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LA ESTEREOISOMERÍA ES EL ESTUDIO DE LA ESTRUCTURA TRIDIMENSIONAL DE LAS MOLÉCULAS → el ordenamiento de átomos o grupos de átomos en el espacio determinan las propiedades de la misma. ISÓMEROS → son aquellos compuestos que poseen igual fórmula molecular pero distinta fórmula estructural → por lo tanto, se trata de especies químicas distintas, con propiedades químicas diferentes. HAY DOS CATEGORIAS DE ISÓMEROS. Estereoisomería 1 4° T E O R I C O LOS ISÓMEROS ESTRUCTURALES TAMBIÉN SON LLAMADOS CONSTITUCIONALES. La diferencia de conectividad hace que las propiedades de los compuestos sean diferentes. ISÓMEROS ESTRUTURALES → difieren en el orden en que se unen los átomos → o sea, difieren en su constitución o conectividad. HAY 3 TIPOS: ESTEROISOMEROS → posen igual composición y constitución pero difieren en las distribuciones que pueden adoptar sus átomos en el espacio. de esqueleto o cadena de posición funcional ESTEROISOMEROS CIS-TRANS O SIMÓMEROS GEOMÉTRICOS → son el resultado de la rotación impedida → es una restricción del movimiento que puede deberse a la aparición de un doble enlace en la molécula o de una estructura cíclica. ISÓMERO CIS → tiene los dos grupos del mismo lado del anillo. En el caso del esteroisomero cis de doble enlace → grupos están del mismo lado del doble enlace. ISÓMERO TRANS → presenta los dos grupos de lados opuestos del anillo. En el caso del esteroisomero trans de doble enlace → grupos están de lados opuestos del doble enlace. Son compuestos acícliclos. Depende de la propiedad de los átomos de carbono de unirse entre sí y formado cadenas que pueden ser lineales o ramificadas. El grupo funcional de los compuestos cambia de posición. Los isómeros presentan diferentes grupos funcionales. Los dos compuestos tienen la misma fórmula molecular c2H6O Para poder USAR A TERMINOLOGÍA CIS-TRANS a fin de diferenciar esteroisómeros, DEBE HABER DOS GRUPOS IDÉNTICOS PARA COMPARAR; además, los átomos de hidrógeno también pueden utilizarse para asignar esta terminología. Cuando dos grupos idénticos están conectados a la misma posición, no se trata de esteroisomería cis- trans. Estos dos dibujos representan al mismo compuesto → esta sustancia tiene dos cloros conectados en la misma posición → por ende, la sustancia no exhibe esteroisomería. CUALQUIER OBJETO PUEDE REFLEJARSE EN UN ESPEJO MOSTRANDO SU IMAGEN ESPECULAR → para muchos objetos, la imagen en el espejo es idéntica al objeto en sí → o sea, el objeto y su imagen especular son SUPERPONIBLES → como ejemplo se puede tomar a un par de anteojos. Par de anteojos → su imagen se refleja en el espejo → SE PUEDE SUPERPONER PERFECTAMENTE → EL PAR DE ANTEOJOS ES NO QUIRAL. Si al anteojo se quita uno de los vidrios → el objeto y su imagen especular ahora son diferentes → un par carece de vidrio derecho y otro par de vidrio izquierdo → EL OBJETO Y SU IMAGEN ESPECULAR NO SON SUPERPONIBLES → SE DICE ENTONCES, QUE SON OBJETOS QUIRALES. ENTONCES: A los objetos que no pueden superponerse con su imagen especular se los llama → objetos QUIRALES. A los objetos que si pueden superponerse con su imagen especular se los llama → NO QUIRALES. Todos los objetos tridimensionales pueden clasificarse como quirales o no quirales. Las moléculas son objetos tridimensionales → por lo tanto pueden ser quirales o no quirales. Las moléculas quirales → no pueden superponerse con su imagen especular; las moléculas no quirales, si pueden superponerse con su imagen especular. Quiralidad La causa más común de quiralidad molecular es la presencia de un átomo de carbono que porte 4 grupos diferentes → hay dos maneras de ordenar cuatro grupos alrededor de un átomo de C central → los dos ordenamientos no son superponibles con sus imágenes especulares (imagen de abajo a la derecha). CENTRO QUIRAL → carbono tetraédrico unido a 4 grupos diferentes; también se le da otros nombres como → centro de quiralidad, estereocentro y centro asimétrico. Para que las moléculas presenten quiralidad → es necesaria la presencia de un estereocentro → éste centro es la causa más común de la quiralidad molecular → sin embargo no es la única. La presencia de un carbono unido a 4 sustituyentes diferentes da lugar a un centro de asimetría → a ese carbono se lo designa generalmente como CARBONO ESTRELLA. EN EL EJEMPLO → el carbono está unido a dos sustituyentes que son iguales y a otros dos que son distintos. Si se ubica a los sustituyentes en posición vertical 1 y 2; y los sustituyentes 3 y 4 mirando hacia los lados y se aplastara a la molécula sobre el plano → se puede trazar un plano de simetría donde la mitad izquierda de la molécula es la imagen reflejada en el espejo de la mitad derecha de la molécula → si la MOLÉCULA ES SUPERPONIBLE → se denomina AQUIRAL → esto se debe a que presenta un PLANO DE SIMETRÍA. Cada uno de los átomos remarcados se une a cuatro grupos diferentes → en el último caso, el átomo de carbono es un centro quiral ya que si se rodea al anillo por un camino es diferente de si se hace por el otro → un camino encuentra antes el doble enlace → es asimétrico. Las manos son imágenes especulares no superponibles. Centros quirales EN ESTE CASO → las moléculas son quirales → en este ejemplo el carbono está unido a 4 sustituyentes diferentes → la imagen especular no es superponible, si se toma a la molécula desde el cloro y se la hace girar → cuando se superpone una molécula con la otra, por ejemplo cloro con cloro y bromo con bromo, no se superponen los sustituyentes yodo e hidrógeno. En este caso, la forma de escribir a la molécula se llama → REPRESENTACIÓN IMPUNE. La unión C-Cl al igual que la unión C-Br → están hechas en una LÍNEA CONTINUA, LO QUE QUIERE DECIR QUE ESTAS FÓRMULAS ESTÁN INDICADAS SOBRE EL PLANO DEL PAPEL; en cambio, las uniones C-H y C-I → se representan en forma de cuña; en el caso de la unión C-I, la línea rellena indica que el sustituyente sale del plano del papel hacia el lector; en el caso de la unión C-H, la LÍNEA PUNTEADA INDICA QUE LA UNIÓN ESTÁ HACIA ATRÁS DEL PLANO DEL PAPEL, ALEJÁNDOSE DEL LECTOR. ENTONCES → carbono unido a 4 sustituyentes diferentes → la imagen especular no es superponible → esto se debe a que la molécula NO POSEE PLANO DE SIMETRÍA → es una MOLÉCULA QUIRAL. A LOS ESTEROISÓMEROS QUE SON IMÁGENES ESPECULARES NO SUPERPONIBLES SE LOS LLAMA ENANTIÓMEROS. ENTONCES → SI DOS ESTRUCTURAS SON IMÁGENES ESPECULARES Y NO SON SUPERPONIBLES → DIGO QUE LA RELACIÓN ISOESTEROSOMÉRICA QUE PRESENTAN ES LA DE SER ENANTIÓMEROS. MOLÉCULA DE ANFETAMINA → posee un centro de asimetría (estereocentro) → es una molécula quiral. Para dibujar los correspondientes enantiómeros → puedo pensar en dibujar a la anfetamina en una caja donde se coloca un espejo por detrás de la molécula, un espejo por debajo y otro al lado. SI VEO A LA MOLÉCULA CON UN ESPEJO DETRÁS DE ELLA → el metilo que en la molécula original está más cerca al observador → en la imagen reflejada aparece hacia atrás del plano (debido a esto la línea punteada). Las dos imágenes no son superponibles → pueden superponerse todas las estructuras pero en un caso el metilo está hacia adelante en el plano del papel; y en el otro está hacia atrás del plano del papel. SI SE UBICA EL ESPEJO DETRÁS DE LA MOLECULA → EL ESQUELETO SE DIBUJA EXACTAMENTE IGUAL; EXCEPTO QUE LAS CUÑAS SE TRANSORMAN EN LÍNEAS DE PUNTOS Y LAS LÍNEAS DE PUNTOS SE TRANSFORMAN EN CUÑAS. ESPEJO A UN LADO DE LA MOLÉCULA → se dibuja la imagen especular del esqueleto, las líneas de puntos siguen siendo líneas de puntos y las cuñas siguen siendo cuñas. Las dos imágenes no van a ser superponibles. ESPEJO DEBAJO DE LA MOLÉCULA → se dibuja la imagen especular del esqueleto, las líneas depuntos siguen siendo líneas de puntos y las cuñas siguen siendo cuñas → sin embargo, el metilo que está hacia adelante va a quedar hacia atrás. De las tres formas de dibujar el enantiómero → SOLO EL PRIMER MÉTODO (ESPEJO POR DETRÁS) INVOLUCRA EL INTERCAMBIO DE CUÑAS Y LÍNEAS DE PUNTOS. Aun así → los 3 métodos generan la misma respuesta. Independientemente de donde ubique el espejo imaginario para escribir al enantiómero → en todos los casos es la misma molécula la que se escribe → es el mismo enantiómero → los 3 dibujos representan a la misma molécula, la rotación de uno de los dibujos genera los otros dos. RECORDAR → UNA MOLÉCULA PUEDE TENER UN SOLO ENANTIÓMERO → POR LO QUE LOS 3 MÉTODOS DEBEN PROUCIR LA MISMA RESPUESTA. carbono unido a una amina, unido a un metilo y unido a un bencilo y unido (no está dibujado) a un hidrógeno. EN GENERAL → es más fácil utilizar el primer método (espejo por detrás) → ya que simplemente vuelve a dibujarse la estructura reemplazando las líneas de puntos por cuñas y las cuñas por líneas de puntos. Sin embargo → este sistema no sirve en todas las situaciones. COMPUESTOS BICICLICOS → no se dibujan líneas de puntos ni cuñas ya que la geometría tridimensional está implícita en la molécula → en estos compuestos, es más fácil utilizar cualquiera de los otros dos métodos (espejo al lado o debajo). Para tener aroma un objeto debe liberar compuestos orgánicos al aire → estos compuestos ingresan en la nariz al inhalar y allí encuentran receptores que detectan su presencia → las sustancias se unen a los receptores y provocan la transmisión de señales nerviosas que el cerebro interpreta como olores. LOS COMPUESTOS QUE SON IMÁGENES ESPECULARES (ENANTIÓMEROS) → a menudo se unen a receptores diferentes y generan así patrones distintos que se interpretan como aromas particulares. Si un receptor es quiral → como suele suceder, SE ESPERA QUE SOLO UN ENANTIÓMERO DEL PAR SE UNA CON EFICACIA. PARA DETECTAR LOS DISTINTOS OLORES, LOS RECEPTORES EN SÍ MISMOS DEBEN SER QUIRALES. Así, por ejemplo → los sectores ubicados en el olfato, son capaces de reconocer la R- carvona y diferenciarla de la S-carvona debido a sus olores diferentes. ENTONCES → PARA QUE UN COMPUESTO DETERMINADO DESENCADENE UNA RESPUESTA EN EL ORGANISMO → SE NECESITA QUE COINCIDA CADA UNA DE LAS PARTES DEL COMPUESTO CON EL RECEPTOR CORRESPONDIENTE. En el primer caso → los sustituyentes se pueden anclar perfectamente en cada parte del receptor; mientras que en el segundo caso no pueden anclarse, ya que únicamente la pirámide podría anclarse sobre el receptor. El sistema de nomenclatura que permite diferenciar a los enantiómeros entre sí se denomina → MÉTODO SECUENCIAL DE CAHN-INGOLD-PRELOG (CIP) El primer paso de este sistema consiste en asignar prioridades a cada uno de los cuatro grupos unidos al centro de quiralidad → BASÁNDOSE EN SU NÚMERO ATÓMICO → el átomo con mayor número atómico recibe la mayor prioridad y el de menor número atómico recibe la menor. De los 4 átomos unidos al centro de quiralidad → el cloro tiene el mayor número atómico y por lo tanto es el de mayor prioridad, le sigue el oxígeno, luego el carbono y por último el hidrógeno. Luego de asignar las prioridades, si es necesario → se hace girar a la molécula de manera que el grupo con la cuarta prioridad quede en una línea de puntos. Luego se mira si la secuencia 1-2-3 queda en sentido horario o antihorario: o SI QUEDA EN SENTIDO HORARIO SE DESIGNA COMO R. o SI QUEDA EN SENTIDO ANTIHORARIO SE DESIGNA COMO S. Puede suceder que se encuentren dos o más átomos con el mismo número atómico. En el ejemplo → hay dos átomos de carbono unidos directamente al centro de quiralidad → al oxígeno se le asigna la prioridad 1 y al hidrógeno la 4. PARA DECIDIR A QUÉ ÁTOMO DE CARBONO SE LE DA LA PRIORIDAD 1 DEBE OBSERVARSE A QUE OTROS ÁTOMOS ESTÁN UNIDOS CADA CARBONO. Se deben enumerar los 3 átomos de cada lado en orden de número atómico decreciente y comparar. En este caso, las listas son idénticas, asi que hay que seguir alejandose del centro de quiralidad y repetir el proceso. Nomenclatura de enantiómeros Las letras R y S se utilizan para describir la configuración de un centro quiral. Asignación de prioridades SE BUSCA EL PRIMER PUNTO DE DIFERENCIA → en este caso, al lado izquierdo se le asignará mayor prioridad, ya que el C tiene un mayor número atómico que el H. En este otro ejemplo → el lado izquierdo recibe la mayor prioridad → el oxígeno tiene un mayor número atómico que el carbono. IMPORTANTE → NO SE COMPARA LA SUMA TOTAL DE CADA LISTA → EL FACTOR DECISIVO ES EL PRIMER PUNTO DE DIFERENCIA. CUANDO SE ASIGNAN PRIORIDADES → UN DOBLE ENLACE SE CONSIDERA COMO DOS ENLACES SIMPLES SEPARADOS. El siguiente átomo de carbono se trata como si estuviese conectado a dos átomos de oxígeno. Esta regla se aplica a cualquier doble enlace. Principio → INVERTIR DOS GRUPOS CUALESQUIERA UNIDOS AL CENTRO QUIRAL INVERTIRÁ SU CONFIGURACIÓN. No importa que grupos se inviertan → la inversión de cualquier par de grupos cambiará la configuración. Entonces → CAMBIANDO OTROS DOS GRUPOS UNA SEGUNDA VEZ, SE REVERTIRÁ EL CAMBIO DE CONFIGURACIÓN. EJEMPLO → primero se busca la prioridad y se la intercambia con el grupo que está sobre la línea de puntos; luego se intercambian los otros dos grupos. Se realizaron dos cambios → el dibujo inicial tendrá la misma configuración que el primero. Sin embargo → ahora la molécula dibujada tendrá a la cuarta prioridad sobre la línea de puntos. En este ejemplo → la secuencia es en sentido horario → la configuración es R. Rotación de la molécula LOS ENANTIÓMEROS TIENEN PROPIEDADES FÍSICAS IDÉNTICAS → por ejemplo, los puntos de fusión y ebullición de los enantiómeros de la carvona. LOS ENANTIÓMEROS PUEDEN ROTAR EL PLANO DE LA LUZ POLARIZADA EN LA MISMA MEDIDA, PERO EN DIRECCIONES OPUESTAS.. Todas las propiedades físicas de los enantiómeros son iguales, excepto aquellas propiedades que se deben a la forma en que los grupos que se unen al centro asimétrico estén ordenados en el espacio. Una de las propiedades que no comparten los enantiómetos es la forma en que interactúan con el plano de la luz polarizada → LA LUZ POLARIZADA ES CAPAZ DE RECONOCER AL ENANTIÓMERO R DEL ENANTIÓMERO S. La luz normal → está formada por rayos que oscilan en todas las direcciones, en cambio → todos los rayos de un haz de luz polarizada oscilan en un solo plano. EL PLANO DE LA LUZ POLARIZADA SE PRODUCE HACIENDO PASAR LA LUZ NORMAL A TRAVÉS DE UN POLARIZADOR → como una lente polarizada o un prisma. Solo la luz que oscila en un determinado plano lo puede atravesar. IMAGEN A → la luz pasa a través del polarizador → un solo plano se sigue propagando → y si el segundo polarizador está ubicado de manera paralela al primero → el observador será capaz de ver la luz. IMAGEN B → si el segundo polarizador está perpendicular al primero → el observador no podrá ver la luz que se está propagando. LAS SOLUCIONES DE ALGUNAS SUSTANCIAS HACEN ROTAR EL PLANO DE LA LUZ POLARIZADA → estas SUSTANCIAS SON LLAMADAS ÓPTICAMENTE ACTIVAS. Solo algunas sustancias orgánicas tienen esta propiedad. Algunos compuestos la hacen girar en el sentido de las agujas del reloj y otros en sentido contrario; mientras que otros compuestos no son capaces de girar el plano de polarización. LAS SUSTANCIAS QUE CARECEN DE LA POSIBILIDAD DE HACER ROTAR EL PLANO DE LA LUZ POLARIZADA SE LLAMAN → ÓPTICAMENTE INACTIVAS. La capacidad de hacer girar el plano de polarización se debe a la asimetría de ciertas moléculas; la asimetría se relaciona con compuestos que tienen uno o más centros asimétricos o quirales. Actividad óptica COMPUESTO AQUIRAL → no hace girar el plano de polarización de la luz → se dice que es ópticamenteinactivo. COMPUESTO QUIRAL → puede hacer girar el plano de polarización de la luz en sentido horario o antihorario. Si un enantiómero hace girar el plano de polarización en el sentido de las agujas del reloj → su imagen especular lo hará girar en el sentido contrario y exactamente la misma cantidad. LA ACTIVIDAD ÓPTICA ES CONSECUENCIA DIRECTA DE LA QUIRALIDAD → LOS COMPUESTOS QUIRALES SON OPTICAMENTE ACTIVOS; LOS COMPUESTOS AQUIRALES SON OPTICAMENTE INACTIVOS. Si un compuesto ópticamente activo HACE GIRAR EL PLANO DE POLARIZACIÓN EN EL SENTIDO DE LAS AGUJAS DEL RELOJ → se dice que es DEXTRO ROTATORIO → en el nombre del compuesto se lo identifica con un signo +. Si un compuesto ópticamente activo hace girar el plano de polarización de la luz en sentido antihorario → se dice que es LEVO ROTATORIO → se indica en el nombre del compuesto con un signo -. Dextro y levo son prefijos que significan a la derecha y a la izquierda. A veces en lugar de usar los signos + y – se usan las letras d y l. NO CONFUNDIR LOS SIGNOS + Y – CON R Y S → LOS SÍMBOLOS + Y – INDICAN LA DIRECCIÓN EN LA CUAL EL COMPUESTO OPTICAMENTE ACTIVO HACE GIRAR EL PLANO DE POLARIZACIÓN; MIENTRA QUE R Y S INDICAN EL ORDENAMIENTO DE LOS GRUPOS CON RESPECTO AL CENTRO ASIMÉTRICO. Algunos compuestos con configuración R son dextrógiros y otros son levógiros. Al ver la estructura de un compuesto se puede decir si tiene configuración R o S; pero LA ÚNICA FORMA DE AFIRMAR QUE UN COMPUESTO ES DEXTRO ROTATIVO O LEVO ROTATORIO ES PONIENDO EL COMPUESTO EN UN POLARÍMETRO → es un dispositivo que mide la rotación del plano de la luz polarizada causada por las sustancias ópticamente activas. La fuente de luz suele ser una lámpara de sodio → la luz pasa luego a través de un filtro de polarización y la luz polarizada resultante pasa a través de un tubo que contiene una solución de un compuesto ópticamente activo → el cual produce la rotación del plano. La cantidad de rotación causada por un compuesto ópticamente activo varía en función de la longitud de onda de la luz que se use. LA FUENTE LUMINOSA DE UN POLARÍMETRO DEBE PRODUCIR UNA LUZ MONOCROMÁTICA → o sea, de una sola longitud de onda. En un polarímetro, la luz monocromática atraviesa un polarizador → y entonces sale la luz polarizada a través del polarizador; luego, la luz polarizada atraviesa el tubo donde está la muestra. SI EL TUBO ESTÁ VACÍO O LLENO DE UN DISOLVENTE ÓPTICAMENTE INACTIVO → la luz emerge sin cambiar su plano de polarización → y se propaga a través de todo el tubo. Luego, la luz atraviesa el segundo polarizador, el cual está montado en el ocular → el usuario mira por el ocular y hace girar el polarizador hasta obtener oscuridad total → en este punto, el polarizador se encuentra perpendicular respecto del primero y la luz no puede atravesarla. Este ajuste del polarizador corresponde a una rotación cero. SI LA MUESTRA ES ÓPTICAMENTE ACTIVA → hará girar el plano de polarización → por lo tanto, el polarizador no bloqueará toda la luz sino que parte de la misma llegara al ojo del usuario → el usuario hace girar el polarizador hasta que no pase luz nuevamente. CADA COMPUESTO ÓPTICAMENTE ACTIVO TIENE UNA ROTACIÓN ESPECÍFICA CARACTERÍSTICA; la rotación específica de un compuesto es la que produce en ciertas condiciones estandarizadas → una disolución de 1g del compuesto por mililitro de disolución en un tubo de muestra de un decímetro de longitud a una temperatura y una longitud de onda específicas. A partir de la rotación observada se calcula la rotación específica mediante la ecuación: Rotación específica En grados centígrados [σ] es la rotación específica LA ROTACIÓN ESPECÍFICA ES UNA CONSTANTE FÍSICA CARACTERÍSTICA DE CADA COMPUESTO CON ACTIVIDAD ÓPTICA Se denomina mezcla racémica o racemato a la MEZCLA QUE CONTIENE UN PAR DE ENANTIÓMEROS EN UNA PROPORCIÓN DEL 50% DE CADA UNO Y ES ÓPTICMANTE INACTIVA → contiene cantidades iguales de dos enantiómeros; AUNQUE LAS SUSTANCIAS INDIVIDUALES SON ÓPTICAMENTE ACTIVAS, LA MEZCLA NO LO ES. Cuando la luz polarizada atraviesa una mezcla de este tipo, la luz encuentra una molécula por vez, y rota levemente con cada interacción. Como hay cantidades iguales de ambos enantioméros → la rotación neta será de cero grados. ENTONCES → LAS MEZCLAS RACÉMICAS NO HACEN GIRAR EL PLANO DE LUZ POLARIZADA → la luz atraviesa la mezcla racémica sin que cambie su plano de polarización. LA SOLUCIÓN QUE CONTIENE UN SOLO ENANTIÓMERO SE LLAMA → ÓPTICAMENTE PURA. UNA SOLUCIÓN QUE CONTIENE A AMBOS ENANTIOMÉROS PERO EN CANTIDADES DIFERENTES → será ÓPTICAMENTE ACTIVA. Para indicar que una mezcla es racémica se usa el símbolo (+-) → esto indica que la mezcla está compuesta (en este caso) por un 50% de (+)-2-butanol y otro 50% de (-)-2-butanol. Exceso enantiomérico Si uno de los enantiómeros se encuentra en mayor proporción en una mezcla, se observará una cierta rotación óptica correspondiente al porcentaje de la especie que está en exceso y se conoce como → “EXCESO ENANTIOMÉRICO (ee)”. Dicho exceso puede calcularse con una fórmula en la que aparece la rotación experimental y la rotación óptica del enantiómero puro: Mezcla racémica EL ENANTIÓMERO EN EXCESO ES EL S → hay un exceso del 40% del enantiómero dextrógiro. Si el 40% de la mezcla es el exceso enantiomérico; del otro 60% de la mezcla se tiene una mitad que es S y una mitad R → en total hay 30% de R y 70% de S (ya que se cuenta con el exceso enantiomérico del 40%). LA LUZ POLARIZADA PERMITE DISTINGUIR SIEMPRE LOS DOS ENANTIÓMEROS. Sin embargo → hay otras propiedades, como el olor, sabor, comportamiento frente a enzimas, etc → que en determinadas ocasiones también permiten diferenciarlos.
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