Quiralidad y Enantiómeros:
Los dos objetos representados en la figura 6.1 parecen idénticos a todos los efectos. A cada arista, cara o ángulo en uno de ellos, le corresponde su arista, cara o ángulo en el otro. Con todo, los dos objetos no son superponibles entre sí y, por tanto, son objetos diferentes; se relacionan entre sí como un objeto cualquiera se relaciona con su imagen en un espejo.
Figura 6.1
Otro par de objetos familiares que se relacionan de esta forma son la mano izquierda y la mano derecha. En una primera aproximación, parecen idénticas bajo casi todos los puntos de vista; no obstante, la mano derecha se ajusta perfectamente a un guante para la mano derecha pero no a un guante para la mano izquierda, por ende las manos no son idénticas. La propiedad general que define esa relación se denomina Quiralidad. Cualquier objeto que no es superponible con su imagen especular es quiral. Por otra parte, si un objeto y su imagen especular pueden hacerse coincidir en el espacio, se dice que son aquirales.
Causa del Carácter Derecho o Izquierdo de las MOLÉCULAS: QUIRALIDAD.
Se dice que las moléculas que no son idénticas a sus imágenes especulares, y por tanto existen en dos formas enantioméricas, son quirales (griego Kheir, mano). No es posible superponer una molécula quiral y su imagen especular (su enantiómero) de modo que todos los átomos coincidan.
¿Cómo puede predecirse si cierta molécula es quiral o no? Una molécula no puede ser quiral si tiene un plano de simetría. Un plano se simetría es un plano imaginario que corta un objeto en dos mitades que son imágenes especulares exactas una de la otra. Una molécula que tiene un plano de simetría en cualquiera de sus posibles conformaciones debe ser superponible con su imagen especular, y por tanto debe ser no quiral o aquiral.
La causa más común de quiralidad en moléculas orgánicas es la presencia de un átomo de carbono unido a cuatro grupos distintos. Tales carbonos se denominan centros quirales o centros estereogénicos o centros asimétricos. Las diferencias no necesariamente se observan en el átomo inmediatamente contiguo al centro estereogénico. Por ejemplo, el 5-bromodecano es una molécula quiral porque cuatro grupos distintos están unidos a C5:
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Sustituyentes en el carbono 5
-H -Br -CH2CH2CH2CH3 (butilo) -CH2CH2CH2CH2CH3 (pentilo) |
Propiedades Físicas de los Enantiómeros: ACTIVIDAD ÓPTICA.
La mayoría de las propiedades físicas de los 2-yodobutanos enantioméricos son idénticas. Tienen idénticos punto de fusión, puntos de ebullición, solubilidades en disolventes corrientes, densidades, índice de refracción y espectros. Sin embargo, difieren en un importante aspecto: en la forma en que interaccionan con la luz polarizada.
La luz puede ser tratada como un movimiento ondulatorio de campos eléctricos y magnéticos oscilantes que forman ángulos rectos entre sí. Cuando un electrón interacciona con la luz, oscila a la frecuencia de la luz en la dirección del campo eléctrico y en fase con él. En la luz normal, los vectores de campo eléctrico de todas las ondas luminosas se orientan en todos los planos posibles. La luz polarizada plana es aquella en que los vectores de campo eléctrico de todas las ondas luminosas vibran en el mismo plano, el plano de polarización.
La luz polarizada plana puede ser producida al pasar luz normal a través de un polarizador, como una lente polaroid o un dispositivo conocido como prisma de Nicol.
Jean Baptiste Biot[1] , realizó la notable observación de que cuando un haz de luz polarizada atraviesa una solución de ciertas moléculas orgánicas, como azúcar o alcanfor, el plano de polarización experimenta una rotación. No todas las moléculas orgánicas tienen esta propiedad, pero se dice que aquellas que hacen girar el plano de la luz polarizada son ópticamente activas.
Representación esquemática de un polarímetro. La luz polarizada en un plano pasa por una solución de moléculas ópticamente activas, lo cual hace girar el plano de polarización.
La magnitud de la rotación puede medirse con un instrumento conocido como polarímetro, que se representa esquemáticamente en figura de arriba. Primero se coloca una solución de moléculas orgánicas ópticamente activas en un tubo de muestra; después se hace pasar por el tubo la luz polarizada en un plano, tras lo cual ocurre la rotación del plano. la luz se hace pasar luego por un segundo polarizador denominado analizador. Haciendo girar el analizador hasta que la luz lo atraviesa es posible encontrar el nuevo plano de polarización, de este modo, la magnitud de la rotación. Este valor se denota por la letra griega a (alfa), y se expresa en grados.
Además de la magnitud de la rotación, también es posible encontrar su sentido. Respecto a un observador que ve directamente por el extremo del instrumento en el lado del analizador, algunas moléculas ópticamente activas hacen girar la luz polarizada hacia la izquierda (en sentido contrario al de las manecillas del reloj) y se dice que son levógiras o levorrotatorias, mientras que otras la hacen girar hacia la derecha (en el sentido de las manecillas del reloj) y se dice que son dextrógiras o dextrorrotatorias. Por convenio, a la rotación hacia la izquierda se le asigna un signo negativo (-), y a la rotación hacia la derecha se le asigna un signo positivo (+).
Rotación específica:
Para expresar los datos de manera significativa a fin de que puedan hacerse comparaciones, es necesario establecer condiciones estándar. Por convenio, la rotación específica, [a]D, de un compuesto se define como la rotación observada cuando se utiliza luz con longitud de onda de 589 nanómetros (1 mm = 10-9 m) y un trayecto óptico l de 1 decímetro (1 dm = 10 cm), con concentración de muestra C de 1 g/mL. (La luz de 589 nm, llamada línea D del Sodio, es la luz emitida por las lámparas de vapor de sodio.)
Cuando los datos de rotación óptica se expresan de esta manera estándar, la rotación específica, [a]D, es una constante física característica de cada compuesto con actividad óptica.
Reglas de Secuencia para Especificar la Configuración:
Aunque los dibujos constituyan una representación de la estereoquímica, es difícil traducirlos en palabras. Así, también es necesario un método verbal para explicar el arreglo tridimensional de los átomos (la configuración) en un centro estereogénico. En el método acostumbrado se emplean las mismas reglas de secuencia (Z o E). Revisemos brevemente las reglas de Cahn[2]-Ingold[3]-Prelog[4] a fin de ver cómo pueden servir para especificar la configuración de un centro estereogénico (carbono asimétrico).
1. Se observan los cuatro átomos unidos directamente al centro estereogénico y se asignan prioridades en orden decreciente de número atómico. El grupo con mayor número atómico tiene la máxima prioridad; el grupo con el menor número atómico tiene la mínima prioridad.
2. Si no es posible decidir la prioridad aplicando la regla 1, se comparan los números atómicos de los átomos unidos en segundo lugar en cada sustituyente; si es necesario se continúa hasta los terceros, cuartos o más átomos, hasta que se encuentre una diferencia.
3. Los átomos con enlaces múltiples se consideran como un número equivalente de átomos con enlaces simples. Por ejemplo:
Una vez asignadas las prioridades de los cuatro grupos unidos a un carbono quiral, se describe la configuración estereoquímica alrededor del carbono quiral orientando mentalmente la molécula de modo que el grupo de menor prioridad (cuatro) apunte directamente hacia atrás, lo más alejado posible del observador. Después se analizan los tres sustituyentes restantes, que se dirigen en forma radial hacia el observador. Si una flecha curva dibujada desde el sustituyente con mayor prioridad hacia el de segunda prioridad y de ahí hacia el de tercera (1® 2® 3) tiene el sentido del reloj, se dice que el centro estereogénico tiene la configuración R (latín rectus, “derecho”). Si por el contrario definen una curva en el sentido contrario de un reloj, se dice que el centro esterogénico tiene la configuración S (latín sinister, “izquierdo”).
Consideremos el ácido láctico como un ejemplo de la forma en que se asigna la configuración.
1. El primer paso es asignar prioridades.
2. Orientar la molécula, de tal manera que el grupo de menor prioridad esté dirigido hacia atrás.
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Ácido láctico. |
Prioridades: 4 -H (baja) 3 -CH3 2 -COOH 1 -OH (alta) |
Diasterómeros:
Moléculas como las del ácido láctico, alanina y gliceraldehído son relativamente fáciles de estudiar, puesto que cada una tiene sólo un centro estereogénico y sólo puede existir en dos configuraciones enantioméricas. Sin embargo, la situación se torna más compleja en el caso de moléculas que tienen más de un centro estereogénico.
Consideremos por ejemplo el aminoácido esencial treonina (ácido 2-amino-3-hidroxibutanoico). Dado que la treonina tiene dos centros estereogénicos C2 y C3, existen cuatro estereoisómeros posibles, como analizaremos a continuación: (Se sugiere al alumno que verifique por sí mismo que la configuración R,S es correcta.
2R , 3R 2S , 3S 2R , 3S 2S , 3R
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Enantiómeros |
Enantiómeros |
Relaciones entre las cuatro treoninas estereoisoméricas
Estereoisómero Es anantiómero de Es diastereómero de
2R , 3R 2S , 3S 2R , 3S y 2S , 3R
2S , 3S 2R , 3S 2R , 3S y 2S , 3R
2R , 3S 2S , 3R 2R , 3R y 2S , 3S
2S , 3R 2R , 3S 2R , 3R y 2S , 3S
¿ Cuál es la relación entre cualquiera dos configuraciones que no sean imágenes especulares entre sí ? Por ejemplo, ¿cuál es la relación entre el compuesto 2R,3R y el 2R,3S ? Los dos compuestos son estereoisómeros, aunque no son superponibles ni son enantiómeros. Por lo tanto se dice que son Diastereómeros, los cuales son estereoisómeros que no son imágenes especulares entre sí.
De los cuatro estereoisómeros posibles de la treonina sólo uno, el 2S,3R, con [a]D = 29.3º , existe en forma natural en plantas y animales. La mayoría de las moléculas orgánicas importantes son quirales, y usualmente sólo un estereoisómero se encuentra en la naturaleza.
Compuestos Meso:
Consideremos un ejemplo más de compuestos con dos centros estereogénicos: el ácido tartárico. Tracemos su cuatro posibles estereoisómeros:
2R, 3R 2S, 3S 2R, 3S 2S, 3R
Las imágenes especulares 2R,3R y 2S,3S no son superponibles, y son por tanto un par de enantiómeros. Sin embargo, una observación cuidadosa revela que las estructuras 2R,3S y 3S,3R son idénticas, lo cual puede corroborarse haciendo girar 180º una de ellas:
Son Idénticas
La identidad de las estructuras resulta del hecho de que la molécula tiene un plano de simetría. Dicho plano pasa por el enlace C2-C3, haciendo que una mitad de la molécula sea la imagen especular de la otra mitad.
Moléculas con Más de Dos Centros Estereogénicos:
Cuando hay más de un centro quiral en una molécula, dan por resultado un máximo de 2n estereoisómeros. Por ejemplo, el colesterol contiene ocho centros estereogénicos, lo que hace posible 28 = 256 estereoisómeros (128 pares de enantiómeros), aunque muchos están demasiado tensionados para existir. En la naturaleza existe predominantemente uno de ellos.
Colesterol
(ocho centros quirales)
Una mezcla de 50:50 de dos enantiómeros quirales se denomina mezcla racémica o racemato, y se denota por el símbolo (±) o por el prefijo d,l, para indicar una mezcla de formas dextrogira y levógira. Las mezclas racémicas deben presentar rotación óptica cero (nula).
Proyecciones de Fischer:
En 1891, Emil Fischer[5] sugirió un método basado en la proyección de un átomo de carbono tatraédrico sobre una superficie plana. Estas proyecciones de Fischer fueron adoptadas rápidamente, y ahora son un medio estándar para representar la estereoquímica de centros estereogénicos. En una proyección de Fischer, un átomo de carbono tetraédrico se representa por dos líneas cruzadas. Por convención, las líneas horizontales representan enlaces que salen de la página hacia el lector, y las líneas verticales representan enlaces que se proyectan hacia atrás de la página.
Por ejemplo, el ácido (R)-láctico puede representarse como sigue:
Puesto que una molécula dada puede representarse de muchas maneras, a menudo es necesario comparar dos proyecciones distintas para ver si representan el mismo o diferentes enantiómeros. Para comprobar la identidad, es posible hacer girar sobre el papel las proyecciones de Fischer, pero teniendo cuidado de no cambiar inadvertidamente el significado de la proyección, Sólo están permitidos dos tipos de movimientos:
1. Una proyección de Fischer puede hacerse girar 180º sobre la página, pero no 90º ni 270º. La razón de esto es simplemente que una rotación de 180º cumple la convención de Fischer de que los mismos dos sustituyentes en los enlaces horizontales siempre salgan del plano hacia el lector y los mismos dos sustituyentes en los enlaces verticales siempre se proyecten hacia atrás del plano. Y una rotación de 90º contraría la conversión de Fischer, pues los sustituyentes que estaban en los enlaces horizontales en una forma quedan verticales después de una rotación de 90º, invirtiendo su estereoquímica y cambiando el significado de la proyección. Por ejemplo:
pero:
2. En una proyección de Fischer, un grupo puede mantenerse fijo mientras los otros tres giran en el sentido del reloj o en el sentido contrario. Por ejemplo:
Éstos son los únicos tipos de movimientos permitidos. Mover una proyección de Fischer de cualquier otro modo invierte su significado. De este modo, si una proyección del ácido (R)-láctico se hace girar 90º, resulta una proyección de Fischer del ácido (S)-láctico.
La rotación de 90º de una proyección de Fischer invierte su significado
Asignación de Configuraciones R,S a Proyecciones de Fischer:
Es posible asignar las configuraciones estereoquímicas R,S a las proyecciones de Fischer siguiendo los tres pasos que se indican a continuación:
1. Se asignan prioridades a los cuatro sustituyentes de modo usual.
2. Se realiza uno de los dos movimientos permitidos para colocar el grupo de menor prioridad (cuarta) en la parte de arriba de la proyección de Fischer.
3. Se determina el sentido de la rotación al pasar de la prioridad 1 a la 2 y a la 3, y se asigna la configuración R o S como determina la regla. (R en el sentido del reloj y S en el sentido contrario del reloj).
Compuestos Treo y Eritro:
Los prefijos “eritro” y “treo” se utilizan a menudo para designar las configuraciones relativas en compuestos que poseen dos átomos de carbono quirales adyacentes que soportan grupos diferentes, pero similares. Estos prefijos derivan de los carbohidratos eritrosa y treosa.
Eritro corresponde al distereómero que cuando se observa a lo largo del enlace que conecta los átomos de carbono quirales, posee un rotámero en el que todos los grupos similares están eclipsados. El diastereómero Treo no posee un rotámero en el que todos los grupos similares estén eclipsados. Cuando los grupos a átomos unidos a ambos carbonos quirales son idénticos y se encuentran eclipsados entre si, recuérdese que es un compuesto Meso.
Ejemplos:
Estereoquímica y Quiralidad en Cicloalcanos:
Este apartado sólo lo comentaremos mediante ejemplos:
1.- El cis-1,2-dibromociclobutano y trans-1,2-dibromociclobutano
No puede existir con su enantiómero o en otras palabras su imagen especular resulta idéntica
MOLÉCULAS QUIRALES: Son aquellas que pueden existir como enantiómeros, ejemplo el trans-1,2-dibromociclohexano.
MOLÉCULAS AQUIRALES: Son aquellas que no pueden existir como enantiómeros, ejemplo el cis-1,2 -dibromociclohexano.
2.- El cis y el trans 1,2-dimetilciclohexano
Existen como estereoisómeros pero no como
enantiómeros por presentar plano de simetría
3.- El cis y el trans-1,3-dimetilciclohexano
Es el cis-1,3-dimetilciclohexano meso
Son el (+) y (-) trans-1,3-dimetilciclohexano
[1] Jean Baptiste Biot (1774-1862), Científico francés, nació en París, Físico del College de france.
[2] R. S. Cahn, Profesor de University College, Londres.
[3] Sir Christopher Ingold, (1883-1979), n. Ilford, Profesor de University College, Londres.
[4] Vlademir Prelog, (1906- ); n. Sarajevo, Profesor de la Universidad de Zagreb, Premio nobel en 1975.
[5] Emil Fischer; (1852 - 1919); Profesor en la Universidad de Berlín; Premio Nobel en 1902.