5b Isomeria Espacial

COMPUESTOS DE CARBONO ISOMERÍA ESPACIAL O ESTEREOISOMERÍA Lic. Lidia Iñigo

La estereoisomería es un tipo de isomería mucho más sutil, ya que la diferencia se encuentra solamente en la disposición en el espacio de los átomos.

Los estereoisómeros no solamente tienen la misma fórmula molecular, sino que también tienen la misma fórmula desarrollada. Sólo cambia la disposición en el espacio del los átomos que forman la molécula. La estereoisomería se puede clasificar en conformacional y configuracional. Esta última a su vez puede clasificarse en geométrica y óptica.

Conformacional Isomería espacial o estereoisomería

Geométrica Configuracional Óptica

En un enlace simple existe libre rotación, ya que la energía que se necesita para que la misma ocurra se supera a temperatura ambiente. Podemos ver esta rotación en el etano. Si vemos la molécula en el sentido longitudinal al enlace carbono – carbono podemos concluir que si no existiera esa libre rotación serían diferentes las dos posiciones que se aprecian en las fotos 2 y 3, y serían isómeros espaciales. Como sí existe la libre rotación, esas dos posiciones son lo que se llaman conformaciones.

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En ciertos casos esa libre rotación en un enlace simple está impedida por grupos muy voluminosos o por ciclos, y entonces aparecen los denominados isómeros conformacionales. Se denominan así porque provienen de lo que tendría que ser una conformación. En este curso no se entrará en detalle sobre la isomería conformacional. Simplemente se menciona. En los isómeros configuracionales los átomos están unidos de igual manera y la diferencia está en su disposición en el espacio, pero no pueden transformarse uno en otro si no se rompen los enlaces. Por eso se dice que difieren en su configuración, la configuración solo puede ser modificada por ruptura de los enlaces.

ISOMERÍA GEOMÉTRICA En un enlace doble no existe la libre rotación, al rotarlo se rompería. tampoco existe libre rotación si un enlace simple está formando parte de un ciclo.

La isomería geométrica se produce por la restricción de la rotación en un doble enlace o en un ciclo. Si tomamos como ejemplo el 1,2-difluoroeteno, vemos que, al no existir libre rotación en el doble enlace, los dos átomos de flúor pueden quedar del mismo lado o de lados contrarios al doble enlace. Estos son isómeros geométricos. Por más que se gire la molécula en cualquier dirección no hay forma de interconvertir uno en el otro si no se rompe algún enlace, lo que equivale a destruir la molécula. Cuando los dos grupos iguales o similares están del mismo lado del doble enlace el isómero se denomina cis y si están de lados contrarios se denomina trans. H

H C

F

F

H C

C F

cis-1,2-difluoroeteno

F

C H

trans-1,2-difluoroeteno

Vimos que para un alqueno con cuatro átomos de carbono existen dos isómeros estructurales, el 1-buteno y el 2-buteno. Teniendo en cuenta la geometría vemos que en el

2-buteno los metilos pueden estar del mismo lado del doble enlace o de lados contrarios del doble enlace. HC

HC

CH3

3

C H

H

3

C

C

H

H

cis-2-buteno

C CH3

trans-2-buteno

Pero en el 1-buteno las siguientes fórmulas no son diferentes, ya que en este caso es la misma molécula pero dibujada en una posición diferente. Podés apreciarlo al ver la animación.

H C H

H

H

CH2 CH3

H

C

CH2 CH3 C

C H

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Por lo tanto NO en todos los dobles enlaces existe isomería geométrica o cis – trans. Cuando existen dos grupos iguales unidos al mismo átomo de carbono del doble enlace NO hay isómeros geométricos.

1

Escribí la fórmula del 3-etil-2-penteno y determiná si presenta isomería geométrica.

De la misma forma que puede presentarse isomería geométrica en un doble enlace puede presentarse en un ciclo, en ese caso el isómero cis es el que tiene los sustituyentes del mismo lado del plano del ciclo y el trans de lados contrarios. Por ej. el 1,2-dimetilciclopentano presenta los isómeros geométricos cis y trans.

Isómero cis

isómero trans

2

cis-1,2-dimetilciclopentano

trans-1,2-dimetilciclopentano

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¿Puede existir isomería geométrica en un alquino?

ISOMERÍA ÓPTICA Cuando un objeto no presenta un plano de simetría no es superponible con su imagen especular y se dice que es quiral. Por ejemplo nuestras manos o nuestros pies son quirales. Todos, de pequeños, cuando quisimos vestirnos solos, intentamos ponernos el zapato derecho en el pié izquierdo o el izquierdo en el pié derecho. Muchas letras del alfabeto también lo son, por eso cuando miramos un escrito en el espejo se ve “al revés”. Las llaves y las cerraduras también son quirales, si nos equivocamos en la posición no se puede abrir. Esto mismo sucede con las moléculas que no presentan un plano de simetría, existen dos isómeros ópticos que son imágenes especulares no superponibles y se denominan enantiómeros. Cuando un carbono tetraédrico tiene dos o más grupos iguales presenta un plano de simetría; el que divide en dos el ángulo formado por esos dos grupos iguales y está determinado por los enlaces con los grupos distintos. En ese caso es superponible con su imagen especular.

Plano de simetría

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Cuando un carbono tetraédrico está unido a cuatro grupos diferentes no presenta un plano de simetría, es asimétrico y no es superponible con su imagen especular. Ese carbono es lo que se denomina carbono asimétrico o carbono quiral.

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Cuando una molécula presenta un único carbono asimétrico esa molécula seguro es quiral y la sustancia presentará entonces un par de enantiómeros. Pero cuando existe más de un carbono asimétrico, la molécula puede presentar un plano de simetría y no ser quiral. Cuando teniendo carbonos quirales la molécula no es quiral, porque tiene un plano de simetría, eso es lo que se denomina una forma meso. Por eso el que una molécula tenga carbonos asimétricos no implica necesariamente que sea quiral. Además el tener carbonos asimétricos tampoco es condición necesaria para que la molécula sea quiral, existen, aunque son raras, moléculas quirales que no tienen carbonos asimétricos. Si en una molécula existe más de un carbono quiral, además de un par de enantiómeros (o más de uno) hay isómeros ópticos que no son enantiómeros entre sí, en donde cambia la configuración de algunos de los carbonos asimétricos pero no de todos. Estos isómeros se denominan diastereoisómeros o diastereómeros. Los enantiómeros tienen iguales propiedades físicas y químicas. Solo se diferencian en su reacción frente a reactivos quirales y en los procesos biológicos. La única propiedad física que diferencia a dos enantiómeros es que hacen girar el plano de la luz polarizada en igual valor pero en sentido contrario. Uno hará girar el plano de la luz polarizada hacia la derecha o en sentido horario y por lo tanto se dice que es dextrógiro o dextrorrotatorio y el otro lo hará girar hacia la izquierda o en sentido antihorario y se dice que es levógiro o levorrotatorio. La luz puede interpretarse como una onda electromagnética que vibra en todos los sentidos perpendiculares a la dirección de su propagación. Cuando esa luz pasa a través de un polarizador queda vibrando en un solo sentido, o sea, queda polarizada en un plano. Se podría pensar como si fuera una “ranura” por la cual pasa un solo plano perpendicular a la dirección de propagación. Las membranas que se colocan para polarizar los vidrios de los autos o de las ventanas de los edificios son polarizadores, de afuera, como solamente pasa una parte de la luz y la mayor parte se refleja, actúan como un espejo, pero de adentro se puede ver para afuera. Si esa luz polarizada en un plano se hace incidir sobre una muestra de una solución de uno de los enantiómeros de una sustancia quiral, se desvía el plano de la luz polarizada en un determinado ángulo. Se dice entonces que la sustancia tiene actividad óptica. Con otro polarizador (analizador) después de la salida el tubo con la muestra se puede medir el ángulo de desviación haciéndolo girar hasta que la luz pase por el plano que éste determina. Esto es el principio de un polarímetro. Podés verlo en el siguiente esquema.

Si en lugar de uno solo de los enantiómeros hay una mezcla equimolar (en iguales cantidades molares) como uno de los enantiómeros hace girar la luz polarizada en un sentido y el otro en igual valor pero en sentido contrario el resultado final es que no se observa desviación. Una mezcla equimolar de un par de enantiómeros es lo que se llama una mezcla racémica. En las reacciones no estereoespecíficas (con reactivos no quirales) se obtiene la mezcla racémica.

Lo fundamental que tenés que saber sobre isomería óptica, es saber reconocer un carbono asimétrico y que si existe un solo carbono asimétrico en la molécula esa molécula presentará dos enantiómeros que serán quirales y por lo tanto tendrán actividad óptica. Si se te pide por ejempo, escribir la fórmula de una sustancia que presente actividad óptica o que sea quiral, lo que tenés que hacer es escribir una fórmula que presente un solo carbono asimétrico.

Identificá y marcá con asterisco los carbonos quirales de las siguientes estructuras:

3

a) CH3−CHBr−CH2−CH3 d) CH3−CH(OH)−CH3

b) CH3−CH(NH2)−COOH

c) C6H5−CH(OH)−CHO

e) CH3−CH(OH)−CH(OH)−CH3

f ) CH3−CHCl−CH(OH)−CH3

Quizás estés pensando ¿Qué me interesa a mí la disposición espacial de las moléculas si yo quiero estudiar medicina o nutrición? ¿Es una curiosidad académica o produce efectos biológicos? La respuesta es que toda la parte estereoquímica es importantísima a nivel biológico, como vemos a continuación. Las enzimas son los catalizadores biológicos. Un catalizador acelera la velocidad de una reacción. Las enzimas, que son proteínas, actúan uniendo las sustancias que reaccionan acelerando así la reacción. Pero en su inmensa mayoría las enzimas son estereoespecíficas, actúan como si fuera la cerradura que recibe la llave. Entonces, por ejemplo, uno de los enantiómeros se pega a la enzima pero el otro no, por lo tanto el que puede pegarse reacciona y el otro no.

Para que veas ejemplos de lo importante que puede ser la estereoquímica a nivel biológico: Actualmente se está hablando mucho sobre las grasas trans, y hay muchos productos que en sus envases colocan “libre de grasas trans”. Las grasas y los aceites son ésteres de la glicerina con ácidos carboxílicos de cadena larga que se denominan ácidos grasos (podés ver más detalle en el tema Productos de Interés Biológico). Todos los ácidos grasos insaturados (que tienen dobles enlaces) naturales tienen sus dobles enlaces en cis, no existen en la naturaleza los isómeros trans. Cuanto mayor cantidad de ácidos grasos insaturados tenga, menor es el punto de fusión. Por eso los aceites, que son líquidos a temperatura ambiente, tienen mayor cantidad de ácidos grasos insaturados que las grasas, que son sólidas. Para hacer un sustituto de la manteca (margarina) se hidrogenan los dobles enlaces en los aceites para convertir esos ácidos grasos en saturados y obtener un producto sólido. Pero en el proceso de hidrogenación se producen algunos dobles enlaces en trans. Se ha visto que las grasas que contienen estos ácidos grasos con dobles enlaces en trans son perjudiciales para la salud, entre otras cosas aumentan el colesterol “malo” y disminuyen el colesterol “bueno”, por eso ahora se están tratando de evitar. Hace ya unos cuantos años hubo un gran problema con un medicamento denominado talidomida. Se suministró a mujeres embarazadas y nacieron chicos deformes. En esa época no estaba suficientemente desarrollada la síntesis asimétrica (poder obtener uno solo de los enantiómeros). La talidomida es una sustancia quiral, porque tiene un carbono asimétrico, y lo que se daba como medicamento era la mezcla racémica que se obtenía en la síntesis. Cuando se investigaron las causas se vió que el que tenía la propiedad curativa era uno solo de los enantiómeros, y el otro era el que tenía el poder teratogénico (de producir las malformaciones en los niños por nacer). Fijate lo que puede hacer la diferencia en un carbono asimétrico a nivel de un medicamento y sus efectos biológicos.

O

4

La fórmula de la talidomida es la siguiente: ¿Cuál es el carbono quiral de la talidomida?

N

O

O

O

N H

Respuestas

1 CH3−CH=C(CH2−CH3)−CH2−CH3 No presenta isomería geométrica porque tiene dos grupos iguales (etilos) unidos al mismo átomo de carbono del doble enlace, en este caso el carbono 3.

2 No, no puede existir isomería geométrica en un alquino ya que un átomo de carbono con un triple enlace determina una geometría lineal. No hay posibilidad de que los grupos queden a uno u otro lado del triple enlace, están en la misma línea.

3

a) CH3−CHBr−CH2−CH3 d) CH3−CH(OH)−CH3 no tiene

b) CH3−CH(NH2)−COOH e) CH3−CH(OH)−CH(OH)−CH3

4 O

N

O

O

O

N H

c) C6H5−CH(OH)−CHO f ) CH3−CHCl−CH(OH)−CH3