Clase14 - Química Orgánica

Moléculas con varios estereocentros : Diastereómeros
Si cloramos el (R,S)-2-bromobutano en el carbono 3, obtendremos cuatro estereoisómeros del 2-bromo-3-clorobutano
La figura muestra los cuatro estereoisómeros del 2-bromo-3clorobutano. Cada molécula es enantiómera de una de las otras
tres (su imagen especular) y es, al mismo tiempo, un diastereómero de las otras dos restantes. El isómero (2R,3R) es el enantiómero del
d l compuesto
t (2S,3S)
(2S 3S) y es a su vez un diastereómero,
di t ó
t t de
tanto
d
la estructura (2S,3R), como de la estructura (2R,3S). Note que dos estructuras son
enantiómeras cuando poseen configuración opuesta en cada uno de los
estereocentros.
Note, asimismo, que las proyecciones de Fischer de cada uno de los compuestos
corresponden a las conformaciones eclipsadas de los mismos.
En contraste a los enantiómeros, los diastereómeros, debido a que
no guardan entre sí una relación de objeto a su imagen especular,
son moléculas con diferentes propiedades físicas y químicas. Sus
interacciones estéricas y energías
g
difieren. Así,, p
pueden separarse
p
por destilación fraccionada, cristalización o cromatografía. Tienen
diferentes puntos de fusión y de ebullición y diferentes
densidades de análoga manera a lo que ocurre con los isómeros
densidades,
constitucionales. También tienen rotaciones específicas diferentes
Determinación de la configuración absoluta en moléculas con varios estereocentros
Correlaciones isomería cis-trans y Config.
Config Absoluta en compuestos cíclicos
¡ Los isómeros cis y trans en derivados cíclicos son diastereómeros entre
sí !
Relación entre número de estereocentros y número de estereoisómeros
¿Cuantos estereoisómeros serían posibles para una molécula con tres estereocentros
diferentes?. Si etiquetamos los tres centros consecutivamente como R o como S, las
posibilidades matemáticas serían las siguientes:
Tendríamos así ocho posibles estereoisómeros, que pueden agruparse en cuatro pares
de enantiómeros como se indica acontinuación, siendo, a su vez, cada enantiómero de
un par,
par diastereoisómero con el resto de los otros seis estereoisómeros
En general para una molécula con n estereocentros,
estereocentros son posibles:
N° de estereoisómeros = 2n
Compuestos Meso
¿Qué ocurriría si los dos etereocentros de una molécula están igualmente sustituidos?
Para el 2,3-dibromobutano, son así posibles solamente tres esteroisómeros: Un par
de enantiómeros y una forma meso.
Un compuesto que contiene dos estereocentros ( o mas estereocentros),
“pero es superponible“ con su imagen especular es un compuesto meso
Un hecho carácterístico de un compuesto meso es la presencia de un plano interno
de simetría,
simetría que divide a la molécula de tal modo que una mitad es imagen de la
otra mitad. Una forma meso es, así, aquiral y, por tanto, no muestra actividad
óptica, a pesar de contener dos estereocentros.
La presencia
L
i de
d un plano
l
d simetría
de
i t í (plano
( l
especular),en
l )
cualquier
l i
“conformación energeticamente accesible”, es suficiente para hacer
que una molécula sea aquiral (ver figura abajo)
Compuestos cíclicos también pueden ser meso
El isómero trans del 1,2-bromobutano es quiral. El isómero cis es un compuesto meso
y opticamente inactivo.
ESTEREOQUÍMICA DE LAS REACCIONES ORGÁNICAS
¿Porqué la bromación radicalaria del butano dá
((R,S)-2-bromobutano
, )
racémico?. En el p
primer
paso del mecanismo de la halogenación
radicalaria, uno de los dos hidrógenos H-2 es
abstraido por el átomo de bromo atacante
(radical
libre).
Independientemente
del
hidrógeno abstraido, este paso genera un
radical con hibridación sp2, plano y por tanto
aquiral. El centro radicalario posee dos sitios de
reacción equivalentes (los dos lóbulos del
orbital p), que son igualmente susceptibles de
ser atacados
t
d
por la
l molécula
lé l de
d bromo
b
en ell
segundo paso de la reacción. Como podemos
apreciar, los dos estados de transición que
dan lugar a los respectivos enantiómeros del 22
bromobutano, son imágenes especulares el
uno del otro; es decir que tales estados de
transición son enantiómeros y,
y así,
así energeticaenergetica
-mente equivalentes; como consecuencia, las velocidades de formación de los
productos R y S son iguales y se forma una mezcla racémica. En general, la
f
formación
ió de
d compuestos
t
quirales
i l
a partir
ti de
d reaccionantes
i
t
aquirales,
i l
dá mezclas
l
racémicas. O dicho de otra manera, materiales de partida opticamente inactivos dan
lugar a productos opticamente inactivos, si usamos reactivos también aquirales.
Estereoquímica de la cloración del (S)-2-bromobutano
Consideremos la cloración radicalaria del enantiómero (S) del 2-bromobutano. En este
caso, el átomo de cloro tiene varias opciones de ataque: los dos grupos metilo
terminales,, el hidrógeno
g
en el estereocentro C2 ó los dos hidrógenos
g
en C3.
1.- La cloración en cualquiera de los dos metilos terminales procede: en C1 para dar 2bromo-1-clorobutano ó en C4 para dar 3-bromo-1-clorobutano. En este último caso, el
C4 original pasa ahora a ser el C1, para mantener la numeración mas baja posible para
los sustituyentes. Ambos de esos productos de cloración son opticamente activos
porque el estereocentro original ha permanecdo inalterado. Observa, sin embargo, que
la conversión del metilo C1 en una unidad clorometilo, cambia la secuencia de
prioridades en torno a C2, así, aunque el estereocentro no participa en la reacción, la
configuración cambia de S a R.
2.- ¿ Qué ocurre si la cloración ocurre en el estereocentro C2 ?
El producto ahora es el 2-bromo-2-cloro-butano. Aún cuando la secuencia de sustitución
en el estereocentro ha cambiado, la molécula permanece quiral. Sin embargo, la
medida del valor de la actividad óptica específica | α | del producto, revela ausencia de
actividad óptica; ¿ como se explica ?.
? Para la respuesta debemos observar de nuevo la
estructura del radical formado en el curso del mecanismo de la reacción. Se forma un
racemato porque la abstracción del hidrógeno en C2, da lugar a un radical con
hibridación sp2,
sp2 plano,
plano aquiral.
aquiral La cloración puede ocurrir desde cualquiera de los dos
lados, a través de estados de transición enantioméricos de igual energía, como en el
caso de la bromación del butano, vista mas arriba, produciendo ( S )- y ( R )-2-bromo-2clorobutano a la misma velocidad y en cantidades iguales.
clorobutano,
iguales
La reacción es un ejemplo de una transformación en la que un compuesto
opticamente activo, da lugar a un producto opticamente inactivo ( racémico ).
3.- Cloración del (S)-2-bromobutano en C3
La cloración no afecta al centro quiral existente. Sin embargo, la formación de un
segundo estereocentro da lugar a diastereómeros. En concreto, la unión del cloro por el
lado izquierdo de C3, en el dibujo, da (2S,3S)-2-bromo-3-clorobutano, mientras que la
unión a la derecha da lugar
g a su ((2S,3R)
, ) diastereómero. Como vimos arriba,, la
cloración en C2 da una mezcla 1:1 de enantiómeros ¿ da la reacción en C3 una mezcla
equimolecular de diastereómeros?; La respuesta es ¡No !; éste hecho es facilmente
explicable, si inspeccionamos los dos estados de transición que dan lugar al producto.
La abstracción de cualquiera de los dos hidrógenos resulta en un centro radicalario en
C3, sin embargo, en contraste con el radical formado en la cloración en C2, las dos
caras de este radical no son imágenes especulares la una de la otra, debido a que el
radical retiene la asimetría de la molécula original, como resultado de la presencia del
estereocentro en C2. Así, los dos lados del orbital p no son equivalentes. ¿Cuales son
las consecuencias de esta no equivalencia:
Si las velocidades de ataque a las dos caras
difieren, como puede predecirse de
consideraciones estéricas,, entonces las
velocidades de formación de los
dos
diastereómeros serán diferentes, como
efectivamente ocurre: el (2S, 3R)-2-bromo-3clorobutano es preferido sobre su isómero
(2S, 3S), por un factor de 3. Los dos estados
de transición que dan lugar a los dos
productos no son imágenes epeculares el
uno del otro y no son superponibles, son
diastereómeros, tienen así energías
dif
diferentes
t y representan
t
rutas
t mecanísticas
í ti
diferentes.
Estereoselectividad.- Se define estereoselectividad como la preferencia por un
estereoisómero. Una reacción que da lugar a la formación predominante ( ó
exclusiva) de uno de varios posibles productos estereoisómeros, se dice que es
estereoselectiva. P.ej. La cloración del (S)-2-bromobutano en C3 es
estereoselectiva, como consecuencia de la quiralidad del radical intermedio. La
cloración correspondiente sobre C2, sin embargo, no es estereoselectiva, como
consecuencia de que el radical intermedio es aquiral y se forma el racemato.
E que cuantía
En
tí ocurra estereoselectividad,
t
l ti id d depende
d
d mucho
h de
d todos
t d
l
los
factores implicados: naturaleza del sustrato, de los reactivos, de la reacción
particular en cuestión y de las condiciones de reacción.
Estereoselectividad en la Naturaleza
En la Naturaleza, las enzimas gobiernan la conversión de compuestos aquirales en
quirales con una estereoselectividad muyy alta . Son capaces
p
de hacer esto,,
moléculas q
porque los enzimas mismos tienen quiralidad y, así, catalizan la conversión de
materiales aquirales en aquellos productos que son compatibles con su propia
quiralidad. Un ejemplo, es el mostrado arriba, de la oxidación catalizada por enzima, de
la dopamina a la (-)-norepinefrina. El entorno quiral de la reacción creado por el enzima,
da lugar a un 100 % de estereoselectividad a favor del enantiómero mostrado.
Resolución de mezclas racémicas: separación de enantiómeros
Moléculas quirales sin centros estereogénicos. Enantiomerismo conformacional.
El bifenilo es un compuesto que no contiene centros estereogénicos y es ópticamente
inactivo.
Sin embargo, el 6,6´-dibromo-2,2´-diyodobifenilo, cuya estructura se indica a
continuación, existe en dos formas enantioméricas, a pesar de que el compuesto no
contiene centros estereogénicos
Si la estructura fuese totalmente plana, tal y como se indica en la figura anterior, habría
que concluir que el compuesto sería ópticamente inactivo y por tanto incapaz de existir
en dos formas enantioméricas.
enantioméricas Sin embargo,
embargo la conformación plana del 6,6
6 6´- dibromodibromo
2,2´-diyododifenilo no puede existir porque colocaría los voluminosos átomos de bromo
y de yodo en una situación de enorme repulsión estérica.
Para evitar la interacción estérica entre los átomos de halógeno la molécula adquiere
una conformación que coloca a los dos anillos aromáticos mutuamente perpendiculares.
De acuerdo con esta disposición de los anillos aromáticos es posible dibujar dos
conformaciones alternativas q
que son las q
que se indican a continuación:
Estas dos conformaciones, que carecen de plano de simetría, son entre sí imágenes
especulares no superponibles. Son por tanto dos conformaciones enantioméricas.
Además, como estas dos conformaciones no se pueden interconvertir se puede afirmar,
por tanto, que estas dos conformaciones corresponden a dos compuestos
enantioméricos que desviarán el plano de la luz polarizada en igual
magnitud pero en direcciones opuestas.