

H

H CH3

H3C H

H

Cl

Br CH3

H3C Cl

H

H

Br CH3

H3C H

Br

Cl

H

2R,3R 2R,3S2S,3S 2S,3R

enantiómeros enantiómerosdiastereoisómeros

Los enantiómeros tienen configuración opuesta en cada uno de los centros quirales, los

diastereoisómeros tienen la misma configuración en uno de los estereocentros, y en el otro la opuesta.

Los diastereoisómeros pueden separarse o purificarse por métodos normales.

Si contienen dos estereocentros con los sustituyentes idénticos, estamos ante formas meso.

CH3

H3C Cl

Cl

H

H CH3

H3C H

H

Cl

Cl CH3

H3C Cl

H

H

Cl CH3

H3C H

Cl

Cl

H

2R,3R 2R,3S2S,3S 2S,3R

enantiómeros forma meso (superponibles=1 único compuesto)diastereoisómeros

2.4 TERMINOS QUE DESCRIBEN LA CONFIGURACIÓN RELATIVA.

a. Erytro / Threo

Se aplican a sistemas que contienen dos carbonos estereogénicos, cuando dos de los grupos son

iguales, y el tercero diferente.

Erythro= Cuando los grupos iguales están al mismo lado.

Threo= Cuando los grupos están a distinto lado.

CO2H

H CH3

H3C H

OH

CO2H

H CH3

H3C H

OH

ácido treo-3-hidroxi-2-metil-butanoico

OH

H CH3

H CH3

Br

OH

H3C H

H3C H

Br

eritro-3-bromo-2-butanol


12

b. Syn / Anti

Los descriptores estereoquímicos “syn y “anti” especifican que los ligandos en una molécula, o

los reactivos en su aproximación al sustrato están orientados en el mismo lado (syn) o en lados

opuestos (anti) del plano o elemento de referencia de la molécula.

Br H

7-anti-bromo-biciclo [2.2.1]hepteno

H3C CH3 H3C CH3

H

BD2

H

H

H3C CH3

H

BD2

H

H

BD3

syn-adición

La estereoquímica en las reacciones aldólicas también se expresa:

R´O

H

CH3O-M+

R´´

H3C+ R´

R´´

O

CH3

OH

CH3

R´R´´

O

CH3

OH

CH3

R´R´´

O

CH3 CH3

R´

O

CH3

OHOH

CH3

R´´

2,3-syn3,4-syn

2,3-syn3,4-anti

2,3-anti3,4-syn2,3-anti3,4-syn

2,3-anti3,4-anti

2.5 RESOLUCIÓN DE ENANTIÓMEROS.

Existen tres vías de resolución, cada una requiere la aplicación de un agente quiral externo.

1. Separación normal de cristales enantioméricos.

Pasteur llevó a cabo la primera resolución del (+) y (-) tartrato sódico y amónico cristalino en

1848.

2. Separación enzimática.

La resolución de compuestos óptimamente activos puede lograrse por la participación de

organismos vivos o mediante catalizadores aislados de tales organismos (enzimas).


13

CO2H

HO H

H OH

CO2H

(-)

CO2H

CHOH

CHOH

CO2H+-

Peniniciliumglaucum

+ metabolitos procedentes del isómero (+)

Otro ejemplo, sería la resolución cinética bioquímica, que depende de que la velocidad de la

reacción de hidrólisis de cada enantiómero con la enzima es diferente.

CO2H

H NHAc

CH3

(-)-N-acetil-alanina+-

Acilasa I

-N-acetil-alanina (+)-alanina

CO2H

AcHN H

CH3

+

CO2H

H NHAc

CH3

CO2H

H2N H

CH3

+

3. Resolución vía la separación de diastereoisómeros.

El camino generalmente más usado, es convertirlos en compuestos que sean diastereoisómeros,

que tienen propiedades físicas diferentes, y por tanto, pueden separarse. Este método envuelve

un procedimiento químico.

El auxiliar quiral debe cumplir los siguientes requisitos:

• Debe reaccionar fácilmente, y con buenos rendimientos con el sustrato a resolver.

• Los productos diastereoisoméricos deben ser cristalinos, y con una notable diferencia de

solubilidad.

• Debe ser el auxiliar quiral barato y accesible; o al menos recuperable con buen rendimiento

cuando finaliza la resolución.

2.6 ESTEREOQUÍMICA DINÁMICA.

Una reacción química puede introducir quiralidad en una molécula aquiral, ejemplo: bromación del

butano, lo cual implica 2-bromobutano (d,l).


14

CH3

C

CH2CH3H

H HEt

CH3Br.

-HBr

=

radical plano

Br2

Br

CH

H

C

Br

+ + Br.

Et

CH3

Et

CH3

S-2-bromobutano R-2-bromobutano(1:1)

.

De forma general, la formación de compuestos quirales, a partir de reactivos aquirales produce

racematos. Hay que tener en cuenta que se pueden obtener productos ópticamente activos de

productos de partida ópticamente inactivos, si se usa algún reactivo ópticamente activo.

H

C

BrH3CH2C

H3C Cl2, hννννCl2, hνννν

S-2-bromobutano

Cloración en el C1 ó C4:H

C

BrClH2CH2C

H3C

H

C

BrH3CH2C

ClH2C

S-3-bromo-1-clorobutanoS-2-bromo-1-clorobutano

Si la reacción ocurre sobre el centro quiral, como se forma un intermedio plano, en el cual el reactivo

puede atacar una u otra cara sin preferencias se formará un racemato.

BrEt

CH3Cl.

-HCl

=

radical plano

Cl2

Cl

CBr

Br

C

Cl

+

Et

CH3

Et

CH3

S-2-bromo-2-clorobutanoR-2-bromo-2-clorobutano

-Cl.

H

C

Br

Et

CH3

S-2-bromobutano

(1:1-enantiómeros)Cloración en el C2:

.

Cloración en el C3:

CH3

H Br

H H

CH3

CH3

H Br

H Cl

CH3

CH3

H Br

Cl H

CH3

Cl2, hνννν-HCl +

(1:1-diastereoisómeros)

(2S,3R) (2S,3S)S-2-bromobutano

Los diastereoisómeros se producen en distinta cantidad ya que proceden de distintos radicales

intermedios, según que hidrógeno se abstraiga.


15

S-2-bromobutano

Br

H

H

CH3

HH3C

Br

H

H3C

Br

H

Cl

CH3

HH3C

Br

H

H3C

Cl

CH3

HCH3

H

Br

H

H3CCH3

H

Br

H

H3CCH3

H

Cl.

-HCl

.

radical plano

Cl2

Cl2

.

.

.

.Cl

Cl

(2S,3R)

(2S,3S)

2.7 REACCIONES ESTEREOESPECÍFICAS Y ESTEREOSELECTIVAS.

Un gran número de reacciones orgánicas ocurren mediante un camino en el que se forma exclusiva o

predominantemente uno solo de los estereoisómeros posibles, estas reacciones se llaman

estereoselectivas.

t-Bu

O

t-Bu

H

OHt-Bu

OH

HH4AlLi +

trans (91%) cis (9%)

H3CH3C H

H OH

HB

B

H3C HH

THF, 65º

H2O2/NaOH

H2O

adición syntrans (98%)

+ cis (0%)

Ejemplo: la adición de halógenos a alquenos.

Br Br

Br Br H

HH

HH H

CH3H3C

CH3

CH3 H3C

H3CBr2

adición anti

+

(d,l)cis

Br

Br

CH3

HH CH3

HH3CH

H3CBr2

adición antitransforma meso


16

Las reacciones esteroespecíficas son necesariamente estereoselectivas, pero viceversa no ocurre. Si el

producto de partida no presenta estereoisómeros, la reacción no puede ser estereoespecífica, en todo

caso si el producto de llegada presenta estereoisómeros y da uno solo, es estereoselectiva.

2.8 CONFORMACIONES DE MOLÉCULAS ACÍCLICAS Y CÍCLICA S.

2.8.1 Conformaciones de moléculas acíclicas.

Existen diversos métodos gráficos para representar las moléculas tridimensionales en dos

dimensiones.

• La representación más común es la fórmula de cuñas.

• Otra forma sería fórmula en perspectiva caballera.

• Proyección de Newman.

F

A D

B

E

C C B

A

F

E D

cuñas perspectiva caballera proyección Newman

C B

A

E D

F

cuñas perspectiva caballera proyección Newman

proyección alternada

proyección eclipsada

C B

A

F

E D60º

C B

A

E D

F

120º

A F

DB

EC

60º 120º 180º 240º 300º0º

ener

gía

pote

ncia

l

H H

H

H

H H

H H

H

H H

H

H H

H

H

H H

H H

H

H

H H

H H

H

H H

H

H H

H

H H

H


17

• En el caso del butano, la gráfica sería distinta, puesto que existen diferentes tipos de

conformaciones alternadas y diferentes eclipsadas.

H H

CH3

CH3

H H

H H

CH3

H CH3

H

H H

CH3

H

H CH3

H H

CH3

H

H3C H

H H

CH3

H H

H3C

H H

CH3

H3C H

H

60º 60º 60º 60º 60º

alternadaanti

+ estable

alternadagauche

alternadagauche

eclipsada eclipsada- estable

eclipsada

A B C D E F

60º 120º 180º 240º 300º0º

ener

gía

pote

ncia

l

A

B

C

D

E

F

• Para alcanos más largos, la conformación más estable es la alternada, con los grupos

voluminosos en anti, de ahí que las cadenas hidrocarbonadas se escriban en zig-zag.

H

H

H H H H

H HHH

HHHH

H H H Hconformación del octano

2.8.2 Conformaciones de moléculas cíclicas.

• El ciclopropano C3H6, tiene todos sus enlaces eclipsados, y los tres átomos de carbono metidos

en un plano.


18

H

H

H

H

HH

116º

118º

109.5º

tetrahedroestándar

ciclopropano (ángulo interno= 60º)

En el ciclobutano, C4H8.

H

H

H

H

H H

114º

ciclobutano (ángulo interno= 88º)

H

H

• En el ciclopentano, los ángulos de enlace son similares a los tetraédricos.

H

HH

H

H

H

H

H

H

H

ciclopentano (eclipsada)

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

ciclopentano (sobre)

• En el ciclohexano, C6H12.

HH

HH

H

HH

HH

H

HH

H

H

H

H

HHH

H H

H

H

H

axial (H)

axial (H)

ecuatorial

forma silla

Las otras formas de energía más elevada son la bote y twist (o bote torcido).


19

H

H HH

H H

H

H

HH

H

H

repulsión entrehidrógenos

H hidrógenos eclipsados

forma bote

H

H

HH

H

H

HH

H

H

H

H

forma "twist"

conformaciones de más alta energía

Si existen sustituyentes sobre el ciclohexano indica que las dos conformaciones sillas no son

equivalentes.

HH

HH

H

HCH3

HH

H

CH3H

H

H

H

H

HHH

H H

H

H

Haxial

ecuatorial

95% 5%

interacciones 1,3-diaxiales

Cuanto mayor el sustituyente indica mayor las interacciones 1,3-diaxiales lo que implica menor

probabilidad de que exista en la disposición axial.

axial

ecuatorialH CH2

H

H

H CH2

H

H

CH3

H

H CH2

H

H

H CH2

CH3

H

H

H

anti gauche

anti gauche

2.9 EFECTOS CONFORMACONALES Y REACTIVIDAD

Los compuestos cíclicos disustituidos presentan estereoisomería debido a cierta rigidez en los anillos

y a la falta de libre rotación alrededor de los enlaces C-C.

• Así el 1,2-dibromo-ciclopentano.


20

Br H

BrH

H Br

HBr

Br Br

HH

(1R,2R) (1S,2S) (1R,2S)

σtrans-1,2-dibromociclopentano cis-1,2-dibromociclopentano

par de enantiómeros forma meso (aquiral)

• Así el 1,2-dimetilciclohexano

(1S,2S) (1R,2R) (1S,2R)

σtrans-1,2-dimetilciclohexano cis-1,2-dimetilciclohexano

par de enantiómeros forma meso (aquiral)

H3C CH3H3C CH3 H3C CH3

HH

HH

H

HH

HH

CH3

CH3CH3

H

H

H

H

HHH

H H

H

H

H3C

interacciones 1,3-diaxialestrans-1,2-dimetilciclohexano

par de enantiómeros

+ estable - estable

HH

H

HH

HH

H

CH3 H

HCH3

H

H

H3C

H

HHH

H H

H

H

H3C

interacciones 1,3-diaxialestrans-1,2-dimetilciclohexano

+ estable - estable

(1S,2S) (1R,2R)

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