1.7: Estructura y Vinculación - Estereoquímica

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Andrew R. Barron
Rice University via CNX

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Isómeros estéreo

Los estereoisómeros tienen la misma fórmula empírica o fórmula molecular pero diferentes fórmulas estructurales. Un ejemplo típico es el butano, C _4H ₁₀, que puede tener dos estructuras posibles diferentes: n-butano (Figura\(\PageIndex{1}\) .30a) e isobutano también conocido como 1-metilpropano (Figura\(\PageIndex{1}\) .30b).

Figura <span translate= — Figura\(\PageIndex{30}\): Los dos estereoisómeros del butano: (a) *n-butano* y (b) isobutano.

Isómeros geométricos

Los isómeros geométricos tienen la misma fórmula empírica o fórmula molecular y también la misma fórmula estructural, pero tienen una disposición relativa diferente de los grupos sustituyentes. Por ejemplo, los dos isómeros geométricos del 1,2-dicloroeteno (Figura\(\PageIndex{1}\) .31) tienen la fórmula molecular de _C2H ₂ _{Cl 2}, y la misma fórmula estructural de Cl (H) C=C (H) Cl, pero la posición relativa de los dos átomos de cloro puede ser el mismo lado del doble C=C enlace (es decir, cis, ver Figura\(\PageIndex{1}\) .31a) o en lados opuestos del doble enlace C=C (es decir, trans, ver Figura\(\PageIndex{1}\) .31b). El uso de cis y trans no se limita a compuestos orgánicos tales como olefinas, sino que también se puede usar en complejos metálicos, por ejemplo, Figura\(\PageIndex{1}\) .32.

Cuando no es posible describir isómeros geométricos por los términos cis o trans, se emplean comúnmente los términos facial (fac, Figura\(\PageIndex{1}\) .33a) o meridinal (mer, Figura\(\PageIndex{1}\) .33b).

Isómeros ópticos

Si el objeto espejo y la imagen especular de una molécula no son iguales (es decir, no son superponibles) se les conoce como enantiómeros. Si también tienen actividad óptica se les llama quirales y se describen como que tienen quiralidad. Los enantiómeros de un compuesto particular tienen las mismas propiedades generales con dos excepciones:

Su comportamiento ante la luz polarizada.
Su reacción con otras moléculas quirales

Es posible determinar si una molécula es quiral o no a partir de su simetría. Las moléculas quirales no tendrán simetría ni eje de rotación. La actividad óptica de una molécula quiral girará el plano de luz polarizada ya sea hacia la derecha (+) o hacia la izquierda (-). El primero se conoce como dextrorrotatorio (D), mientras que el segundo se conoce como levorrotatorio (L).

Configuración

La configuración de una molécula quiral puede representarse de varias maneras. El ácido láctico (C ₃ H ₆ O ₃) proporciona un ejemplo adecuado y sencillo. Los dos isómeros ópticos del ácido láctico se pueden representar en forma tridimensional (3D) como se muestra en la Figura\(\PageIndex{1}\) .34; sin embargo, también es posible dibujar las mismas moléculas en 2D usando la proyección Fischer (Figura\(\PageIndex{1}\) .35). Si bien la proyección de Fisher no parece denir la geometría alrededor del átomo de carbono central, la convención es que las cadenas laterales están fuera del plano de la página (hacia el observador), mientras que los grupos superior e inferior están en el plano de la página (lejos del observador). Así, la Figura\(\PageIndex{1}\) .35a es una representación de la Figura\(\PageIndex{1}\) .34a, y la Figura\(\PageIndex{1}\) .35b es una representación de la Figura\(\PageIndex{1}\) .34b.

Convención Fischer-Rosenoff

La convención Fischer-Roseno define la quiralidad de una molécula utilizando la proyección Fischer. La convención se basa en D- (+) -gliceraldehídos (Figura\(\PageIndex{1}\) .36).

Para determinar la etiqueta quiral de una molécula, se dibuja la proyección de Fischer con la cadena carbonada más larga apuntando lejos del observador, es decir, hacia el plano de la página. El carbono número 1 (el de la sustitución más alta) se posiciona en la parte superior del diagrama. Si el grupo funcional está a la derecha del diagrama al isómero se le da la etiqueta D (del enantiómero dextrorrotatorio de gliceraldehídos en lugar de que la molécula sea dextrorrotatoria per se), es decir, Figura\(\PageIndex{1}\) .36. Por otro lado, si el grupo funcional está a la izquierda del diagrama al isómero se le da la etiqueta L (del enantiómero levorrotatorio de gliceraldehído en lugar de que la molécula sea levorrotatoria per se).

Reglas

Donde las moléculas son grandes y complejas, son útiles varias reglas adicionales:

Hacer que cualquier sustituyente alcohol esté más cercano a la parte superior, por ejemplo, un butan-2-ol (Figura\(\PageIndex{1}\) .37a) en lugar de un butan-3-ol (Figura\(\PageIndex{1}\) .37b).
Los aldehídos y cetonas son el átomo de carbono número 1.
Si hay ambos conjuntos de sustituyentes, la regla 1 tiene prioridad sobre la regla 2.

Nomenclatura en términos de R y S

La nomenclatura R/S es una alternativa más utilizada a la nomenclatura D/L, y se basa en el orden jerárquico de los sustituyentes. A partir de la proyección Fischer, los grupos se ordenan con el átomo más grande primero, como se muestra en la Figura\(\PageIndex{1}\) .38. El sustituyente numerado más bajo se orienta entonces lejos del observador (es decir, H en la Figura\(\PageIndex{1}\) .38). Luego se traza el orden de los sustituyentes restantes 1, 2, 3: si va en sentido horario la molécula se marca R, si va en sentido antihorario (en sentido contrario a las agujas del reloj) la molécula se marca S.

La ventaja de la metodología R/S es que también puede ser utilizada para isómeros geométricos. Así, mientras que cis y trans son útiles cuando los grupos a ambos lados de un doble enlace C=C son iguales (por ejemplo, cis-1,2dicloroeteno, Figura\(\PageIndex{1}\) .39a); sin embargo, cuando están presentes cuatro grupos diferentes (por ejemplo, A, B, X e Y como se ve en la Figura\(\PageIndex{1}\) .39b) entonces una alternativa debe ser usado. Al tomar cualquiera de los grupos A/B o X/Y y colocar en orden de precedencia, el orden relativo define el isómero. Así, si en la Figura\(\PageIndex{10}\) b A>B y X>Y se usa la etiqueta Z (zusammen del alemán para juntos). Por el contrario, si en <B and X>la Figura\(\PageIndex{10}\) b A Y se usa la etiqueta E (entgegen del alemán para opuesto).

Moléculas más complejas

A medida que las moléculas se vuelven más complejas con múltiples grupos funcionales y múltiples centros quirales, la nomenclatura D/L tiene el potencial de volverse confusa. La eritrosa tiene dos centros quirales, y con base en las proyecciones de Fischer se puede observar que dado que los sustituyentes alcohol en las posiciones 2 y 3 están en el mismo lado de la columna vertebral en la proyección de Fischer independientemente de si es D- (-) -eritrosa o L - (+) -eritrosa (Figura\(\PageIndex{1}\) .40a y b). Así, la nomenclatura se simplifica a pesar de la presencia de múltiples grupos laterales. Sin embargo, en treosa (Figura\(\PageIndex{1}\) .40c) los sustituyentes se encuentran en diferentes lados de la proyección de Fischer planteando la cuestión de si ésta debe ser L o D. Sin embargo, en tales casos el sustituyente en la parte inferior de la cadena lateral tiene prioridad, por lo que la Figura\(\PageIndex{1}\) .40c es D - (-) -treosa.

Nota

D - (-) -eritrosa y L - (+) -eritrosa son enantiómeros, y D - (+) -treosa y L - (+) -treosa también son enantiómeros, pero la treosa y la eritrosa son diasteriómeros. Los enantiómeros tienen las mismas propiedades físicas (solo comportamiento diferente a la luz polarizada), mientras que los diasteriómeros pueden tener diferentes propiedades físicas como puntos de fusión y solubilidad.

Aminoácidos

Los aminoácidos (o más propiamente α-aminoácidos) son compuestos que contienen tanto un grupo amina (NH ₂) como un ácido carboxílico (CO ₂ H) unidos al mismo átomo de carbono. La presencia de grupos ácido y base puede resultar en la formación de la forma zwitteriónica con grupos amonio (NH ₃ ⁺) y carboxilato (CO ₂ ^-).

Al definir los marcadores para aminoácidos, la base es D- (-) -alotreonina (Figura\(\PageIndex{1}\) .41), mientras que para un aminoácido como la treonina se usa el sustituyente superior para un marcador, por ejemplo, la Figura\(\PageIndex{1}\) .42.

Centros quirales similares

El hecho de que un compuesto tenga más de un centro quiral no significa que sea ópticamente activo. Una consideración del eritritol muestra la presencia de un plano de simetría especular (Figura1.43). Como tal, el eritritol no es ópticamente activo, es decir, no hay efecto sobre la luz polarizada. En contraste, mientras que el treitol tiene la misma fórmula molecular y geométrica, la falta de un plano de simetría especular (Figura\(\PageIndex{1}\) .44) significa que las formas L - y D + son ópticamente activas.

Los compuestos con una relación D: L de 1:1 se denominan compuestos racémicos y son totalmente ópticamente inactivos. Sin embargo, también es posible que una solución racémica de un compuesto cristalice para formar cristales de D o L puros, que pueden separarse manualmente.

Isómeros ópticos que no son tetraédricos

Moléculas pirimidales

Las moléculas piramidales también pueden exhibir quiralidad cuando los tres sustituyentes son distintos, por ejemplo, PR ₁ R ₂ R ₃ (Figura\(\PageIndex{1}\) .45). Desafortunadamente, la mayoría de los compuestos piramidales experimentan una inversión de sus isómeros (de manera similar a voltear un paraguas del revés), de tal manera que las formas quirales se interconvierten rápidamente. En tal caso, no es posible resolver (separar) las distintas formas. Las fosfinasgeneralmente pueden resolverse porque la barrera a su inversión essuficientemente grande (ca. 132 kJ/mol)

La notación utilizada para las moléculas piramidales es la misma que para las moléculas tetraédricas, ya que los sustituyentes individuales se ordenan primero con el átomo más grande. El par solitario se define como que tiene la numeración más baja y, por lo tanto, se orienta lejos del observador. Luego se traza el orden de los sustituyentes restantes 1, 2 y 3: si va en sentido horario la molécula se marca R, si va en sentido antihorario (en sentido contrario a las agujas del reloj) la molécula se marca S.

Quiralidad en complejos octoédricos

La presencia de un ligando quelato en un complejo octaédrico puede inducir quiralidad en el complejo.

Nota

Un ligando quelato es una molécula o ion que está unido a al menos dos puntos de un átomo o ion central. El término quelato es del griego chelè, que significa garra.

A diferencia de los compuestos de base tetraédrica, los compuestos octaédricos quirales tienen su nomenclatura basada en la estructura de una hélice. Por ejemplo, en el caso de un complejo bis-quelato (Figura\(\PageIndex{1}\) .46), con uno de los ligandos de quelato apuntando recto hacia la hélice, la dirección del otro define la quiralidad de la hélice, es decir, si es una hélice izquierda o derecha. Si el ligando apunta hacia la izquierda al complejo se le asigna el símbolo mostrado en la Figura\(\PageIndex{1}\) .46a, mientras que si el ligando apunta hacia la derecha al complejo se le asigna el símbolo mostrado en la Figura\(\PageIndex{1}\) .46b.

En complejos con tres ligandos quelatos (es decir, un complejo tris-quelato, Figura\(\PageIndex{1}\) .47), se aplica la misma metodología, en que se pueden elegir dos ligandos cualesquiera y aplicar las mismas reglas.

Métodos de resolución de mezclas racémicas

Una mezcla racémica, o racemato, es aquella que tiene cantidades iguales de enantiómeros zurdos y diestros de una molécula quiral. La primera mezcla racémica conocida fue “ácido racémico”, que Louis Pasteur (Figura\(\PageIndex{1}\) .48) encontró que era una mezcla de los dos isómeros enantioméricos del ácido tartárico (Figura\(\PageIndex{1}\) .49).

En la naturaleza, es común que solo se produzca de forma natural uno de los isómeros ópticos, pero en la síntesis de laboratorio es más común que ambos isómeros se hagan en cantidades iguales. La separación de un racemato en sus componentes (los enantiómeros puros) se denomina resolución quiral.

Seperación mecánica

Los cristales de compuestos enantioméricamente puros a menudo tienen diferentes apariencias. Así, tal como lo hizo Pasteur en 1848, a menudo es posible mirar bajo un microscopio y separar físicamente los dos enantiómeros diferentes.

Resolución por formación de diasteriómeros

Una de las propiedades diferenciadoras de una molécula quiral es que cada enantiómero reacciona con otra molécula quiral para formar un par diastereomérico de compuestos. Por ejemplo, un ácido racémico, (+) HA y (-) HA, reaccionarán con una base quiral, (-) B, para formar una mezcla de diasteriómeros, [(-) BH+. (+) A-] y [(-) BH+. (-) A-]. Debido a que los diasteriómeros tienen diferentes propiedades físicas, pueden separarse por recristalización. Una vez separado por recristalización, la adición de exceso de ácido liberará el compuesto enantioméricamente puro, es decir, (+) HA o (-) HA. Una base quiral típica sería una base alcaloide natural para asegurar que sea pura + o -. Si es una base que se necesita separar, entonces el ácido (-) málico es un ácido adecuado.

Resolución por cromatografía

En un método relacionado con la resolución por la formación de diasteriómeros, un material de columna quiral permitirá la separación cromatográfica de una mezcla enantiomérica. Así, la tasa de retención para (+) X será diferente de (-) X en una columna en la que la fase estacionaria es quiral, es decir, (-) A. Muchas fases estacionarias quirales comunes se basan en oligosacáridos como la celulosa o la ciclodextrina (en particular con β-ciclodextrina).

Estereoisómeros lábiles y racemización

Solo es posible separar (resolver) mezclas racémicas si la molécula permanece como una forma durante mucho tiempo. Es decir, si existe un mecanismo mediante el cual se interconvierten las dos formas, entonces no se puede lograr la resolución.

Reordenamiento intramolecular

Los reordenamientos intramoleculares implican que no se rompan los enlaces. El ejemplo clásico es la inversión de una amina, (1.12), que tiene una barrera de baja energía (24.7 kJ/mol).

Amina inversion.png

Otro ejemplo de un reordenamiento intramolecular es la conversión de una geometría piramidal cuadrada a través de una geometría bipiramidal trigonal a la geometría piramidal isómera de base cuadrada, o la isomerización alternativa de una geometría bipiramidal trigonal a otra a través de una transición piramidal cuadrada estado. Tal proceso se conoce como rotación de Berry. El mecanismo Berry es un proceso de pseudorrotación para intercambiar simultáneamente dos grupos ecuatoriales con los dos grupos axiales, mientras que el tercer grupo ecuatorial (llamado grupo pivote) sigue siendo un grupo ecuatorial (Figura\(\PageIndex{1}\) .50).

Procesos intermoleculares

Los procesos intermoleculares implican la ruptura de enlaces (y la formación de enlaces). Por ejemplo, un compuesto tetraédrico podría perder un ligando, lo que crea un compuesto piramidal lábil. La rápida inversión del compuesto piramidal es seguida por la reunión del ligando. Tal proceso suele ser tan rápido que no se puede lograr una resolución.

Procesos intramoleculares

Los procesos intramoleculares con rotura de enlaces (y fabricación) también conducen a la racemización. Por ejemplo, en un complejo octaédrico con ligandos quelatos, si uno de los extremos de un ligando quelato se desprende, puede volver a unirse en la misma configuración, o unirse de manera diferente para cambiar la quiralidad. De esta manera se puede cambiar la quiralidad de una forma a otra.

Conformación

La conformación de una molécula surge de la rotación de un enlace sencillo (Figura\(\PageIndex{1}\) .51). Sin embargo, a pesar de que hay rotación alrededor del enlace, existen barreras energéticas debido a las interacciones estéricas de los sustituyentes. Para entender (y predecir) estas interacciones, es necesario visualizar la molécula de tal manera que resalte las interacciones entre enlaces; esto se hace usando una proyección de Newman.

Una proyección de Newman, útil en la estereoquímica de alcanos, visualiza conformaciones químicas de un enlace químico carbono-carbono de adelante hacia atrás, con el carbono frontal representado por un punto y el carbono posterior como círculo (Figura\(\PageIndex{1}\) .52). El átomo de carbono frontal se llama proximal, mientras que el átomo posterior se llama distal. Este tipo de representación es útil para evaluar el ángulo de torsión entre enlaces. Usando etano como ejemplo, la proyección de Newman a lo largo del enlace sencillo C-C da como resultado dos conformaciones básicas: eclipsada (Figura\(\PageIndex{1}\) .52a) y escalonada (Figura\(\PageIndex{1}\) .52b). La conformación escalonada se verá favorecida energéticamente ya que los sustituyentes son los más distantes entre sí. Por el contrario, el escalonado será el más alto en energía. La diferencia de energía entre las dos conformaciones definirá la barrera a la rotación. En el caso del etano este es muy pequeño (12.5 kJ/mol).

Aunque a menudo solo consideramos las dos conformaciones extremas, en realidad existe un continuo alrededor de 360◦ de rotación del enlace C-C. La Figura\(\PageIndex{1}\) .53 muestra la energía relativa en función del ángulo diedro para etano. Dado que cada carbono en etano tiene sustitución equivalente (es decir, tres átomos de H) la energía para cada conformación escalonada es la misma. Esto no es cierto para moléculas más complejas como el butano (Figura\(\PageIndex{1}\) .54).

Como puede verse en la Figura\(\PageIndex{1}\) .54, la conformación escalonada en la que los dos grupos metilo (representados por los círculos negros) están tan alejados entre sí (anti) es la más favorecida energéticamente. Las otras dos conformaciones escalonadas (gauche) son imágenes especulares entre sí y, por lo tanto, son enantiómeros de conformación. También cabe señalar de la Figura\(\PageIndex{1}\) .54 que las conformaciones eclipsadas varían en energía ya que la presencia de metilo^...metilo cerca de vecinos es claramente menos energéticamente favorable que el metilo^...H cerca de vecinos.

Generalmente la rotación alrededor de los enlaces C-C tiene una barrera baja a la rotación, sin embargo, si los sustituyentes son suciamente voluminosos la molécula no se torcerá alrededor del enlace, por ejemplo, bifenilo sustituido con sustituyentes estéricamente voluminosos (Figura\(\PageIndex{1}\) .55).

La rotación libre alrededor de un enlace C-C no es completamente posible cuando se tiene un sistema de anillos, por ejemplo, en un compuesto cíclico como ciclohexano, C ₆ H ₁₂. La rotación limitada alrededor de los enlaces C-C da como resultado el ipping de la conformación del anillo de la forma de silla (Figura\(\PageIndex{1}\) .56a) a la forma de barco (Figura\(\PageIndex{1}\) .56b). Dado que la forma de barco tiene un obstáculo estérico entre los átomos de hidrógeno, la forma de la silla es la más estable.

Conformación de compuestos con pares solitarios

Los pares solitarios a menudo se comportan de manera diferente a los sustituyentes con respecto a las conformaciones. Así, se predeciría que la metilamina (CH ₃ NH ₂) tendría la conformación escalonada que se muestra en la Figura\(\PageIndex{1}\) .57a. Sin embargo, el menor volumen estérico del par solitario da como resultado que el nitrógeno esté a 0.09 Å del centro verdadero de la proyección CH ₃ (Figura\(\PageIndex{1}\) .57b).

En compuestos con más de un par solitario, la forma de energía más baja no siempre es la anti conformación. Por ejemplo, a 20 ^◦ C la hidrazina (H ₂ NNH ₂) es 100% gauche (Figura\(\PageIndex{1}\) .58a); pero para las hidrazinas sustituidas (es decir, una diamina, _R2 _NNR2) si los grupos sustituyentes son suficientemente grandes entonces dominará la conformación anti ( Figura\(\PageIndex{1}\) .58b).

La conformación del peróxido de hidrógeno (H2O2) está dominada por los pares solitarios en lugar de los átomos de hidrógeno. En lugar de la anti conformación esperada (c.f., Figura\(\PageIndex{1}\) .54 donde los círculos negros representarían los átomos de hidrógeno) en estado libre el ángulo diedro es 94 ^◦ (Figura\(\PageIndex{1}\) .59). Por lo tanto, la conformación del peróxido de hidrógeno no es eclipsada ni escalonada sino una estructura intermedia. Cuando está en estado sólido, los enlaces de hidrógeno harán que la forma y los ángulos cambien.

Bibliografía

R. S. Berry, J. Chem. Phys. , 1960, 32, 933.
A. Keys, S. G. Bott, y A. R. Barron, J. Chem. Cryst. , 1998, 28, 629.