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CARRERA DE ESPECIALIZACION EN BIOTECNOLOGIA INDUSTRIAL

FCEyN-INTI

Materia de Articulación CEBI_A3QUIMICA ORGANICA DE BIOPROCESOS

Docente a cargo: Dra. Silvia Flores

CEBI_A3_ 2: Estereoquímica

ISOMERÍALos compuestos que tienen igual fórmula química pero diferente ordenamiento estructural o espacial de sus átomos se denominan ISÓMEROS

espacial Isómeros conformacionales(3D)

IsomeríaIsómeros configuracionales

constitucional

enantiómeros diásterómeros

Isómeros Constitucionales(estructurales)Igual número y tipo de átomos pero con distinta conectividad.Igual o distinta funcionalidad. Poseen propiedades físicas diferentes.

Isómeros Constitucionales

Tautómeros Estructuras diferentes en equilibrio

Isómeros ConstitucionalesTautómerosEstructuras diferentes en equilibrio

Estereoisómeros Conectados en el mismo orden pero con diferente orientación espacial

ConfórmerosPor rotación de un enlace σ Csp3 - Csp3

Estereoisómeros ConfórmerosConformaciones de los compuestos cíclicos

Confórmeros más establescon sustituyentes en posición ecuatorial

EtereoisómerosIsómeros geométricosDebido a restricciones en la rotación de enlaces

- compuestos cíclicos

- compuestos con dobles enlaces (alquenos)

cis-1,4-dimetilciclohexano

trans-1,4-dimetilciclohexano

Estereoisómeros Isómeros configuracionalesEnantiómerosIsómeros cuyas imágenes especulares no son superponibles entre sí.

a) Restricción rotacional (ejes estereogénicos).

b) Presencia de carbonos quirales (centros estereogénicos).

EstereoisómerosReglas CIP (Cahn – Ingold – Prelog)

Permite asignar prioridades a los átomos unidos a un mismo C, según:

1) Entre átomos distintos, tiene mayor prioridad el de mayor Z (por ej. I > Br > Cl > S > O > N > C > H).

2) Entre isótopos, tiene mayor prioridad el de mayor peso atómico (por ej. T > D > H).

3) Si los sustituyentes son iguales, se continua por la cadena, viendo el átomo vecino, y aplicando sobre este 1) y 2). El proceso se repite hasta encontrar la primer diferencia.

4) Para C=C y C≡C, se asigna equivalencia con enlaces múltiples.

Configuración absolutaReglas CIP para asignar prioridades a los cuatro sustituyentes de un carbono quiral:1- Asignar prioridades2- El sustituyente de menor prioridad «hacia atrás»3- Definir sentido de giro en función de prioridades crecientes del resto de los sustituyentes.

Proyecciones de Fischer

Gira como S pero es R

Gira como R pero es S

� Molécula quiral : no puedesuperponerse con su imagenespecular . Implica la presencia de almenos un elemento estereogénico(ejes o centros), el cual posee unaconfiguración absoluta definida.

� Enantiómeros: par de moléculasquirales o isómeros geométricos queson imágenes especulares entre sí yposeen configuración absolutaopuesta de todos sus elementosestereogénicos.

� Diásterómeros: estereoisómerosque no son imágenes especularesentre sí. Se trata de isómerosgeométricos o compuestos con dos omás C asimétricos.

EtereoisómerosIsómeros geométricosDebido a restricciones en la rotación de enlacesAsignación de prioridades según reglas CIP

-Diasterómeros en compuestos cíclicos

-Diasterómeros en compuestos con dobles enlaces (alquenos)

� Formas meso: moléculas con carbonosquirales pero con un eje interno de simetría opunto de inversión. Globalmente, no sonmoléculas quirales.

(2R, 3R)-ácido tartárico (2S, 3S)-ácido tartárico ácido meso-tartárico

Plano de simetría

Centro de inversión

meso-2,3-butanodiol

� Epímeros: Diasterómeros que difierensolo en la configuración de uno de suscentros estereogénicos.

D-Glucosa D-Galactosa

� Las moléculas quirales no poseen planos de simetría ni puntos deinversión.

� Dos enantiómeros tienen propiedades físicas y químicas idénticas(solubilidad, punto de fusión y ebullición, reactividad con compuestos noquirales, propiedades espectroscópicas). Sin embargo puedendiferenciarse por su reactividad con otros compuestos quirales, sabor yaroma, actividad biológica y actividad óptica.

Esteroquímica Relativa

- Compuestos cíclicos cis trans

- Nomenclatura L D (hidratos de carbono, aminoácidos)


- Sistemas bicíclicos exo-endo

- Anómeros α y βGrupo Aldehído α

β

α-D-Glucopiranosa

β-D-Glucopiranosa


- Anómeros α y β

α−D-Fructopiranosa

β−D-Fructopiranosaβ−D-Fructofuranosa

α−D-Fructofuranosa

O OH

H

OH

OH

HH

OH

OH

O

OH

H

OH

OH

HH

OH OHO

OHOHH

H

OHH

OH H

HOH

O

OHHH

OHH

OH H

OH

H

OH

D-FructosaOH

OH HH OHH OH

O

OH


- Polímeros estereorregulares

TOPOLOGÍA MOLECULARProestereoisomería / ProquilaridadSe pueden establecer relaciones entre átomoso grupos funcionales de una misma molécula afin de diferenciarlos en una determinadareacción química o a través de métodosespectroscópicos.

Grupos

1.Homomórficos 2.Heteromórficos

1.1 Homotópicos 1.2 Heterotópicos

1.2.2 Heterotópicos constitucionales1.2.1 Estereotópicos

1.2.1.1 Enantiotópicos 1.2.1.2 Diasterotópicos

Mismo producto

1. Grupos homomórficosIdéntica constitución

1.1 Grupos Homotópicos: Al sustituirlos resultan el mismo producto (Ha y Hb).

1.2 Grupos Heterotópicos1.2.2 Heterotópicos constitucionales: Al sustituirlos resultan isómeros constitucionales (Ha y Hc).

Enantiómeros

1. Grupos homomórficos1.2 Grupos Heterotópicos1.2.1 Grupos Esterotópicos1.2.1.1 Grupos Enantiotópicos: Al sustituirlos resultan enantiómeros (Hc y Hd). El C involucrado puede convertirse en quiral . Se lo denomina proestereogénico . Además generaría quilaridad en la molécula, entonces es un C proquiral .

1.2.1.2 Grupos Diasterotópicos: Grupos sobre enlaces dobles, ciclos o moléculas donde ya existe un elemento esterogénico. Al sustituirlos resultan disterómeros (Ha y Hb).

Diasterómeros

Grupos homomórficos

Carbonos proquirales: Tiene dos grupos iguales y al sustituir uno de ellos se convierte en quiral.

Grupos proquirales: Grupos iguales y unidos al mismo C aquiral, que se convierte en quiral al sustituir uno de estos grupos.

Cuidado!! La sustitución de un grupo pro-R no implica que el C resulte R. Dependerá de la prioridad asignada al nuevo grupo según las reglas CIP.

Proquiralidad Facial

CARAS ENANTIOTÓPICAS

CARAS HOMOTÓPICAS

CARAS DIASTEROTÓPICAS

Descritpores Re - SiEmpleados para denominar cada una de las caras de un doble enlace con proquiralidad facial. Se utilizan las reglas CIP sobre cada sustituyente de C sp2 y se determina el sentido de giro.

Descritpores Re – Si

Para enlaces C=C se aplica la notación para cada C proquiral

Actividad óptica

Es la capacidad de una sustancia quiral de rotar el plano de la luz polarizada.

Se mide el ángulo de rotación (α).

Un enantiómero debe estar presente en una proporción mayoritaria.

Se utiliza una fuente de luz monocromática (línea D del Na: 589 nm).

Polarimetría

Mezcla racémica:

Mezcla equimolar de dos enantiómeros

(±)-limoeno o (dl)-limoneno

No posee actividad óptica neta.

Rotación específica:

Es una propiedad física de una sustancia.

Puede ser hacia la derecha (dextrógiro) :

(+)-gliceraldehído: [α]20 = +8.7º

Puede ser hacia la izquierda (levógiro) :

(-)-gliceraldehído : = -8.7º

Si uno de los enantiómeros se encuentra en exceso respecto al otro, entonces se observará una actividad óptica neta.

- Exceso enantiomérico

%ee = (Xmayoritario – Xminoritario) / (Xmayoritario + Xminoritario) . 100

- Esteroselectividad

%es = Xmayoritario / (Xmayoritario + Xminoritario) . 100

La proporción de enantiómeros de una muestra puede determinarse a través de métodos espectroscópicos o cromatográficos (previa derivatización con agentes quirales enantiopuros o biotransformación estereoselectiva).

Actividad óptica

La mayoría de las moléculas que integran sistemas biológicos o que intervienen en procesos bioquímicos, son quirales y se presentan como un único enantiómero.

Esto trae consecuencias inmediatas:

- Los constituyentes de una mezcla racémica interactúan con las moléculas de un sistema biológico (receptores) de manera diferenciada.

- Los procesos bioquímicos producen enantiómeros puros o compuestos con exceso enantiomérico (catálisis enzimática).

Naturaleza y quiralidad

1- Reacciones enantioselectivas

Se pueden crear uno o más centros estereogénicos.

-Métodos no enzimáticos (Utiliza auxiliares quirales, catalizadores quirales).

-Métodos enzimáticos. No requiere auxiliares quirales.

2- Resolución de mezclas racémicas

-Formación de derivados

-Biocatalizadores

-Resolución cinética

-Cromatografía quiral

En cualquier caso se requiere de compuestos enantioméricamente puros a partir de Productos Naturales (HC, aa, metabolitos 1º (hidroxiácidos), metabolitos 2º (terpenos, alcaloides, etc.) que actúen como catalizadores o auxiliares quirales.

Obtención de compuestos enantioméricamente puros o con ee


Auxiliares quirales



Catalizadores quirales

Biocatalizadores



Biocatalizadores


Ac(+)tartárico

(-)adrenalina(+)tartárico + (+)adrenalina(+)tartá rico

Ac(+)tartárico

Cristalización


Formación de derivados. Requiere de un compuesto enantiopuro.


Mezcla racémica

Agente quiral enantiopuro

Separación

Mezcla de diasterómeros

Reacción química / Separación

Reacción química


Formación de derivados. Requiere de un compuesto enantiopuro.


Isómero R antagonista del receptor 5HT 2


Biocatalizadores. No requiere un compuesto enantiopuro



Resolución cinética. La velocidad de reacción de uno de los enantiómeros frente a un agente quiral es mayor en comparación con el otro enantiómero.



Cromatografía quiral. Se emplea una fase estacionaria quiral. Interacción diferencial de los enantiómeros con la fase estacionaria con tiempos de elución diferentes.


HPLC CG

Biocatalizadores (células enteras)

Desrracemización

Se invierte la configuración de uno de los componentes de la mezcla racémica.

Inversión

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