Stereochemistry

1. Química Orgànica
Dr. Antonio Delgado
Dra. Cristina Minguillón
Dr. Màrius Rubiralta
• Estereoisomeria
• Quiralitat

2. Atès el caràcter i la finalitat exclusivament docent i
eminentment il∙lustrativa de les explicacions a classe
d'aquesta presentació, els autors s’acullen a l’article 32 de la
Llei de Propietat Intel∙lectual vigent respecte de l'ús parcial
d'obres alienes com ara imatges, gràfics o altre material
contingudes en les diferents diapositives
2

3. Bloc 1: Estructura
Tema 4. Estereoisomeria i quiralitat
Molècules quirals: enantiòmers i racemats. Activitat òptica. Configuració
absoluta: les regles seqüencials R‐S. Projeccions de Fischer. Quiralitat en
compostos nitrogenats: la inversió de les amines. Estereoisomeria deguda a la
presència de dos centres estereogènics: enantiòmers i diastereòmers. Formes
meso. Nomenclatura eritro‐treo. Estereoisomeria deguda a la presència de més
de dos centres estereogènics. Estructura dels carbohidrats. Convenció de
Fischer: D, L. Sèries D i L en carbohidrats i aminoàcids. Representacions de
Haworth i formes de cadira. Estereoisomeria E/Z. Exemples en lípids.
Estereoisomeria i interacció biològica.
Bibliografia:
Bettelheim et al, Capítol 2
McMurry, Capítols 3 i 4
Vollhardt, Capítol 2
3

4. Isomeria
ISÒMERS
compostos amb la mateixa
fórmula molecular
ISÒMERS ESTRUCTURALS
compostos que difereixen en la
connectivitat dels seus àtoms
ESTEREOISÒMERS
compostos que difereixen en la disposició
espacial dels seus àtoms
CONFÒRMERS
Interconvertibles per rotació
d’enllaços senzills
ISÒMERS CONFIGURACIONALS
NO interconvertibles
DIASTEREÒMERS
estereoisòmers amb diferent distància
entre àtoms o grups d'àtoms
ENANTIÒMERS
estereoisòmers imatge
especular l’un de l’altre 4

5. Quiralitat
Propietat d’un objecte de ser diferent de la seva imatge en un
mirall.
Quiralitat: Apareix també en les molècules.
cheir (grec)= mà
5

6. Clorodifluorometà
Les dues estructures són imatges especulars.
6

7. Clorodifluorometà
Les dues estructures són imatges especulars.
Però no són enantiòmers perquè es poden superposar.
7

8. Br
Cl
H
F
Bromoclorofluorometà
Les dues estructures són imatges especulars.
Són enantiòmers perquè NO es poden superposar.
La molècula és quiral.
H
Cl
Br
F
Girem la
molècula 180°
H
Cl
Br
F
8

9. Quiralitat
La quiralitat és la conseqüència de la presència d’elements
estereogènics a la molècula.
Centres estereogènics
Eixos estereogènics
Plans estereogènics
1
2
3
4
1
2
3
4 2
3
4 2
3
2
3
4
9

10. w
x y
z
C
Centre estereogènic
Centre estereogènic: un àtom tetraèdric, comunament un àtom
de carboni, amb quatre substituents diferents.
També es pot dir:
Centre quiral (desaconsellat)
Centre asimètric
Estereocentre
10

11. Isomeria
CENTRES
ESTEREOGÈNICS?
SI
Un Mes d’un
NO
ELEMENT DE SIMETRIA
EN LA MOLECULA?
MOLECULA
QUIRAL
ENANTIÒMERS
NO SI
MOLECULA
AQUIRAL 11

12. 2‐Bromobutà
ENANTIÒMERS
No superposables12

13. Centre estereogènic
No hi ha pla de simetria
(molècula quiral)
Pla de simetria
Pla de simetria: pla de reflexió a través del qual s’obté una copia
idèntica a l’original.
La presència d’un pla de simetria és un indicador de que la
molècula és aquiral.
13

14. CH3CH3CH2
CH3CH2H3C N
H
H
NH3C
CH3
O
O
Molècules aquirals que tenen
un centre de simetria
Centre de simetria
Centre de simetria (centre de inversió) (i): Una molècula té un
centre de simetria quant per cada àtom hi ha un àtom idèntic
diametralment oposat a aquest centre i equidistant d’aquest.
La presència d’un centre de simetria és un indicador de que la
molècula és aquiral.
14

15. Activitat òptica
Els enantiòmers presenten idèntiques propietats físiques
macroscòpiques amb una excepció: l’activitat òptica.
Activitat òptica (birefringència circular): capacitat d’un material
per a desviar el pla de la llum polaritzada.
Llum polaritzada: radiació electromagnètica (generalment
monocromàtica) que oscil∙la en un pla.
15

16. Activitat òptica
Cada enantiòmer d’una parella desvia el pla de la llum
polaritzada cap el costat oposat.
(+) Dextrogir (d): cap a la dreta
(‐) Levogir (l): cap a l’esquerra
Racèmic/barreja racèmica: barreja equimolecular dels dos
enantiòmers.
Les barreges racèmiques NO tenen activitat òptica.
16

17. Polarimetria
Les barreges d’enantiòmers que contenen un excés d’un d’ells
són òpticament actives.
La mesura del canvi en el pla de la llum polaritzada s’anomena
polarimetria i es determina amb un polarímetre.
La polarimetria s’utilitza per a determinar la composició en
enantiòmers d’una barreja.
17

18. Polarímetres
18

19.   l.c
100.T 
 
Rotació òptica específica
Dimensions físiques:
graus.L2.M‐1
l: dm
c: g/mL
Exemple: Àcid (R)‐mandèlic:
[]D
20 = ‐155,4 (c: 2,913, EtOH 95%)
589 nm
Polarimetria
Rotació òptica específica []: característica del compost quiral
en determinades condicions (dissolvent, temperatura, longitud
d’ona, ...)
La rotació òptica específica és una constant física pròpia de la
substancia (com ho són el punt de fusió, d’ebullició o la densitat).19

20. Rotació òptica específica []: característica del compost quiral
en determinades condicions (dissolvent, temperatura, longitud
d’ona, ...)
Rotació òptica específica
20

21. Rotació òptica: Coneguda la rotació òptica específica d’un
compost, la rotació òptica permet el càlcul de la composició
enantiomèrica d’una barreja d’enantiòmers.
Puresa òptica: mesura de la composició en enantiòmers d’una
barreja
p 
 .100
max
 
Puresa òptica
En una mescla racèmica (barreja equimolecular dels dos
enantiòmers) el valor de rotació òptica =0
En un compost aquiral: =0
Si ≠0, un dels enan òmers predomina sobre l’altre: Hi ha un
excés enantiomèric.
El valor de puresa òptica acostuma a coincidir amb l'excés
enantiomeric. 21

22. Excés enantiomèric: Excés d’un dels enantiòmers sobre la
barreja racèmica, expressat en percentatge.
Excés enantiomèric
R
80%
S
20%
%ee  % A  %B 
A  B 
A  B 
100
ee: 60%
22

23. La mesura de la rotació òptica observada per una mostra depèn
de:
L’estructura de la molècula quiral
La concentració de la dissolució
El dissolvent que s’utilitza
La longitud d’ona de la llum
La temperatura a la que es fa la determinació
La presencia de contaminants (compostos diferents del
que es vol determinar la puresa òptica) siguin quirals o no.
La polarimetria és una tècnica molt fàcil d’utilitzar i molt
assequible però amb una sensibilitat i fiabilitat limitades.
Polarimetria
23

24. Centres estereogènics: nomenclatura
La configuració dels centres estereogènics es determina aplicant
les regles de Cahn, Ingold i Prelog.
Configuració absoluta: R / S (“Rectus”‐llatí‐ dreta;
“Sinister” –llatí‐esquerra)
24

25. Cahn,Ingold,Prelog
Regla 1: Tenen prioritat els àtoms de major número atòmic.
25

26. Cahn,Ingold,Prelog
Regla 1: Tenen prioritat els àtoms de major número atòmic.
Regla 2: A igualtat de Z, explorar les cadenes fins a trobar un punt
de diferència.
26

27. Cahn,Ingold,Prelog
Regla 1: Tenen prioritat els àtoms de major número atòmic.
Regla 2: A igualtat de Z, explorar les cadenes fins a trobar un punt
de diferència.
Regla 3: enllaços múltiples
27

28. Exemples
28

29. Configuració absoluta/rotació òptica
R/S: designen una determinada distribució de grups al voltant
d’un centre estereogènic.
(+)/(‐): designen el sentit de la rotació òptica
d/l: designen el sentit de la rotació òptica
Dos compostos diferents amb el mateix
signe de rotació òptica no tenen perquè
tenir la mateixa configuració absoluta.
Els enantiòmers de configuració
absoluta R o S tindran signes de rotació
òptica contraris.
29

30. Projecció de Fischer
Representació en dues dimensions d’un àtom de carboni
tetraèdric (tridimensional).
La molècula es dibuixa en forma de creu.
L’àtom tetraèdric és el centre de la creu.
Els àtoms connectats per enllaços horitzontals es situen per
sobre del pla del dibuix.
Els àtoms connectats per enllaços verticals es situen per sota del
pla del dibuix.
30

31. Projecció de Fischer
31

32. Projecció de Fischer
Les projeccions que es poden convertir una en l’altre mitjançant
un nombre parell de canvis són equivalents (representen la
mateixa molècula).
Una projecció de Fischer no es pot “aixecar” del pla en que es
dibuixa.
32

33. Projecció de Fischer
Un gir de 90° en el pla converteix la molècula en l'enantiòmer del
compost original.
Un gir de 180° en el pla condueix a una projecció equivalent a la
original.
33

34. Quiralitat de les amines
Pot ser quiral l’àtom de nitrogen?
34

35. Quiralitat de les amines
Quan una amina té tres substituents diferents (a més del parell
d’electrons) reuneix les característiques estructurals per a ser
quiral.
No obstant ...
35

36. Inversió de Walden de les amines
A temperatures convencionals no són quirals degut a un procés
d’isomerització ràpid anomenat inversió.
Barrera energètica per a la inversió: 5‐7 kcal.mol‐1 (superable a
temperatura ambient).
Per tant, és impossible evitar la racemització d’una amina a
temperatura ambient si l’àtom de nitrogen és l'únic centre
estereogènic de la molècula.
36

37. La inversió de l’àtom de nitrogen no es produeix en els sistemes
de tetraalquil amoni.
Les sals de tetraalquil amoni són quirals quan els quatre
substituents són diferents.
R1
N
R2
R3
R4
R1
N
R2
R3
R4
Quiralitat de centres tetraèdrics
37

38. La inversió NO es produeix ni en el sofre ni en el fòsfor.
Les fosfines i els sulfòxids poden ser quirals.
P
R2
R3
R4
P
R2
R3
R4
S
O
R3
R4
S
O
R3
R4
Quiralitat de centres tetraèdrics
fosfines
sulfòxids
38

39. 2‐Bromo‐3‐clorobutà
Molècules amb més d’un centre estereogènic:
Isòmers configuracionals 39

40. Separació d’enantiòmers: Resolució
40

41. Resolució per cristal∙lització
41

42. Resolució per cromatografia
Detector
Fase
Mòvil
(+/‐)
42

43. 2,3‐Dibromobutà
43

44. Formes meso
Les formes meso tenen un pla de simetria.
44

45. Formes meso
Els compostos cíclics també poden tenir formes meso.
45

46. 4 centres estereogènics
16 estereoisòmers
Nombre d’estereoisòmers
Nombre màxim d’estereoisòmers: 2n (n: nombre de centres
estereogènics i dobles enllaços amb possibilitat d’isomeria Z/E).
El nombre màxim es redueix si hi ha formes meso o bicicles amb
pont. O
HOCH2CH—CH—CH—CH‐CH
OH OH OH OH
HO H
E R
H OH
E S
HHO
Z R
H OH
SZ
3‐Penten‐2‐ol: un doble enllaç i un centre estereogènic
46

47. Nombre d’estereoisòmers
Àcid còlic (àcid biliar: actua
com a tensioactiu)
11 centres estereogènics.
211 = 2048 estereoisòmers
Un d’ells és l’àcid còlic natural
Un altre és l’enantiòmer
d’aquest.
Els altres 2046 són
diastereòmers de l'àcid còlic47

48. Nomenclatura Eritro/Treo
La nomenclatura eritro‐treo s’utilitza per a indicar la configuració
relativa en molècules de dos centres estereogènics.
Es determina amb les projeccions de Fischer.
La molècula s’ha d’orientar amb la cadena carbonada en vertical
i l’àtom de carboni més oxidat en l’extrem superior.
eritro: substituents iguals o anàlegs del mateix costat de la
projecció de Fischer.
CO2H
CH3
H
H
HO
HO
CO2H
CH3
H
H
OH
OH
eritro
48

49. Nomenclatura Eritro/Treo
eritro: substituents iguals o anàlegs del mateix costat de la
projecció de Fischer.
treo: substituents iguals o anàlegs en costats diferents de la
projecció de Fischer.
CO2H
CH3
H
H
HO
HO
CO2H
CH3
H
H
OH
OH
CO2H
CH3
H
H
HO
OH
CO2H
CH3
H
H
OH
HO
eritro
treo
49

50. Aldohexoses
Tots són diastereòmers entre si. Alguns epímers (diastereòmers
que difereixen en la configuració d’un sol centre estereogènic).
50

51. Per convenció l’isòmer amb el grup OH a la dreta en la projecció
de Fischer s’anomena D‐gliceraldehid i L‐gliceraldehid
l’enantiòmer d’aquest.
2
C
C
CH
H OH
OH
OH
C
C
CH2
OH H
OH
OH
HO H
CH2OH
CHO
Gliceraldehid
un centre estereogènic: dos enantiòmers un és (+) i l’altre (‐).
H OH
CH2OH
CHO
51

52. Aldohexoses
Els carbohidrats amb el grup OH del darrer centre estereogènic a
la dreta constitueixen la sèrie D.
52

53. Aminoàcids
Els aminoàcids naturals tenen configuració L (es correspon a la
configuració absoluta S).
53

54. Aminoàcids
54

55. Aminoàcids
55

56. Aminoàcids
56

57. Aldoses
Els sucres naturals són de la sèrie D.
triosa
tetrosespentoseshexoses
57

58. Cetoses
triosa
tetrosapentoseshexoses
58

59. Hemiacetals cíclics: glucosa
Hemiacetal de 6 membres:
forma piranosa.
Hemiacetal de 5 membres:
forma furanosa.
59

60. Hemiacetals cíclics: fructosa
60

61. S
carboni
anomèric
R
carboni
anomèric
Projeccions de Haworth
En produir‐se la ciclació, el grup carbonil es converteix en un nou
centre estereogènic: carboni anomèric.
La formació de l’hemiacetal origina dos nous compostos,
diastereòmers entre si: anòmers.
Si la configuració del nou centre és S, es tracta de l'anòmer .
Si la configuració del nou centre és R, es tracta de l’anòmer .
61

62. Equivalència Haworth/Fischer
Per fer la projecció de
Haworth cal adaptar la
projecció de Fischer unint
amb una línia els àtoms del
nou enllaç, sense canviar
l’esquelet basic de la forma
original.
Formes conformacionals 62

63. fructosa
glucosa
Disacàrids
Disacàrids: s’originen per la formació d’un acetal entre dos
sucres.
sacarosa
lactosa 63

64. cis
Substituents del
mateix costat de la
cadena principal
C C
H
R
R
H
C C
R
H
R
H
Alquens: Com que la rotació de l’enllaç C=C no és possible, la seva
presència a la molècula dóna origen a estereoisòmers.
Isòmers geomètrics / diastereòmers
(un tipus d'isòmers configuracionals).
trans
Substituents en
costats diferents de
la cadena principal
Isomeria cis‐trans
64

65. C C
CH3(CH2)6CH2 CH2(CH2)6CO2H
H H Àcid oleic
(cis)
Isomeria cis‐trans
Nomenclatura cis‐trans:
Útil quan hi ha un substituent igual en cadascun dels dos àtoms de
carboni del doble enllaç.
Ambigua quan tots els substituents són diferents.
C C
H F
Cl Br
1‐Bromo‐2‐cloro‐1‐fluoroetè
(cis? trans?)
65

66. C CC C
Entgegen, E
(en contra, oposat)
Zusammen, Z
(junts)
prioritari
Nomenclatura E‐Z
E: Substituents prioritaris en costats diferents.
Z: Substituents prioritaris en el mateix costat.
prioritari prioritari
prioritari
Prioritat: ordre de número atòmic (regles de Cahn‐Ingold‐Prelog).
66

67. Nomenclatura E‐Z
C C
H F
Cl Br
(Z)‐1‐Bromo‐2‐cloro‐1‐fluoroetè
E: Substituents prioritaris en costats diferents.
Z: Substituents prioritaris en el mateix costat.
L’àtom de número atòmic més elevat té prioritat.
Cl>H Br>F
prioritari prioritari
67

68. Àcids grassos
Àcids carboxílics no ramificats, sovint amb un nombre parell
d'àtoms de carboni ( entre 12 i 20).
Els més importants tenen 18C: esteàric, oleic, linoleic i linolènic.
OH
O
Oleic acid (C18)
OH
O
Linoleic acid (C18)
OH
O
Linolenic acid (C18)
Arachidonic acid (C20)
OH
O
CH3(CH2)16COOH Stearic acid (C18)
C
C C
C
HH
C
C H
C
CH
Cis alkene
Common in fatty acids
Trans alkene
Rare in fatty acids
68

69. Z
69

70. Àcids grassos
Els àcids grassos saturats són sòlids a temperatura ambient.
La seva regularitat estructural els hi permet un empaquetament
de les molècules que fa màxima la interacció intermolecular.
70
El àcids grassos insaturats són líquids a temperatura ambient.
Els dobles enllaços cis interrompen la regularitat de
l’empaquetament molecular.

71. Àcids grassos insaturats
71

72. Quiralitat en els sistemes biològics
Els aminoàcids són quirals i també les proteïnes.
Els carbohidrats són quirals.
Els àcids nucleics són quirals.
72

73. Quiralitat en els sistemes biològics
2
3
aspartam
edulcorant
(S,S) dolç, (R,R) amarg
73

74. 74
Anàlisi enantioselectiva en aliments
La major part dels components dels aliments són naturalment enantiomericament
purs: L’anàlisi enantioselectiva en aquest context s’orienta a controlar possibles fraus
(autenticitat) o bé la qualitat, sobre tot en aliments processats.
Components aromàtics i saboritzants (origen natural/sintètic).
Identificació de marcadors per valorar autenticitat i/o adulteració.
Control i monitorització del processat i emmagatzematge:
Fermentació i activitat microbiològica (vi/formatge).
Avaluació del processat d’aliments (escalfament, …).
Envelliment.
Control i monitorització dels additius alimentaris, contaminants,
fàrmacs, i els seus metabòlits.
Additius tecnològics.
Fàrmacs administrats a animals de granja.
Contaminants ambientals.
Seguretat alimentaria i autentificació