Estereoquímica

Introducción

Para introducir este concepto debemos comprender que es la estereoquímica: La estereoquímica es la química en tres dimensiones. Una consecuencia de un arreglo tetraédrico de los enlaces del carbono es que dos compuestos pueden ser diferentes debido a que el arreglo de sus átomos en el espacio es diferente. Los isómeros que tienen la misma constitución pero difieren en el arreglo espacial de sus átomos son llamados estereoisómeros. Ya se tiene experiencia considerable con ciertos tipos de estereoisómeros, aquellos que implican patrones de sustitución cis y trans en alquenos y en cicloalcanos. Todo tiene una imagen especular, pero no todas las cosas son superponibles con ella. La superpo-nibilidad caracteriza a muchos objetos que se usan en forma cotidiana. Tazas y platos, tenedores y cucharas, sillas y camas son todos idénticos a sus imágenes especulares. Sin embargo, muchos otros objetos, y esto es lo más interesante, no lo son. Su mano izquierda y su mano derecha, por ejemplo, son imágenes especulares entre sí pero no pueden hacerse coincidir punto por punto, palma a palma, nudillo a nudillo, en tres dimensiones. En 1894, William Thomson (lord Kelvin) acuñó una palabra para esta propiedad. Estableció que un objeto es quiral si no es superponible con su imagen especular. Aplicando el término de Thomson a la química, se dice que una molécula es quiral si sus dos formas de imagen especular no son superponibles en tres dimensiones. La palabra quiral se deriva de la palabra griega cheir, que significa “mano”, y es apropiada para hablar de la “lateralidad” de las moléculas. Lo opuesto de quiral es aquiral. Una molécula que es superponible en su imagen especular es aquiral.

En química orgánica, la quiralidad ocurre con más frecuencia en moléculas que contienen un carbono unido a cuatro grupos diferentes. Un ejemplo es el bromoclorofluorometano (BrClFCH).

Las estructuras A y B son representaciones de bromoclorofluorometano (BrClFCH)

Para probar superponibilidad, girar “B” 180°

Comparando nuevamente A y B girado 180° nos damos cuenta que no coinciden, son dos compuestos diferentes.

Las dos imágenes especulares del bromoclorofluorometano no pueden superponerse entre sí. Debido a que las dos imágenes especulares del bromoclorofluorometano no son superponibles, el BrClFCH es quiral.

La imagen especular del clorodifluo-rometano son superponibles entre sí. El clorodifluorometano es aquiral.

Como se acaba de ver, las moléculas del tipo general.

Son quirales cuando w, x, y y z son diferentes. En 1996, la IUPAC recomendó que un átomo de carbono tetraédrico que lleva cuatro átomos o grupos diferentes fuera llamado centro de quiralidad.

Notar la presencia de un centro de quiralidad (pero no más de uno) es una forma simple y rápida de determinar si una molécula es quiral. Por ejemplo, C-2 es un centro de quiralidad en el 2-butanol; está unido a H, OH, CH3 y CH3CH2 como sus cuatro grupos diferentes. De forma contrastante, ninguno de los átomos de carbono tiene cuatro grupos diferentes en el alcohol 2-propanol, que es aquiral.

Ejercicio en clase: observe las siguientes moléculas indique cual puede tener estereoisómeros.

Un átomo de carbono en un anillo puede ser un centro de quiralidad si tiene dos grupos diferentes, y si la ruta trazada alrededor del anillo, a partir de ese carbono, en una dirección es diferente de la trazada en la otra. El átomo de carbono que tiene el grupo metilo en el 1,2- epoxipropano, por ejemplo, es un centro de quiralidad. La secuencia de grupos es O—CH2 conforme se procede en dirección de las manecillas del reloj alrededor del anillo a partir de ese átomo, pero es H2C—O en dirección contraria a la de las manecillas del reloj. Del mismo modo, C-4 es un centro de quiralidad en el limoneno.

¿Qué es un estereoisómero?

Es un isómero que tiene la misma fórmula molecular y la misma secuencia de átomos enlazados, con los mismos enlaces entre sus átomos, pero difieren en la orientación tridimensional de sus átomos en el espacio. Se diferencian, por tanto, de los isómeros estructurales, en los cuales los átomos están enlazados en un orden diferente dentro de la molécula. Los estereoisómeros son sustancias con la misma fórmula molecular e igual secuencia de enlace de los átomos que las constituyen, pero que difieren entre sí en la ordenación de sus átomos en el espacio.(4)

Isómeros: son moléculas que tienen la misma formula molecular pero diferente estructura.

Ligandos: las moléculas o iones que rodean al metal en un Ion complejo.

¿Que conocemos como estereoisómeros?

Los estereoisómeros son compuestos que se forman por el mismo tipo y numero de átomos unidos en la misma secuencia, pero con distinta disposición espacial. (Conocimiento de la estructura de una molécula).(1)

Existen dos tipos de estereoisómeros: los isómeros geométricos y los isómeros ópticos.

Isómeros geométricos: son estereoisómeros que no pueden convertirse uno en otro sin que se rompa un enlace químico. Son diastereomeros (no son especulares uno del otro), estos isómeros se presentan en pares. Para diferenciar los isómeros geométricos en un compuesto, se utilizan los términos “cis” y “trans”.(1)

Cis= significa que dos átomos particulares (o grupo de átomos) son adyacentes. Es decir los dos grupos de átomos están situados al mismo lado de plano de referencia.(1)

Trans= significa que los átomos (o grupos de átomos) están en lados opuestos en la formula estructural. Es decir que los grupos de átomos se encuentran situados en lados opuestos de dicho plano.(1)

Los estereoisómeros se pueden subdividir en: enantiómeros y diastereómeros o disteroisómeros. Los enantiómeros son estereoisómeros que son imágenes especulares entre sí. Los diasteroisómeros son estereoisómeros que no son imágenes especulares entre sí. En el caso del ejemplo son diastereómeros.

El enantiomerismo sólo ocurre en aquellos compuestos cuyas moléculas son quirales. Una molécula quiral puede definirse como aquella que no se puede superponer con su imagen especular. El término quiral se usa para describir moléculas que se relacionan de la misma manera que la mano derecha e izquierda, es decir que son imágenes especulares y no se superponen.Los isómeros que se pueden superponer con sus imágenes especulares se conocen como aquirales.(3)

Se dice que las moléculas quirales son ópticamente activas por su capacidad de girar el plano de polarización de la luz polarizada cuando pasa através de estas moléculas. A diferencia de la luz ordinaria que vibra en otras direcciones.(3)

Muchos objetos son quirales, por ejemplo tuercas y tornillos o una hélice. Los objetos que son superponibles con sus imágenes son aquirales, por ejemplo calcetines.

La quiralidad de las moléculas puede ser demostrada con el 2-butanol. Esta molécula posee dos enantiómeros o sea que existen dos diferentes moléculas de 2-butanol.

Los enantiómeros tienen iguales propiedades físicas y químicas, ya que difieren muy poco en su estructura. Al construir el modelo del 2-butanol y su imagen vemos que no se sobreponen, por lo que representan moléculas diferentes, pero isoméricas.(5)

Si existen dos o más grupos iguales unidos a un átomo tetraédrico, la molécula es superponible a su imagen especular y es aquiral. Un ejemplo de este tipo de moléculas es el 2- propanol, ya que tiene dos grupos metilo unidos al átomo central. Si construimos esta molécula encontramos que una estructura puede superponerse a su imagen especular. Por lo que no se puede esperar que existan enantiómeros del 2-propanol.

Existen otros factores que ayudan a reconocer moléculas quirales. La presencia de un solo centro quiral es de gran ayuda. Otros factores que pueden ser usados se basan en ciertos elementos de simetría en la molécula. Una molécula será aquiral si posee: a) un plano de simetría, b) un centro de simetría o c) cualquier eje alterno n veces (n=non).

Un plano de simetría (s) se define como un plano imaginario que divide en dos una molécula, de manera que las dos mitades sean imágenes especulares entre sí.

Un centro de simetría (i) es el punto dentro de un objeto tal que toda línea que se trace por él, une dos elementos del objeto iguales entre sí, opuestos y equidistantes.

Finalmente un eje alterno o alternante de orden n (Sn) es un eje tal que cuando un objeto que lo posee es girado 360o/n alrededor de dicho eje, reflejándosele luego sobre un plano perpendicular al eje, se obtiene un nuevo objeto indistinguible del original.(5)

Una molécula que contiene un solo átomo de carbono asimétrico (definido como un átomo unido a cuatro sustituyentes diferentes) siempre es quiral y por lo tanto es ópticamente activa. Sin embargo, la presencia de un carbono asimétrico no es condición suficiente ni necesaria para que exista actividad óptica, la actividad óptica puede presentarse en moléculas sin carbono asimétrico y algunas moléculas con dos o más átomos de carbono asimétricos son superponibles con su imagen especular y por lo tanto son inactivas.(5)

Los compuestos ópticamente activos pueden clasificarse en varias categorías:

1. Compuestos con un átomo de carbono asimétrico. Si existe solamente uno de tales átomos, la molécula debe ser ópticamente activa. No importa que tan pequeñas sean las diferencias entre los cuatro grupos.

2. Compuestos con otros átomos cuadrivalentes asimétricos.

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