CAPÍTULO II

1.   ESTEREOQUÍMICA.

2.   EL ÁTOMO DE CARBONO QUIRAL.

3.   REGLAS SECUENCIALES. NOMENCLATURA R Y S

4.   ACTIVIDAD ÓPTICA.

5.   EL POLARÍMETRO.                             

1.  ESTEREOQUÍMICA

INTRODUCCIÓN.

La estereoquímica es el estudio de las moléculas en tres dimensiones. No se puede entender la química orgánica, la bioquímica o la biología, sin hacer uso de la estereoquímica.

Los sistemas biológicos son muy selectivos y a menudo discriminan moléculas con diferencias estereoquímicas muy pequeñas.

En capítulos anteriores, vistos en Química Orgánica I, se estudió algunos tipos de isómeros, que fueron clasificados en dos tipos: Isómeros constitucionales y estereoisómeros.

Los isómeros constitucionales difieren en la secuencia de enlaces ya que sus átomos están conectados de forma diferente.

Los estereoisómeros tienen la misma secuencia de enlaces, pero difieren en la orientación de algunos de sus átomos en el espacio.

Como todos conocemos la orientación espacial resulta de gran importancia, ya que la estructura tridimensional determina la función ya que produce cambios considerables en sus propiedades físicas, químicas y biológicas. Por ejemplo, los isómeros cis y trans del ácido butenodioico son un tipo especial de esteroisómeros conocidos como isómeros cis-trans (isómeros geométricos), la fórmula de los dos compuestos es HOOC-CH=CH-COOH, pero difieren en la forma en la forma en que están colocados los átomos en el espacio; el isómero cis se conoce como ácido maleico, y el isómero trans como ácido fumárico.

El ácido fumárico es un intermediario metabólico esencial tanto en las plantas como en los animales, pero el ácido maleico es tóxico e irrita los tejidos.

El descubrimiento de la estereoquímica tuvo una gran influencia en el desarrollo estructural en la Química Orgánica.

La estereoquímica permitió explicar por qué existían vario tipos de isómeros dependiendo de la orientación espacial de los átomos, para una misma conectividad, e hizo que los científicos propusieran una geometría tetraédrica para el átomo de carbono.

Resulta de gran importancia estudiar las estructuras en tres dimensiones de las moléculas para entender su relación estereoquímica, se debe, por lo tanto realizar comparaciones de los diferentes tipos de estereoisómeros y las formas de diferenciarlos.

Por ejemplo:

La rodopsina es un pigmento de la visión que se encuentra en los ojos y que nos permite ver por la noche, posee un doble enlace que cambia de configuración y se convierte del isómero cis al isómero trans cuando la luz incide en el ojo. Como resultado, un impulso nervioso viaja hacia el cerebro y permite que veamos la fuente de luz.

II. QUIRALIDAD

¿Qué diferencia hay entre la mano izquierda y su mano derecha?

Parecen iguales, a pesar de que los guantes de la mano izquierda no encajan en la mano derecha. Esto ocurre también con los pies. Parecen idénticos, pero el zapato izquierdo no se puede poner en el pie derecho. La relación que hay entre las dos manos y entre los pies es que son imágenes especulares no superponibles  (no son idénticos). A los compuestos que tienen estas propiedades se les conoce como QUIRALES, término que deriva de la palabra cheir, que significa “mano”.

Se puede decir, si un objeto es quiral mirando su imagen en un espejo, como lo muestra la siguiente figura. Cada objeto tiene una imagen especular, pero un objeto quiral tiene una imagen especular que es diferente de la del objeto original. Por ejemplo, una silla, una cuchara y un vaso con agua tienen la misma imagen especular que el original; a estos objetos se les denomina aquirales, es decir, “no quirales”. La imagen especular de una mano es diferente. Si la mano original fuese la mano derecha, la imagen especular sería como la mano izquierda.

Además de los zapatos y de los guantes, hay muchos objetos quirales.

¿Qué diferencia hay entre un coche inglés y uno americano? El coche inglés tiene el volante situado a la derecha, mientras que el coche americano tiene el volante situado a la izquierda. Como  una primera aproximación, el coche inglés y el americano son imágenes especulares no superponibles

Muchos tornillos tienen la rosca hacia la derecha y se han de girar en el sentido de las agujas del reloj para apretarlos. La imagen especular de los tornillos de la figura es que tienen la rosca hacia la izquierda y giran en sentido contrario al de las agujas del reloj cuando se aprietan. Las personas que sean zurdas se darán cuenta de que las tijeras son quirales.

La mayoría de las tijeras están hechas para usarlas con la mano derecha; si se utilizan con la mano izquierda, es más difícil que corte.

Problemas:

QUIRALIDAD Y ENANTIOMETRÍA DE LAS MOLÉCULAS ORGÁNICAS

De forma similar a otros objetos, las moléculas pueden ser quirales o aquirales. Por ejemplo, considérelos dos isómeros geométricos del 1,2-diclorociclopentano de la siguiente figura. El isómero cis es aquiral, ya que su imagen especular es superponible con la molécula original.

Se dice que dos moléculas son superponibles si se pueden poner una encima de la otra y a posición tridimensional de cada átomo de la molécula coincide con el átomo equivalente de la otra molécula. Para representar la imagen especular de la otra molécula, se dibuja la misma estructura con la parte izquierda y derecha intercambiadas. Las direcciones arriba-abajo y frontal-lateral no se cambian. Estas dos estructuras especulares son idénticas (superponibles) y el cis-1,2-dicloropentano es quiral.

El trans -1,2-diclorociclopentano posee dos estereoisómeros que son imágenes especulares no superponibles. Haga los modelos de estos isómeros para comprobar que son diferentes a pesar de que se giren y se les dé la vuelta. Las moléculas que son imágenes especulares no superponibles se conocen como ENANTIÓMEROS. Un compuesto quiral siempre tiene un enantiómero  (imagen especular no superponible). Un compuesto aquiral siempre tiene una imagen especular que es igual que la otra molécula original (superponible).

DEFINICIONES IMPORTANTES.

1.   ENANTIÓMEROS: isómeros que son imágenes especulares. Pares de compuestos que son imágenes especulares no superponibles.

2.   QUIRAL: propiedad de disimetría de una molécula (similar a la de la mano) que permite poseer un enantiómero.

3.   AQUIRAL: propiedad de simetría de una molécula, tal que la que hace idéntica a su imagen especular; no quiral.

Cualquier compuesto quiral tiene un enantiómero. Cualquier compuesto aquiral no puede tener un enantiómero.

ÁTOMOS DE CARBONO ASIMÉTRICOS, CENTROS QUIRALES Y ESTEREOCENTROS

La estructura tridimensional del 2-bromobutano muestra que no es una imagen especular superponible. Esta sencilla molécula es quiral y existen como dos enantiómeros diferentes. ¿Qué hace que una moléculas sea quiral? Lo más frecuente (pero no lo único) que conduce a la quiralidad es que un átomo de carbono esté enlazado a cuatro grupos diferentes. Este átomo de carbono se conoce como átomo de carbono asimétrico o átomo de carbono quiral, y a menudo se resalta con un asterisco (*). El átomo de carbono 2 del 2-bromobutano está enlazado a un átomo de hidrógeno, un átomo de bromo, un grupo metilo y un grupo etilo; es un átomo de carbono asimétrico y es responsable de la quiralidad del 2-bromobutano.

Un átomo de carbono asimétrico es el ejemplo más frecuente de centro quiral, término de la IUPAC para cualquier átomo que soporta varios ligandos en una disposición espacial tal que tiene imágenes especulares no superponibles. Los centros quirales pertenecen a un grupo más amplio que se conoce como estereocentros.

Un estereocentro (o átomo estereogénico) es cualquier átomo en el que el intercambio de dos grupos da lugar a un estereoisómero. Los carbonos asimétricos y los átomos de carbono con dobles enlaces de los isómeros cis-trans son los dos orígenes más comunes de la estereoisomería.

*El término estereocentro (átomo estereogénico) no aparece normalmente en la literatura científica. La definición original es de Mislow. Algunos textos lo definen simplemente como sinónimo de carbono asimétrico (carbono quiral) o de centro quiral.

No obstante, si dos grupos unidos a un átomo de carbono son iguales, normalmente esta disposición no da lugar a una molécula quiral.

La imagen especular de una estructura tetraédrica con sólo tres grupos diferentes; dos de los cuatro grupos son iguales, si es girada 180°, se puede superponer sobre la estructura de la izquierda.

Llegados a este punto se podría hacer una generalización de estos conceptos, pero hay que tener en cuenta que la prueba concluyente sobre la quiralidad consiste en que la imagen especular de la molécula sea superponible (idéntica) o no:

1.    Si un compuesto no tiene algún átomo de carbono asimétrico, generalmente es aquiral (aunque existen compuestos quirales sin estereocentros)

2.    Si un compuesto tiene un solo átomo de carbono asimétrico, es quiral.

3.    Si un compuesto tiene más de un átomo de carbono asimétrico, puede o no ser quiral, dependiendo de los elementos de simetría que posea su molécula.

EJERCICIO

Determine los centros quirales de la siguiente molécula:

Represente una estructura tridimensional para cada compuesto y ponga un asterisco a los átomos de carbono asimétricos. Represente la imagen especular para cada estructura y diga si ha representado un par de enantiómeros o la misma molécula por duplicado.

PLANOS DE SIMETRÍA ESPECULAR.

Si dibujamos una línea hacia abajo en la mitad del cis-1,2-diclorociclopentano, que pase por un átomo de carbono y entre dos átomos de hidrógeno, la parte de la molécula que queda a la derecha de la línea es la imagen especular de la parte que queda a la izquierda. Este tipo de simetría se conoce como simetría especular interna y el plano de simetría a veces simboliza con la letra griega sigma (σ). Como el lado derecho de la molécula es la reflexión del lado izquierdo, la imagen especular de la molécula es la misma que la molécula original.

En la figura se puede observar que el isómero quiral del trans-1,2-dicloro-pentano no tiene un plano de simetría especular. Los átomos de cloro no se reflejan uno en otro a través de un hipotético plano especular. Uno de ellos está dirigido hacia arriba y el otro hacia abajo.

Podemos generalizar y proponer el siguiente principio:

“Cualquier molécula que tenga un plano de simetría especular interno no puede ser quiral, incluso aunque contenga átomos de carbono asimétricos”

Esta generalización tiene sus excepciones, cuando no se puede encontrar un plano de simetría especular, ello no necesariamente quiere decir que la molécula sea quiral. La siguiente molécula no tiene plano de simetría especular interno, pero la imagen especular es superponible con la original.

 

Haciendo uso de lo que se conoce como planos de simetría especular, se puede ver por qué un átomo de carbono quiral (asimétrico) es especial. Si un átomo de carbono tiene tres clases diferentes de sustituyentes, tiene un plano especular interno de simetría, por lo tanto, no puede contribuir a la quiralidad en una molécula.

IMPORTANCIA DE LOS ENANTIÓMEROS

La alanina es uno de los aminoácidos que se encuentra con más frecuencia en las proteínas más habituales. La alanina tiene un átomo de carbono asimétrico y existe en dos formas enantioméricas.

Estas imágenes especulares son diferentes y esta diferencia queda reflejada en su bioquímica. Sólo el enantiómero de la izquierda puede ser metabolizado por una enzima; el de la derecha no es reconocido por la enzima como aminoácido útil. No obstante, el nombre de los dos es alanina o ácido 2-aminopropanoico, según las normas de la IUPAC. Se necesita, pues una forma simple de distinguir ambos enantiómeros y de nombrar a cada uno de forma inequívoca.

NOMENCLATURA R Y S

La nomenclatura de Cahn-Ingold-Prelog es el sistema que se acepta más ampliamente para nombrar las configuraciones de los centros quirales. A cada átomo de carbono se le asigna la letra (R) o (S) basándose en su configuración tridimensional. Para determinar la rotación R o S se sigue un proceso de dos pasos que asigna “prioridades” a los cuatros sustituyentes del átomo asimétrico y posteriormente se nombra a éste basándose en las posiciones relativas de esos sustituyentes. A continuación se explica el procedimiento:

1.    Se asigna una “prioridad” a cada grupo enlazado al carbono asimétrico. Se habla de grupo 1 cuando tiene la prioridad más alta, la siguiente es el grupo 2, la tercera el grupo 3 y el que tiene prioridad más baja, grupo 4.

Los átomos con los números atómicos más altos tienen prioridades más altas. Por ejemplo, si los cuatro grupos enlazados a un átomo de carbono asimétrico fuesen H, CH₃, NH₂ y F, el átomo de flúor (número atómico 9) tendría la prioridad más alta, seguida del átomo de nitrógeno del grupo NH₂ (número atómico 7), a continuación el átomo de carbono del grupo metilo (número atómico 6), y por último, el átomo de hidrógeno.

Resulta muy importante observar únicamente el número atómico del átomo que va unido directamente al carbono asimétrico, no al grupo completo.

Si hay diferentes isótopos del mismo elemento, los isótopos más pesados tienen prioridades más altas. Por ejemplo, el tritio (³H) tiene prioridad más alta que el deuterio (²H), seguido del protio o isótopo más abundante del hidrógeno.

En el caso de que los átomos sean iguales, se consideran los átomos que le siguen en la cadena para decidir la prioridad. Por ejemplo, al isopropilo,

-CH(CH₃)₂, se le asigna una prioridad más alta que al etilo –CH₂CH₃. El primer átomo de carbono del grupo etilo está enlazado a dos hidrógenos y a un átomo de carbono, mientras que el primer carbono del grupo isopropilo está enlazado a dos carbonos y a un hidrógeno.

Un grupo etilo y un –CH₂CH₂Br tienen idénticos los primeros y los segundos átomos, pero el átomo de bromo en la tercera posición hace que el grupo

 –CH₂CH₂Br tenga una prioridad más alta que el –CH₂CH₃. Un átomo de prioridad alta tiene prioridad sobre un átomo de prioridad más baja.

Los dobles y los triples enlaces se tratan como si éstos formasen enlace con los mismos átomos por separado. Para entender esto, imagine que  cada enlace pi se rompe y los átomos de cada enlace se duplican. Note que cuando se rompe un enlace, siempre se añaden dos átomos imaginarios. A este convencionalismo se le denomina duplicar un doble enlace y triplicar un triple enlace, respectivamente.

2.    Utilizando una representación tridimensional o un modelo molecular, ponga el grupo de prioridad 4 en la parte de atrás y observe la molécula a lo largo del enlace del carbono asimétrico hacia el grupo de prioridad 4. Dibuje una flecha desde el grupo de prioridad 1, a través del segundo, hacia el tercero. Si la flecha va en el sentido de las agujas del reloj, el átomo de carbono asimétrico se conoce como (R) (del latín, rectus, a la derecha); si la flecha va en sentido contrario al de las agujas del reloj, el átomo de carbono quiral se conoce como (S) (del latín, sinister, izquierda).

Se pueden dibujar las flechas alternativamente e imaginar que se está girando el volante de un auto en cada sentido. Si el coche fuese hacia la izquierda, el átomo de carbono asimétrico se designaría S; si el coche fuese hacia la derecha, el átomo de carbono asimétrico se designaría como R.

EJERCICIO

Utilizar los enantiómeros de la alanina para determinar la rotación R y S.

III. ACTIVIDAD ÓPTICA

Las moléculas que son imágenes especulares tienen propiedades físicas idénticas:

Las diferencias de los enantiómeros se observan en sus interacciones con otras moléculas quirales, como enzimas. Se necesita un método sencillo para distinguir los enantiómeros y medir su pureza en el laboratorio. La polarimetría es un método que se utiliza para diferenciar los enantiómeros, basado en la propiedad que poseen los enantiómeros de girar el plano de polarización de la luz linealmente polarizada en sentidos opuestos; como ejemplo, debajo se muestran  los dos enantiómeros de la hormona tiroidea. El enantiómero S tiene una gran influencia en la actividad metabólica de las células del cuerpo. El enantiómero R carece de actividad hormonal. La forma de distinguir los dos enantiómeros en el laboratorio es observando que el enantiómero que es activo gira el plano de polarización de la luz hacia la izquierda.

IV. EL POLARÍMETRO

EL PLANO DE POLARIZACIÓN DE LA LUZ

La luz natural que vemos no está polarizada, sus ondas vibran al azar en todas las direcciones. La luz planopolarizada o linealmente polarizada está formada por ondas que sólo vibran en un plano. A pesar de que hay otras formas de luz polarizada, cuando se utiliza este término generalmente uno se refiere a la luz polarizada.

Cuando la luz no polarizada pasa a través de un polarizador, se filtran las ondas de luz que vibran al azar, por lo que la mayor parte de la luz que ha pasado vibra en una sola dirección. La dirección de vibración se denomina eje de filtro. Los polarizadores pueden ser cristales de calcita cuidadosamente cortados o láminas de plástico especialmente tratadas. Los polarizadores de plástico con frecuencia se utilizan como lentes en las gafas de sol, ya que el eje del filtro puede disponerse de forma que filtre los rayos reflejados evitando deslumbramientos.

Cuando la luz pasa primero a través de un polarizador y después a través de otro, la cantidad de luz emergente depende de la relación que haya entre los ejes de los dos filtros de la figura. Si los ejes de los filtros están alineados (paralelos), casi toda la luz que pasa a través del primer filtro lo hace a través del segundo; no obstante, si los ejes de los dos filtros son perpendiculares (polos cruzados), toda la luz polarizada que emerge del primer filtro es retenida por el segundo. Para ángulos intermedios de rotación, las cantidades de luz que emergen del segundo polarizador son intermedias entre los dos casos anteriores.

Este efecto se puede demostrar utilizando unas gafas de sol polarizadas mientras se mira a una fuente de luz con otro par. El segundo par parece ser transparente cuando su eje está alineado con las gafas que llevamos puestas. Sin embargo, si el segundo par se gira 90°, las lentes se hacen opacas, como si estuvieran cubiertas de tinta negra.

ROTACIÓN DEL PLANO DE POLARIZACIÓN DE LA LUZ

Cuando la luz polarizada pasa a través de una solución que contiene un compuesto quiral, el compuesto quiral hace que el plano de vibración de la luz gire. La rotación del plano de polarización de la luz se denomina actividad óptica y a las sustancias que giran el plano de polarización de la luz se les denomina ópticamente activas.

Antes de que se conociese la relación entre quiralidad y actividad óptica, los enantiómeros se conocían como isómeros ópticos, ya que parecían idénticos excepto en que su actividad óptica era opuesta. No obstante, este nombre se aplicó ampliamente  a más de un tipo de isomería entre los compuestos ópticamente activos, pero esta designación ambigua se ha reemplazado por la palabra que mejor los define, enantiómeros.

Las propiedades físicas de dos enantiómeros son idénticas, excepto en el sentido hacia el que hacen girar el plano de polarización de la luz planopolarizada.

Los enantiómeros hacen girar el plano de polarización de la luz exactamente con la misma magnitud pero en sentidos opuestos.

Si el isómero (R) hace rotar el plano 30° en el sentido de las agujas del reloj, el isómero (S) lo hará rotar 30° en sentido contrario al de las agujas del reloj. Si el enantiómero (R) rota el plano 5° en sentido contrario de las agujas del reloj, el enantiómero (S) hará que rote 5° en el sentido de las agujas del reloj.

No se puede predecir el sentido hacia el que un determinado enantiómero (R) o (S) rotará el plano de polarización de la luz planopolarizada.

La rotación (R) y (S) es una forma de nombrar la configuración de los enantiómeros, pero el sentido y la magnitud de la rotación son propiedades físicas que necesitan ser medidas experimentalmente.

POLARIMETRÍA.

Un polarímetro mide la rotación de la luz polarizada. Consta de una celda tubular o cubeta de muestra donde se dispone la sustancia quiral (o una disolución de la misma)  cuya actividad óptima se va a medir, de un dispositivo para hacer pasar la luz polarizada a través de la solución y de un sistema para medir la rotación del plano de polarización de la luz emergente.

Se filtra la luz de una lámpara de sodio para que esté formada por una sola longitud de onda (monocromática), ya que la mayoría de los compuestos giran el plano de polarización a diferentes longitudes de onda con intensidad diferente. La longitud de onda se utiliza con más frecuencia en polarimetría es la que corresponde longitud de onda que se utiliza con más frecuencia en polarimetría es la corresponde a la línea amarilla del espectro de emisión del sodio, denominada línea D del sodio.

La luz monocromática (de un color) de la fuente pasa a través de un polarizador y después atraviesa la celda de la muestra que contiene una solución del compuesto ópticamente activo.

Cuando sale de la celda, la luz polarizada se encuentra con otro polarizador móvil. Este filtro es móvil, con una escala que permite que el operador lea el ángulo entre el eje del segundo filtro (analizador) y el eje del primero (polarizador). El operador gira el filtro analizador hasta que se transmite la máxima cantidad de luz, y se lee la rotación observada con el transportador o escala angular. La rotación observada se simboliza por α (alfa).

A los compuestos que giran el plano de polarización de la luz hacia la derecha (sentido de las agujas del reloj) se les denomina dextrógiros, del griego dexios, “hacia la derecha”; a los compuestos que giran el plano de polarización de la luz hacia la izquierda (sentido al contrario al de las agujas del reloj) se les denomina levógiros, del latín laevus “hacia la izquierda”. A veces estos términos se simplifican utilizando la inicial d y l. En las reglas de la IUPAC, el sentido de rotación se especifica mediante los signos (+) y (-):

·         Dextrógiro (rotación del plano de polarización en el sentido de las agujas del reloj): (+)

·         Levógiro (rotación del plano de polarización en el sentido contrario al de las agujas del reloj): (-).

Por ejemplo, el isómero del 2-butanol que gira el plano de polarización de la luz en el sentido de las agujas del reloj se nombra (+)-2-butanol o d-2-butanol. Su enantiómero (-)-2-butanol o l-2-butanol gira e plano de polarización de la luz los mismos grados pero en sentido contrario al de las agujas del reloj.

ROTACIÓN ESPECÍFICA

La rotación angular de la luz polarizada por un compuesto quiral es una propiedad física característica de ese compuesto, igual que el punto de ebullición o la densidad. La rotación (α) que se observa en un polarímetro depende de la concentración de la solución de la muestra y de la longitud de la celda, así como de la actividad óptica del compuesto. Por ejemplo, si la concentración de la solución se duplica, la rotación α se duplica.

Para utilizar la rotación de la luz polarizada como una propiedad característica de un compuesto, se han de estandarizar las condiciones de medida.

La rotación específica (α) de un compuesto se define como la rotación que se observa cuando se utiliza una celda de muestras de 10 cm (1 dm) y una concentración de la sustancia de 1g/ml. Se puede utilizar otras longitudes de celda y otras concentraciones, pero la rotación observada se divide entre el producto de la longitud de la celda (l) y la concentración (c):

Donde:

= rotación observada en el polarímetro

c = concentración g/ml

l = longitud de la celda muestra en decímetros

DISCRIMINACIÓN BIOLÓGICA DE LOS ENANTIÓMEROS

Si la dirección de rotación de la luz polarizada fuera la única diferencia entre los enantiómeros, nos podríamos preguntar si esta diferencia es importante. Los sistemas biológicos normalmente distinguen los enantiómeros y dos enantiómeros pueden tener propiedades biológicas completamente diferentes. De hecho, cualquier analizador quiral puede distinguir entre enantiómeros, y un polarímetro es sólo un ejemplo de una analizador quiral; otro ejemplo son nuestras manos: si se necesita seleccionar una cada de guantes de la mano derecha y guantes de la mano izquierda, se podría distinguir comprobando cuál encaja en la mano derecha.

Las enzimas de los seres vivos son quirales y son capaces de diferenciar entre enantiómeros. Generalmente, sólo uno de los dos enantiómeros encaja adecuadamente en el sitio activo quiral de una enzima. Por ejemplo, la forma levógira de la epinefrina es una de las principales hormonas segregadas por las glándulas adrenales. Cuando se suministra epinefrina sintética a un paciente, la forma (-) tiene el mismo efecto estimulante que la hormona natural. La forma (+) carece de este efecto y es ligeramente tóxica.

La figura muestra una representación simplificada de cómo sólo el enantiómero (-) encaja en el sitio activo de la enzima.

Los sistemas biológicos son capaces de distinguir entre los enantiómeros de muchos compuestos quirales diferentes. En general, sólo uno de los enantiómeros produce el efecto característico; el otro o bien no produce ningún efecto o tiene un efecto diferente. Incluso la nariz es capaz de distinguir entre algunos enantiómeros.

Por ejemplo, la (-) carvona es la sustancia responsable de la fragancia asociada al aceite esencial de la menta, mientras que la (+) carvona tiene el olor fuerte de la semilla de la alcaravea, por lo tanto, los receptores olfatorios deben ser quirales, igual que el sitio activo de la mayoría de las proteínas enzimáticas es quiral. En general, los enantiómeros no interaccionan de la misma forma con otras moléculas quirales, independientemente de que su origen sea biológico o no.

MEZCLAS RACÉMICAS

Suponiendo que se tiene una mezcla con igual cantidad de (+)-2-butanol y de (-)-2-butanol, el isómero (+) giraría el plano de polarización de la luz en el sentido de las agujas del reloj un valor de +13,5° y el isómero (-) rotaría el plano de polarización de la luz en sentido contrario al de las agujas del reloj exactamente los mismos grados. Se observaría una rotación de cero, igual que si el 2-butanol fuese aquiral. Una mezcla que está formada por dos enantiómeros en la misma proporción y que es ópticamente inactiva, se conoce como mezcla racémica. º

Algunas veces, a las mezclas racémicas se les llama racematos, par (±), o par (d,l). Una mezcla racémica se simboliza escribiendo (±) o (d,l) antes del nombre del nombre del compuesto. Por ejemplo, el 2-butanol racémico se simboliza por (±)-2-butanol o “(d,l)-2-butanol”.

Se puede pensar que una mezcla racémica es inusual, ya que requiere las mismas cantidades de los dos enantiómeros. No obstante, esto no es así. En muchas reacciones se obtienen productos racémicos, especialmente cuando se convierte una molécula aquira en quiral.

Una reacción que utiliza reactivos y catalizadores ópticamente inactivos no puede producir un compuesto ópticamente activo. Cualquier producto quiral que se forme en estas condiciones debe ser una mezcla racémica.

Por ejemplo, el hidrógeno se adiciona al doble enlace C=O de una cetona para producir un alcohol:

Como el grupo carbonilo es plano, una cetona sencilla como la 2-butanona es aquiral. La hidrogenación de la 2-butanona da lugar a 2-butanol, una molécula quiral. Esta reacción implica la adición de átomos de hidrógeno al átomo de carbono y del oxígeno del grupo C=O. Si los átomos de hidrógeno se adicionan por un lado del doble enlace, se obtiene el enantiómero (S); si se adiciona hidrógeno por el otro lado del doble enlace, se obtiene el enantiómero (R). La probabilidad de que el hidrógeno se adicione por un lado u otro del doble enlace es la misma, por lo que se forman las mismas cantidades del enantiómero (R) que del (S).

Muchos fármacos que se utilizan en el mercado son mezclas racémicas. La ketamina, por ejemplo, es un agente anestésico potente, pero su uso está limitado porque es un alucinógeno (habiéndose convertido en una droga de abuso ampliamente conocida como “K”). El isómero (S) es responsable de los efectos anestésicos, mientras que el isómero (R) produce los efectos alucinógenos.

PROYECCIONES DE FISHER

Para dar a las moléculas con carbonos asimétricos una perspectiva tridimensional sobre el plano del papel, se ha utilizado líneas de rayas y cuñas. Cuando las moléculas tienen varios átomos de carbono asimétricos, la representación tridimensional es laboriosa e incómoda; además, esta complicada representación hace que sea difícil ver las semejanzas y diferencias en los grupos de estereoisómeros, cuando se realiza una comparación.

A finales del siglo XX, Emil Fischer estudió la estereoquímica de los azúcares, que contienen siete átomos de carbono asimétricos. Representar estas estructuras en perspectiva sería difícil y ver las diferencias estereoquímicas en las representaciones casi imposibles.

Fischer desarrolló una forma simbólica rápida de representar los átomos de carbono asimétricos: la proyección de Fischer.

Esta proyección también facilita la comparación de los esteroisómeros, poniéndolos en su conformación más simétrica y enfatizando las diferencias estereoquímicas.

REPRESENTACIÓN DE LAS PROYECCIONES DE FISCHER

Las proyecciones de Fischer parecen una cruz, con el átomo de carbono asimétrico (generalmente no se pone y corresponde a la intersección de la cruz. Las líneas horizontales corresponderían a cuñas, es decir, a enlaces que se dirigen hacia nosotros. Las líneas verticales equivaldrían a rayas discontinuas, es decir, a enlaces que se alejarían de nosotros.

La proyección de Fischer utiliza una cruz para representar un átomo de carbono asimétrico. Las líneas horizontales se proyectan hacia el observador y las líneas verticales se alejan del observador.

En las proyecciones de Fischer la rotación de 180° está permitida:

Si una proyección de Fischer se gira 90°, la configuración cambiaría y el observador se confundiría. La proyección inicial tiene los grupos verticales hacia atrás (líneas de rayas) y los grupos horizontales hacia delante. Cuando la proyección se gira 90°, los enlaces verticales se transforman en horizontales y viceversa. El observador asume que los enlaces horizontales van hacia delante y los verticales hacia atrás, por lo que se ve una molécula diferente (el enantiómero de la primera molécula).

La rotación de 90° no es conveniente, pues puede conducir a confusiones:

Cuando se comparan proyecciones de Fischer, éstas no se pueden rotar 90° y plegarlas sobre sí mismas, pues obtendríamos una configuración diferente a la inicial. Cada una de estas operaciones da una representación incorrecta de la molécula.

La proyección de Fischer debe permanecer en el plano del papel y sólo se puede girar 180° (dentro del plano del papel).

La última regla para representar proyecciones de Fischer ayuda a asegurar que éstas no se pueden girar 90°. Esta regla obliga a representar la cadena de carbonos en la línea vertical de la proyección de Fischer, generalmente utilizando la numeración (según la IUPAC) de arriba hacia abajo. En la mayoría de los casos, esta numeración coloca al sustituyente con el carbono más oxidado arriba. Por ejemplo, para representar el (R)-1,2-propaodiol mediante la proyección de Fischer, se deberían colocar los tres átomos de carbono en la vertical. El C1 se coloca arriba y C3 abajo.

REPRESENTACIÓN DE IMÁGENES ESPECULARES DE LAS PROYECCIONES DE FISCHER

¿Cómo se representan las imágenes especulares de las moléculas en una proyección de Fischer?

En la representación, la regla era intercambiar la izquierda por la derecha y mantener igual las otras posiciones (arriba y abajo, frontal y posterior). Esta regla también se aplica en las proyecciones de Fischer. Se intercambian los grupos de la parte horizontal de la cruz, poniendo el de la izquierda a la derecha y viceversa, y dejando igual el resto de los grupos.

Buscar enantiómeros es bastante sencillo cuando se usan proyecciones de Fischer. Si las proyecciones de Fischer se han dibujado correctamente (la cadena de carbonos en la vertical) y si la imagen especular no es igual que la estructura original, después de haberla girado 180° en el plano del papel, las dos imágenes especulares son enantiómeros.

ASIGNACIÓN DE CONFIGURACIONES (R) Y (S) PARA LAS PROYECCIONES DE FISCHER

El convenio de Cahn-Ingold-Prelog puede ser aplicado a las estructuras que se representan utilizando proyecciones de Fischer. Las dos reglas que se utilizan para asignar (R) o (S):

a.    Se asignan prioridades a los grupos enlazados al átomo de carbono asimétrico.

b.    Se pone el grupo de menor prioridad (normalmente el H) detrás y se dibuja una flecha desde el grupo 2 y de éste hacia el 3. Si la flecha va en sentido de las agujas del reloj la configuración es (R) y si ve en sentido contrario es (S).

La configuración (R) o (S) también se puede determinar directamente a partir de la proyección de Fischer, sin tener que hacer la representación en perspectiva.

El átomo de menor prioridad es generalmente el Hidrógeno. En la proyección de Fischer, la cadena de carbonos está en línea vertical, por lo que el átomo de hidrógeno está en la horizontal y proyectado hacia afuera. Una vez asignadas las prioridades, se puede dibujar la flecha desde el grupo 1 a través del 2 y hacia el 3, y ver el camino que sigue. Si la molécula se girara, de forma que el hidrógeno quedara hacia atrás, como en la definición de (R) y (S), la flecha giraría en otro sentido. Si se gira la flecha mentalmente, se puede asignar la configuración.

A modo de ejemplo, considere la proyección de Fischer de uno de los enantiómeros del gliceraldehido. La primera prioridad es la del grupo –OH, seguida por el grupo –CHO y del grupo –CH2OH. El átomo de hidrógeno recibe la menor prioridad. La flecha desde el grupo 1 a través de 2 y hacia el 3 va en sentido contrario de las agujas del reloj en la proyección de Fischer. Si se gira la molécula, de forma que el hidrógeno quede atrás, la flecha va en sentido de las agujas del reloj, por lo que es enantiómero R del gliceraldehido.

DIASTEREÓMEROS O DIASTEREOISÓMEROS

Los estereoisómeros se definen como isómeros cuyos átomos están enlazados en el mismo orden (poseen la misma conectividad), pero difieren en cómo están orientados en el espacio. Acabamos de estudiar detalladamente los enantiómeros (isómeros que son imágenes especulares). Hay otros estereoisómeros que se denominan diasterómeros o diastereoisómeros, que se definen como estereoisómeros que no son imágenes especulares. La mayoría de los diastereómeros son, o bien isómeros geométricos, o compuestos que contienen dos o más centros quirales (generalmente carbonos asimétricos).

RESUMEN

ISÓMEROS: son compuestos diferentes con la misma fórmula molecular.

ISÓMEROS CONSTITUCIONALES: son isómeros que difieren en el orden en que se enlazan los átomos; es decir, tienen conexiones diferentes entre sus átomos.

ESTEREOISÓMEROS: son isómeros que sólo difieren en la orientación de los átomos en el espacio.

ENANTIÓMEROS: son isómeros que son imágenes especulares uno de otro.

DIASTEREÓMEROS o diastereoisómeros son estereoisómeros que no son imágenes especulares uno de otro.

ISÓMEROS cis-trans (isómeros geométricos) son diastereómeros que difieren con su disposición cis-trans en un anillo o en un doble enlace.

CONFIGURACIÓN ABSOLUTA