Norma Castillo Rangel Marzo 2019
INTRODUCCIÓN
C4H10O proporciones definidas fórmulas moleculares
enlace covalente estructuras de Lewis
teoría estructural moderna e isomería
C tetraédrico
Estereoquímica 2
ESTRUCTURA Y CONFORMACIÓN Metano
Etano
3
PROYECCIONES DE NEWMAN rotación
solapamiento lineal en un enlace s
se mantiene el solapamiento
rotación
4
PROYECCIONES DE NEWMAN C frontal
C atrás
visto desde un extremo
representación en perspectiva
proyección de Newman
5
PROYECCIONES DE NEWMAN proyecciones de Newman
estructuras de caballete
eclipsada,
alternada,
sesgada,
cualquier otro valor 6
ANÁLISIS CONFORMACIONAL energía potencial
energía torsional
ángulo diedro
7
PROPANO
visto desde un extremo representación en perspectiva
proyección de Newman
8
energía potencial
ESTRUCTURAS DE LEWIS
ángulo diedro
9
BUTANO
totalmente eclipsado (0°) simperiplanar
gauche (60°)
palabra francesa que significa izquierda
eclipsada (120°) antiperiplanar (opuestos)
10
BUTANO
totalmente eclipsada
eclipsada
eclipsada
totalmente eclipsada
11
BUTANO impedimento estérico
conformación totalmente eclipsada del butano
12
CICLOALCANOS
¿por qué los anillos más frecuentes contienen 5 o 6 C? Adolf von Baeyer intentó explicar las estabilidades relativas de las moléculas cíclicas y obtuvo el premio Nobel en 1905 por este trabajo.
C acíclicos tienen un ángulo de 109.5° C cíclicos tienen un ángulo diferente “tensión ángular”
13
CICLOALCANOS
“tensión torsional”
proyección de Newman del ciclobutano plano
tensión angular + tensión torsional = tensión del anillo (depende del tamaño del anillo)
14
CICLOALCANOS
49.5° ángulo de compresión
“enlaces torcidos” traslape no lineal
traslape lineal 15
CICLOALCANOS
proyección de Newman del ciclopropano
Esta gran tensión del anillo le confiere la propiedad de ser más reactivo que cualquier otro alcano porque libera tensión. ángulo de enlace
no totalmente eclipsado
no totalmente eclipsado conformación ligeramente doblada
16
proyección de Newman a lo largo de un enlace C-C
CICLOPENTANO
“solapa” doblada hacia arriba vista
proyección de Newman mostrando el relajamiento del eclipsamiento de los enlaces
Pero una estructura plana implica enlaces eclipsados 17
CICLOHEXANO
conformación de silla
vista a lo largo de los enlaces C-C del asiento de la silla
proyección de Newman
18
CICLOHEXANO hidrógenos “mástil”
conformación de bote
bote simétrico
eclipsado
proyección de Newman
bote “torcido”
19
CICLOHEXANO semisilla
semisilla
energía
bote
bote torcido
silla
silla
20
CICLOHEXANO eje
visto de lado
visto de arriba
21
CICLOHEXANO CARA a Y b
Cara b hacia arriba
eje
Cara a hacia abajo
b
axial a
22
SUSTITUYENTES Monosustituido
bote
conformaciones en equilibrio: se interconvierten a temperatura ambiente más estable 1.7 kcal/mol más baja
inversión del anillo
ecuatorial
23
CICLOHEXANOS MONOSUSTITUIDOS
proyección de Newman
proyección de Newman 24
SUSTITUYENTES Tabla 3.6 Diferencias de energía entre las conformaciones axial y ecuatorial de ciclohexanos monosustituidos. DG (axial – ecuatorial)
ecuatorial
Ejercicios: Represente la conformación más estable de:
a) etilciclohexano b) isopropilciclohexano
c) t-butilciclohexano 25
SUSTITUYENTES IGUALES Disustituido La interacción estérica entre sustituyentes en posiciones axiales es importante cuando hay sustituyentes grandes en átomos de carbono 1,3-diaxial. interacción 1,3-syn diaxiales interacción 1,3-diaxial ecuatorial
ecuatorial
diaxial – muy desfavorable
diecuatorial – mucho más estable
Sustituyentes en posición cis Los isómeros cis y trans no se pueden interconvertir y no hay equilibrio entre estos isómeros
26
SUSTITUYENTES DIFERENTES
27
SUSTITUYENTES DIFERENTES
Repulsión estérica interacciones 1,3-syn diaxiales (kJ/mol)
Proporción Ecuatorial/Axial (en equilibrio)
-Cl
2.0
70:30
-OH
4.2
83:17
-CH3
7.6
95:5
-CH2CH3
8.0
96:4
-CH(CH3)2
9.2
97:3
-C(CH3)3
22.8
9999:1
-fenilo
12.1
99:1
Sustituyente
En general si los dos grupos no pueden ser ecuatoriales, la conformación más estable tiene el GRUPO MÁS GRANDE en 28 posición ECUATORIAL y el más pequeño en axial.
SUSTITUYENTES VOLUMINOSOS
29
SUSTITUYENTES EXTREMADAMENTE VOLUMINOSOS
gran impedimento estérico
el grupo t-butilo se mueve de la posición axial
conformación más preferida
bote torcido 30
cis-/trans- DECALINA
31
IMPORTANCIA DE LA ESTEREOQUÍMICA Fármaco comercializado entre los años 1957-1963 como sedante y para calmar las náuseas durante los 3 primeros meses de embarazo. Efecto secundario: teratogénico (griego “terato” monstruo)
Efectos teratogénicos
Efecto sedante
¿dos talidomidas distintas? ¿misma fórmula molecular? ¿misma conectividad? Solo 1 carbono distinto Solo diferente disposición espacial
Enantiómeros
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TIPOS DE ISÓMEROS Todos los isómeros
Isómeros constitucionales (isómeros estructurales)
Estereoisómeros
Diastereómeros
Isómeros geométricos (cis-trans)
Enantiómeros
Otros diastereómeros (2 o más centros quirales)
Isómeros: compuestos diferentes con la misma fórmula molecular. Isómeros constitucionales: diferente orden en los enlaces de los átomos (conectividad ). Estereoisómeros: diferente orientación de los átomos en el espacio. Enantiómeros: imágenes especulares. Diastereómeros (disteroisómeros): NO son imágenes especulares. Isómeros geométricos (cis-trans): diferente disposición en un anillo o en un doble 33 enlace.
ESTEREOQIÍMICA Estudio de las moléculas en tres dimensiones.
Isómeros: compuestos diferentes con la misma formula molecular Isómeros constitucionales: Diferente conectividad (secuencia de enlaces)
ESTEREOISÓMEROS: Misma conectividad (secuencia de enlaces ), diferente orientación de los átomos en el espacio.
Propiedades físicas
Propiedades químicas
Actividad biológica
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ÁCIDO BUTENODIOICO
Ácido fumárico pf= 287 °C Interviene en varias rutas del metábolismo (Ciclo de Krebs). Usos: Conservador de alimentos (potente acción antimicrobiana). Regulador de acidez en alimentos (bebidas y polvos para hornear).
trans-
Ácido maleico pf= 138 °C Tóxico e irritante (ojos, piel y tracto respiratorio, produce dermatitis y daño al riñón si el contacto es prolongado. Usos: Fabricación de resinas para muebles de baño, bases de cocina, sillas, pinturas, autopartes, tuberías, etc. Elaboración de fertilizantes. cis-
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QUIRALIDAD Es la propiedad de un objeto de no ser superponible con su imagen especular. Se deriva de la palabra griega «kiros» que significa mano. Quiral
Aquiral (no quiral)
mano derecha
mano izquierda 36
MOLÉCULAS ORGÁNICAS QUIRALES
mismo compuesto
cis-1,2-diclorociclopentano aquiral
diferente compuesto
trans-1,2-diclorociclopentano quiral
Las moléculas que son imágenes especulares NO SUPERPONIBLES se conocen como: ENANTIÓMEROS
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DEFINICIONES ENANTIÓMEROS: Isómeros que son imágenes especulares no superponibles.
QUIRAL: Propiedad de disimetría de una molécula (similar a la de la mano) que permite poseer un enantiómero.
AQUIRAL: Propiedad de simetría de una molécula (superponibles) idéntica a su imagen especular (no quiral).
Cualquier compuesto quiral tiene un enantiómero. Cualquier compuesto aquiral no puede tener un enantiómero.
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CARBONOS ASIMÉTRICOS/ CENTROS QUIRALES/ ESTEREOCENTROS espejo
2-Bromobutano ¿Qué hace que una molécula sea quiral?
39
CARBONOS QUIRALES* C enlazado a 4 grupos diferentes (aunque no son los únicos) es asimétrico o átomo de carbono quiral (*).
Centro quiral: termino de la IUPAC para cualquier átomo que soporta varios ligandos en una posición espacial con imágenes espaciales no superponibles y estos pertenecen a un grupo más amplio que se conoce como estereocentros.
Estereocentros (átomo estereogénico): Cualquier átomo intercambiar dos grupos da lugar a un estereoisómero.
que al
Si hay dos grupos iguales unidos a un átomo de carbono, normalmente esta disposición NO da lugar a una molécula quiral. 40
CONCEPTOS
Carbono asimétrico
Centro quiral (*) Estereocentros (círculos rojos)
41
GENERALIZACIÓN Si un compuesto tiene: 1. Un átomo de C asimétrico, generalmente es: 2. Un solo átomo de C asimétrico es: 3. Más de un átomo de C asimétrico, puede o no ser:
QUIRAL
No olvidar que: Existen compuestos quirales sin estereocentros.
42
QUIRAL /AQUIRAL espejo
espejo
rotación 180°
rotación misma estructura
43
PLANOS DE SIMETRÍA ESPECULAR
Plano de simetría Especular interno (s)
44
PLANOS DE SIMETRÍA ESPECULAR No es un plano de simetría
No corresponden
enantiómeros
diferente de la estructura de la izquierda
Cualquier molécula que tenga un plano de simetría especular interno es aquiral, aunque contenga átomos de carbono asimétricos 45
PLANOS DE SIMETRÍA ESPECULAR
Vista desde este ángulo
46
NOMENCLATURA (S) Y (R)
IUPAC: Ácido-2-aminopropanoico
47
NOMENCLATURA CAHN-INGOLD-PRELOG 1. Se asigna prioridad: a) Los átomos con los números atómicos más altos tienen mayor prioridad. Si Hay diferentes isótopos del mismo elemento, los más pesados tienen mayor prioridad. I> Br> Cl> S> F> O> N> 13C> 12C> Li> 3H> 2H> 1H
Isótopos b) Cuando hay dos átomos iguales, se consideran los átomos siguientes.
c) Los dobles y triples enlaces se consideran como si formaran enlaces por separado (duplica o triplica el enlace a C).
48
EJEMPLOS
49
NOMENCLATURA CAHN-INGOLD-PRELOG 1. Colocar el grupo de menor prioridad (4) hacia atrás: Dibujar una flecha desde el grupo de mayor prioridad (1) hacia segundo (2) y llegando al tercero (3). • Si la flecha va en sentido de las manecillas del reloj nomenclatura del carbono asimétrico es (R), del latín, rectus, «a derecha». • Si la flecha va en sentido contrario a las manecillas del reloj carbono quiral es (S), del latín sinister, «izquierda».
el la la el
50
EJEMPLOS
(S)
(R)
(S)
(S) (S)
51
ACTIVIDAD ÓPTICA
(R)-2-Bromobutano
(S)-2-Bromobutano
punto de ebullición
91.2
91.2
punto de fusión
-112
-112
Índice de refracción
1.436
1.463
densidad
1.253
1.253
52
ACTIVIDAD ÓPTICA
Hormona tiroidea (S) gira la luz polarizada hacia la izquierda
Hormona tiroidea (R) gira la luz polarizada hacia la derecha
53
PLANO DE POLARIZACIÓN DE LA LUZ ondas vibrando en todas las direcciones
fuente de luz
ondas vibrando en un solo plano
polarizador
luz plano polarizada o linealmente polarizada
54
PLANO DE POLARIZACIÓN DE LA LUZ
primer polarizador
segundo polarizador eje paralelo al primero
se observa el máximo de luz plano de polarización de la luz
55
PLANO DE POLARIZACIÓN DE LA LUZ
primer polarizador
segundo polarizador eje paralelo al primero
no se observa luz plano de polarización de la luz
56
PLANO DE POLARIZACIÓN DE LA LUZ
57
POLARIMETRÍA
lámpara de sodio
Filtro monocromador
filtro polarizador
celda con la muestra
filtro analizador
detector
58
POLARIMETRÍA
filtro analizador solución de sustancia quiral filtro polarizador
fuente de luz
59
DISCRIMINACIÓN BIOLÓGICA
(S)-(+)-carvona
(R)-(-)-carvona
60
DISCRIMINACIÓN BIOLÓGICA
(R)-(-)epinefrina Epinefrina natural
Sitio activo de la enzima
Complejo enzima-sustrato
61
DISCRIMINACIÓN BIOLÓGICA
(S)-(+)-epinefrina Epinefrina sintética
No encaja en el sitio activo de la enzima
62
MEZCLAS RACÉMICAS
Una mezcla racémica contiene cantidades iguales de los dos enantiómeros.
Cualquier producto quiral que reaccione con reactivos y condiciones ópticamente inactivas dará lugar a una mezcla racémica.
63
MEZCLAS RACÉMICAS
64
EXCESO ENANTIÓMERICO Y PUREZA ÓPTICA
65
QUIRALIDAD DE SISTEMAS CONFORMACIONALMENTE MÓVILES
Una molécula no puede ser ópticamente activa si sus conformaciones quirales están en equilibrio con sus imágenes especulares. Esta molécula se considera aquiral.
66
QUIRALIDAD DE SISTEMAS CONFORMACIONALMENTE MÓVILES
gauche (quiral)
totalmente eclipsada (aquiral)
gauche (quiral)
67
COMPUESTOS QUIRALES SIN ÁTOMOS ASIMÉTRICOS imposible, demasiado impedimento estérico
conformación alternada (quiral)
conformación eclipsada (simétrica, aquiral)
conformación alternada (quiral)
Enantiomería en compuestos con restricción conformacional
El trans-cicloocteno esta tensionado, es incapaz de conseguir una conformación simétrica plana; está bloqueado en una de estas dos conformaciones enantioméricas. 68
COMPUESTOS QUIRALES SIN ÁTOMOS ASIMÉTRICOS
69
COMPUESTOS QUIRALES SIN ÁTOMOS ASIMÉTRICOS
espejo
Enantiómeros del 2,3-pentadieno 70
PROYECCIONES DE FISCHER ¿Cuántos C* tiene?
Representación en 3D es laboriosa y a veces complicada
Es difícil ver las semejanzas y diferencias al realizar la comparación entre estereoisómeros
71
PROYECCIONES DE FISCHER Hermann Emil Fischer , Alemán Premio Nobel de Química en 1902, por sus estudios de síntesis del grupo de la purina
En 1891 desarrolla una proyección bidimensional para representar la disposición espacial de las moléculas con carbonos quirales (4 sustituyentes diferentes)
72
PROYECCIONES DE FISCHER
Estudio la estereoquímica de los azúcares que contienen varios C* y representar sus estructuras es difícil y ver las diferencias casi imposible en 2D.
vista desde este ángulo
73
PROYECCIONES DE FISCHER
Vista desde este ángulo
(S)-ácido láctico representación en perspectiva
(S)-ácido láctico proyección de Fischer
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PROYECCIONES DE FISCHER ¿Qué relación tienen entre 1 y las siguientes estructuras? ¿mismo compuesto? ¿enantiómeros? ¿isómeros estructurales?
1. Rotación de 180° está permitida
Los grupos verticales están hacia atrás y los horizontales hacia adelante Si se gira 90° los grupos verticales se transforman en horizontales y viceversa, al cambiar esto, cambia la configuración
La rotación de 90° no está permitida 75
PROYECCIONES DE FISCHER 2. Si se gira 90°, la configuración cambia,
está prohibida
orientación incorrecta
enantiómero
3. La cadena de C se representa en línea vertical, se enumera de arriba hacia abajo (de acuerdo a la IUPAC). Generalmente, el sustituyente más oxidado se coloca ARRIBA
Ejemplo: Represente en proyección de Fischer:
76
PROYECCIONES DE FISCHER Representación de imágenes especulares en proyecciones de Fischer
Buscar enantiómeros es sencillo con proyecciones de Fischer, si se dibujan correctamente 1. Dibuje la imagen especular 2. Gire 180° en el plano del papel la imagen especular Ejemplo: 2-propanol 3. Si se observa la imagen original: “son aquirales” 4. Si la imagen original es diferente: “son quirales”
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PROYECCIONES DE FISCHER (R)-1,2-propanodiol
Planos de simetría son fáciles de identificar, debido a que se dibuja la conformación más simétrica
78
PROYECCIONES DE FISCHER Asignación de configuraciones (R) y (S): 1. Asignar prioridades
Se ve (R) peeeeeeeeeeeeeeero es (S) Una vez determinada la configuración, se puede pintar en perspectiva de cuña (3D): Ejercicios
79
PROYECCIONES DE FISCHER Ejercicios: Compruebe si las siguientes moléculas son quirales o aquirales, di son aquirales dibuje el plano interno de simetría e indique la configuración R o S para los carbonos quirales de la molécula.
80
RESUMEN DE PROYECCIONES DE FISCHER 1. Son más útiles para los compuestos que tienen más de 1 átomo de C* 2. Los C* son los puntos de cruce 3. En las líneas verticales los enlaces se proyectan hacia atrás y en los horizontales hacia al frente 4. La cadena de C se coloca en vertical y la numeración es de arriba hacia abajo (IUPAC) 5. La proyección completa se puede girar 180° en el plano del papel pero 90° “no” 6. Es fácil ver planos de simetría, pintar imágenes especulares y asignar configuración R/S
81
NOMENCLATURA D/L Convenio de Fischer-Rosanoff (azúcares y aminoácidos) relacionarlos con los enantiómeros del gliceraldehído:
(R)
al
A los compuestos con la misma “configuración” relativa que el (+)gliceraldehído se asigno el prefijo D
A los que tienen la “configuración” relativa del (-)-gliceraldehído se asigno el prefijo L
(S)
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NOMENCLATURA D/L Aminoácidos: La mayoría de los aminoácidos naturales tienen configuración L con el grupo amino (NH2) a la izquierda en la proyección de Fischer
¿R o S?
Si el C* inferior del azúcar tiene el grupo hidroxilo (OH) a la derecha en 83 la proyección de Fischer es D, si esta a la izquierda es L
CONFIGURACIONES ABSOLUTAS Y RELATIVAS Configuraciones (R)/(S) son ABSOLUTAS: orientación real de los átomos en el espacio. Desde 1951 se determina por rayos X Configuraciones relativas: determinadas experimentalmente entre las configuraciones de dos moléculas, incluso aunque no se conozca la configuración absoluta de cada una
Un compuesto ópticamente activo puede proporcionar otro compuesto ópticamente activo, solo si no se rompe ninguno de los enlaces del átomo de C*, por lo cuál tienen la misma configuración relativa pero no se puede saber si es (R) o es (S) a menos que se determine por rayos X. 84
DIASTEREÓMEROS O DIASTEREOISÓMEROS Isómeros cuyos átomos están enlazados en el mismo orden (misma conectividad), pero difieren en su orden en el espacio, NO SON IMÁGENES ESPECULARES. Enantiómeros son imágenes especulares.
Isómeros geométricos
Diastereoisómeros
La isomería se debe a la rigidez y carente rotación de un C=C
No son especulares otro
imágenes uno del
Compuestos con 2 o más centros quirales (generalmente C*)
85
cis/trans E/Z Dobles enlaces:
2 sustituyentes iguales en el mismo lado del doble enlace es el isómero cis
2 sustituyentes iguales en lados opuestos del doble enlace es el isómero trans
Ejemplos:
86
cis/trans E/Z La nomenclatura cis/trans para los isómeros geométricos a veces es insuficiente para nombrar a los alquenos, por ejemplo: La nomenclatura E/Z permite quitar este problema de ambigüedad
Sigue el convenio de Cahn-Ingold-Prelog para los C*: 1. Analizar por separado cada C del doble enlace y se asignan prioridades (número atómico), prioridad 1 y 2 2. Si los grupos con la prioridad 1 están juntos (mismo lado) del doble enlace el isómero es Z (alemán: Zusammen=“juntos o del mismo lado”) 3. Si los dos grupos con prioridad 1 están en lados opuestos del doble enlace, el isómero es E (alemán: Entgegen=“opuestos”)
87
cis/trans en anillos s
enantiómeros
aquiral
¿relación?
quiral
¿puede poseer isomería? No
diastereóisomeros ¿isómeros cis o trans?
cis
trans
Si
cis
trans
88
cis/trans en cicloalquenos Los cicloalquenos trans son inestables a menos que el anillo sea lo suficientemente grande (por lo menos 8C) para que se pueda acomodar el doble enlace en posición trans, por lo tanto los cicloalquenos son cis.
R E S U M E N 89
Diastereoisómeros con dos o más centros quirales 2-bromo-3-clorobutano
(S)
(S)
(R)
(S) No son imágenes especulares
Diastereoisómeros Son estereoisómeros porque tienen diferente orientación de los átomos en el espacio No son enantiómeros porque no son imágenes especulares una de otra
enantiómeros
enantiómeros
diastereoisómeros
Hay 4 estereoisómeros del 2-bromo-3-clorobutano, dos pares de enantiómeros y cada miembro de un par de enantiómeros es un distereoisómeros de cada uno de los miembros del otro par. 90
Diastereoisómeros con dos o más centros quirales Un compuesto con “n” átomos de C* con frecuencia tiene 2n estereoisómeros: Regla de 2n
Diastereoisómeros
2R, 3R
2R, 3S
2S, 3S
2S, 3R
Sin embargo, no siempre se encuentran 2n estereoisómeros, especialmente cuando dos de los átomos de C* tienen sustituyentes idénticos. 2,3-dibromobutano 2 sustituyentes iguales
s
enantiómeros par (±)
¡mismo compuesto! forma meso
distereoisómeros
Aquí no se cumple la regla de 2n Solo hay 3 estereoisómeros
Los compuestos que son aquirales, aunque tengan C*, se denominan compuestos meso 91
Diastereoisómeros con dos o más centros quirales Compuesto meso: compuesto aquiral que contiene C* meso: del griego “medio” o “mediano”
Ejercicios: De los siguientes compuestos, identifique los C*, ¿cuáles son quirales y cuáles son aquirales?, represente las imágenes especulares e indique si son enantiómeros o no, si hay compuestos meso, identifíquelos.
92
Nomenclatura eritro- y treoA un diastereoisómero con 2 átomos de C* se le denomina eritro- si en la proyección de Fischer dos grupos similares están situados al mismo lado de la molécula y se denomina treo- si están en lados opuestos.
Ejemplo:
ácido treo-2,3-dihidroxibutanoico
ácido eritro-2,3-dihidroxibutanoico
93
Diastereoisómeros con dos o más centros quirales
Los términos eritro- y treo- generalmente se utilizan solo con moléculas que no tienen extremos iguales, sin embargo, en moléculas como el 2,3-dibromobutano y ácido tartárico, se suelen usar los términos meso y (±) o (d,l)
94
Propiedades físicas de los diastereoisómeros Los enantiómeros tienen propiedades físicas idénticas a excepción del sentido en que giran la luz polarizada. Los diastereoisómeros generalmente tienen propiedades físicas diferentes. Ejemplo:
95
Propiedades físicas de los diastereoisómeros Muchos azúcares de importancia son distereoisómeros de la glucosa y tienen propiedades físicas diferentes:
Como los diastereoisómeros tienen propiedades físicas diferentes, se pueden separar por métodos físicos ordinarios como: destilación, cristalización y cromatografía. Para separar enantiómeros son procesos más difíciles. Este proceso se llama “Resolución”: • Medio quiral: reactivo, disolvente o catalizador. • Producto naural (enantiómero puro): se hace reaccionar con un una mezcla racémica, se forma un diastereoisómero y es más fácil de separar por métodos físicos comunes y después se quita el “agente de resolución” • Cromatografía quiral: adsorbente quiral 96
TIPOS DE ISÓMEROS Todos los isómeros
Isómeros constitucionales (isómeros estructurales)
Estereoisómeros
Diastereómeros
Isómeros geométricos (cis-trans)
Enantiómeros
Otros diastereómeros (2 o más centros quirales)
Isómeros: compuestos diferentes con la misma fórmula molecular. Isómeros constitucionales: diferente orden en los enlaces de los átomos (conectividad ). Estereoisómeros: diferente orientación de los átomos en el espacio. Enantiómeros: imágenes especulares. Diastereómeros (disteroisómeros): NO son imágenes especulares. Isómeros geométricos (cis-trans): diferente disposición en un anillo o en un doble 97 enlace.