estero qui mica

ESTEREOQUÍMICA. CONCEPTOS BASICOS

Composición química: C 66,66 %, H 11,11 %, O 22,22 %

Fórmula empírica: (C4H8O)n

Masa molecular: 72, n = 1

Fórmula molecular C4H8O

Formula constitucional, constitución, conectividad.

Estructura: Conectividad y estereoquímica (configuración y conformación)

Isomerías: ConstitucionalIsomerías: Constitucional

Configuracional

ConformacionalConformacional

ISOMERIA CONSTITUCIONAL Y ESTEREOISOMERIA

ISOMEROS

Idéntica conectividad?NO SIIsómeros constitucionales

Estereoisómeros

Idénticos gruposNO SI

Convertibles por rotaciónd l illNO SIg

funcionales?NO SI

Isómeros degrupo funcional

Isómeros de posición

de enlaces sencillosNO

Isomeros configuracionales

SI

Confórmeros

H

Imagen especularNO SI

Diastereómeros Enantiómeros

OH

O

OH

OHOH

OH

H EtH

HH

HH

OH

H Et

H

H H

H OHOHDiastereómeros Enantiómeros

OH

Et MeH

OH

EtMeH

H

H

H

H Et HHEtH

Isómeros son compuestos diferentes con la misma fórmula molecular

L i í fi i l lt d d l dif tLa isomería configuracional aparece como resultado de la diferente disposición espacial de los grupos unidos a un átomo (normalmente C)

ISOMERIA CONFIGURACIONAL

1. Los isómeros configuracionales no se interconvierten fácilmente en condiciones normales

2. Los isómeros configuracionales pueden ser:

• Enantiómeros: Imágen especulares no superponibles• Enantiómeros: Imágen especulares no superponibles

• Diastereómeros: No son imágenes especulares

3. Causas de aparición de isomería configuracional:

• Elementos de quiralidad

Centro quiral

Eje quiral

Plano quiralPlano quiral

• Enlaces múltiples con rotación restringida

• Sistemas cíclicos

ISOMERIA CONFIGURACIONAL: ENANTIOMEROS

A NIVEL MOLECULAR:

DOS MOLECULAS DIFERENTES

Misma conectividad

Imágenes especulares no superponibles

QUIRALIDAD

Es una propiedad que depende de la simetríaEs una propiedad que depende de la simetría

Las moléculas que no tienen ningún eje impropio de rotación Sn son necesariamente quirales. En la práctica esto se traduce en la falta de un plano de simetría (σ) o de un centro de simetría (i) No obstante las moléculas quirales pueden tener un eje

Me M

S4

(σ) o de un centro de simetría (i). No obstante, las moléculas quirales pueden tener un eje propio de simetría (Cn)

C2 C2

N

H Me MeH

HNH

NH Me

MeH

Ión 3,4,3',4'-tetrametilespiro-(1 1') bi i lidi iEnantiómeros (1,1')-bipirrolidinioAquiral, ópticamente inactivo

H Me MeH

C4Me

HH

Me

H Me MeH

H

N

Me Me H

N

MMe

N

MeHMe H Me H HMe MeH

ISOMERIA CONFIGURACIONAL: ENANTIOMEROS

A NIVEL EXPERIMENTAL:

DOS SUSTANCIAS DIFERENTES

Idéntica composición química

Idénticas propiedades físicas

Idénticas propiedades químicas (en un entorno aquiral)

Ópticamente activas, =[] c(g/100mL) l (dm)/100

Rotación específica [] idéntica pero de signo contrarioRotación específica [] idéntica, pero de signo contrario

Uno es dextrógiro (+), d

Uno es levógiro (-), l

MEZCLA RACEMICA, RACEMICO O RACEMATO

Mezcla equimolar de los dos enantiómeros. [] = 0, d,l

MEZCLA ENANTIOENRIQUECIDA

Mezcla no equimolar de los dos enantiómeros

exceso enantiomérico (ee)= % enant mayor -% enant minorexceso enantiomérico (ee)= % enant. mayor.-% enant. minor

[]mezcla = [] enantiómero mayor. x ee

ISOMERIA CONFIGURACIONAL: DIASTEREOMEROS

A NIVEL MOLECULAR:DOS MOLECULAS DIFERENTES

Idéntica conectividadIdéntica conectividadNo son imágenes especulares

A NIVEL EXPERIMENTAL:

DOS SUSTANCIAS DIFERENTES

Idéntica composición química

Dif t i d d fí iDiferentes propiedades físicas

Diferentes propiedades químicas

Ópticamente activas o nop

Caso de ser ópticamente activos: [] diferentes

CAUSAS DE DIASTEROISOMERIACAUSAS DE DIASTEROISOMERIA

Restricciones de giro en sistemas insaturados: Alquenos e iminasRestricciones de giro en sistemas cíclicosgMoléculas con más de un elemento quiral (centro, eje o plano)

ELEMENTOS DE QUIRALIDADELEMENTOS DE QUIRALIDAD

La causa de QUIRALIDAD en una molécula es la presencia de uno o mas

ELEMENTOS DE QUIRALIDAD:

CENTRO QUIRAL

EJE QUIRAL

PLANO QUIRAL

Moléculas con sólo un único elemento quiral son necesariamente QUIRALES

Moléculas con dos o más elementos quirales pueden ser QUIRALES o AQUIRALES

CENTROS QUIRALES

c

a

c

a

b

d

b

d

1. Átomos tetracovalentes con una disposición tetraédrica de los enlaces y con los cuatro sustituyentes diferentes:

a) C, Si,

b) Sales de N, P

CH2D2 CD2CH33

4

La configuración (distribución tridimensional de los átomos en un determinado estereoisómero) del centro estereogénico (R

H3C OHH

1

3 4

FCH2CH2 OHH

1

2 4

R

estereoisómero) del centro estereogénico (R, S) se especifica con el sistema CIP (Cahn-Ingold-Prelog) que ordena los sustituyentes según el número atómico del átomo unido di l é i S Rdirectamente al centro estereogénico

CENTROS QUIRALES

2. Átomos trivalentes con una disposición tetraédrica de los enlaces: Tres sustituyentes2. Átomos trivalentes con una disposición tetraédrica de los enlaces: Tres sustituyentes diferentes y uno de los orbitales ocupado por un par de electrones no enlazantes

a) P, As (fosfinas y arsinas)b) S (Sales de sulfonio y sulfóxidos)

4 4 4

La configuración se asigna según CIP. El par de electrones no enlazantes recibe la prioridad más baja.

El nitrógeno de les aminas no

SO Ph

CH2Ph

2

1 3S

Ph CH2CH3

CH3

2

1 3P

PhH3CH2CH3C

1

4

2

3

El nitrógeno de les aminas no es un centro estereogénico debido a que la barrera energética para la inversión de

f2R

2R 2

S

Energías de activación para la inversión de configuración

configuración es muy baja y ésta se produce rápidamente a t.a. En algunos casos en los que existen restricciones

Xac

bXa b

cEa

g g que existen restricciones geométricas que impiden la inversión, el N puede ser un centro estereogénico.

b

N 5Kcal/mol, inversión a t.a.P 30 Kcal/mol

N

N CH3

Ar 40 Kcal/molS 35 Kcal/mol

NH3C

Base de Träger

EJES QUIRALESUn eje quiral se puede relacionar con un centro estereogénico en el que dos de los

tit t h b í d l d l di ió d l j t é isustituyentes se habrían desplazado en la dirección del eje estereogénico

C C CH H

CCCHH

ALENOS Para determinar la configuración del eje se aplican las reglas de CIP primero a los sustituyentes en la horizontal (1 y 2) y después en la vertical (3 y 4). Entonces se observa el sentido de rotación desde 1 a 3C C C

CH3 CH3

CCCH3CH3C

H1 24

H2 14

C C C CH H

3.

CH3 HCH33

Ra

1

H CH3

CH33

SaC C C C

H3C CH3

Plana, aquiral

CH3

CH3

1

3

CH3

CH33

1En ejes estereogénicos

M = Ra

Nomenclatura helicoidal M (minus)mano izquierda, counterclockwise

3P (plus)mano derecha, clockwise

a

P = Sa

EJES QUIRALES

ATROPOISOMERIAATROPOISOMERIA

NO2 O2N Si los sustituyentes a y b sonfi i t t l i l bHO2C

O2N

CO2H

NO2

suficientemente voluminosos la barreraenergética rotacional puede ser tan altaque no se produce la interconversiónentre confórmeros, los cuales son

CO2HO2N

HO2CNO2

3 3

entre confórmeros, los cuales sonenantiómeros. Este tipo de isomería quese produce por la restricción en larotación de un enlace sencillo recibe el

b d t i í CNO2

O2N CO2HCO2H

Sa

1 2

4

NO2

NO2HO2CCO2H

12Ra

nombre de atropoisomería. Como normase requiere una barrera energética deactivación entre 16 y 19 Kcal/mol paraevitar la racemización a t.a. en bifenilos4

4

PLANOS QUIRALES

PARACICLOFANOSPARACICLOFANOS

Planos quirales aparecen en moléculas que presentan una gran parte contenida en un planodel cual sobresale el resto de la molécula. Para designar la configuración del planoestereogénico se puede utilizar la nomenclatura R/S y también la notación helicoidal

Rp = P

Sp = M (CONTRARIA A LA DE LOS EJES QUIRALES)Sp M (CONTRARIA A LA DE LOS EJES QUIRALES)

Para determinar la configuración del plano se define un átomo piloto P que es el primer átomo que se sitúa fuera del plano quecontiene la parte de la molécula responsable de la quiralidad Desde este se numeran los átomos sucesivamente En el caso decontiene la parte de la molécula responsable de la quiralidad. Desde este se numeran los átomos sucesivamente. En el caso dedos posibilidades, se sigue el camino por el átomo de mayor prioridad según las reglas de CIP

ISOMERÍA CONFIGURACIONAL: ENLACES MULTIPLES

ALQUENOS IMINAS

H

H3C CH3

H H

H3C H

CH

1 1

2 2

1 2

2 1H Hcis-2-buteno(Z)-2-buteno

H CH3

trans-2-buteno(E)-2-buteno

2 2 2 1

OXIMAS Las restricciones de giro de losenlaces dobles C=C y C=N originan

NOH

CH2CH3Ph

12

1

N

CH2CH3Ph1

HO1

2

y gla aparición de isomería geométricao cis-trans. La estereoquímica seindica con la notación cis-trans, sin-

ti P t t t iCH2CH3Ph12

anti-oxima de la propiofenona(E)-oxima de la propiofenona

CH2CH3Ph12

sin-oxima de la propiofenona(Z)-oxima de la propiofenona

anti. Puesto que estas notacionespueden ser ambiguas es mejorutilizar la notación Z-E basada enlas reglas de CIPg

ISOMERÍA CONFIGURACIONAL: COMPUESTOS CICLICOS

DIMETILCICLOALCANOS

CH3 CH3 CH

H

CH3

H

CH3

Hcis

aquiral

CH3

H

CH3

Haquiral

CH3

H

CH3

aquiral

H

CH3

H

H

CHtrans

H

CH

CH3

H

H

CH

CH3

H CH3quiral

CH3Hquiral

CH3aquiral

CH3H

EH CH3

E

Las restricciones geométricas de los compuestos cíclicos propician la aparición de

HCH3quiral

CH3 Hquiral

g p p p pisomería geométrica (cis-trans). Los isómeros geométricos (diastereómeros) resultantespueden ser aquirales o quirales (en estos casos son posibles dos formasenantioméricas)

ISOMERÍA CONFIGURACIONAL: COMPUESTOS CON MÁS DE UN CENTRO QUIRAL

2 centros estereogénicos: Acido tartáricoE

2 centros esteroegénicos: 2,3,4-trihidroxibutanal

CHOOHHOHH

CHOHHOHHOOHH

CH2OHHHO

CH2OH

D DD D

CHOOHHHHO

CH2OH

CHOHHOOHH

CH2OHCH2OH CH2OH

E

El número máximo de estereoisómeros posibles es 2n , siendo n el número de elementosestereogénicos (centros, ejes o planos). Algunos estereoisómeros son quirales y por tantoexisten dos enantiómeros. También es posible que habiendo dos o más elementosexisten dos enantiómeros. También es posible que habiendo dos o más elementosestereogénicos en la molécula, ésta sea aquiral. Estos compuestos se denominancompuestos meso

ISOMERIA CONFORMACIONAL

OHH

HH

OH

H

H H

H CH2CH3 H CH2CH3

OHOH

HH

H CH2CH3H

H

H

OH

CH2CH3HH H

L i í f i l l t ió d l illLa isomería conformacional aparece por la rotación de enlaces sencillos.Normalmente los diferentes confórmeros se interconvierten a temperaturaambiente, encontrándose en un equilibrio en el que el confórmero de menorenergía es el más abundanteenergía es el más abundante.

Desde el punto de vista experimental los isómeros conformacionales nosuelen considerarse compuestos diferentes. Sin embargo, la distribución deconfórmeros puede tener una repercusión importante en la reactividad deuna molécula determinada.


CONFORMACIONES DEL BUTANO



(i) La interconversión conformacional en la mayoría de les moléculas sencillas se produce rápidamente a t. amb. Consecuentemente el aislamiento de confórmeros puros no es habitualmente posiblepuros no es habitualmente posible.(ii) Las conformaciones específicas se nombran utilizando termes de nomenclatura especiales tales como alternada, eclipsada, gauche y anti.(iii) Los confórmeros també poden ser designados por el ángulo dihedro. En el cas del butano los ángulos diedros formados por los dos metilos son: A 180º, B120º, C 60º y D 0º.(iv) Las conformaciones alternadas son mas estables (menor energía potencial) que las eclipsadas (energía de eclipsamiento)que las eclipsadas (energía de eclipsamiento) (v) En el butano los confórmero gauche es 0.9 Kcal/mol menos estable que el confórmero anti . Esto se debe a la interacción entre los dos metilos (impedimento estérico). (vi) Los confórmeros del butano B y C tienen imágenes especularse no superponibles en les que los ángulos diedros son 240º y 300º respectivamente. Estas parejas son energéticamente idénticas.

ISOMERIA CONFORMACIONALCONFORMACIÓN EN CICLOHEXANOS SUSTITUIDOS

En el caso de ciclohexanos sustituidos suele predominar la conformación de silla en la que el tit t t di i ió t i l d t f i i i lsustituyente se encuentra en disposición ecuatorial ya que de esta forma se minimizan las

interacciones 1,3-diaxiales entre el sustituyente y los átomos de hidrógeno aciales de los carbonos en al que sostiene el sustituyente. La preferencia del sustituyente a situarse axial o ecuatorialmente viene determinada por el valor de la energía A que es la inversa del valoro ecuatorialmente viene determinada por el valor de la energía A que es la inversa del valor de energía libre conformacional para el equilibrio axial-ecuatorial. A mayor valor de energía A (-Δ G) mayor preferencia a ocupar la posición ecuatorial. El valor de A aumenta con el tamaño del sustituyente


CONFORMACIÓN EN CICLOHEXANOS SUSTITUIDOS


CONFORMACIÓN EN HETEROCICLOS DE SEIS MIEMBROS

TOPISMO: PROESTEREOISOMERIA/PROQUIRALIDAD

En una misma molécula podemos encontrar más de un grupo funcional. Es posible establecer relaciones entre ellos que nos permitan diferenciarlos a la hora dediferenciarlos a la hora de hacer una reacción.

TOPISMO Y PROESTEREOISOMERIA (GRUPOS HOMOMÓRFICOS)

Grupos homotópicos son grupos homomórficos (idéntica constitución) topológicamente equivalentes. Ha y Hb son grupos homotópicos ya que al sustituirlos por un grupo diferente los productos resultantes son idénticos.po u g upo d e e e os p oduc os esu a es so dé cos

Grupos heterotópicos constitucionales Ha y Hc son grupos heterotópicos constitucionales ya que al sustituirlos por un átomo diferente los productos que resultanconstitucionales ya que al sustituirlos por un átomo diferente los productos que resultan son isómeros constitucionales.

HO OHD Hb

HO OH

H

Ha Hb

HO OH

HdHc

Ha Hbisómeros constitucionales

HdHc HO OH

HdD

Ha


Grupos enantiotópicos son grupos homomórficos (idéntica constitución) topológicamente i l t H Hd ti tó i l tit i l átno equivalentes. Hc y Hd son grupos enantiotópicos ya que al sustituirlos por un átomo

diferente los productos que resultan son enantiómeros. El carbono unido a Hc y Hd no es quiral ya que tiene dos sustituyentes iguales, pero se convierte en quiral (estereogénico) si Hc o Hd se hacen diferentes. Se dice que este carbono sería proestereogénico y también q p g yproquiral ya que se generaría quiralidad en la molécula al producirse el cambio.


Grupos diastereotópicos son grupos homomórficos (idéntica constitución)Grupos diastereotópicos son grupos homomórficos (idéntica constitución) topológicamente no equivalentes. Son grupos sobre enlaces múltiples, sistemas cíclicos o en moléculas en las que ya existe un elemento estereogénico (centro, eje, plano).p )

En esta molécula Ha y Hb son diastereotópicos porque al sustituirlos por un átomo diferente los productos resultantes son diastereómeros.


Grupos diastereotópicos: Otros ejemplos: En esta molécula Ha y Hb son diastereotópicos ya que al sustituirlos por un átomo diferente los productos resultantes son diastereómeros (isomería cis-trans)so d as e eó e os ( so e a c s a s)

DBr

Ha

Hb

BrHb

HaBrDiastereòmers

D

En esta molécula Ha y Hb son diastereotópicos ya que al sustituirlos per un átomo diferente los productos resultantes son diastereómeros (isomería geométrica cis trans o

Cl D

diferente los productos resultantes son diastereómeros (isomería geométrica cis-trans o Z-E). El carbono unido a Ha y Hb es proestereogénico, pero en este caso no esproquiral ya que al modificar Ha o Hb no se genera isomería óptica.

Cl Ha H

Cl D

Hb

Cl HDiastereòmers

H Hb

H

Cl Ha

D

TOPISMO Y PROESTEREOISOMERÍA (GRUPOS HOMOMÓRFICOS)

TOPISMO EN EJES Y PLANOS: Los conceptos de topismo y proestereosiomería anteriores pueden extenderse a ejes y planos.

EJE PROQUIRAL L lé l i i t ( l ) i l i h H HbEJE PROQUIRAL: La molécula siguiente (aleno) es aquiral, pero si hacemos Ha o Hb diferentes la molécula resultante es quiral por la presencia de un eje quiral. Decimos que la molécula inicial tiene un eje proquiral y que Ha y Hb son enantiotópicos. Situaciones similares se dan en otros compuestos (binaftilos, etc.)p ( , )


PLANO PROQUIRAL: La molécula siguiente (paraciclofano) es aquiral, pero si hacemos H Hb dif t l lé l lt t i l l i d l i lHa o Hb diferentes la molécula resultante es quiral per la presencia de un plano quiral. Decimos que la molécula inicial tiene un plano proquiral y que Ha y Hb son enantiotópicos. Situaciones similares se dan en otros compuestos (anulenos etc.)

TOPISMO Y PROESTEREOISOMERIA

CARBONO PROQUIRAL: Tiene dos grupos iguales. No es quiral, pero se convierte en quiral si estos grupos se hacen diferentes (el concepto se extiende a ejes y planos proquirales)GRUPS PROQUIRALES: Grupos iguales, unidos a un carbono aquiral, pero que se convierte en quiral si los dos grupos se hacen diferentes (el concepto se extiende a grupos iguales en ejes y planos proquirales).Descriptor pro R y Pro S Se utiliza para designar a cada uno de los dos gruposDescriptor pro-R y Pro-S. Se utiliza para designar a cada uno de los dos grupos proquirales. Para asignar un descriptor se aplican con normalidad las reglas de CIP y arbitrariamente se asigna mayor prioridad al grupo proquiral que estamos considerando respecto a su igual.p g

HbHa

C C CCl HaHaHb

C C CH HbPh CH3

H é SHa és pro-SpHb és pro-Rp

Ha és pro-RaHb és pro-Sa

Ha és pro-SHb és pro-R

ATENCIÓN: La sustitución de un grupo pro-R no significa necesariamente que se forme un carbono R, eso depende de si el nuevo grupo mantiene la misma prioridad que el grupo inicial al aplicar las reglas de CIP.

TOPISMO Y PROESTEREOISOMERIA

Descriptor pro-Z y Pro-E. Se utiliza para referirse a los dos gruposproestereogénicos situados sobre un carbono trigonal sp2. Para asignar eld i t li l l d CIP bit i t i i id ddescriptor se aplican las reglas de CIP y arbitrariamente se asigna mayor prioridadal grupo que estamos considerando respecto a su igual.

TOPISMO Y PROESTEREOISOMERIA (PROQUIRALIDAD FACIAL)

Las reacciones de adición a dobles enlaces (carbono trigonal sp2) generan un carbonotetraédrico sp3 El nuevo carbono sp3 puede ser un centro estereogénico, laconfiguración del cual depende de la cara por la que se ha acercado el nucleófilo. Enco gu ac ó de cua depe de de a ca a po a que se a ace cado e uc eó oestos casos hablamos de proquiralidad facial.

CARAS HOMOTOPICAS

CARAS ENANTIOTOPICAS


CARAS ENANTIOTOPICAS

OH

CARAS DIASTEREOTOPICASO 1. Nu-

2 H O+

OH

Nu

diastereómeros2. H3O

Nu

OH


Descriptor re-si: Se aplica para denominar cada una de las caras deldenominar cada una de las caras del doble enlace en moléculas con proquiralidad facial. Se aplican las reglas de CIP sobre cada sustituyente del carbono trigonal (sp2) y se observa el sentido del giro.

En el caso de dobles enlaces C-C la notación se aplica de manera independiente para cada carbono proquiral

H3

re

2 carbonos proquiralesCH2CH3 12

1 carbono proquiral

si

DISTINCIÓN ENTRE GRUPOS SEGÚN SU TOPICIDAD

DISTINCIÓN POR RMN Y EN REACCIONS QUIMICAS

INDISTINGUIBLES

GRUPOS HOMOTÓPICOS-GRUPOS HOMOTÓPICOS

DISTINGUIBLES POR CUALQUIER AGENTE

-GRUPOS HETEROMORFICOS-GRUPOS HETEROTOPICOS CONSTITUCIONALES-GRUPOS DIASTEREOTOPICOSGRUPOS DIASTEREOTOPICOS

DISTINGUIBLES UNICAMENTE POR AGENTES QUIRALES

- GRUPOS ENANTIOTOPICOS

REACTIVIDAD: GRUPOS HOMOTOPICOS

En una reacción que transforma un átomo A en B, lacomposición de la mescla de productos depende de larelación de topicidad entre los diferentes grupos Apresentes en la molécula. La composición estadeterminada por la diferencia en energía de los ET de lareacción para cada grupo A. Si los grupos A sonhomotópicos la reacción para cada grupo A transcurre ahomotópicos la reacción para cada grupo A transcurre através de ET idénticos y solo se forma un producto. Losdos grupos A son indistinguibles.

REACTIVIDAD: GRUPOS DIASTEREOTOPICOS

MinorA

RR B

R

RR

A

A RR,R

Major

DiastereómerosRA

AS

AR

A

R

S

A diastereotópicosj

Mezcla diastereómerosR,S

AR B

R

R,R R,SEa >ET diasteroméricos

Si los grupos A son diastereotópicos lasA

RR R

Si los grupos A son diastereotópicos, lasreacciones de cada grupo A transcurren a través deET diastereoméricos de diferente energía. Seobtiene una mezcla de diastereómeros cada uno de A

G

R,R

AR

R S

A

A

RS

AS

R

los cuales resulta de la reacción de un grupo A.Puesto que los ET son de diferente energía, los dosdiastereómeros se formen en diferente proporción:El reactivo R es capaz de distinguir entre los dos

A

R,S

A

B

R

RB

A

R

S

El reactivo R es capaz de distinguir entre los dosgrupos A CR

A

REACTIVIDAD: GRUPOS ENANTIOTOPICOS

Reacción con un reactivo aquiral

Con un reactivo R aquiral, si los grupos A sonenantiotópicos, las reacciones de cada grupo Atranscurren a través de ET enantioméricos de igual

í S bti l d d tenergía. Se obtiene una mezcla de productosenantiómeros resultantes de la reacción de cada grupoA. Como los ET son iguales en energía los dosproductos enantiómeros se obtienen en igualp gproporción (mezcla racèmica): Los grupos A no sondistinguibles por el reactivo aquiral.

REACTIVIDAD: GRUPOS ENANTIOTÓPICOS

Reacción con un reactivo quiralReacción con un reactivo quiral

Con un reactivo R quiral, si los grupos A sonCon un reactivo R quiral, si los grupos A son enantiotópicos, las reacciones por cada grupo A transcurren a través de ET diastereméricos de diferente energía. Se obtiene una mezcla de

tió lt t d l ió d denantiómeros resultantes de la reacción de cada grupo A. Como los ET son diferentes en energía los dos enantiómeros se obtienen en diferente proporción (mezcla enantioenriquecida): Losproporción (mezcla enantioenriquecida): Los grupos A enantiotópicos son distinguibles por el reactivo quiral.

ESTEREOSELECTIVIDAD

REACCIONES ESTEREOSELECTIVAS

REACCIONES DIASTEREOSELECTIVAS

Distinguen entre grupos o caras diastereotópicas

REACCIONES ENANTIOSELECTIVASREACCIONES ENANTIOSELECTIVAS

Distinguen entre grupos o caras enantiotópicas

REACCIONES ESTEREOESPECÍFICAS

Cuando sustratos de estereoquímica diferente dan lugara productos de estereoquímica diferente en idénticascondiciones de reacción.

Requerimientos mecanísticos de la reacción

Todas las reacciones estereoespecíficas son estereoselectivas pero no viceversaestereoselectivas, pero no viceversa.

Pueden ser diastereo- y/enantioselectivas.

EJEMPLOS DE REACCIONES ESTEREOESPECÍFICAS

Hidroxilación con OsO4: Estereoespecífica sin, los dos grups OH se introducen por el mismo lado del doble enlace


Reacciones de sustitución S 2: Transcurren de manera estereoespecífica con

But SO2Ar NaSPh But H

Reacciones de sustitución SN2: Transcurren de manera estereoespecífica con inversión en la configuración

Bu

H

2

H

NaSPh

H SPh

But H NaSPh But SPh

H SO2Ar H H

Eliminación pirolítica de óxidos de amina (ésters, sulfóxidos, selenóxidos etc): Requieren una disposición sin-coplanar de los dos grups que se eliminan.

CHCH3

N(O)Me2HPhH

N

H CH3

OCH3H3C

H

N

H CH3

OCH3H3C

CH3

H CH3

Phcalor

CH3

eritro

Ph

H CH3

3 H

CH3 Ph

H CH3Z


Eliminación de haluros: La eliminación de haluros en medio básico es una reacción estereoespecífica anti. Requiere una disposición anti co-planar entre el H y el haluro que son eliminadosH y el haluro que son eliminados

EJEMPLOS DE REACCIONES DIASTEREOSELECTIVAS

ALQUILACIÓN DE CILOHEXANONAS


Eliminación de haluros


Adición de fenoxicarbeno

H

OPh

HOPh

PhOHOPh

PhOCHClBuLi

+

26% exo 14% endo

PhOCH2Cl

Addición a carbonilo (reducción)Addición a carbonilo (reducción)

OTMS OTMS OTMS

OO

OHO

OH

NaBH4+

H HOOO

OO

OO66% 30%

DIASTEREOSELECTIVIDAD EN REACCIONES DE ADICIÓN A GRUPO CARBONILOGRUPO CARBONILO

El grupo carbonilo es de gran importancia enquímica orgánica Reacciona con un gran

Nu (sp3)química orgánica. Reacciona con un grannúmero de nucleófilos dando reacciones deadición en las que el carbono trigonal sp2 setransforma en un carbono tetraédrico sp3. El *c=oproceso implica la interacción entre el HOMOdel nucleófilo i el LUMO del grupo carboniloque requiere una aproximación en principioortogonal entre dichos orbitalesortogonal entre dichos orbitales.

Nu oConforme el nucleófilo se aproxima alcarbonilo se produce una perturbación de losorbitales; el carbonilo pierde la coplanariedadi empieza a piramidalizar Cálculos refinados

O

Nu 107o

i empieza a piramidalizar. Cálculos refinadosindican que el nucleófilo prefiere acercarseformando un ángulo aproximado de 107 (ángulo de Bürgi-Dunitz).

(Ángulo de Bürgi-Dunitz)

DIASTEREOSELECTIVIDAD EN ADICIONES A GRUPO CARBONILO

Si las dos caras del grupo carbonilo no son homotópicas, la adición del nucleófilo origina un nuevo centro estereogénico cuya configuración depende de por qué cara del carbonilo se produce el ataque. Más concretamente, si las dos caras son diastereotópicas (diferenciables) el ataque por una de ellas puede estar favorecidodiastereotópicas (diferenciables) el ataque por una de ellas puede estar favorecido observándose cierta estereoselectividad en la reacción.De los diferentes factores que controlen las reacciones orgánicas (electrostático, orbital, estérico), son los factores estéricos los que determinan principalmente la ) q p pestereoquímica en las adiciones a carbonilo, especialmente en cetonas cíclicas


Con moléculas conformacionalmente flexibles (cetonas acíclicas y aldehídos)Con moléculas conformacionalmente flexibles (cetonas acíclicas y aldehídos) también se observa frecuentemente estereoselectividad, especialmente si en las proximidades del grupo carbonilo existe un centro estereogénico. En estos casos, el factor estérico no puede ser el único elemento de control. La mayoría de estudios se h ll d b lé l l i t t t é ihan llevado a cabo en moléculas en las que existe un centro estereogénico en posición al grupo carbonilo. En estos casos no es obvio prever por que cara se producirá el ataque del nucleófilo. Se han propuesto varios modelos que explican la estereoselectividad de la reacción:estereoselectividad de la reacción:

Modelo de CramModelo de Felkin-Anh


Modelo de Cram O ONu

E

Modelo de Cram

Carbono estereogénico

Sustituyentes noL

RSM

Nu LR

OMS

Sustituyentes no coordinantes (O,N)

Valido para racémicos o

Nu

enantiómeros

LR

OHSMNu

LR

NuMSHO

L L

E

El modelo de Cram da especial importancia a las interacciones de tipo estérico. Considera que la aproximación del nucleòfilo al carbonilo se produce por la cara menos impedida estéricamente en la conformación que minimiza la repulsión entre el oxígeno del carbonilo y el sustituyente más voluminoso(L) del carbono el oxígeno del carbonilo y el sustituyente más voluminoso(L) del carbono


Modelo de CramE

MgBr

MgMeBr

Modelo de Cram

Carbono estereogénico

Sustituyentes coordinantesR

OO

SL

Me

MgMe

R

OO

LS

Me

Mg

Sustituyentes coordinantes (O,N)

Valido para racémicos o

SL LS

enantiómeros

R

OHOMe

Me

R

MeOMe

HO

E

RSL

RLS

Si el carbono tiene sustituyente coordinantes y existen metales coordinantes en el medio de reacción, el ataque del nucleófilo se produce por la cara menos impedida estéricamente del grupo carbonilo en la conformación que permite la p g p q pformación de un quelato entre el metal, el oxígeno del carbonilo y el átomo del sustituyente coordinante (modelo cíclico)


Modelo de Felkin-Anh, La clave principal de este modelo es evitar la conformación eclipsada entre el sustituyente R del grupo carbonilo y el grupo L del centro estereogénico en el ET (tal y como ocurre en el modelo de Cram):

Modelo de Felkin:-ET próximo semejante a los reactantes- Conformación en ET alternada no eclipsada para minimizar la tensión torsionalConformación en ET alternada, no eclipsada, para minimizar la tensión torsional.- Las principales interacciones estéricas se producen con el grupo R o el nucleòfilo, pero no con el oxígeno del carbonilo.

Felkin Cram

Comparación de los modelos de Felkin y Cram


MODELO DE FELKIN ANH JUSTIFICACIÓNMODELO DE FELKIN-ANH. JUSTIFICACIÓN

El grupo L se sitúa perpendicular al grupo carbonilo minimizando las interacciones con el grupo R (dos posibles conformaciones A y B). El Nu se acerca siguiendo el ángulo de Bürgi Dunitz anti al grupo más voluminoso L interaccionando con uno de losde Bürgi-Dunitz anti al grupo más voluminoso L, interaccionando con uno de los sustituyentes S o M. En la conformación A (más favorable) la interacción del Nu se produce con el grupo S, minimizando la repulsión estérica.

S

L

RNu S

L

R

NuRM

SR

M

S

MOConformación A

MHO

Mayoritario

O

ML

OH

ML Nu

SO SHOO

LS

HO

LS

Nu

M

L

RNu

M

L

R

Nu

MinoritarioC f ió B

RL

M

R

M

MinoritarioConformación B


Modelo de ComforthHalógenos en el carbono .Predicción no es correcta mediante los modelos de Cram y Felkin (inicial)

OCl

MeH

Nu-

H

Nu

H

O

HMe MeMgCl

H

HO

HMe Me

H

Me

HMe OH

+H

Cl

H HCl

HCl

88 : 12

Si el carbono tiene un halógeno, éste se comporta como si fuera el sustituyente más voluminoso en los modelos de Cram y Felkin, situandose anti al carbonilo para minimizar repulsiones dipolares entre los enlaces C Hal y C O

88 : 12

repulsiones dipolares entre los enlaces C-Hal y C=O.


Modelo de AnhHalógenos en el carbono .

Anh propone que el proceso esta controlado no solo por factores estéricos sino por factores orbitálicos. En la aproximación del nucleófilo se produce una interacción secundaria entre el orbital ocupado del nucleófilo y un orbital vacío σ*C-Z (Z es un sustituyente del carbono ) Esta interacción es mas favorable para el orbital C-Halsustituyente del carbono ). Esta interacción es mas favorable para el orbital C Hal cuyo orbital σ* es menor en energía, de manera que es el halógeno el que se sitúa anti-coplanar al Nu en el ET preferente del modelo de F-A

Nu-Nu

R

PO

*P

MC-Hal

*C=O

*

Hal

COMPUESTOS ENANTIOMERICAMENTE PUROSO

Cl

N

O O

NH

O

O

NMe

ONHMe N

Me

Pr Me

NH

O O O

TaliodomidaH

N

NMe2

Dexclorofeniramina

Cl

CetaminaOHPicenadol Analgésico y

S es 200 veces más potente que R

Hipnótico y analgésicod es activol es tóxico

g yantiheméticoS es teratogénico

Analgésicod es agonista opiaceol es antagonista

NMe2 PhO O

Me2NPh

OO OMe O O MeO

DARVON NOVRAD

A nivel biológico las substancias bioactivas ejercen su acción interaccionando con receptores DARVON

(2S, 3R)-(+)-dextropropoxiféNOVRAD

(2R, 3S)-(-)-dextropropoxifé

DARVON es analgésicoNOVRAD es antitusivo

presentes en las células. Estos están formados por proteínas las cuales son quirales, de manera que dos compuestos enantiómeros puedencompuestos enantiómeros pueden presentar actividades diferentes frente un mismo receptor.

OBTENCIÓN DE COMPUESTOS ENANTIOMÈRICAMENTE PUROS (O ENRIQUECIDOS ENANTIOMÉRICAMENTE)PUROS (O ENRIQUECIDOS ENANTIOMÉRICAMENTE)

SÍNTESIS A PARTIR DE COMPUESTOS ENANTIOMÉRICAMENTE PUROS

Productos naturales

REACCIONES ENANTIOSELECTIVAS

A ili i lAuxiliares quirales

Reactivos quirales

Catalizadores quiralesq

RESOLUCIÓN DE RACÉMICOS

Formación de derivados

Resolución cinética

C t fí i lCromatografía quiral


Auxiliar quiral: Es una substancia enantioméricamente pura que se une covalentementeal sustrato y después de la reacción se separa del producto. Al unirse el auxiliar y elsustrato, los grupos enantiotópicos se transforman en diastereotópicos, siendodiferenciables por reactivos convencionales aquiralesdiferenciables por reactivos convencionales aquirales

Algunos auxiliares quirales utilizados en la alquilación de cetonas


Reactivo quiral: Un reactivo convencional se hace reaccionar con una sustancia enantioméricamente pura para dar otro reactivo quiral, el cual es capaz de diferenciar grupos o caras enantiotópicas.d e e c a g upos o ca as e a o óp cas

Li AlH4 + 3OH O

LiAl H

3

O

(-)-mentol

NMe2

O

NMe2

OH

LiAlH4 rac.

LiAl(mentol)3H 77% ee


Catalizador quiral: La sustáncia enantioméricamente pura se utiliza en cantidadCatalizador quiral: La sustáncia enantioméricamente pura se utiliza en cantidad catalítica acompañada de un reactivo convencional en cantidad estequiométrica.

R + C* (R-C)*S

P* + C*( )

S + C* (S-C)*R

P* + C*S + C (S C)

Red-Ox

R

Epoxidación de Sharpless

R1

R2 R3

OH

(-)-DETR1

R2

R3

OH

Oee> 90%

EtO2C

HO OH

CO2Et

Ti(OPrp)4

(+)-DET R1R2

R3OHee> 90%

Ti(OPr )4

t-BuOOH

O


Friedel-Crafts enantioselectiva

Catalizador quiral, ejemplos

O

Br

N+ Me Ph

O

N

Me

Ph

O

ee 97%

OO

Zr(OPr)2

BrNH

NH

EnzimasEl i f t li l di ió d l i i d l á id f á iEl enzima fumarasa cataliza la adición de agua por la cara si, si del ácido fumárico conduciendo exclusivamente a ácido L-málico

H

H

CO2H

HO2C Fumarasa

H2OOH

H CO2H

HO2C H

CO2HHHOHH

si siH CO2H

SEPARACIÓN RACÉMICA: FORMACIÓN REVERSIBLE DE DERIVADOS

La mezcla racémica se hace reaccionar con una sustancia enantioméricamente pura transformándose en un mezcla de diastereoisómeros. Una vez separados se hace revertir la reacción para obtener cada enantiómero puro (o enriquecido)

HOOH

NHM

HOOH

NHMe+HO

NHMe

R-(-)-adrenalinaHO

NHMe

S-(+)-adrenalina

CO2H

CO2H

HO

HOAc (+) taràric

(-)adrenalina (+)tartàric + (+)adrenalina (+)tartàric

cristal·lització

(-)adrenalina (+)tartàric (+)adrenalina (+)tartàric

-OH -OH

(-)adrenalina (+)tartàric (+)adrenalina

SEPARACIÓN RACÈMICA: RESOLUCIÓN CINÈTICA

La resolución cinètica se base en el hecho que la velocidad de dos enantioómeros frente a un agente quiral es diferente. En el caso más favorable uno de los

tió i l t t i t l t l h b l tenantiómeros reacciona completamente mientras que el otro no lo hace en absoluto

SEPARACIÓN RACÉMICA: CROMATOGRAFIA QUIRAL

La cromatografía quiral utiliza una fase estacionaria quiral. Generalmente se tratade gel de sílice funcionalizada con derivados de celulosa o amilosa para HPLC o conciclodextrinas para CG. Cada enantiómero interacciona con fuerza diferente con lafase estacionaria eluyendo a tiempos diferentes.

O

RO ORO

RO

R =

Me

HN

O

n Me

Silica gel

CHIRALCEL OD (DAICEL)Tris (3,5-dimetilfenilcarbamato) de celulosa

EFECTOS ESTEREOELECTRÓNICOS

Deslongchamps: Cualquier efecto sobre la reactividad de una molécula producido por la particular disposición espacial de determinados pares de electrones, tanto compartidos como no compartidos.

Efecto anoméricoEste efecto se observa en compuestos heterocíclicos hexagonales con sustituyentes en el carbono al heteroátomo, y se manifiesta en la preferencia del grupo polar a adoptar una di i ió i l t i ió l b l t i l hdisposición axial en contraposición a lo que se observa normalmente en ciclohexanos sustituidos. El nombre del efecto se debe a que se observó por primera vez en el carbono anomérico de la forma piranósida de los azúcares.

G>0O

X

O X

G>0

X = grupo polarX = grupo polar

EFECTOS ESTEREOELECTRÓNICOS

Efecto anoméricoLemieux (1950) atribuye un origen electrostático a este efecto. Esta interpretación se apoya en la observación

OX

Oe p e ac ó se apoya e a obse ac ó

que la forma eq está favorecida en disolventes polares.

XX Deslongchamps (1980) manteniendo esta

componente electrostàtica da mayor importancia a los orbitales. Según este autor el origen del efecto anomérico estaría en una

n n el origen del efecto anomérico estaría en una interacción enlazante estabilizadora entre un orbital n del heteroátomo y el orbital σ* del enlace C-X que se da únicamente si X és

O

*

O

axial. Con grupos no polares (alquilo) esta interacción es poco efectiva debido a la mayor diferencia de energia entre los orbitales implicados

C-X *C-X

implicados.En el trans-2,3-dicloro-1,4-dioxano predomina la conformación con los átomos de Cl axiales. Además el enlace C-Cl es

transmás largo y el enlace C-O más corto que los enlaces estándar correspondientes

DIFERENTES REPRESENTACIONES DE LA ESTEREOQUÍMICA

Representaciones para el 2 clorobutanoRepresentaciones para el 2-clorobutano

Proyección de FischerProyección de Fischer


Proyecciones de Fischer: Movimientos permitidos y no permitidos


Decalinas

REPRESENTACIÓN GRÁFICA DE LA ESTEREOQUÍMICA

Maehr J. Chem. Ed. 1985, 62, 114

BrS Descriptor topológico:OHBr

RS Descriptor topológico:

Configuración absoluta

OH

Br

OH

Br

BR

SOH

Br

BS

R= +Descriptor geométrico: Configuración relativa. Indica una mescla racèmica

Br Br Br

Descriptor geométrico: Configuración

OH

Br

BOH

Br

BR

SOH

Br

BS

R= o

Descriptor geométrico: Configuración relativa. Indica un único enantiómerodel que se desconoce su estereoquímica absoluta.

Br Br Br

OTROS SISTEMAS DE NOTACIÓN ESTEREOQUÍMICA

Eritro-treo: Estereoquímica relativa

CHOOHHOHH

CHOHHOHHO

CHOOHHHHO

CH OH

CHOHHOOHH

CH2OHOH

NH2=

CH2OHHH2NOHH

+

CH2OHH NH2

HO HCH2OH CH2OH CH2OHCH2OH

D-eritrosa L-eritrosa D-treosa L-treosa

Ph Ph

(d,l)-treo-2-amino-1-fenil-1,3-propanodiol

R*,S*: Estereoquímica relativa si la estereoquímica absoluta no se conoce o es indiferenteindiferente

CH OHOH

(1R*,2S*)-2-amino-1-fenil-1,3-propanodiolCH2OH

NH2rel-(1R,2S)-2-amino-1-fenil-1,3-propanodiol

(1RS,2SR)-2-amino-1-fenil-1,3-propanodiol


c-t-r: Compuestos cíclicos. Un grupo (generalmente el grupo principal) sirve de referencia y la posición del resto se indica en relación a éste.

Exo-endo: En sistemas bicíclicos plegados: Sustituyente endo es el que esta dirigido hacia el interior del pliegue y exo el que está dirigido hacia el exterior del pliegue

CH3CH3 HCH3

H

CH3

H

exo,exo-2,4-dimetilbiciclobutano

CH3

H

H

exo,endo-2,4-dimetilbiciclobutanoCl

endo-2-cloronorborneno


Sin-anti: Indica la orientación relativa de los sustituyentes en una cadena lineal. La cadena principal se dibuja en forma de zigzag.

anti,anti sin,anti sin,anti sin,sin

CHOOHHHHO

= CHOOHH

CH3 CHOOHH

HO= CH3 CHO

=HO

HHOCH3

treo

CH3

CHOOHHH

3 CHOOH

sin

Epi Epímeros son diastereómeros q e se diferencian en la config ración de n únicoEpi: Epímeros son diastereómeros que se diferencian en la configuración de un único centre estereogénico.

O O6

OH

H

H

OH

H

HOO

OO

santonina 6-epi-santonina

H H

ambrox 9-epi-ambrox


D-L: Se utiliza en azúcares y aminoácidos. En la proyección de Fischer se observa el sustituyente del último centro estereogénico. En los productos D éste se encuentra a la derecha y en los L a la izquierda

Este descriptor indica la

CHOOHHHHO

CHOHO H

H OH CO2H CO2H

Este descriptor indica la estereoquímica absoluta de la molécula y no se debe confundir con el descriptor d l d ib l tidOHH

OHHCH2OH

HO HHO H

CH2OH

H2N HCH3

NH2HCH3

d,l que describe el sentido de desviación de la luz polarizada por parte de cada enantiómero.

D-(+)-glucosa L-(-)-glucosa L-(+)-alanina D-(-)-alaninacada enantiómero.

s-cis y s-trans: Indica la conformación alrededor de un enlace sencillo con cierto á t d d bl l l fi b t i lcarácter de doble enlace que le confiere una barrera torsional.

O O

s-trans-butadieno s-cis-butadieno s-trans-propanal s-cis-propanal

NCH3O

NHO

NH H

s-cis-N-metilformamida

H CH3

s-trans-N-metilformamida

SIMETRIA PROMEDIADA

CH3

HCH3

CH3

HH3C

H3

H

CHCH

superponibles

H3C

H

CH3

HCH3

H

CH3

HH

En la conformación de silla la molécula es quiral y tiene una imagen especular no q y g psuperponible. No obstante, existe un equilibrio conformacional con una silla invertida que resulta ser idéntica a la imagen especular de la silla inicial (50% de población de cada silla, idénticas en energía). Consecuentemente el cis 1,2-dimetilciclohexano experimentalmente es una substancia ópticamente inactiva que no presenta dos formas enantioméricases una substancia ópticamente inactiva que no presenta dos formas enantioméricas diferentes (AQUIRAL). De hecho, el equilibrio conformacional entre las dos sillas implica pasar por una conformación altamente energética con un plano de simetría.

DIASTEREOSELECTIVIDAD EN ADICIONES A GRUPO CARBONILOAl aumentar el tamaño del grupo R, aumenta la estereoselectividad de la reacción.Al aumentar el tamaño del grupo R, aumenta la estereoselectividad de la reacción. Este hecho no se puede explicar mediante el modelo de Cram. Como se explica según el modelo de Felkin-Anh?

EJES QUIRALES (ESTEREOGENICOS)

H3C

ClCH3

CH3

ClH3C

SISTEMAS CÍCLICOS RÍGIDOSCl

3

Cl3

CH3

4CH

4CH3

Cl CH3

Cl

1 2

3

Ra

CH3

H3C ClCl

2 1

3

Sa

H H

H3C CH3

H

Ph

H

PhH H

ALQUILIDENCICLOALCANOS

PhH CH3

2 13

Ra

PhH3C H1 2

3

Sa

H4 H4

RMN: GRUPOS HOMOTOPICOS Y HETEROTOPICOS CONSITUCIONALES

O

O3.67

O2.01

0123PPM

RMN: GRUPOS DIASTEREOTOPICOS

3

3

O H3.90

3.50

H1.71 3.82

0123

Ha Hb

0123PPM

RMN: GRUPOS ENANTIOTOPICOS

O Ha Hb

O Cl

Cl

ClHa

HH

H

Ha y Hb son enantiotópicos, no distinguibles por RMN

ClH

O

ClCl

H H

H

4.84 4.84

2.01

Ha y Hb

OCl

Cl

HH

2.01

2.01

01234PPM

RMN: GRUPOS ENANTIOTOPICOS. DIFERENCIACION DE ENANTIOMEROS MEDIANTE REACTIVOS QUIRALES


Epoxidación con perácidos: Estereoespecífica sin. La estereoquímica del doble enlace se mantiene en el epóxidoenlace se mantiene en el epóxido.

CH3 CH3

si re

O

HCH3 CH3 O

H HCH3

CH3MCPBA

H H

sire

i i

H H O

H

CH3 H

CH3

si si

O

H CH3

CH3 HO

H3C HH CH3+

O

H CH3

CH3 HMCPBA

H CH3

rere

3

PLANOS QUIRALES (ESTEREOGÉNICOS)PARACICLOFANOS

Para determinar la configuración del plano se define un átomo piloto P que es el primer átomo que se sitúa fuera del plano que contiene la parte de la molécula responsable de la quiralidadmolécula responsable de la quiralidad. Desde este se numeran los átomos sucesivamente. En el caso de dos posibilidades, se sigue el camino por el átomo de mayor prioridad según las reglas de CIP

Trans-CICLOOCTENOANULENOS

1

23H

1

2 3HCH3

P

12

3

RpSp

PM

P P

aquiralRp

PPlanos quirales aparecen en moléculas que presentan una gran parte contenida en un plano del cual sobresale el resto de la molécula. Para designar la configuración del plano estereogénico se puede utilizar la nomenclatura R/S y también la notación helicoidal

Rp = P

Sp = M (CONTRARIA A LA DE LOS EJES QUIRALES)

estero qui mica

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