Quiralidad. Enantiómeros y Diastereoisómeros.

Siguiendo la tónica de este blog de explicar los conceptos de manera sencilla, ahora abordaré el concepto de la quiralidad. En primer lugar vamos a hacer un sencillo ejercicio; construimos una molécula de un solo carbono con sus 4 sustituyentes distintos y dibujamos su imagen especular, es decir, su imagen en un espejo:

Vemos que la molécula 1 tiene una imagen en el espejo, 2. Si volteamos 1 (no hacemos ninguna modificación, sólo rotar 180º por el enlace C-F vertical) y comparamos con 2 no son superponibles. ¿Son 1 y 2 la misma molécula? La respuesta es NO. Aún teniendo la misma conectividad (está unido a todos los mismos átomos) su disposiciones en el espacio son distintas, son estereoisómeros, y dentro de esta categoría son enantiómeros, ya que son imágenes especulares no superponibles. Actualmente se denomina al carbono como estereogénico y a la molécula quiral.

¿Cómo diferenciamos dos enantiómeros?

Pues muy fácil, con las reglas de Cahn-Ingold-Prelog (Pinchar en el enlace para verlas detalladas).  Existen dos configuraciones: R y S. En la siguiente figura volvemos al caso anterior, señalando la prioridad de cada sustituyente en base al número atómico. SIEMPRE el H será el menos prioritario al ser el elemento más pequeño.

Importante: hay que dejar al menos prioritario lo más alejado del observador, como es en nuestro caso, y estudiar los 3 restantes. Finalmente, tenemos que 1 es R ya que al movernos  del 1 al 3 lo hacemos en el sentido de las agujas del reloj. El compuesto 2 no le queda más remedio que ser S, contrario a las agujas del reloj (Lo comprobamos).

Conclusiones importantes:

- Para que un carbono sea estereogénico (quiral) los 4 sustituyentes tienen que ser distintos, si no lo son, no pierdas tiempo estudiándolo.

- Si un carbono es R, su enantiómero es S y viceversa. (Ten cuidado al asignar la prioridad, pues lleva a errores y además, aleja al menos prioritario!).

- Si permutamos dos átomos de un centro estereogénico pasa a ser su enantiómero, por lo tanto pasa de R a S o viceversa.

A continuación vamos a estudiar qué pasa cuando tenemos más de un carbono estereogénico. Para ello escogemos el 2,3-dicloropentano:

Al tener dos carbonos con 4 sustituyentes distintos, es decir, estereogénicos, obtendremos 4 estereoisómeros (2 por cada uno). Por conveniencia y facilidad dibujamos la primera molécula con los H para atrás, así ya están preparados para las reglas de R y S. Damos la prioridad a los sustituyentes (en rojo los del carbono estereogénico 2 y en azul los que corresponden al carbono en posición 3) y observamos que sale la configuración S en los dos. 1 es S,S. Hacemos su imagen en el espejo (no superponible, hacer el modelo y chequearlo) y si hemos hecho todo correctamente, sin necesidad de hacer otra vez todo el método, la configuración de 2 es R,R. Para construir 3 permutamos en la molécula 1 el cloro con el H en posición 2, al hacer ésto pasa de S a R (lo puedes comprobar asignando las prioridades) y 3 es R,S. Por último, 4 se obtiene de hacer la imagen en el espejo de 3 (es su enantiómero) y sus configuraciones se intercambian, 4 es S,R. Si dibujamos bien el primero (1) y asignamos las configuraciones R y S, los otros tres se obtienen fácilmente.

Observaciones

Se obtienen dos parejas de enantiómeros:

1 y 2 son enantiómeros entre sí.

3 y 4 son enantiómeros entre sí.

1 con 3 y 4, diastereoisómeros. (Igual para 3 con 2 y 1). Son diastereoisómeros porque no son imágenes especulares.

2 con 3 y 4, diastereoisómeros. (Igual para 4 con 2 y 1).

Todos estos conceptos deben ser bien asumidos y entendidos. Espero haber sido de ayuda.

Alcanos. Cicloalcanos

El cicloalcano más pequeño es el ciclopropano, luego ciclobutano y ciclopentano (ciclos de 3, 4 y 5 miembros respectivamente). Sin embargo, en este post me centraré en el estudio del ciclohexano. Aunque dibujemos el ciclohexano como un hexágono plano en realidad tiene una distribución tridimensional para lograr el ángulo del carbono tetrahédrico de 109º. La conformación más estable es la de silla.

Conformaciones de silla

Vemos que hay dos conformaciones de silla en equilibrio. Para pasar de una a la otra sólo hay que bajar el carbono 1 y subir el 4 para lograr la interconversión entre sillas (comprobar con un modelo molecular). No se ha girado la estructura ni hecho cualquier otro movimiento, el carbono 1 sigue a la izquierda y el 4 a la derecha (en realidad todos los carbonos siguen en su sitio). Existen dos clases de disposiciones espaciales bien definidas para los sustituyentes de los carbonos: axial y ecuatorial. Los enlaces en axial son perpendiculares al plano del ciclo (en azul en la silla izquierda). Los enlaces en ecuatorial están en el mismo plano que el ciclo (en rojo en la silla izquierda). Ambas disposiciones estás alternadas a medida que pasamos de un carbono al contiguo.

Importante:

1. Cuando cambiamos de silla las posiciones axiales pasan a ser ecuatoriales y viceversa.

2. La silla tiene dos caras, la superior (beta) y la inferior (alfa). Los sustituyentes que están por una cara siguen estando por la misma cara a pesar de haber cambiado de disposición (ecuatorial o axial). Ej: el sustituyente b cambia de axial por arriba (axial en beta) a ecuatorial también por arriba (ecuatorial en beta).

Efecto de los sustituyentes en la conformación

Si todos los sustituyentes son H ambas sillas se encuentran en la misma proporción, es decir, la mitad de la población se encontrará en una silla y la otra mitad en la otra pero sería indistinguibles. En cambio cuando se introduce un grupo metilo, la situación varía:

Influencia de un sustituyente

En la figura anterior las flechas del equilibrio indican que la conformación más estable y por lo tanto más abundante es la de la derecha, ya que no existen las interacciones 1,3-diaxiales que sí existen en la silla de la izquierda. La dificultad para deducir cuál es la conformación más estable aumenta a medida que se incrementa el número y tipo de sustituyentes.

Alcanos. Cómo hacer un buen diagrama de Energía Potencial

Con este post pretendo orientar al alumno en la realización de un diagrama de Energía Potencial, de manera sencilla y clara. Como primer ejemplo escogeré el butano (But = 4 Carbonos): CH3CH2CH2CH3. En la siguiente imagen se muestra cómo llegar desde la proyección en zig-zag a la proyección de Newman pasando por caballete (que no es más que ver la proyección de Newman con un poco de perspectiva lateral) Recomiendo el uso de los modelos moleculares en estas primeras etapas.

De zig-zag a Newman

Recomiendo para la realización del diagrama de Energía Potencial partir del confórmero más estable o de menor energía, es decir, el confómero anti arriba dibujado, así el diagrama obtenido será simétrico en la parte central y resultará más elegante. Dejamos la parte delantera intacta y rotamos 60º la parte posterior hasta completar un giro completo de 360º que nos devolverá el confórmero inicial. Iremos pasando de conformación alternada a eclipsada y así sucesivamente:

Confórmeros del butano

Una vez obtenidos todos los confórmeros hay que colocarlos en el diagrama de Energía según su energía relativa, y resalto lo de relativa porque no es exacto, es una estimación, algo aproximado. Para que nos sirva de orientación, los confórmeros alternados son más estables que los eclipsados, por lo tanto, sólo haremos comparaciones entre sí. Nunca un eclipsado será mas estable que un alternado por muchas  interacciones que tenga. A continuación hago un estudio detallado:

Confórmero 1:  Es el más estable debido a que está alternado y los grupos más voluminosos están lo más alejados entre sí posible.
Confórmero 2: Está eclipsado, de mayor energía que alternado.

Confórmero 3: Alternado, más estable, de menor energía, que eclipsado (¡siempre!), pero más inestable que el alternado 1 al tener una interacción gauche.

Confórmero 4: Eclipsado. Entonces comparo con eclipsados anteriores, es decir 2, resultando ser el eclipsado de mayor energía al estar los grupos más voluminosos enfrentados, en sin.

Confórmero 5: Es idéntico a 3.

Confórmero 6: Es idéntico a 2.

Confórmero 7: Volvemos a la situación inicial, es idéntico a 1.

Estas conclusiones las tenemos que ir transfiriendo al diagrama a medida que las vamos obteniendo tal y  como se muestra en la siguiente Figura.

Diagrama de Energía Potencial 

Espero que este post sea de ayuda para realizar un "buen" diagrama de Energía Potencial. Espero comentarios!