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Vamos a continuar y finalizar con la unidad de química orgánica correspondiente. Alterna de romerías. Retomemos nuestra visión global del tema. Recordemos que isómeros son compuestos diferentes que tienen la misma fórmula, es la misma fórmula molecular.
Cuando esta diferencia radica en la diferente conectividad entre los enlaces, es decir, tienen la misma fórmula molecular pero diferente fórmula estructural, hablamos de isómeros estructurales o constitucionales. Sin embargo, hay otros compuestos que tienen la misma fórmula molecular, la misma fórmula estructural y difieren en la ordenación espacial de los enlaces. En este caso, hablamos de isómeros espaciales.
Los isómeros espaciales pueden ser conformacionales, cuando se interconvierten a rápida velocidad y, por lo tanto, no puede separarse uno del otro. Por otro lado, tenemos los isómeros configuracionales, que no pueden interconvertirse y, por ello, a diferencia de los isómeros conformacionales, sí pueden separarse. Para pasar de un isómero configuracional al otro, es preciso romper enlaces y formar enlaces nuevos.
Tenemos dos clases de isómeros configuracionales: isómeros geométricos, que se originan por la distinta orientación de átomos o grupos respecto de un doble enlace o un plano de anillo, y los isómeros ópticos, que se originan por la distinta orientación espacial en torno a un centro quiral, generalmente un carbono con hibridación sp3 unido a cuatro sustituyentes distintos. Se les denomina así por su distinto comportamiento frente a la luz polarizada.
Esta clase abarca a dos tipos de isómeros configuracionales: los enantiómeros, que se relacionan por ser imágenes especulares no superponibles, que son los que hemos visto hasta el momento, y los diastereómeros, que son isómeros configuracionales que no son imágenes especulares uno del otro.
Algunos compuestos pueden tener más de un centro quiral, de modo que es importante determinar cuántos estereoisómeros hay en estos casos y cómo se relacionan entre sí. Si una molécula tiene un único carbono quiral, solo puede existir un par de enantiómeros. Si tiene dos carbonos quirales, tiene un máximo de cuatro estereoisómeros, dos pares de enantiómeros. En general, una molécula con n carbonos quirales tiene un máximo de 2 a la n estereoisómeros posibles.
Analicemos el caso del 3-bromo-2-pentano. Tiene dos carbonos quirales: el carbono 2 y el carbono 3. Por lo tanto, esperaríamos cuatro estereoisómeros. En esta pantalla podemos ver las representaciones tridimensionales de líneas y cuñas de los cuatro estereoisómeros. Si nosotros analizamos las moléculas unidas por flechas horizontales, podemos ver que una es la imagen especular no superponible de la otra. Por lo tanto, esta molécula y esta serán enantiómeros entre sí, al igual que este otro par de moléculas.
Analicemos la relación entre las moléculas unidas por flechas verticales y por flechas oblicuas. Por ejemplo, acá estas formas no son imágenes especulares. Tienen la misma configuración en el carbono 2, pero configuración contraria en el carbono 3. Son estereoisómeros, pero no son enantiómeros. Para este tipo de estereoisómeros se utilizó el término diastereómeros o diasteroisómeros. Los diastereómeros son estereoisómeros que no son imágenes especulares entre sí.
Hay una diferencia importante y fundamental entre los enantiómeros y los diastereómeros. Debido a que los enantiómeros son imágenes especulares, solamente difieren en propiedades en las que interviene la imagen especular. Tienen las mismas propiedades físicas como punto de fusión, punto de ebullición y solubilidad en disolventes comunes. Difieren solamente en el sentido de rotación del plano de polarización de la luz. La magnitud de dicho giro es la misma. Los enantiómeros no se pueden separar uno del otro por métodos que dependen de las propiedades físicas como la recristalización y la destilación.
Por otro lado, los diastereoisómeros no son imágenes especulares. Se comportan como dos sustancias químicas diferentes. Por lo tanto, difieren en todas las propiedades, ya sean quirales o acirales. En consecuencia, los diastereómeros pueden tener diferente punto de fusión, punto de ebullición, solubilidad y, además, diferente magnitud de rotación del plano de la luz polarizada y diferente dirección de rotación de la luz polarizada. Es decir, en pocas palabras, se comportan como dos sustancias químicas diferentes.
Analicemos los estereoisómeros del 2,3-butanodiol. Hay dos centros quirales, por lo tanto, debemos esperar cuatro estereoisómeros. Si analizamos las estructuras de la parte superior, vemos que son imágenes especulares y no pueden superponerse. Por lo tanto, estos dos compuestos son enantiómeros. Sin embargo, estas dos estructuras del 2,3-butanodiol, si bien son imágenes especulares, pueden superponerse. Por lo tanto, no son enantiómeros. Se trata del mismo compuesto. A esta forma se la denomina compuesto meso. De esta manera, en total solo hay 3 estereoisómeros para el 2,3-butanodiol en lugar de cuatro.
La razón de esto es que cada centro quiral tiene unidos los mismos cuatro grupos. Si analizamos las estructuras inferiores, se observa que tienen un plano de simetría que es perpendicular al plano del papel y corta al enlace carbono-carbono. Las estructuras son idénticas. ¿Cómo me doy cuenta? Si rotamos 180 grados en el plano del papel, esta estructura se interconvierte en esta otra. Y si nosotros tomamos estas moléculas de este extremo y la corremos hacia acá, veremos que son idénticas. Si bien son imágenes especulares, son superponibles, por lo tanto, son análogas. Como decíamos, esta estructura recibe el nombre de compuesto meso.
Un compuesto meso es un diastereómero aquiral de un compuesto con centros quirales. Por ser aquirales, los compuestos meso son ópticamente inactivos. En lugar de utilizar cuñas punteadas o sólidas líneas para representar el acomodo tridimensional de los grupos de una molécula quiral, es conveniente hacerlo mediante un dibujo en dos dimensiones. Michel desarrolló una forma muy útil para estas representaciones. Estas fórmulas reciben el nombre de proyecciones de Fischer.
En las fórmulas de proyección de Fischer, se omite la letra "C" para el carbono asimétrico y se representa como el punto de intersección entre una línea horizontal y otra vertical. Las líneas horizontales tienen unido al centro quiral con grupos que se proyectan hacia adelante del plano, es decir, estos grupos unidos mediante esta línea horizontal se acercan al observador. Las líneas verticales unen grupos que se proyectan hacia atrás del plano, se alejan del observador.
Por ejemplo, si miramos este modelo molecular con un centro quiral y lo miramos desde este ángulo, los grupos 3 y 4 son los que se acercan al observador, por lo tanto, se representan en la horizontal, y los grupos 1 y 2 se representan sobre la vertical porque se alejan del observador. Aquí, con una molécula concreta del ácido láctico, esta sería su representación en perspectiva, y si la miramos desde este ángulo, hidroxilo e hidrógeno son los grupos unidos por la línea horizontal, y carboxilo y metilo, que se alejan del observador, son los grupos unidos por las líneas verticales. Bueno, aquí algunos ejemplos de cómo transformar una estructura tridimensional en la proyección plana de Fischer.
Algo que tenemos que tener en cuenta es que las fórmulas de Fischer solamente se pueden manipular de manera que siempre mantengan su integridad estereoquímica, es decir, que no se cambie por el enantiómero. Las proyecciones de Fischer se pueden girar 180 grados en el plano del papel, pero nunca 90 grados. Una rotación de 90 grados en el plano del papel forma una proyección que representa el enantiómero.
Aquí tenemos este ácido láctico enantiómero. Si nosotros miramos desde este ángulo, los grupos que se acercan al observador son hidrógeno y el hidroxilo, por eso se representan en el plano sobre la línea horizontal. El carboxilo y metilo, que se alejan del observador, se representan sobre la vertical. Aquí vemos un par de enantiómeros, representaciones tridimensionales. Esta molécula es el gliceraldehído, que por tener un centro quiral tiene un par de enantiómeros y las correspondientes proyecciones de Fischer. Cuando miramos la estructura tridimensional desde este ángulo o en este otro caso, la miramos desde este otro ángulo.
Miremos cómo son las representaciones de Fischer para un par de enantiómeros. Los enantiómeros difieren en el ordenamiento de los grupos unidos al centro quiral. Dicho ordenamiento de grupos recibe el nombre de configuración del centro quiral. Por eso los enantiómeros son isómeros configuracionales. Los enantiómeros tienen configuraciones contrarias.
Cuando hablamos de un enantiómero en particular, debe especificarse a cuál configuración nos referimos, sin necesidad de hacer un dibujo de la estructura. Para hacer esto, hay un convenio que se conoce como el sistema R, S de Cahn, Ingold y Prelog. Se utiliza de la siguiente manera: a los cuatro grupos unidos al centro quiral se les asigna un orden de prioridad. Supongamos que ese orden es el siguiente: primera prioridad A, segunda prioridad B, tercera prioridad C y de cuarta prioridad D. A continuación, el centro quiral se observa desde el lado contrario al grupo de menor prioridad, que sería en este caso D, es decir, se deja el grupo de prioridad menor hacia atrás y se observa el sentido de giro para ir desde el grupo de mayor prioridad hacia el de menor prioridad, es decir, el sentido de giro para ir desde A pasando por B y llegar a C. Si el sentido es el de las agujas del reloj, este centro tendrá la configuración R (rectus), mientras que si el sentido para ir desde A hasta C pasando por B es contrario a las manecillas del reloj, la configuración del centro quiral es S (sinister). Una molécula, un enantiómero S, el otro enantiómero tendrá la configuración opuesta, es decir, R.
Algo a tener en cuenta es que la configuración absoluta no tiene ninguna relación con el signo y la magnitud de la rotación específica de una sustancia.
Bueno, ¿cómo asignamos la prioridad a los grupos unidos al centro quiral? Se utilizan las mismas reglas que usamos para el convenio Z, E en alquenos. El número atómico de los átomos directamente unidos al centro quiral determina su orden de prioridad. El átomo de mayor número atómico tiene la mayor prioridad. Y si uno de ellos es hidrógeno, este será el de prioridad menor.
Miremos este ejemplo donde tenemos cuatro halógenos enlazados al centro quiral: el de mayor número atómico es yodo, por eso tiene la primera prioridad, sigue bromo, cloro y flúor. En este caso, la primera prioridad la tiene el hidroxilo, dado que el oxígeno, que es el átomo enlazado al centro quiral, tiene número atómico 8, mayor que el 1 de los hidrógenos por el deuterio o que el 6 del carbono. Primera prioridad: hidroxilo. Segunda prioridad: carbono. Tercera prioridad: deuterio. Y última prioridad: el hidrógeno.
Si hay dos átomos iguales unidos al centro quiral, se observa en la posición siguiente qué átomo tiene el número atómico mayor. En caso de no coincidencia, se sigue a la siguiente posición y así sucesivamente.
¿Cómo aplicamos esta regla a este ejemplo? Miremos este centro quiral. Bueno, el de primera prioridad, indudablemente, el hidroxilo, porque oxígeno tiene mayor número atómico que los carbonos de los otros grupos. En este caso, el segundo grupo en prioridad es el carboxilo, porque el carbono está unido a oxígeno. Sin embargo, se puede complicar al momento de asignar la prioridad a este grupo o a este otro lado, que aquí tenemos carbono, hidrógeno, dos, y aquí también. Entonces, en caso de coincidencia, avanzamos hacia la siguiente posición. Aquí tenemos carbono, hidrógeno, dos, y aquí aparece la diferencia, porque este es carbono, carbono, hidrógeno. Por lo tanto, este sustituyente tiene prioridad respecto de este.
Y algunos de los átomos unidos al centro quiral participan de un enlace doble o de un enlace simple. Se supone que este está unido por enlaces sencillos a un número respectivamente triple-doble de átomos. Aquí tenemos el caso de este carbono unido por un triple enlace a este otro, sería equivalente a estar unidos por enlaces simples a tres átomos de carbono, o en este otro caso, este carbono estaría unido por enlaces simples a dos átomos de carbono.
Vamos a ver cómo asignar la configuración R, S a distintas moléculas. Veamos este par de enantiómeros, entonces, representados aquí mediante estas fórmulas de cuñas y líneas. Se coloca el de menor prioridad hacia atrás y se organizan los constituyentes en orden de prioridad. La primera prioridad la tiene el cloro, luego el flúor y por último metilo. Como están organizados en secuencia contraria a las agujas del reloj, la configuración del centro quiral es S. Su enantiómero deberá tener una configuración opuesta, es decir, R.
Miramos el centro quiral desde el lado opuesto al grupo de menor prioridad, es decir, colocando el grupo de menor prioridad hacia atrás. Miramos la secuencia de giro desde cloro, flúor, metilo. Como la secuencia es en el sentido de las agujas del reloj, este centro quiral tendrá la configuración R.
Otros ejemplos. En este caso, el hidrógeno está posicionado hacia atrás. Miramos la molécula desde este lado. Primera prioridad, según la prioridad, tercera prioridad. Secuencia en el sentido de las agujas del reloj, por lo tanto, la configuración del centro quiral siempre será R. En este otro caso, colocado el de menor prioridad hacia atrás, vamos desde la primera prioridad, segunda prioridad, al de tercera prioridad. En este caso, están organizados en el sentido de las agujas del reloj, por lo tanto, la configuración de este carbono también es R.
¿Cómo asignar la configuración R, S a partir de una proyección de Fischer? Y tenemos las estructuras tridimensionales, se hace la correspondiente proyección de Fischer. Se asignan las prioridades a los sustituyentes del centro quiral. En este caso, hidroxilo, la primera prioridad. Metilo, la segunda. Metilo, la tercera. Si el grupo de última prioridad es el hidrógeno, que está en la vertical, y la unión 1-2-3 va en sentido antihorario, la configuración del centro quiral es S. Y R, si fuera el sentido horario.
¿Qué ocurre si el último grupo en prioridad, que es el hidrógeno, está en la horizontal y la unión 1-2-3 va en sentido R? La configuración del centro quiral es S, o sea, es. Debido a que aquí en la proyección de Fischer, las líneas horizontales unen grupos que vienen hacia adelante, y las reglas para asignar la configuración R, S indican que hay que mirar la molécula del lado opuesto al grupo de menor prioridad, es decir, que hay que colocar el de menor prioridad hacia atrás. Es por eso que cuando el último grupo en prioridad está en la horizontal, van de se va siguiendo la secuencia primera prioridad, segunda y tercera, y si está en sentido, en este caso, antihorario, la configuración del centro quiral no es lo que es.
Bueno, y para terminar. [Música] Vamos a ver a qué se denomina configuración relativa. La configuración R, S es una configuración absoluta, dado que uno tiene una molécula y analiza el centro quiral y le asigna una configuración. Sin embargo, tenemos otro tipo de configuración denominada relativa, D/L, que solamente indica que el compuesto tiene la misma configuración que el D-gliceraldehído o que el L-gliceraldehído. En el D-gliceraldehído, el hidroxilo está hacia la derecha, y su enantiómero, que se denomina L-gliceraldehído, tiene el hidroxilo hacia la izquierda.
En forma general, se denomina isómero D al que presenta el grupo funcional a la derecha del espectador, e isómero L al que tiene el grupo funcional a la izquierda. En los azúcares, se considera grupo funcional al hidroxilo del penúltimo carbono, por ser el carbono asimétrico más alejado del grupo aldehído o cetona. En los aminoácidos, se considera grupo funcional al grupo amino del segundo carbono, que es el carbono que llamamos alfa.
Algo importante a tener en cuenta es que la nomenclatura D/L no indica si el compuesto es dextrógiro o levógiro.