Inducción asimétrica: definición, factores y métodos

¿Qué es la inducción asimétrica?

Cuando los compuestos químicos reaccionan entre sí, átomos específicos de la molécula participarán en la reacción. Pero los compuestos químicos no son sólo objetos bidimensionales como los que vemos en el papel. Cada uno de esos átomos existe en un plano 3D. El átomo podría estar sobresaliendo, mientras que otro átomo que desempeña un papel en la reacción podría estar apuntando hacia atrás. Cuando dos compuestos tienen la misma estructura 2D pero diferentes estructuras 3D que son imágenes especulares entre sí, se denominan enantiómeros.

Entonces, cuando ocurre una reacción, a veces solo se forma uno de los enantiómeros. Cuando un enantiómero se forma preferentemente sobre otro enantiómero, esto se llama inducción asimétrica.

Los dos enantiómeros que se forman se denominan forma D y forma L según la dirección en la que gira la luz polarizada en el plano. La mayoría de las reacciones crearán ambos enantiómeros, creando una mezcla racémica. Esto significa que las formas D y L se forman en proporciones iguales (la mezcla consta del 50% de cada forma). Cuando este es el caso, la mezcla no hace girar ninguna luz polarizada en el plano porque las dos direcciones se cancelan entre sí. Cuando uno se forme más que el otro, la mezcla comenzará a girar la luz en esa dirección.

Factores que afectan la inducción asimétrica

Para que se produzca una inducción asimétrica, el producto debe ser quiral o, en otras palabras, debe tener enantiómeros entre sí. A continuación, la reacción debe producir preferentemente un enantiómero sobre el otro.

Cuando es posible formar dos enantiómeros en una reacción, se produce una inducción asimétrica basada en los siguientes factores:

• ¿Qué tan cerca están los dos centros quirales entre sí?

Los diferentes enlaces tienen diferentes longitudes. Si el enlace involucrado en el enantiómero (los dos centros quirales) es un enlace muy corto, entonces será más probable que ocurra una inducción asimétrica. Cuanto más largo sea el vínculo, menos probable será que se produzca una inducción asimétrica.

• ¿Cuánto control electrónico existe?

Si todos los grupos unidos a los centros quirales tienen un control electrónico similar (por ejemplo, electronegatividad similar), entonces es menos probable que se produzca una inducción asimétrica.

• Si existe un producto intermedio con dos posibles diastereómeros.

Un diastereómero es como un enantiómero, excepto que los dos no son imágenes especulares entre sí. Si un diastereómero se puede formar mucho más fácilmente (por ejemplo, si es más fácil acceder a la parte posterior porque una molécula grande bloquea la parte frontal) y requiere menos energía para formarse, entonces será más probable que se forme ese diastereómero. Esto limita los tipos de productos intermedios que pueden formarse, limitando así también cuáles pueden ser los productos finales. Es necesario que haya un producto intermedio diastereómero para que una reacción tenga inducción asimétrica. Cuanto mayor sea la diferencia de energía entre los dos diastereómeros, más probable será que se produzca una inducción asimétrica.

Métodos de inducción asimétrica

Existen varias reacciones y métodos diferentes para que se produzca la inducción asimétrica. Éstas incluyen:

• Epoxidación sin punta, que toma alquenos y los oxida en epóxidos.
• Síntesis de aminoácidos, en la que solo existe de forma natural la configuración L de los aminoácidos (para la mayoría de los aminoácidos). Algunas reacciones sintéticas se acercan a producir únicamente la configuración L, pero los sistemas biológicos son mucho más eficientes en ello.
• La reducción de cetonas utilizando un agente reductor quiral, en el que una cetona se reduce a un alcohol y, dependiendo de la quiralidad del agente reductor, producirá un enantiómero específico.

Al igual que ocurre con la síntesis de aminoácidos, los sistemas biológicos son muy eficientes en la producción de un solo enantiómero. Para la mayoría de las reacciones sintéticas, si entre el 97% y el 99% del producto es el enantiómero deseado, entonces se considera una reacción exitosa. Biológicamente el enantiómero necesario se produce el 100% del tiempo. Esto ocurre mediante el uso de enzimas complejas y específicas, que mantendrán las moléculas en su lugar, permitiendo que la reacción solo ocurra en una única ubicación 3D de la molécula.

Resumen de la lección

Los enantiómeros describen dos compuestos que tienen la misma estructura 2D pero diferentes estructuras 3D que son imágenes especulares entre sí.

En muchas reacciones se pueden formar tanto el enantiómero D como el L. Cuando una reacción prefiere producir un enantiómero sobre el otro, esto se llama inducción asimétrica. Los factores que conducen a una inducción asimétrica incluyen:

• Debe haber un producto intermedio, tiene dos posibles diastereómeros que tienen niveles muy diferentes de energía necesaria para que se formen y existan (cuanto mayor sea la diferencia, más probable será que se produzca una inducción asimétrica)
• Qué tan cerca están los dos centros quirales entre sí (cuanto más cerca estén los centros quirales, es más probable que se produzca una inducción asimétrica)
• Cuánto control electrónico existe (cuanto mayor sea la diferencia en el control eléctrico entre diferentes accesorios, más probable será que se produzca una inducción asimétrica)

Las reacciones que utilizan inducción asimétrica incluyen:

• Epoxidación sin filo: alquenos oxidados a epóxidos
• Síntesis de aminoácidos
• Reducción de cetonas mediante un agente reductor quiral.

Los sistemas biológicos suelen ser 100% eficaces a la hora de producir un único enantiómero.