Graciano Morelos Martín Israel 2IM34Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas Departamento de Ingeniería Química Industrial Química de los Hidrocarburos “ENANTIOSELECTIVIDAD, ESTEREOSELECTIVIDAD, REGIOSELECTIVIDAD Y ESTEREOESPECIFIDAD” Profesor: Eloy Vázquez Labastida Alumno: Graciano Morelos Martín Israel Grupo: 2IM34 Fecha de entrega: 08 de noviembre de 2017 1 dos piernas. como nuestras manos. pesticidas. Esta propiedad se llama quiralidad. La notación (R) ó (S) se emplea para distinguirlas. una nariz bien colocada en medio…Esta simetría da lugar a una propiedad que se pone de manifiesto si observamos nuestras manos. Una molécula quiral es. La catálisis es crucial para la industria química. medicamentos. muchas más de las que pueda parecer. en especial en la industria farmacéutica.. aromas. Los catalizadores permiten que las reacciones químicas se produzcan con velocidades lo suficientemente altas como para que sean viables industrialmente. Presenta. los guantes no son intercambiables. proteínas. 2 . la que da el olor a naranja.. fungicidas. por ejemplo. puesto que los seres vivos somos muy selectivos a la hora de distinguir enantiómeros. pues. LA QUIRALIDAD Si nos miramos a un espejo descubriremos que. o en condiciones experimentales menos exigentes.Graciano Morelos Martín Israel 2IM34 ¿QUÉ ES UN CATALIZADOR? Un catalizador es una sustancia que incrementa la velocidad a la que se produce una reacción química sin consumirse en la reacción. Muchas de estas moléculas tienen actividad biológica: aminoácidos. herbicidas. no son idénticas. Este hecho tiene una gran importancia desde un punto de vista industrial.. la propiedad llamada quiralidad y se dice que son quirales. el (S)-limoneno. tenemos un plano de simetría que relaciona las dos mitades de nuestro cuerpo: tenemos dos ojos uno a cada lado. Son simétricas. Son dos compuestos isómeros y se llaman enantiómeros. En el mundo de las moléculas nos encontramos con multitudg de ellas que presentan esta propiedad. dos brazos. una es la imagen especular de la otra. en apariencia. esencias. lo curioso es que su imagen especular. En este campo. Una molécula y su imagen especular no son superponibles es decir. es de especial importancia la catálisis enantioselectiva. La molécula responsable es el (R)-limoneno. huele a limón. pero no son idénticas: no podemos superponerlas. la de la L-DOPA. Knowles sobre un tipo de catalizadores (dicho técnicamente. si no trabajamos en un medio quiral. Además de ejemplos de fármacos. El problema surge cuando se quiere sintetizar la molécula: si no se ponen los medios adecuados se obtienen los dos enantiómeros en una mezcla al 50% de cada uno de ellos. B. sucede que sólo uno tiene la actividad biológica deseada. S. pues los receptores del organismo sólo pueden interactuar con uno de ellos. no es fácil de hacer. De hecho. Un gran número de ellos son quirales. R. Desde entonces sintetiza cerca de la mitad del mentol producido en todo el mundo. La síntesis enantioselectiva. Como hemos visto en los ejemplos anteriores. generalmente. obtener uno sólo de los enantiómeros. ya que el otro o no presenta esa propiedad deseada o 3 . El boom de la catálisis enantioselectiva sucedió en los años setenta del siglo pasado. Desde siempre los chinos lo han extraído de la planta Mentha arvensis. y la compañía Monsanto ha venido utilizando este proceso desde 1974. utilizado como aroma. Una forma de obtener los compuestos con la quiralidad deseada es emplear materiales de partida naturales que ya la posean y conservarla durante el proceso de síntesis. le llevaron a desarrollar la primera síntesis asimétrica catalítica industrial. Noyori y K. Otra estrategia ha sido desarrollar reactivos quirales para diferentes tipos de reacciones. W.Graciano Morelos Martín Israel 2IM34 SÍNTESIS ENANTIOSELECTIVA Entre las moléculas quirales las más relevantes quizá sean los fármacos. en muchas ocasiones. porque nuestra propia bioquímica también lo es. Hoy en día hay numerosos compuestos enantioselectivos con aplicaciones en muchos campos de nuestras vidas. se obtiene lo que se llama una mezcla racémica. Cuando una molécula posee dos enantiómeros. Knowles. catalizadores de hidrogenación basados en metales de transición en los que se incluyó como ligando fosfinas quirales). Tras este éxito. solamente nos interesan las propiedades de uno de los enantiómeros. que permitan introducir la quiralidad deseada en el producto obtenido. podemos encontrarlos como insecticidas o fungicidas. Noyori siguió por ese camino y en 1984 la empresa Takasago puso en funcionamiento una planta destinada a sintetizar el mentol. y aún se sigue produciendo. son indistinguibles. Lo difícil es en separar el útil del que no lo es. el mentol tiene 8 isómeros y de todos ellos sólo uno tiene las propiedades que conocemos. Sharpless recibieron en 2001 el Premio Nobel de Química por sus trabajos en este campo. pues ambos tienen idénticas la gran mayoría de sus propiedades: son el mismo compuesto en el que los átomos se han colocado formando dos agrupaciones diferentes en el espacio. A partir de los trabajos de William S. Este aminoácido se utiliza en el tratamiento del Parkinson. un grupo de investigadores dirigido por R. Para obtener enantiómeros puros es necesario emplear "medios quirales" porque sólo en ellos los enantómeros manifiestan sus diferencias. pero se administraba la mezcla racémica. entonces. son todos aquirales. hasta hace unos años los medicamentos quirales se administraban habitualmente como mezclas racémicas. Por este motivo conseguir la preparación selectiva de uno de los compuestos es de gran interés. Investigaciones posteriores descubrieron que. a pH fisiológico la molécula se racemiza. lo que se desconocía era que la (S)-talidomida es teratogénica. produce malformaciones fetales. catalizadores y medios de reacción no contienen elementos de simetría. Sin embargo. la (R)-talidomida se convierte parcialmente en (S)- talidomida: tampoco el enantiómero sedante debe suministrarse. 4 . esto es. pero todos los reactivos de partida. el producto es aquiral o racémico. es decir. Las propiedades deseadas se encontraban en la (R)-talidomida. durante los primeros meses de gestación.Graciano Morelos Martín Israel 2IM34 en una proporción mucho menor por lo que es necesario mucha más cantidad de compuesto para alcanzar los mismos resultados. Dada esta dificultad que supone separar dos enantiómeros. Cuando en una reacción se forma un centro estereogénico. Enantioselectividad Permite discriminar entre isómeros que son imágenos especulares (enantiómeros). Este es un campo de investigación totalmente abierto puesto que en más de la mitad de los casos todavía no se ha podido lograr preparar solamente uno de los enantiómeros. algo que pasó desapercibido hasta que empezaron a nacer los niños. aunque la actividad terapéutica residiese en uno sólo de los enantiómeros. Entre 1959 y 1962 se administró talidomida a mujeres embarazadas como sedante y contra las náuseas. además. Este hecho provocó uno de los “desastres” farmacológicos más importantes del siglo XX. La epoxidación del (E)-2. pero se puede indicar que en el estado de transición participa el (R. Sharpless en el año 1981. por tanto. y se obtiene sólo uno. lo que provoca la diferenciación de las dos caras del doble enlace. El mecanismo de este tipo de epoxidaciones es bastante complejo.R)-tartrato de dietilo.R)-tartrato de dietilo. Una reacción enantioselectiva es aquella que forma muy mayoritariamente uno de los dos enantiómeros.3-difeniloxiran-2-ilmetanol (compuesto I) y de un 98% de su enantiómero. La reacción anterior origina una mezcla de dos epóxidos enantioméricos pero en proporciones claramente desiguales y. empleando como fuente de quiralidad el (R. 5 . que transmite su asimetría al producto de reacción. El impacto de esta reacción en la síntesis orgánica ha sido tan notable que K.3-difenil-2-propen-1-ol con el método de Sharpless. B. la reacción es enantioselectiva. Un ejemplo de reacción enantioselectiva lo constituye la epoxidación de alcoholes alílicos mediante la reacción con hidroperóxido de t-butilo (t-BuOOH) en presencia de Ti(iPrO)4 y de un diester quiral. o su enantiómerto el (S. el (R) y el (S). la reacción sería enantioselectiva.3S)-2. la mezcla de reacción no es una mezcla racémica sino una mezcla que tiene actividad óptica.R)-tartrato de dietilo.Graciano Morelos Martín Israel 2IM34 Si de alguna manera. El proceso se lleva a cabo a baja temperatura de modo que el estado de transición que implica un menor consumo energético es el que resulta seleccionado por la reacción. B.octanol. Así. Esta clase de reacciones de epoxidación fueron descritas por primera vez por el químico norteamericano K. proporciona una mezcla constituida por un 2% del (2R.3-difeniloxiran-2-ilmetanol (compuesto II). La fuente de quiralidad es el (R.R)-tartrato de dietilo.S)-tartrato de dietilo.3R)-2. uno de los enantiómeros fuera predominante. el (2S. que puede ser el (R. los estados de transición asociados al ataque a una cara y a otra del doble enlace no son enantioméricos sino diastereoisoméricos y tienen por tanto diferentes energías. Examinemos la reacción SN2 desde el punto de vista estereoquímico. Puesto que hay dos estereoisómeros de 2. Sharpless ha sido galardonado con el premio Nobel de Química del año 2001. cuando sólo se forma un estereoisómero de los posibles. Las reacciones de olefinación de Wittig son un ejemplo de reacciones estereoselectivas: Otro ejemplo de reacciones estereoselectivas lo constituyen las reacciones de Diels-Alder. la estereoselectividad es la formación preferente de un estereoisómero sobre todos los posibles.Graciano Morelos Martín Israel 2IM34 Estereoselectividad En química. Concretamente en la siguiente reacción se puede ver que la reacción produce estereoselectivamente en una proporción de 2. donde la formación de un estereoisómero está favorecida sobre el resto. así que esta reacción también sería llamada diastereoselectiva: Otro ejemplo sería en la cicloadición 2+2 en la que se pueden producir también diferentes productos diastereoisómeros. El isómero endo es el mayoritario en condiciones de control cinético: 6 . que produce un 60% del isómero trans-2-buteno. o puede ser total. un 20% del cis-2-buteno y un 20 % del alqueno terminal 1-buteno.3/1 el isómero A: Una reacción estereoselectiva es aquella que conduce a la formación preferente de un estereoisómero. Un ejemplo de estereoselectividad modesta es la deshidrohalogenación del 2-yodobutano. Se habla de diastereoselectividad cuando los estereoisómeros son diastereómeros y de enantioselectividad cuando son enantiómeros. Estos productos son los isómeros geométricos del buteno y también se clasifican como diastereómeros. Puede ser parcial. 7 . En el diagrama también se puede observar que el producto más estable es el producto exo. en condiciones de control cinético se forma mayoritariamente el producto endo. las barreras de energía que tienen que superar las dos vías de reacción alternativas. Si se llevase a cabo la reacción en condiciones de control termodinámico el producto mayoritario sería el exo. de diferente energía. El estado de transición endo es energéticamente favorable debido a una estabilización adicional por la formación de una interacción orbitálica secundaria. Por el contrario. que se generan cuando el dieno y el dienófilo se aproximan en planos paralelos.Graciano Morelos Martín Israel 2IM34 La estereoselectividad de este proceso se explica mediante los dos estados de transición. Por tanto. el estado de transición exo no puede establecer la interacción orbitálica secundaria y su energía es mayor que la del estado de transición endo. de forma relativa. En el siguiente diagrama se indican. Se observa cómo la barrera de energía que debe superar la vía endo es menor que la barrera de energía que tiene que superar la vía exo. En condiciones de control cinético la reacción forma mayoritariamente el producto endo. Como en este caso la reacción selecciona diastereoisómeros el proceso es diastereoselectivo. de los dos posibles diastereoisómeros. en relación 85:15.Graciano Morelos Martín Israel 2IM34 Otro ejemplo de reacciones estereoselectivas lo constituye la adición de bromuro de vinilmagnesio al (R)-lactaldehído O-bencilado. La reacción proporciona una mezcla. La formación preferente del diastereoisómero sin se explica mediante la formación de un quelato entre el átomo metálico del reactivo de Grignard y los dos átomos de oxígeno del aldehído O-bencilado 8 . pero podría no haber centros estereogénicos. Una reacción que puede dar lugar a diversos productos que son isómeros estructurales (o regioisomeros) será regioselectiva si da lugar casi exclusivamente a un único producto. Enantioselectividad: cuando se controla la estereoquímica para dar uno de los enantiómeros.La regioselectividad es la formación preferente de un isómero estructural respecto a otro. El ataque se produce mayoritariamente desde el lado en el que se encuentra el átomo de hidrógeno del estereocentro. que el mecanismo de una reacción estereoselectiva tiene al menos dos vías alternativas aunque una de ellas está claramente favorecida. porque el impedimento estérico a la aproximación del reactivo es menor que en la aproximación alternativa. Regioselectividad En química. y en la reacción de Diels-Alder. la reacción es estereoselectiva. entonces la reacción es diastereoselectiva. en proporción considerablemente superior a los demás diasterómeros posibles. Diastereoselectividad: cuando se controla la estereoquímica de 2 o más centros quirales. En este caso.Graciano Morelos Martín Israel 2IM34 Como el quelato es rígido la movilidad conformacional queda detenida y las dos caras del grupo carbonilo resultan estéricamente diferenciadas. Por lo tanto concluimos que si una reacción puede dar 2 o más estereoisómeros pero se produce mayoritariame uno de ellos. la regioselectividad es la preferencia que tiene una reacción para romper o crear un enlace en una dirección en particular por encima de todas las demás posibles. en la que el reactivo atacante encuentra al grupo metilo en su trayectoria de aproximación al grupo carbonilo Queda claro en el esquema anterior. Cuando una reacción da lugar a uno de los diasterómeros o un par d. 9 . el centro estereogénico * inducela selectividad en la entrada del reactivo.l enantiomérico de un diasterómero. el protón puede unirse al carbono 1 formándose el carbocatión en el carbono 2. meta o para. 10 . cuando el propeno reacciona con HBr. que genera el carbocatión de mayor estabilidad. en la que en función de los sustituyentes que tenga el anillo de benceno. se puede tener isómeros orto. El producto mayoritario es el que se obtiene por adición del protón al carbono sp2. Si el protón se une al carbono 2. también llamados regioisómeros. se dice que es regioselectiva. la cual sigue la regla de Markovnikov: Regla de Markovnikov: El electrófilo se adiciona al carbono sp2 que esté enlazado a la mayor cantidad de hidrógenos Cuando un alqueno no tiene los mismos sustituyentes en sus carbonos sp2 puede formar dos tipos de productos en reacciones de sustitución electrófila. Por ejemplo. dando lugar a un pequeño porcentaje del 1-bromopropano. El 1-bromopropano y el 2-bromopropano son isómeros estructurales. se obtiene un carbocatión primario sobre el carbono 1. La estabilidad del carbocatión primario es muy inferior a la del secundario y se formará más lentamente.Graciano Morelos Martín Israel 2IM34 Una reacción química clásica que da lugar a la producción de distintos regioisómeros es la sustitución electrófila aromática. Este carbocatión es secundario y la hiperconjugación le da una importante estabilidad. Otra reacción que tiene una regioselectividad muy estudiada es la reacción de adición. Cuando una reacción genera un isómero estructural. en más proporción que el otro. Tanto la formación del 3-yodopentano como la del 2-yodopentano. Una reacción que da proporciones similares de ambos productos es poco regioselectiva. El mérito de Markovnikov está en predecir mediante una sencilla regla. La adición de HI al 2-penteno. hacen que la reacción anterior sea altamente regioselectiva. tiene una regioselectividad muy baja. que explica un rendimiento similar en ambos productos. Las reacciones que adicionan el hidrógeno al carbono con menos hidrógenos. puesto que ambos productos se obtienen en una proporción similar. publicó un trabajo en el que predecía la posición que ocupaba el protón cuando se adicionaba a alquenos asimétricos. En 1865. transcurren a través de carbocationes secundarios. la regioselectividad de las adiciones electrófilas. según la proporción en la que se obtienen los productos finales. Una reacción que genera casi el 100% de un regioisómero tendrá una elevada regioselectividad. el químico ruso Vladimir Markovnikov. en una época en la que aún no se conocía la existencia de los carbocationes. Los mínimos porcentajes obtenidos del 1-bromopropano. con una estabilidad muy próxima. NOTA Regla de Markovnikov: "El hidrógeno se adiciona al carbono sp2 que tiene mayor número de hidrógenos".Graciano Morelos Martín Israel 2IM34 Existen diferentes grados de regioselectividad. se llaman anti- Markovnikov. 11 . Esto es. Lo mismo ocurre con la reacción de Eliminación bimolecular (E2). Como ejemplo se puede mencionar la bromación de los ácidos maleico y fumárico. Existen reacciones que son estereoselectivas pero no estereoespecíficas como la adición de bromo a propileno. la estereoespecificidad deriva del mecanismo de la reacción. La reacción SN2 y la adición de halógenos a alquenos simples son reacciones completamente estereoselectivas y completamente estereoespecíficas. la adición concertada del dibromocarbeno (:CBr2) al doble enlace.Graciano Morelos Martín Israel 2IM34 Estereoespecifidad Una reacción es estereoespecífica si reactivos que difieren sólo en su estereoisomería son transformados preferente o exclusivamente en productos que se diferencian también sólo en su estereoisomería. la estereoquímica de los reactivos de partida condiciona la estereoquímica de los productos resultantes. La estereoespecificidad comprende tanto los compuestos de partida como los productos de reacción. mientras que la adición sobre el trans-2-buteno genera la mezcla racémica del producto trans (cada grupo metilo situado en la cara opuesta del ciclopropano). por una de las caras del plano que contiene al alqueno. 12 . conduce en el cis-2-buteno al ciclopropano cis (los dos grupos metilo situados en la misma cara). Esto quiere decir que la estereoquímica de los productos está determinada por la manera en que transcurre mecanísticamente la reacción. Por tanto. Por ejemplo. la reacción sería diastereoselectiva pero NO diastereoespecífica.Graciano Morelos Martín Israel 2IM34 Si tanto el ácido maleico como el fumárico hubiesen dado el mismo producto. el isómero meso. la reacción sólo puede ser diastereoselectiva. la reacción sería diastereoselectiva pero NO diastereoespecífica. por ejemplo. el isómero meso. por ejemplo. A continuación se indica una lista de reacciones estereoespecíficas. Si una reacción se realiza a partir de un compuesto que no posee estereoisómeros. Si tanto el ácido maleico como el fumárico hubiesen dado el mismo producto. Reacciones SN2 Apertura de epóxidos Reacciones de bromación de alquenos 13 . Graciano Morelos Martín Israel 2IM34 Reacciones de epoxidación de alquenos Reacciones de dihidroxilación de alquenos Reacciones de hidrogenación de alquenos 14 . Vollhardt (1994). ESTEREOESPECIFICIDAD Y ENANTIOSELECTIVIDAD. Recuperado el: 06 de noviembre del 2017. Tema 6. De: http://www. De: https://www.html Miguel Carda.org/reacciones-alquenos/351- regla-de-markovnikov-regioselectividad.3R)-2. Universitat Jaume I.fcen. Peter.org/S05994.unizar.3S)-2.uba.pdf K.iupac. Recuperado el: 07 de noviembre del 2017.epoxibutano.html 15 .html http://www.ar/quimor/wp-content/uploads/TeoricaSintesis2. QuimicaOrganica. De: http://www.A. la reacción de epoxidación del trans-2-buteno genera una mezcla de dos compuestos en cantidades exactamente iguales: el (2R. C. “Alquenos – Recciones – Teoría”. Química Orgánica.es/Docencia/SO/tema5SO.pdf Instituto de la Ciencia de Materiales de Aragón. De: https://pmcarda.3-epoxibutano y el (2S.com/2015/03/tema6-estereoselectividad.qo.Graciano Morelos Martín Israel 2IM34 Hay que señalar que una reacción estereoespecífica no tiene por qué ser enantioselectiva.files.quimicaorganica. G. Barcelona: Ediciones Omega S.3. ESTEREOSELECTIVIDAD.pdf Síntesis Orgánica. http://goldbook. Por ejemplo.sinorg.wordpress.uji. BIBLIOGRAFÍA IUPAC Compendium of Chemical Terminology. Como estos dos compuestos son enantioméricos y se forman en cantidades iguales la mezcla de reacción es una mezcla racémica y carece de actividad óptica. Catalisis Enantioselectiva. Electronic version.es/icma/divulgacion/catalizadores.org. Recuperado el: 06 de noviembre del 2017. Fernández.
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