Estereoisomería-Análisis conformacional PDF

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Resumen estereoisomeria quimica organica...

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FACULTAD DE BIOQUÍMICA Y CIENCIAS BIOLÓGICAS - UNL

LICENCIATURA EN NUTRICIÓN

QUÍMICA ORGÁNICA

COMPLEMENTO DE LA UNIDAD 2:

ESTEREOISOMERÍA. ANÁLISIS CONFORMACIONAL

SEGUNDO CUATRIMESTRE 2016

ESTEREOQUÍMICA. La estereoquímica es el estudio de los compuestos orgánicos en el espacio. Para comprender las propiedades de los compuestos orgánicos es necesario considerar las tres dimensiones espaciales.

Las bases de la estereoquímica fueron puestas por Jacobus van’t Hoff y Le Bel, en el año 1874. De forma independiente propusieron que los cuatro sustituyentes de un carbono se dirigen hacia los vértices de un tetraedro, con el carbono en el centro del mismo. La disposición tetraédrica de los sustituyentes de un carbono sp3 da lugar a la existencia de dos posibles compuestos, que son imágenes especulares no superponibles, llamados enantiómeros. En general a las moléculas que se diferencian por la disposición espacial de sus átomos, se les denomina estereoisómeros. CLASIFICACIÓN DE ESTEREOISÓMEROS Los isómeros son moléculas que tienen la misma fórmula molecular pero diferente estructura. Se clasifican en isómeros estructurales y estereoisómeros. Los isómeros estructurales difieren en la forma de unión de sus átomos y se clasifican en isómeros de función, de cadena y de posición. En los estereoisómeros los átomos están conectados de igual manera en ambas moléculas. La diferencia radica en la distinta orientación espacial de los átomos o grupos de átomos. Los estereoisómeros se clasifican en isómeros geométricos (cis-trans, Z-E), enantiómeros y diastereoisómeros.

El metano, etano y propano son los únicos alcanos con las fórmulas CH4, CH3CH3 y CH3CH2CH3.

Sin embargo, existen dos alcanos de fórmula C4H10; el butano y el 2-metilpropano. Estos alcanos de igual fórmula pero con diferente estructura son isómeros. Existen tres isómeros de fórmula C5H12. El isómero lineal se llama n-pentano. Los ramificados son el isopentano (2-metilbutano) y el neopentano (2,2-dimetilpropano).

Existen cinco isómeros constitucionales de fórmula C6H14:

A medida que aumenta el número de carbonos crece de forma exponencial el número de isómeros. Existen más de 360.000 isómeros con la fórmula C20H42 y más de 62 millones con la fórmula C40H82. Proyección de Newman La proyección de Newman se obtiene al mirar la molécula a lo largo del eje C-C. El carbono frontal se representa por un punto, del que parten los tres enlaces que lo unen a los sustituyentes. El carbono de atrás se representa por un círculo y los enlaces que salen de este carbono se dibujan a partir de este círculo. A continuación, dibujaremos la proyección de Newman del etano alternado. Miramos la molécula situándonos en la posición de la flecha. Representamos el carbono que tenemos enfrente por un punto y sacamos los enlaces que parten hacia los hidrógenos. El carbono que está al fondo no podemos verlo, aunque si vemos los hidrógenos que parten de él. Lo representamos por un círculo y sacamos los enlaces que lo unen a los hidrógenos).

Ahora intentemos proyectar la conformación del etano que tiene todos los hidrógenos enfrentados (llamada conformación eclipsada). Situándonos en la posición de la flecha tenemos enfrente el carbono con los hidrógenos. Los hidrógenos posteriores quedan tapados y no podemos verlos. En la proyección de Newman estos hidrógenos aparecen ligeramente girados para poder representarlos.

Isómeros conformacionales Los enlaces simples entre átomos tienen simetría cilíndrica y permiten la rotación de los grupos que unen. Las diferentes disposiciones espaciales que adoptan los átomos como consecuencia de la rotación en torno al enlace se llaman conformaciones. Una conformación concreta de las múltiples posibles se denomina confórmero. La rotación del enlace carbono-carbono en el etano da lugar a dos conformaciones límite -la conformaciones alternada (con los hidrógenos alternados) y la conformación eclipsada (con los hidrógenos enfrentados-. El paso de la conformación alternada a la eclipsada o viceversa se realiza por giro de 60º. Obsérvese que en un giro de 360º existen infinitas conformaciones posibles.

Un ejemplo simple lo brinda la rotación en torno al enlace simple oxígeno-oxígeno en la molécula de agua oxigenada. Se generan tres conformaciones de especial importancia. La conformación que tiene los hidrógenos enfrentados se llama SIN. Cuando los hidrógenos se sitúan a lados opuestos se habla de confórmero ANTI. La conformación que deja los hidrógenos a 60º recibe el nombre de Gauche

Análisis conformacional del etano El etano es el alcano más sencillo que puede existir en diferentes conformaciones. De las infinitas conformaciones que se pueden obtener por giro del enlace carbono-carbono, destacan por su importancia las conformaciones alternada y eclipsada. Conformación alternada del etano Como puede observarse en la figura, la conformación alternada tiene los hidrógenos del primer carbono situados entre los hidrógenos del segundo carbono, no existen hidrógenos enfrentados.

En esta conformación los enlaces carbono-hidrógeno de ambos carbonos se encuentran alejados, formando ángulos de 60º. La conformación alternada es la más estable de las conformaciones del etano. Es decir, la de menor energía. Conformación eclipsada del etano La segunda conformación se llama eclipsada. En ella los enlaces carbono-hidrógeno de ambos carbonos quedan enfrentados (eclipsados). Los campos electrónicos de los hidrógenos enfrentados sufren importantes repulsiones (eclipsamientos) que desestabilizan la conformación. La conformación eclipsada del etano es la de mayor energía. Es decir, la más inestable.

La rotación en torno a un enlace simple carbono-carbono no es completamente libre, debido a las diferencias de energía entre las conformaciones alternadas y eclipsadas. Para que la rotación tenga lugar es necesario superar una barrera energética que viene dada por la energía de la conformación eclipsada (energía de activación). En el etano esta barrera energética es pequeña, unas 2,9 Kcal/mol (12 KJ/mol), y permite que los confórmeros se interconviertan a elevada velocidad.

Análisis conformacional de butano Vamos a considerar el enlace C2-C3 del butano. Los giros de 60º entorno a este enlace generarán las posibles conformaciones del butano. Existen tres conformaciones de especial importancia llamadas; butano sin, butano anti y butano gauche que representamos en los siguientes modelos. La conformación anti del butano es la de menor energía. Los metilos están a lados opuestos minimizándose las repulsiones.

En la conformación gauche, la proximidad de los metilos da lugar a una interacción repulsiva, llamada interacción gauche. Esta repulsión entre metilos es de unas 3,2 Kcal/mol.

La conformación sin es la de mayor energía. Los metilos quedan enfrentados y las repulsiones (interacciones eclipse) hacen que esta conformación tenga una energía de 25 KJ/mol superior a la conformación anti.

El diagrama de energía potencial frente al ángulo girado para el butano queda:

Tensión anular en Cicloalcanos En la naturaleza son muy abundantes los compuestos con ciclos de cinco y seis eslabones. Sin embargo, los ciclos de tres y cuatro miembros aparecen muy rara vez en productos naturales. Estabilidad en cicloalcanos. Estos hechos experimentales sugieren la mayor estabilidad de los ciclos de cinco o seis miembros con respecto a los de tres o cuatro. En el año 1885, el químico alemán Adolf von Baeyer propuso que la inestabilidad de los ciclos pequeños era debida a la tensión de los ángulos de enlace. Los carbonos sp 3 tienen unos ángulos de enlace naturales de 109,5º, en el ciclopropano estos ángulos son de 60º, lo que supone una desviación de 49,5º. Esta desviación se traduce en tensión, que provoca inestabilidad en la molécula. El ciclobutano es más estable puesto que sus ángulos de enlace son de 90º y la desviación es de sólo 19,5º. Baeyer aplicó este razonamiento al resto de cicloalcanos y predijo que el ciclopentano debería ser más estable que el ciclohexano. Tensión angular Obsérvense los ángulos de enlace de los diferentes cicloalcanos:

Como el ángulo natural de un carbono sp3 es de 109,5º, von Baeyer razonó que el cicloalcano más estable era el ciclopentano. Si embargo, sabemos que Baeyer estaba equivocado ya que el cicloalcano de menor energía (más estable) es el ciclohexano. El error de Bayer está en suponer que los cicloalcanos son planos y que el único tipo de tensión que presentan es debido a los ángulos de enlace.

Ciclopropano. Es el único cicloalcano plano. Se caracteriza por una gran tensión angular debida a ángulos de enlace muy inferiores a 109,5º. Los orbitales sp 3 de los carbonos que forman el ciclo solapan curvándose hacia el exterior, para disminuir la tensión. Dando lugar a unos enlaces curvos llamados enlaces banana.

El ciclopropano es un anillo plano que presenta tres hidrógenos enfrentados por cada una de sus caras (hidrógenos eclipsados), que aumentan aun más la tensión de la molécula. Es por ello el cicloalcano más inestable.

Si los carbonos del ciclobutano fueran coplanares, formarían un cuadrado rígido con ángulos internos de 90°. La desviación de los 109,5° no sería tan grande como en el ciclopropano y la tensión angular sería menor, pero el ciclobutano no es plano, uno de sus carbonos sale unos 25º del plano formado por los otros tres carbonos. Esta disposición aumenta la tensión angular, pero se reducen considerablemente los eclipsamientos hidrogeno-hidrógeno que presenta la molécula en su forma plana. En realidad, la tensión de eclipsamiento se reduce en parte porque el ciclobutano no es una molécula rígida plana. sino una mezcla en equilibrio de dos conformaciones flexibles plegadas que rápidamente se interconvierten (Fig. 9.2). Este plegamiento compensa con creces el ligero incremento en la tensión angular (el ángulo es ahora 88°). Si el ciclopentano fuesa plano, sería un pentágono regular con ángulos internos de 108°. Como este valor es muy próximo al ángulo tetraédrico, estaría prácticamente libre de tensión angular. Pero presentaría cinco hidrógenos eclipsados por cada cara, que desestabilizarían la molécula. La disposición más favorable del ciclopentano es la forma de sobre. En esta disposición la suma de tensiones angulares y eclipsamientos se hace mínima, la tensión se reduce, a expensas de un cierto incremento de la tensión angular, cuando un -CH2- se sale del plano del anillo (Fig. 9.4). Este plegamiento no es fijo, sino que alterna en torno al anillo

Los ciclos de seis son los más abundantes en la naturaleza. Existen multitud de compuestos con actividad biológica cuya base son ciclos de seis átomos condensados (colesterol).

La explicación de esta abundancia radica en su estabilidad. Entre los cicloalcanos de hasta trece átomos de carbono anulares, el ciclohexano es el que tiene menor tensión de anillo. ¿Corresponde esto con una geometría plana para el anillo hexagonal? El ciclohexano minimiza su tensión de anillo mediante plegamiento. Las dos conformaciones extremas son la silla (más estable) y la bote (menos estable). El bote retorcido es un confórmero menos estable que la silla (unos 23 kJ/mol), pero es más estable que el bote. Se genera a partir del bote desviando uno de los «mástiles» a la izquierda y el otro a la derecha Los ciclohexanos adoptan una disposición espacial en forma de silla, que les permite minimizar tanto la tensión angular como los eclipsamientos. En forma de silla los ángulos de enlace son de 111º, muy próximos a los 109,5. Además, todos los hidrógenos quedan alternados unos respecto a otros, minimizándose las repulsiones entre ellos. Enlaces axiales y ecuatoriales. Seis de los doce H del ciclohexano son ecuatoriales (e); se alejan del anillo, formando un cinturón en torno a su perímetro, los otros seis H son axiales (a); son perpendiculares al plano del anillo y paralelos entre sí. Tres de estos H axiales, situados sobre C alternos se dirigen hacia arriba, mientras que los otros tres apuntan hacia abajo. Al convertir un confórmero silla en el otro, los enlaces axiales pasan a ser ecuatoriales Del mismo modo, los enlaces ecuatoriales pasan a ser axiales.

Conformaciones del Ciclohexano. El profesor Odd Hassel de la Universidad de Oslo, estableció que la conformación más estable del ciclohexano es la forma de silla. Con ángulos de enlace de 111º la silla está casi libre de tensión angular. Además, todos los enlaces están alternados como puede observarse en la proyección de Newman.

La segunda conformación del ciclohexano, mucho menos estable, es el bote. En esta conformación, los ángulos son próximos a la disposición tetraédrica y la tensión angular es mínima. Sin embargo, el bote está desestabilizado por la repulsión entre los hidrógenos que se sitúan hacia el interior del bote. Este repulsión se denomina tensión transanular. Puede apreciarse dicha tensión en los siguientes modelos.

Ciclohexanos monosustituidos. Al reemplazar un H por CH3 se obtienen dos conformaciones silla diferentes; en la Figura 9.6(e) el CH3 es axial, mientras que en la Figura 9.6(f) es ecuatorial. Para el metilciclohexano, el confórmero con el CH3 axial es menos estable y tiene 7,5 kJ/mol más de energía. Esta diferencia energética puede analizarse de dos maneras:

Interacciones 1,3–diaxiales (efecto transanular). En la Figura 9.6(e) el CH3 axial está más próximo a los dos H axiales que el CH3 ecuatorial respecto a los H ecuatoriales adyacentes de la Figura 9.6(f).

En general, cualquier sustituyente prefiere situarse en la posición ecuatorial menos impedida en relación con la posición axial. CICLOHEXANOS DISUSTITUÍDOS. Los ciclohexanos 1,1-disustituidos no tienen isómeros configuracionales. Su equilibrio conformacional será degenerado si R y R' son iguales. Si son diferentes, predominará la forma silla que tenga en axial el grupo de menor energía conformacional.

Isómero 1,1

Los ciclohexanos (1,2), (1,3) y (1,4) disustituídos tienen 2 isómeros configuracionales: cis y trans. Cada uno de ellos posee dos conformaciones silla en equilibrio.

Isómero 1,2 cis

Isómero 1,2 trans

Isómero 1,3 cis

Isómero 1,3 trans

Isómero 1,4 cis

Isómero 1,4 trans En cada caso el equilibrio conformacional estará desplazado hacia la forma silla que menos sustituyentes tenga en axial y/o la que tenga el sustituyente de mayor energía conformacional en disposición ecuatorial....