- Objetivos
- Información Teórica
- Materiales y reactivos usados. Ficha de Seguridad
- Observaciones
- Conclusiones
- Cuestionario
- Ver las disposiciones espaciales de los átomos de una molécula.
- Construir diferentes modelos de moléculas para comprender la isomería geométrica, las conformaciones y la configuración absoluta.
- Construir modelos de moléculas con el fin de observarlas en tres dimensiones.
II.- Información Teórica
Estereoquímica
La ciencia de la química orgánica, como hemos dicho, se basa en la relación entre estructura molecular y propiedades. Aquella parte de la ciencia que se ocupa de la estructura en tres dimensiones se denomina estereoquímica (del griego stereos, "sólido").
Un aspecto de la estereoquímica es la estéreo isomería. Recordemos que los isómeros son compuestos diferentes que tienen la misma fórmula molecular.
La clase particular de isómeros que sólo se diferencian por la orientación espacial de sus átomos (pero que son iguales entre sí en cuanto a qué átomos están unidos a cuáles otros) se llaman estereoisómeros.
Clases de estereoisomería
Isomería geométrica, son aquellos isómeros que se generan debido a la rigidez del doble enlace y existen dos clases: Cis (a un mismo lado) y trans (a lados opuestos). Para que existan isómeros geométricos (Cis/trans), los grupos ligados a un mismo carbono del doble enlace deben ser diferentes.
Los isómeros Cis y trans también se presentan en los compuestos cíclicos.
Isomería óptica, son isómeros que se diferencian en la distribución espacial de sus enlaces y que tienen diferente actividad óptica.
Explicación sobre la actividad óptica
La luz natural vibra en todas las direcciones, pero al hacer pasar por un prisma polarizador, vibra en un solo plano; en este caso la luz se denomina luz polarizada. Cuando se hace pasar la luz polarizada a través de una sustancia a través de una sustancia óptimamente activa, ésta hace girar al plano de la luz polarizada un determinado ángulo α hacia la derecha o hacia la izquierda.
En resumen, una sustancia tiene actividad óptica cuando tiene la característica de hacer girar el plano de la luz polarizada. En la práctica la actividad óptica de una sustancia se determina con el polarímetro.
¿Qué es un carbono asimétrico, o carbono quiral?
Es aquel carbono enlazado a cuatro átomos o grupos diferentes.
¿Se puede asegurar que es ópticamente activo, si en su estructura contiene carbono asimétrico?
No, existen algunos compuestos que tienen varios carbonos asimétricos y plano de simetría, éstos son ópticamente inactivos, se denominan Mesoisómeros.
Clases de isómeros ópticos
Enantiómeros o enantiomorfos.- Son aquellos isómeros que corresponden a objeto e imagen (se diferencian en la distribución espacial de los grupos enlazados a carbonos asimétricos).
Diastereoisómeros.- Son aquellos isómeros ópticos que no son objeto a imagen.
Efímeros.- Son aquellos isómeros que sólo se diferencian en la disposición espacial de un carbono asimétrico.
La rotación de los grupos alrededor de los enlaces sigma da como resultado conformaciones diferentes, como la eclipsada, gauche y alternada. Predominan los confórmeros de menor energía. Los confórmeros son interconvertibles a temperatura ambiente y por lo tanto no son isómeros que se puedan aislar.Un compuesto cíclico adopta conformaciones plegadas para disminuir la tensión de los ángulos de enlace y minimizar las repulsiones de los sustituyentes.
Una molécula quiral es una molécula que no se puede superponer con su imagen especular. El par de imágenes especulares que no se superponen se llaman enantiómeros. Cada miembro de un par de enantiómeros desvía el plano de la luz polarizada en igual magnitud pero en dirección opuesta.
La quiralidad generalmente surge de la presencia de un átomo de carbono con cuatro átomos o grupos diferentes unidos a él. La disposición de estos grupos alrededor del carbono quiral se llama configuración absoluta y pueden describirse como (R) o (S).
Pureza Óptica
Las reacciones en las que no se rompen enlaces con centros quirales pueden emplearse para obtener otro tipo de información de gran importancia: las rotaciones específicas de compuestos óptimamente puros. Así, por ejemplo, el 2-metil-1-butanol obtenido del aceite de fusel (que tiene una rotación específica de -5,90°) es ópticamente puro; es decir, se compone enteramente de uno de los enantiómeros, sin ninguna contaminación de su imagen especular. Cuando se trata el material con cloruro de hidrógeno, el 1-cloro-2-metilbutano obtenido resulta tener una rotación específica de +1,67°. Puesto que no se ha roto ningún enlace con el centro quiral, cada molécula de alcohol con configuración III es convertida en una de cloruro con configuración IV; como el primero es ópticamente puro, el segundo, con rotación máxima, cualquiera puede precisar la pureza óptica de una muestra del 1-cloro-2-metilbutano en unos minutos con sólo medir su rotación específica
III.- Materiales y reactivos usados
- Caja de modelos moleculares.
IV.- Ficha de Seguridad
- Piridina
A.- Construya los modelos estereoquímicos de los siguientes compuestos:
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
i)
j)
k)
l)
m)
1.- ¿Cuáles tienen rotación libre entre sus enlaces?
Respuesta.-
Tienen rotación libre: Butano; Isobutano; Propano; 1,2-Diyoetano.
2.- ¿Cuáles presentan isomería cis-trans?
Respuesta.-
2-Buteno; 1,2-Dicloroeteno; 1,2-Difluoro-1,2-dicloroeteno.
3.- ¿Cuáles presentan confórmeros y cuáles no?
Respuesta.-
Butano; Isobutano; Propano; 1,2-Diyodoetano; ciclohexano; 2-Penteno
4.- En aquellos que presentan confórmeros, haga el análisis correspondiente a fin de encontrar las diferencias de estabilidad.
Butano
Isobutano
Propano
1,2-Diyodoetano
Ciclohexano
2-Penteno
Desarrollo de la parte "B":
- Ácido (R)-2-bromopropanoico
- 1-Bromo-1,2difenilpropano
- Configuraciones (R) y (S) del 2-Butanol
- Configuraciones (R) y (S) del 2-Metil-1-Butanol
- Configuraciones (R) y (S) del 1-Cloro-2-MetilButano
- Configuraciones (R) y (S) del ácido láctico
- Tener cuidado al armar las moléculas, no insertar los enlaces de madera muy fuertes, ya que será muy dificultoso poder sacarlos después.
- Hay que pensar que la molécula armada es solo una de las tantas formas que puede adoptar una molécula.
- Este tipo de ensayo es muy favorable debido a la visión de la molécula en tres dimensiones.
- Mediante este experimento hemos podido observar las diferentes posiciones de los átomos en la molécula, diferenciando unas posiciones de otras.
- Los modelos ayudan para visualizar la molécula de tal modo que podemos interpretar fácilmente que configuración tiene.
- Estos modelos también ayudan al análisis conformacional ya que es posible visualizar todas las interacciones competentes.
- El uso de material didáctico nos ayuda además a visualizar algunas propiedades como son distancia de enlace, tamaños de los sustituyentes, posibles isómeros, los cuales nos permite comprender mejor a la molécula tratada.
- Podemos concluir que de todos los confórmeros posibles, la molécula adoptara la mayor parte de tiempo solo un de ellos. La molécula buscara la conformación mas cómoda o mas estable, o sea la conformación en donde las interacciones sean mínimas.
- Para cada compuesto nuevo que se descubre sería bueno tratar de llevarlo a modelos moleculares ya que no podría dar una ayuda acerca de los efectos estéricos que pueda tener en relación con otras moléculas adyacentes.
- Actualmente se vienen des cubriendo infinidad de compuestos y de cadena o anillos muy grandes lo que hace prácticamente imposible hacer su correspondiente modelo molecular.
1.- Explique los siguientes conceptos:
Actividad óptica.- Es la propiedad que tiene un compuesto para hacer rotar el plano de la luz un determinado ángulo.
Dextrógiro.- Si un compuesto hace rotar el plano de la luz hacia la derecha (en el sentido de las manecillas del reloj).
Levógiro.- Si un compuesto hace rotar el plano de la luz hacia la izquierda (en el sentido contrario a las manecillas del reloj).
Rotación específica.- Es el número observado de grados de rotación si se emplea un tubo de 1 dm (10 cm.) de largo y si el compuesto examinado está presente en la cantidad de 1gr/mL.
Quiralidad.- Es la presencia de un átomo de carbono con cuatro átomos o grupos diferentes unidos a él.
Molécula quiral.- Se dice que una molécula es quiral si puede escribirse de dos formas que sean una la imagen especular de la otra.
Centro quiral.- Es un átomo unido a cuatro grupos diferentes (puede ser Carbono, Nitrógeno, Fósforo, etc).
Superponible.- Que se puede acomodar (espacialmente) en una forma idéntica a otro compuesto isómero.
Enantiómeros.- Son aquellos isómeros que corresponden a objeto e imagen (se diferencian en la distribución espacial de los grupos enlazados a carbonos asimétricos).
Diastereómeros.- Son aquellos isómeros ópticos que no son objeto e imagen especular.
Compuesto meso.- Son compuestos que tienen varios carbonos asimétricos y planos de simetría, estos son ópticamente inactivos.
Modificación racémica.- Es una mezcla equimolecular de enantiómeros del mismo compuesto y que al mezclarse pierden su actividad óptica, se representan con (± ).
Configuración e isómeros configuracionales.- Las configuraciones son las disposiciones relativas cuando para una misma constitución existe más de una posible disposición espacial, isomeros configuracionales son los estereoisómeros como los diastereómeros y los enantiómeros.
Conformaciones, disposiciones espaciales originadas por giros alrededor de enlaces simples. Una de las conformaciones es la más estable.
R.- Si visualizando la molécula orientada de modo que el ligando de prioridad más baja se aleje, y luego observamos el ordenamiento de los ligandos restantes. Si, procediendo desde el ligando de prioridad máxima hacia el de segunda y luego al de tercera, nuestra vista sigue una trayectoria en el sentido de las manecillas del reloj, la configuración se especifica por R (del latín rectus, "derecha").
S.- Si lo hace en el sentido contrario es S (del latín sinister, "izquierda").
"+".- Sentido de rotación derecha (en el sentido de las manecillas del reloj) de la luz polarizada cuando se pasa la luz por una sustancia ópticamente activa.
"-".- sentido izquierdo (en el sentido contrario de las manecillas del reloj).
Isómeros conformacionales.- Son las conformaciones diferentes que corresponden a mínimos de energía, también denominados confórmeros.
Polarímetro.- Es un aparato que sirve para medir el grado de rotación del plano de la luz polarizada.
Haz de luz polarizada.- Es el haz que vibra en ciertos planos, en los cuales tienen una sola dirección.
2.- ¿Cuáles son las condiciones estructurales para que exista la isomería geométrica?
Respuesta.-
Para que exista la isomería geométrica los átomos ligados al carbono con doble enlace deben ser diferentes, pero un átomo de este par debe estar también en el otro par del otro carbono unido por el enlace doble.
3.- ¿Cuáles de los siguientes compuestos exhiben isomería geométrica?
a) CH3-CH=CH2
b) CH3-CH=CH-Cl
c) CH3-CH=CH-CH3
d) CH3-CH=C-CH2-CH3
CH3
Respuesta.-
El primero no posee isomería (cis/trans) ya que los atómos ligados a un carbono son iguales.
El segundo si posee isomería ya que tiene átomos diferentes en cada par.
El tercero también posee isomería, debido ambos carbonos tienen el mismo par, cuyos átomos de cada par son diferentes.
El cuarto también posee isomería geométrica ya que tiene un grupo metil en cada carbono enlazado doblemente.
4.- Escriba las formas cis y trans de los compuestos anteriores que exhiban isomería geométrica.
Respuesta.-
b)
c)
d)
5.- Dibuje las proyecciones de Newman para los carbonos 2 y 3 del Butano e Isobutano. Asigne el nombre a los confórmeros resultantes.
Respuesta.-
6.- Escriba las fórmulas de diez moléculas quirales. Utilice modelos tridimensionales.
Respuesta.-
7.- Represente las configuraciones (R) y (S) para los siguientes compuestos.
a) b)
Configuraciones (R) y (S) para (a):
Configuraciones (R) y (S) para (b):
Trabajo realizado por
Giancarlo Cristiam Joo Ayala
Estudiante de la Universidad Nacional de Ingeniería
Facultad de Ingeniería de Petróleo y Petroquímica
Lima – Perú