ESTEREOQUIMICA

ESTEREOQUIMICA

1. Isomería geométrica.

El doble enlace de los alquenos se representa mediante una doble línea que une a los dos átomos de carbono olefínicos. La orientación de los orbitales sp2 y el solapamiento de los orbitales p en el etileno obliga a colocar a los cuatro átomos que componen esta olefina en el mismo plano. En el esquema que aparece a continuación
se indican varias representaciones de Lewis del etileno, así como las correspondientes representaciones en el modelo de varillas y bolas.
La vista superior pone de manifiesto la planaridad de este compuesto.

Obsérvese que en la molécula de propileno los tres átomos de carbono y los tres átomos de hidrógeno unidos a los carbonos sp2 están contenidos en un plano, no así
los tres átomos de hidrógeno del grupo metilo (CH3) que están enlazados a un carbono con hibridación sp3.
Después del propileno el siguiente hidrocarburo olefínico es el de fórmula
molecular C4H8. Con esta fórmula se pueden dibujar hasta un total de cuatro olefinas
diferentes, que son las que se indican a continuación:


Dos de los isómeros anteriores, los denominados cis-2-buteno y trans-2-buteno no son isómeros estructurales entre sí, puesto que ambos tienen la misma secuencia de átomos enlazados covalentemente. La diferencia entre ellos estriba en la posición relativa en la que se encuentran dispuestos los grupos metilo y los átomos de hidrógeno y esta clase de isómeros, que se forman como consecuencia de la distinta orientación espacial de átomos o grupo de átomos alrededor de un enlace doble, se denominan isómeros geométricos. En el denominado cis-2-buteno los dos grupos metilo están del mismo lado del doble enlace, mientras que en el trans-2-buteno estosdos grupos metilo están situados en lados opuestos del doble enlace. A continuación, se dan las representaciones en los modelos de varillas y bolas de cis- y trans-2-buteno.

La representación del cis- y trans-2-buteno en el modelo space-filling pone de
manifiesto la forma diferente de ambos isómeros:

cis-2-buteno trans-2-buteno

¿Cómo se explica la existencia de dos isómeros diferentes del 2-buteno?
La respuesta reside en la rotación restringida a lo largo del doble enlace carbono carbono.
La energía de disociación del doble enlace C=C es aproximadamente de 146 kcal/mol y la energía de disociación de un enlace simple C-C es de 83 kcal/mol. Por tanto, la energía de disociación del enlace π debe ser de 63 kcal/mol. Los extremos de la molécula de 2-buteno no pueden torcerse entre sí, porque para ello se debería romper el enlace π. Por tanto, a diferencia de lo que ocurre en los enlaces simples, en los enlaces dobles C=C no hay libre rotación. Como se ha apuntado antes, este es el origen de la isomería cis-trans.

Nomenclatura de los isómeros geométricos.

El cis-2-buteno se denomina así porque los dos grupos iguales, como los dos grupos metilo (CH3), están del mismo lado del doble enlace. Por el contrario, en el trans-2-buteno los dos grupos iguales (CH3) están en lados opuestos del doble enlace.
Por tanto, la configuración cis de los enlaces dobles se asigna en aquellos isómeros
geométricos que contienen grupos iguales o similares del mismo lado del doble enlace
y la denominación trans se aplica en aquellos isómeros geométricos que contienen
grupos iguales o similares de lados opuestos del doble enlace.

El problema de la nomenclatura cis/trans es que presenta muchas ambigüedades ya que muy a menudo se hace complicado elegir cuáles son los grupos iguales o similares situados en los carbonos olefínicos.

Para evitar las ambigüedades que se producen en el sistema de nomenclatura cis/trans la I.U.P.A.C. ha propuesto un sistema de nomenclatura basado en las reglas de Cahn-Ingold-Prelog, que establecen un orden de prioridad según el número atómico.
Si el doble enlace presenta los dos grupos de mayor prioridad del mismo lado del plano de referencia se le asigna la configuración Z (del alemán zusammen).
Si el doble enlace presenta los dos grupos de mayor prioridad de lados opuestos del plano de referencia se le asigna la configuración E (del alemán entgegen).
La asignación de prioridades se basa en el número atómico de los átomos directamente unidos a los carbonos sp2.

1. El carbono sp2 de la izquierda de la figura está unido a CH3 y a H. Como el
C tiene mayor número atómico que el H se le asigna a este átomo, y portanto al grupo CH3, la prioridad.

2. El carbono sp2 de la derecha de la figura está unido a Br y a F. Como el Brtiene mayor número atómico que el F se le asigna a este átomo la prioridad.

3. Como los dos átomos o grupos de átomos prioritarios están de lados opuestos del doble enlace éste tiene configuración E. (Para asignación de prioridades en otros átomos y grupos de átomos ver más adelante).

(E)-1-bromo-1-fluoro-propeno
Aplicando las mismas reglas se puede ver como el estereoisómero II del 1-
bromo-1-fluoro-propeno es de configuración Z:

Quiralidad: Noción de centro esteroquímico. Nomenclatura R y S.

El tipo de estereoisomería más interesante es el que da lugar a la actividad óptica. A principios de siglo XIX Biot señaló que algunas sustancias orgánicas de origen natural poseían la propiedad de girar el plano de la luz polarizada. Este fenómeno consiguió explicarse cuando los químicos comenzaron a considerar la disposición tridimensional de las moléculas en el espacio y la configuración tetraédrica del átomo de carbono. Las propiedades geométricas de un carbono con hibridación sp3 hacen que, en el caso de que esté unido a cuatro átomos o grupos de átomos diferentes, la molécula no tenga plano de simetría y que existan dos maneras
diferentes de ordenar a los cuatro átomos o grupos de átomos. Estas dos ordenaciones o configuraciones generan dos formas isoméricas denominadas enantiómeros, que son imágenes especulares entre sí pero que no son superponibles.

Cuando esto ocurre se dice que la molécula es quiral y óptimamente activa, puesto que es capaz de desviar el plano de la luz polarizada. Dos enantiómeros desvían el plano de la luz polarizada en la misma magnitud pero en sentidos opuestos.

Al carbono con hibridación sp3 que está unido a cuatro átomos o grupos de átomos diferentes se le denomina estereocentro o centro estereogénico.
En la siguiente figura se dibuja un compuesto de carbono con hibridación sp3 unido a cuatro grupos diferentes, representados por cuatro colores distintos. El reflejo de esta estructura genera su enantiómero:

Carbono sp3 y su imagen especular




En la siguiente representación se indican dos compuestos enantioméricos, cuyo
estereocentro está unido a cuatro grupos diferentes simbolizados por dos bolas una de
color granate y otra verde, un triángulo de color azul y un rectángulo de color naranja.
Se puede observar en el dibujo la imposibilidad de superposición entre los enantiómeros.

Imágenes especulares no superponibles



Cuando una molécula es superponible con su imagen especular se dice que no
es ópticamente activa y por tanto es incapaz de desviar el plano de la luz polarizada.
Normalmente esto ocurre cuando la molécula presenta un plano de simetría.

La quiralidad no es una propiedad exclusiva de las moléculas orgánicas que contienen estereocentros. En la vida ordinaria se pueden encontrar objetos quirales, y por tanto, no superponibles con su imagen especular, como la mano derecha y la mano izquierda, el pie derecho y el izquierdo, el zapato derecho y el izquierdo, etc.

Objetos quirales: no contienen plano de simetría



objetos aquirales: presentan un plano de simetría



Nomenclatura de los isómeros configuracionales.
El sistema más aceptado para nombrar la configuración de un centro estereogénico es la denominada convención de Cahn, Ingold y Prelog, que asigna una letra R o S a cada centro estereogénico de una molécula quiral.

Las reglas que hay que seguir para asignar una configuración R o S son las
siguientes:

1º. Cada átomo unido al carbono estereogénico recibe un número 1, 2, 3 ó 4. El 1 se
asigna al grupo de mayor prioridad y el 4 al de menor prioridad. La prioridad se
establece según el número atómico: el átomo de mayor prioridad es el de mayor
número atómico.

2º. Una vez asignado el orden de prioridad se mira el carbono estereogénico desde el
lado opuesto al grupo de menor prioridad.
Si el orden de prioridades decreciente de los restantes grupos representa una
secuencia en el sentido de las agujas del reloj se asigna al estereocentro la
configuración R (rectus, derecha).
Si la secuencia gira en el sentido opuesto a las agujas del reloj la configuración
del estereocentro es S (sinister, izquierda).

A continuación se aplican estas reglas de prioridad para la asignación de las
configuraciones de centros estereogénicos en una serie de compuestos quirales.
Ejemplo 1: Asignación de la configuración R o S de los dos enantiómeros del 1-
cloro-1-fluoroetano.

La representación tridimensional de los dos enantiómeros del 1-cloro-1-
fluoroetano es la siguiente:

Para asignar las configuraciones de estos dos compuestos se procede del
siguiente modo:

1º. El orden de prioridad de los grupos unidos al carbono estereogénico en base
al número atómico es, de mayor a menor, Cl > F > C > H. Por tanto, el orden de
prioridad será Cl (1º), F (2º), C (3º) y H (4º).

2º. Una vez asignado el orden de prioridad hay que mirar al compuesto quiral
desde el lado opuesto al que ocupa el último grupo en prioridad.

Se asigna el orden de prioridad de los átomos unidos al carbono
estereogénico en base al número atómico que es, en este caso, C, C, C > H. Esta
claro que el átomo de hidrógeno es el último en prioridad pero no está claro cual es la prioridad del grupo CH3, del grupo CH(CH3)2 y del grupo CHBr2 puesto que todos estos grupos están unidos al estereocentro por un átomo de carbono.


A continuación, se establece la prioridad comparando los tres primeros átomos
dentro de cada paréntesis. En el ejemplo que se está considerando estos átomos son
Br, C y H, que aparecen subrayados en la siguiente figura:

Configuración R
Secuencia en el sentido de las agujas del reloj

Ejemplo 3: Asignación de la configuración R o S en el siguiente compuesto
quiral:

1º. Se asigna el orden de prioridad de los átomos unidos al carbono
estereogénico en base al número atómico que es, en este caso, C, C, C > H. Esta
claro que el átomo de hidrógeno es el último en prioridad pero no está claro cual es la prioridad del grupo CH3, del grupo CH(CH3)2 y del grupo C(CH3)3 puesto que todos
estos grupos están unidos al estereocentro por un átomo de carbono.
Para establecer la prioridad entre estos tres grupos se procede del siguiente
modo: Para cada uno de los átomos de carbono unido directamente al esterocentro se
ordenan, de mayor a menor número atómico, los átomos a los que está unido, tal y
como se indica en la siguiente figura:

A continuación se establece la prioridad comparando los tres primeros átomos
dentro de cada paréntesis. En el ejemplo que se está considerando estos átomos son
C, C y H, que aparecen subrayados en la siguiente figura:

Esta primera comparación permite asignar al grupo CH3 el número 3 en el orden de prioridad.

Para diferenciar al grupo C(CH3)3 del CH(CH3)2 se pasa a comparar el segundo
átomo dentro del paréntesis de cada grupo. Como este segundo átomo es en ambos
casos el C se pasa a comparar el tercer átomo dentro del paréntesis de cada grupo
que en este caso es C y H, lo que determina que el el grupo C(CH3)3 es prioritario
sobre el grupo CH(CH3)3.

Según la ordenación anterior la configuración del estereocentro será R:

Para asignar la prioridad de átomos unidos mediante enlaces múltiples se
considera que cada enlace π equivale a un enlace simple adicional. Las equivalencias
de una serie de grupos que contienen enlaces múltiples se da en la siguiente figura.

Proyección de Fischer. Configuraciones de los enantiómeros.
La proyección de Fischer es una forma de representar una molécula
tridimensional en una superficie bidimensional. Para transformar la representación
tridimensional de una molécula con un estereocentro en una proyección de Fischer se
siguen los siguientes pasos:

1. Se orienta la estructura de manera que el carbono del esterocentro quede
contenido en el plano del papel, dos de los sustituyentes se dirijan hacia el observador y los otros dos sustituyentes se alejen del observador.

2. Con la orientación correcta se proyectan los dos enlaces que se acercan al
observador en la horizontal y los dos enlaces que se alejan del observador en la
vertical.

Para asignar la configuración R o S en las proyecciones de Fischer se determina
primero el orden de prioridad según la convención Cahn-Ingold-Prelog.

En el caso anterior sería:

Se unen los tres grupos prioritarios en el orden 1→ 2→ 3 y se observa si está unión va en el sentido de reloj o en el sentido contrario.

Si el último grupo en prioridad está en la vertical y la unión 1→ 2→ 3 va en sentido R la configuración del estereocentro será R.

Si el último grupo en prioridad está en la vertical y la unión 1→ 2→ 3 va en sentido S la configuración del estereocentro será S.

Por ejemplo, en la proyección de Fischer anterior la unión 1→ 2→ 3 va en
sentido S y como el hidrógeno (último en prioridad) está en la vertical la configuración correcta del estereocentro es S.

Fundamentos de Química Orgánica

Si el último grupo en prioridad está en la horizontal y la unión 1→ 2→ 3 va en
sentido R la configuración del estereocentro es opuesta, o sea, S.
Por ejemplo,

Si el último grupo en prioridad está en la horizontal y la unión 1→ 2→ 3 va en
sentido S la configuración del estereocentro es opuesta, o sea, R.

Por ejemplo:

Propiedades de las proyecciones de Fischer.
Las proyecciones de Fischer pueden ser movidas 180° en el plano sin que
cambie la configuración del estereocentro, por ejemplo:

Este giro de 180° en el plano en una proyección de Fischer equivale a un número par de intercambios de grupos, lo que permite deducir que un número par de intercambios en una proyección de Fischer deja la configuración del estereocentro inalterada y, por tanto, un número impar de intercambios cambia la configuración del estereocentro.
Si una proyección de Fischer se gira 90° se cambia la configuración del estereocentro, porque un giro de 90° equivale a un número impar de intercambios (un
total de tres interconversiones).

3. Compuestos con varios carbonos quirales: diastereoisómeros y compuestos meso.
Cuando un compuesto orgánico contiene dos o más centros estereogénicos son posibles un máximo de 2n estereoisómeros. A continuación, se indican las proyecciones de Fischer de los cuatro posibles estereoisómeros del 3-bromobutan-2-ol y las relaciones de estereoisomería que se establecen entre ellos.

En la proyección de Fischer se observa que los estereoisómeros 2R,3S y 2S,3R presentan un plano de simetría y, aunque aparentan ser imágenes especulares uno del otro, en realidad son el mismo compuesto porque son superponibles. Este tipo de estereoisómeros que carecen de actividad óptica, a pesar de contener en su estructura centros estereogénicos, se denominan compuestos meso.

Enantiomerismo conformacional

El bifenilo es un compuesto que no contiene centros estereogénicos y es ópticamente inactivo.

Sin embargo, el 6,6´-dibromo-2,2´-diyodobifenilo, cuya estructura se indica a continuación, existe en dos formas enantioméricas, a pesar de que el compuesto no contiene centros estereogénicos.

Si la estructura fuese totalmente plana, tal y como se indica en la figura anterior,
habría que concluir que el compuesto sería ópticamente inactivo y por tanto incapaz
de existir en dos formas enantioméricas. Sin embargo, la conformación plana del 6,6´-
dibromo-2,2´-diyododifenilo no puede existir porque colocaría los voluminosos átomos
de bromo y de yodo en una situación de enorme repulsión estérica.

4.Interacciones estéricas en una hipotética conformación plana del 6,6'-dibromo 2,2'-diyodo-bifenilo:

Repulsión estérica entre los átomos de bromo.
Repulsión estérica entre los átomos de yodo.

Para evitar la interacción estérica entre los átomos de halógeno la molécula adquiere una conformación que coloca a los dos anillos aromáticos mutuamente perpendiculares. De acuerdo con esta disposición de los anillos aromáticos es posible dibujar dos conformaciones alternativas que son las que se indican a continuación:

Estas dos conformaciones, que carecen de plano de simetría, son entre sí imágenes especulares no son superponibles. Son por tanto dos conformaciones enantioméricas. Además, como estas dos conformaciones no se pueden interconvertir se puede afirmar, por tanto, que estas dos conformaciones corresponden a dos compuestos enantioméricos que desviarán el plano de la luz polarizada en igual magnitud pero en direcciones opuestas.

5. Resolución de mezclas racémicas.
Cuando la acetofenona se reduce con NaBH4 se genera una mezcla racémica de (R)-1-fenil-1-etanol y (S)-1-fenil-1-etanol.

Si se necesitase uno de los dos enantiómeros en forma pura habría que separarlo de la mezcla racémica. La separación de enantiómeros de mezclas racémicas se denomina resolución. Hay diferentes procedimientos para la resolución de mezclas racémicas pero los más utilizados son la resolución química y la resolución cromatográfica.
Resolución química. La resolución química consiste en la separación de los enantioméros de la mezcla racémica mediante su conversión en una mezcla de diastereoisómeros. Para ello, la mezcla de enantiómeros se hace reaccionar con compuesto quiral que recibe el nombre de agente de resolución. Supongamos que la mezcla racémica formada por el (R)-1-fenil-1-etanol y (S)-1-fenil-1-etanol se hace reaccionar con el ácido (R)-2-fenilpropiónico. La reacción de ácidos carboxílicos con alcoholes proporciona ésteres y en este caso se obtendrá una mezcla de dos ésteres diastereoisoméricos.

Los diastereoisómeros tienen propiedades físicas diferentes y pueden separarse mediante destilación, cristalización o cromatografía.

Una vez separados los diastereoisómeros por cualquiera de las técnicas de separación anteriormente mencionadas, se procede a la eliminación del agente de resolución para obtener cada uno de los enantiómeros puros. Por ejemplo, en el caso que nos ocupa cada uno de los ésteres diastereoisoméricos se puede saponificar para obtener el alcohol enantiomérico puro y el agente quiral de resolución.

Resolución cromatográfica:

Este procedimiento de resolución se basa en la utilización de técnicas cromatográficas que emplean como fase estacionaria un compuesto quiral. El fenómeno que permite explicar la separación cromatográfica de mezclas racémicas se basa en las débiles interacciones que forman los enantiómeros con la fase estacionaria quiral. Estas interacciones forman agregados o complejos diastereoisoméricos que tienen diferentes propiedades físicas y por tanto diferentes energías de enlace y diferentes constantes de equilibrio para el acomplejamiento. El enantiómero que forma complejos más estables con la fase estacionaria quiral se mueve más lentamente a lo largo de la columna, y emerge de ella después del enantiómero que forma complejos menos estables y que, por tanto, se mueve más rápidamente.

ESTEREOQUÍMICA

1. Estereoisomería.
Dos compuestos con igual fórmula molecular pero con propiedades físicas y/o químicas
diferentes se denominan isómeros. La palabra isómero se emplea, a modo de término general, para designar aquellos compuestos que están relacionados entre sí de alguna de las siguientes formas: como isómeros estructurales o como estereoisómeros.


Estereoisómeros son sustancias cuyas moléculas tienen el mismo número y tipo de átomos colocados en el mismo orden, diferenciándose únicamente en la disposición espacial que ocupan.


2. Isomería geométrica (cis/trans)

El doble enlace de los alquenos se representa mediante una doble línea que une a los
dos átomos de carbono olefínicos. La orientación de los orbitales sp2 y el solapamiento de los orbitales p en el etileno obliga a colocar a los cuatro átomos que componen esta olefina en el mismo plano. En el esquema que aparece a continuación se indican varias representaciones de Lewis del etileno, así como las correspondientes representaciones en el modelo de varillas y bolas. La vista superior pone de manifiesto la planaridad de este compuesto.




Si observamos otro hidrocarburo olefínico como es el 2-buteno nos damos cuenta de que
podemos dibujar las siguientes estructuras:

Los denominados cis-2-buteno y trans-2-buteno no son isómeros estructurales entre sí,
puesto que ambos tienen la misma secuencia de átomos enlazados covalentemente. La
diferencia entre ellos estriba en la posición relativa en la que se encuentran dispuestos los grupos metilo y los átomos de hidrógeno y esta clase de isómeros, que se forman como consecuencia de la distinta orientación espacial de átomos o grupo de átomos alrededor de un enlace doble, se denominan isómeros geométricos. En el denominado cis-2-buteno los dos grupos metilo están del mismo lado del doble enlace, mientras que en el trans-2-buteno estos dos grupos metilo están situados en lados opuestos del doble enlace. A continuación, se dan las representaciones en los modelos de varillas y bolas de cis- y trans-2- buteno.





¿Cómo se explica la existencia de dos isómeros diferentes del 2-buteno?
La respuesta reside en la rotación restringida a lo largo del doble enlace
carbono-carbono. La energía de disociación del doble enlace C=C es aproximadamente de 146 kcal/mol y la energía de disociación de un enlace simple C-C es de 83 kcal/mol. Por tanto, la energía de disociación del enlace p�� debe ser de 63 kcal/mol. Los extremos de la molécula de 2-buteno no pueden torcerse entre sí, porque para ello se debería romper el enlace p. Por tanto, a diferencia de lo que ocurre en los enlaces simples, en los enlaces dobles C=C no hay libre rotación.

Para que exista isomería geométrica se deben cumplir dos condiciones:

1.- Rotación impedida (por ejemplo con un doble enlace).

2.- Dos grupos diferentes unidos a un lado y otro del enlace.

Nomenclatura de los isómeros geométricos.

El cis-2-buteno se denomina así porque los dos grupos iguales, como los dos grupos
metilo (CH3), están del mismo lado del doble enlace. Por el contrario, en el trans-2-buteno los dos grupos iguales (CH3) están en lados opuestos del doble enlace. Por tanto, la configuración cis de los enlaces dobles se asigna en aquellos isómeros geométricos que contienen grupos iguales o similares del mismo lado del doble enlace y la denominación trans se aplica en aquellos isómeros geométricos que contienen grupos iguales o similares de lados opuestos del doble enlace.
El problema de la nomenclatura cis/trans es que presenta muchas ambigüedades ya que muy a menudo se hace complicado elegir cuáles son los grupos iguales o similares situados en los carbonos olefínicos.
Para evitar las ambigüedades que se producen en el sistema de nomenclatura cis/trans la I.U.P.A.C. ha propuesto un sistema de nomenclatura basado en las reglas de Cahn-Ingold-Prelog, que establecen un orden de prioridad según el número atómico.

Si el doble enlace presenta los dos grupos de mayor prioridad del mismo lado
del plano de referencia se le asigna la configuración Z (del alemán zusammen).
Si el doble enlace presenta los dos grupos de mayor prioridad de lados opuestos del
plano de referencia se le asigna la configuración E (del alemán entgegen).


3. Isomería óptica.

El tipo de estereoisomería más interesante es el que da lugar a la actividad óptica. A principios de siglo XIX Biot señaló que algunas sustancias orgánicas de origen natural poseían la propiedad de girar el plano de la luz polarizada. Este fenómeno consiguió explicarse cuando los químicos comenzaron a considerar la disposición tridimensional de las moléculas en el espacio y la configuración tetraédrica del átomo de carbono. Las propiedades geométricas de un carbono con hibridación sp3hacen que, en el caso de que esté unido a cuatro átomos o grupos de átomos diferentes, la molécula no tenga plano de simetría y que existan dos maneras diferentes de ordenar a los cuatro átomos o grupos de átomos. Estas dos ordenaciones o configuraciones generan dos formas isoméricas denominadas enantiómeros, que son imágenes especulares entre sí pero que no son superponibles. Cuando esto ocurre se dice que la molécula es quiral y óptimamente activa, puesto que es capaz de desviar el plano de la luz polarizada. Dos enantiómeros desvían el plano de la luz polarizada en la misma magnitud pero en sentidos opuestos. Al carbono con hibridación sp3 que está unido a cuatro átomos o grupos de átomos diferentes se le denomina estereocentro o centro estereogénico. Los centros de este tipo suelen identificarse con un asterisco. Las moléculas que contienen un solo centro quiral son siempre quirales.





Cuando una molécula es superponible con su imagen especular se dice que no es
ópticamente activa y por tanto es incapaz de desviar el plano de la luz polarizada.
Normalmente esto ocurre cuando la molécula presenta un plano de simetría.





La quiralidad no es una propiedad exclusiva de las moléculas orgánicas que contienen estereocentros. En la vida ordinaria se pueden encontrar objetos quirales, y por tanto, no superponibles con su imagen especular, como la mano derecha y la mano izquierda, el pie derecho y el izquierdo, el zapato derecho y el izquierdo, etc.

Cómo sabemos si una molécula es quiral o no:

Si una molécula no tiene plano o centro de simetría la molécula es quiral.
Podemos decir también lo contrario, si una molécula presenta plano de simetría
en cualquiera de sus conformaciones es molécula es aquiral.
Teniendo en cuenta la gran similitud estructural que presentan los enantiómeros, se plantea la cuestión de cómo distinguir uno de otro. Ello no es tarea fácil, ya que la mayoría de las propiedades físicas de los enantiómeros son idénticas.
Una excepción importante es la interacción con la luz polarizada. Los puntos de ebullición, de fusión o la densidad son idénticos en los enantiómeros porque sus
enlaces y por tanto sus contenidos energéticos son idénticos. Sin embargo, si se
investiga el efecto que ejerce una muestra de uno de los enantiómeros sobre la luz
polarizada, se observará que el plano de polarización de la luz incidente gira en
sentido horario o antihorario. Si el mismo experimento se repite con el otro
enantiómero, el plano de la luz polarizada girará el mismo valor, pero en sentido
opuesto.
Un enantiómero que gira el plano de la luz polarizada en sentido horario, con el
observador mirando la fuente de luz, es dextrógiro se identifica por (+)-enantiómero y el otro enantiómero es levógiro, se identifica por (-)-enantiómero. Debido a esta
interacción especial con la luz, los enatiómeros suelen denominarse isómeros
ópticos, y el fenómeno actividad óptica.

Qué es la luz polarizada y cómo se mide su rotación:

La luz es una radiación electromagnética, cuyos vectores campo magnético y eléctrico
oscilan en todos los planos perpendiculares a la dirección de propagación. Cuando la
luz ordinaria incide sobre un polarizador, sólo la radiación que oscila en un determinado plano logra atravesarlo, es lo que se llama la luz polarizada plana.
Cuando una sustancia interacciona con la luz y el plano de la luz polarizada gira se
denomina ópticamente activa.
Las rotaciones ópticas se miden con un polarímetro. En estos instrumentos la luz se polariza en primer lugar y luego atraviesa la cubeta que contiene la muestra.
El analizador mide el ángulo de la luz polarizada. La rotación medida (en grados) es
la rotación óptica observada, ��, de la muestra. Su valor depende de la concentración y de la estructura de la molécula activa, de la longitud de la cubeta
que contiene la muestra, de la longitud de onda de lal luz incidente, del disolvente y de la temperatura.






Para evitar ambigüedades, se estableció el convenio de usar un valor estándar de ��, la rotación específica [��], característica de cada compuesto. Este valor depende también del disolvente y se define como:

donde:
t = temperatura en ºC.
�� = longitud de onda de la luz incidente; para la lámpara de sodio D, se indica
simplemente D: correspondea 589 nm, la raya de emisión amarilla del vapor de sodio.
�� = rotación óptica observada.
L = longitud de la cubeta que contiene la muestra, en decímetros; su valor suele ser 1 (es decir, 10 cm).


C = concentración (g ml-1)

Los enatiómeros giran el plano de polarización de la luz el mismo ángulo pero
en sentidos opuestos. Ej: para el 2-bromobutano el enantiómero (-) gira el plano 23.1º en sentido antihorario y su imagen especular el (+)-2-bromobutano lo hace 23.1º en sentido horario. Por lo tanto una mezcla 1:1 de enantiómeros no presenta rotación óptica y es por tanto ópticamente inactiva. Este tipo de mezlas se denominan mezclas racémicas. Si un enantiómero se equilibra con su imagen especular mediante algún proceso se dice que sufre racemización.

Un racémico es un cristal que tiene 50% de molécula (+) y 50% de molécula (-).
4. Configuración del estereocentro: Nomenclatura R y S.

Cómo se puede establecer la estructura de un enantiómero puro en un
compuesto quiral:
Prácticamente todas las propiedades físicas de un enantiómero son idénticas a las de su imagen especular, excepto el signo de la rotación óptica. Por otro lado, no existe correlación directa entre el signo de la rotación óptica y la estructura de un
enantiómero en particular. Si el signo de la rotación no indica nada acerca de la
estructura.
Cómo se sabe qué enantiómero se corresponde con qué estructura:
Esta información se puede obtener del análisis por difracción de rayos X de monocristales.
Esto no significa que cada compuesto quiral deba ser analizado por rayos X. Por
ejemplo, si partimos del (-)-ácido láctico [��]=-3.8 y conocemos su configuración por rayos X, sabemos también la configuración del (+)-lactato sódico [��]=+13.5.

Para identificar los enantiómeros de forma inequívoca necesitamos dotarnos de un sistema que indique la quiralidad de la molécula. La notación R y S fue desarrollado por Cahn, Ingold y Prelog.

1. Debo establecer reglas de prioridad, para ver cuál tiene más prioridad y
cuáles le siguen en menor prioridad.

2. Miro la molécula desde la parte opuesta al átomo con menor prioridad.

3. Después muevo desde el sustituyente de mayor a menor prioridad. Si estoy describiendo un movimiento que es el de las agujas del reloj entonces la notación es R. Si el movimiento es contrario al de las agujas del reloj, la notación es S.







Antes de aplicar la nomenclatura hay que asignar prioridades a los sustituyentes mediante el uso de reglas de secuencia.

Regla 1.
En primer lugar se consideran los átomos unidos directamente al estereocentro. Un sustituyente con mayor número atómico tiene preferencia sobre los de número atómico inferior. Por lo tanto, el sustituyente con menor prioridad es el hidrógeno. En caso de isótopos prevalece la masa atómica.

Regla 2.
Si la regla 1 no puede decidir la prioridad de los grupos, ésta se determina por una comparación similar de los átomos siguientes en cada grupo. La decisión sobre la prioridad se toma en el primer punto de diferencia a lo largo de la cadena de dos sustituyentes. Una vez alcanzado este punto, la constitución del resto de la cadena no se tiene en cuenta.

Regla 3.
Los enlaces dobles y triples se tratan como si fueran sencillos,duplicando o triplicando los átomos de la cadena.





Regla 4.
Cuando tenemos un centro quiral unido a dos alquenos iguales, el cis tiene preferencia sobre el trans.

Regla 5.
Si un carbono asimétrico está unido a dos carbonos asimétricos iguales el de la configuración R tiene preferencia sobre el de la configuración S.

Regla 6.
Proyecciones de Fisher.
Una proyección de Fischer es una forma simplificada de dibujar en dos dimensiones
átomos de carbono tetraédricos con sus sustituyentes. La molécula se dibuja en forma
de cruz, con el carbono asimétrico en el punto de intersección. Las líneas horizontales representan enlaces dirigidos hacia el observador; las líneas verticales representan enlaces que se alejan del observador.


Para asignar la configuración R o S en las proyecciones de Fischer se determina primero el orden de prioridad según la convención Cahn-Ingold-Prelog.
Se unen los tres grupos prioritarios en el orden 1® 2® 3 y se observa si está unión va en el sentido de reloj o en el sentido contrario. Si el último grupo en prioridad está en la vertical y la unión 1® 2® 3 va en sentido R la configuración del estereocentro será R. Si el último grupo en prioridad está en la vertical y la unión 1® 2® 3 va en sentido S la configuración del estereocentro será S.

Por ejemplo, en la proyección de Fischer anterior la unión 1® 2® 3 va en sentido R y como el hidrógeno (último en prioridad) está en la vertical la configuración correcta del estereocentro es R.
Si el último grupo en prioridad está en la horizontal y la unión 1® 2® 3 va
en sentido R la configuración del estereocentro es opuesta, o sea, S.





Si el último grupo en prioridad está en la horizontal y la unión 1® 2® 3 va en
sentido S la configuración del estereocentro es opuesta, o sea, R.





Propiedades de las proyecciones de Fischer.

Las proyecciones de Fischer pueden ser movidas 180° en el plano sin que cambie la configuración del estereocentro, por ejemplo:
Si una proyección de Fischer se gira 90° se cambia la configuración del
estereocentro.
Moléculas con más de un centro quiral. Diastereoisómeros.
Cuando un compuesto orgánico contiene dos o más centros estereogénicos
son posibles un máximo de 2n estereoisómeros. A continuación, se indican las proyecciones de Fischer de los cuatro posibles estereoisómeros del 2-bromo-3- clorobutano y las relaciones de estereoisomería que se establecen entre ellos.

Una pareja de diastereoisómeros no tienen ni las propiedades físicas, ni químicas
iguales, ni siquiera el poder rotatorio de uno y otro tienen algo que ver, ni en número ni en signo.

Reactividad y estereoquímica.
Partimos de un compuesto ópticamente inactivo.

El caso de la bromación del butano.
En la bromación radicalaria del butano se crea un carbono asimétrico, porque uno de los hidrógenos metilénicos es sustituido por un nuevo grupo, es decir tenemos un carbono con cuatro sustituyentes distintos. Sin embargo, cuando se mide el poder
rotatorio se observa que es cero, por lo tanto se ha formado una mezcla racémica.

Este hecho se debe a que el radical es plano (hibridación sp2) y puede atacar tanto por arriba como por abajo. Porque los estados de transición son enantiómeros y por tanto energéticamente equivalentes. Las velocidades de formación de los productos R y S son iguales y se obtiene una mezcla racémica.

Radical plano y simétrico

A partir de compuestos ópticamente inactivos se obtienen productos ópticamente inactivos aunque se forme un centro quiral. (Se verá más adelante que se pueden obtener compuestos ópticamente activos partiendo de sustancias ópticamente inactivas si se utiliza algún reactivo ópticamente activo).
El carbono secundario que sufre la reacción no es quiral, pero se le denomina proquiral porque al reaccionar da lugar a un centro quiral o estereogénico
Partimos de un compuesto quiral pero no se afecta el centro quiral.
Consideramos la cloración del 3-bromobutano. Puede reaccionar en los metilos terminales C-1 y C-2, en el carbono 2 o en el carbono 3.
Si reacciona en C-4 se cambia la numeración para que los localizadores sean
los más bajo posibles. Pero la secuencia de prioridades es la misma y se mantiene la
configuración S.
Si reacciona en C-1 cambia la secuencia de prioridades y aunque el centro estereogénico no participa en la reacción cambia la designación de su configuración
de S a R.
Ambos compuestos son ópticamente activos porque el estereocentro original queda inalterado.

Partimos de un compuesto quiral pero se afecta el centro quiral.
Seguimos considerando la cloración del 3-bromobutano, pero ahora la reacción
se produce en el carbono 2. Se observa que la molécula sigue siendo quiral. Sin
embargo, al medir el poder rotatorio se observa que es nulo, por lo tanto la
halogenación conduce a una mezcla racémica. Esto ocurre porque al igual que en la
bromación del butano se forma un radical aquiral y plano con hibridación sp2. Por lo
tanto la cloración puede ocurrir por los dos lados a velocidades iguales y se obtiene
una mezcla racémica. En este caso, a partir de un compuesto ópticamente activo
obtenemos un producto ópticamente inactivo.

Partimos de un compuesto quiral y se forma un nuevo centro quiral.
Observamos la cloración en posición 3 del (S)-2-bromobutano.
Hay un momento en el que se forma un radical libre que es plano y el carbono
tiene hibridación sp2. Pero en este caso las dos caras del radical no son imágenes
especulares la una de la otra, puesto que el radical retiene la asimetría de la molécula original como resultado de la presencia del centro quiral en C2. Por lo tanto las dos caras del orbital p no son iguales. Los estados de transición que conducen a los productos no son imágenes especulares uno de otro ni son superponibles: son diastereómeros. Tienen por tanto distintas energías y representan caminos de reacción diferentes.

Radical intermedio plano pero no simétrico Diastereoisómeros Ataque más impedido Ataque menos impedido Se forma en menor proporción el resultante del ataque por arriba debido al mayor impedimento estérico del bromo.
Una reacción que conduce a la formación predominante (o exclusiva) de uno de los varios productos estereoisoméricos posibles es estereoselectiva. El efecto que produce el carbono asimétrico en la reacción se denomina inducción asimétrica.
Si partimos del (R)-2-bromobutano ópticamente puro el ataque ocurre por arriba, al contrario que en el caso anterior. El diastereoisómero mayoritario en este caso es el RS.

Si la cloración la llevamos a cabo sobre el 2-bromobutano racémico, es decir, sobre la mezcla 1:1 del (S)- y (R)-2-bromobutano, se obtendría una mezcla de diastereoisómeros, de los que uno predomina, pero ahora son racémicos porque partimos de una mezcla racémica.
Cuando ninguno de los productos de partida es enantioméricamente puro y en
la reacción se producen estereocentros, el resultado de la misma es siempre un
racémico.

Resolución de racematos.

La generación de un compuesto quiral a partir de un reactivo aquiral produce
una mezcla racémica. ¿Cómo se obtienen entonces enantiómeros puros? Si se necesitase uno de los dos enantiómeros en forma pura habría que separarlo de la mezcla racémica. La separación de enantiómeros de mezclas racémicas se denomina resolución. Hay diferentes procedimientos para la resolución de mezclas racémicas pero los más utilizados son la resolución química y la resolución cromatográfica.
Resolución química. La resolución química consiste en la separación de los enantioméros de la mezcla racémica mediante su conversión en una mezcla de diastereoisómeros. Para ello, la mezcla de enantiómeros se hace reaccionar con compuesto quiral que recibe el nombre de agente de resolución.

Mezcla de diastereoisómeros.

Supongamos que la mezcla racémica formada por el (R)-3-amino-1-butino y (S)-3-amino-1-butino se hace reaccionar con el ácido (+)-tartárico. La reacción de proporciona una mezcla de dos tartratos diastereoisoméricos. El diastereoisómero procedente del enantioméro (R) cristaliza en la disolución, mientras que el procedente del enantiómero (S) permanece disuelto. Una vez separados los diastereoisómeros se procede a la eliminación del agente de resolución para obtener cada uno de los enantiómeros puros.


Resolución cromatográfica: Este procedimiento de resolución se basa en la
utilización de técnicas cromatográficas que emplean como fase estacionaria un compuesto quiral. El fenómeno que permite explicar la separación cromatográfica
de mezclas racémicas se basa en las débiles interacciones que forman los enantiómeros con la fase estacionaria quiral. Estas interacciones forman agregados o complejos diastereoisoméricos que tienen diferentes propiedades físicas y por tanto diferentes energías de enlace y diferentes constantes de equilibrio para el acomplejamiento. El enantiómero que forma complejos más estables con la fase estacionaria quiral se mueve más lentamente a lo largo de la columna, y emerge de ella después del enantiómero que forma complejos menos estables y que, por tanto, se mueve más rápidamente.

Isomería óptica.

El tipo de estereoisomería más interesante es el que da lugar a la actividad óptica. A principios de siglo XIX Biot señaló que algunas sustancias orgánicas de origen natural poseían la propiedad de girar el plano de la luz polarizada. Este fenómeno consiguió explicarse cuando los químicos comenzaron a considerar la disposición tridimensional de las moléculas en el espacio y la configuración tetraédrica del átomo de carbono. Las propiedades geométricas de un carbono con hibridación sp3 hacen que, en el caso de que esté unido a cuatro átomos o grupos de átomos diferentes, la molécula no tenga plano de simetría y que existan dos maneras diferentes de ordenar a los cuatro átomos o grupos de átomos. Estas dos ordenaciones o configuraciones generan dos formas isoméricas denominadas enantiómeros, que son imágenes especulares entre sí pero que no son superponibles.
Cuando esto ocurre se dice que la molécula es quiral y óptimamente activa, puesto que es capaz de desviar el plano de la luz polarizada. Dos enantiómeros desvían el plano de la luz polarizada en la misma magnitud pero en sentidos opuestos. Al carbono con hibridación sp3 que está unido a cuatro átomos o grupos de átomos diferentes se le denomina estereocentro o centro estereogénico. Los centros de este tipo suelen identificarse con un asterisco. Las moléculas que contienen un solo centro quiral son siempre quirales.





Cuando una molécula es superponible con su imagen especular se dice que no es ópticamente activa y por tanto es incapaz de desviar el plano de la luz polarizada.
Normalmente esto ocurre cuando la molécula presenta un plano de simetría.



La quiralidad no es una propiedad exclusiva de las moléculas orgánicas que contienen estereocentros.

Un enantiómero que gira el plano de la luz polarizada en sentido horario, con el observador mirando la fuente de luz, es dextrógiro se identifica por (+)-enantiómero y el otro enantiómero es levógiro, se identifica por (-)-enantiómero. Debido a esta interacción especial con la luz, los enatiómeros suelen denominarse isómeros ópticos, y el fenómeno actividad óptica.

La isomería se puede definir por el hecho que dos o más compuestos, con la misma fórmula molecular, posean diferentes fórmulas estructurales, diferentes propiedades físicas y, en la mayoría de los casos, diferentes o diferencias sustanciales, en sus propiedades químicas.

Isomería geométrica (cis/trans)

El doble enlace de los alquenos se representa mediante una doble línea que une a los dos átomos de carbono olefínicos. La orientación de los orbitales sp2 y el solapamiento de los orbitales p en el etileno obliga a colocar a los cuatro átomos que componen esta olefina en el mismo plano.

Estereoisómeros

son sustancias cuyas moléculas tienen el mismo número y tipo de átomos colocados en el mismo orden, diferenciándose únicamente en la disposición espacial que ocupan.

**Antecedentes

Las Fuerzas Intermoleculares, son fuerzas de atracción y repulsión entre las moléculas. El comportamiento molecular depende en gran medida del equilibrio (o falta de él) de las fuerzas que unen o separan las moléculas, y el estudio de esos fenómenos fue parte importante del desarrollo de la química física en el siglo XX. Las fuerzas de atracción explican la cohesión de las moléculas en los estados liquido y sólido de la materia, y se llaman fuerzas de largo alcance o Fuerzas de Van der Waals en honor al físico holandés Johannes van der Waals. Estas fuerzas son las responsables de muchos fenómenos físicos y químicos como la adhesión, rozamiento, difusión, tensión superficial y la viscosidad. Entre las diferentes fuerzas de orden intermoleculares que mantienen unidos los átomos dentro de la molécula y mantener la estabilidad de las moléculas individuales.

Hay varios tipos de interacciones:

-Fuerzas de orientación (aparecen entre moléculas con momento dipolar diferente) -Fuerzas de inducción (ion o dipolo permanente producen en una molécula apolar una separación de cargas por el fenómeno de inducción electrostática)
-Fuerzas de dispersión (aparecen en tres moléculas apolares).

En la naturaleza, las uniones entre molécula son de tipo dipolar, siendo las más características las fuerzas de Van der Waals y los puentes de hidrógeno.
Las fuerzas de atracción entre moléculas (monoatómicas o poliatómicas) sin carga neta se conocen con el nombre de fuerzas intermoleculares o fuerzas de van der Waals. Dichas fuerzas pueden dividirse en tres grandes grupos: las debidas a la existencia de dipolos permanentes, las de enlace de hidrógeno y las debidas a fenómenos de polarización transitoria (fuerzas de London). A continuación un estudio elemental de cada uno de dichos grupos.

Fuerzas de Van der Waals:

Es una fuerza intermolecular atractiva, pero poco intensa, que se ejerce a distancia entre moléculas. Son fuerzas de origen eléctrico que pueden tener lugar entre dipolos instantáneos o inducidos y entre dipolos permanentes.
Las sustancias moleculares están formadas por moléculas individuales entre las que únicamente existen interacciones de tipo residual que son las responsables del enlace conocido como fuerza de Van der Waals. Pero este tipo de fuerza no sólo está presente en los sólo los sólidos moleculares, sino que también aparece entre los átomos o iones sometidos a cualquier clase de enlace, ya sea iónico, metálico o covalente; por eso se considera como una interacción residual.
Su energía es mucho menor que la de los otros tipos de enlace y normalmente aparezca enmascarada. Por otra parte, la interacción conocida como fuerza de Van der Waals se caracteriza también porque carece de carácter dirigido y porque opera a distancias mucho mayores.
Las fuerzas de Van der Waals pueden llegar a mantener ordenaciones cristalinas, pero los puntos de fusión de las sustancias covalentes son siempre bajos, ya que la agitación térmica domina; las fuerzas de Van der Waals son las únicas responsables de la estabilidad de estos gases nobles en estado sólido.
La mayor parte de las sustancias covalentes, a temperatura ambiente, son los gases o líquidos de punto de ebullición bajo (ejemplo: Agua).
En cuanto a la solubilidad, puede decirse que, en general, las sustancias covalentes son solubles en disolventes apolares y no en disolventes polares.
Se conocen algunos sólidos covalentes prácticamente infusibles e insolubles, que son excepción al comportamiento general descrito. Un ejemplo de esto es el diamante. La gran estabilidad de estas redes cristalinas se debe a que los átomos que las forman están unidos entre sí mediante enlaces covalentes. Para deshacer la red, es necesario romper estos enlaces, lo cual consume gran cantidad de energía.
Las fuerzas entre dipolos instantáneos o inducidos se producen entre moléculas apolares como es el caso del oxigeno, nitrógeno o cloro, y también entre átomos como el helio o neòn, y reciben el nombre de fuerzas de dispersión. Este tipo de fuerzas es el responsable de que estas sustancias pueden ser licuadas e incluso solidificadas. Las nubes electrónicas de las moléculas o delos átomos sufren vibraciones y producen dipolos con una orientación determinada, pero de vida muy breve ya que en un instante después el dipolo tiene la orientación contraria. Estos dipolos inducen otra deformación en las moléculas contiguas y originan fuerzas de atracción entre ellas.

Estereoquimica

La estereoquímica es el estudio de la estructura tridimensional de las moléculas.

El descubrimiento de la estereoisomeria fue uno de los hitos mas importantes de la teoría estructural de la química organica.

Dos compuestos con igual fórmula molecular pero con propiedades físicas y/o químicas

diferentes se denominan isómeros. La palabra isómero se emplea, a modo de término general, para designar aquellos compuestos que están relacionados entre sí de alguna de las siguientes formas: como isómeros estructurales o como estereoisómeros.