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¿Qué es la estereoquímica?

Publicado el 1 octubre, 2020

Azúcares y estereoquímica

¿Sabías que la única diferencia entre la galactosa (parte de los azúcares de la leche) y la glucosa (parte del azúcar del azúcar de mesa) es que en la galactosa uno de los grupos OH apunta hacia arriba, mientras que en la glucosa ese mismo grupo OH es el punto? abajo. Sin embargo, la leche no sabe nada dulce (incluso si comiera galactosa sola, no parecería muy dulce), pero el azúcar tiene un sabor muy dulce. ¿Cómo es que este pequeño cambio hace una gran diferencia? Se trata de estereoquímica.


La glucosa es parte del azúcar de mesa
Estructura de glucosa


La galactosa es parte del azúcar de la leche, aunque tiene un sabor muy diferente al de la glucosa, solo difiere con un grupo OH apuntando hacia arriba en lugar de hacia abajo.
Estructura de galactosa

La estereoquímica es la conformación tridimensional de moléculas. No tiene que ver con qué átomos están presentes, o incluso en qué orden están conectados, tiene que ver con qué dirección apunta cada una de esas conexiones.

Representando la estructura 3D

Hay muchas formas diferentes de “visualizar” la conformación 3D. Los principales son las conformaciones de sillas, las cuñas y las proyecciones de Fischer. Las conformaciones de silla son útiles para moléculas circulares donde se representan diferentes direcciones usando direcciones axiales y ecuatoriales. Las proyecciones de Fischer son una representación en la que arriba, abajo, izquierda y derecha representan una dirección diferente.


Proyección de Fisher simple
Proyección de Fisher simple

Relaciones en estereoquímica

Cuando dos moléculas tienen la misma estructura molecular pero diferentes configuraciones 3D, se pueden definir como isómeros . Los isómeros se pueden definir además como enantiómeros, diastereómeros, epímeros y compuestos meso. Antes de entrar en estas definiciones, necesitamos definir un estereocentro. Un estereocentro es un punto de la molécula donde cada conexión es única. Esto puede resultar confuso porque un carbono podría tener un hidrógeno, un oxígeno y dos carbonos conectados directamente y seguir siendo un estereocentro. Esto se debe a que 1 carbono podría conectarse a 3 hidrógenos mientras que el otro carbono podría conectarse a 2 hidrógenos y luego a CH3. En este caso, estos 2 carbonos son diferentes. Entonces, sería un estereocentro.


Aunque parece que este carbono está conectado a dos de los mismos átomos, carbono, sigue siendo un estereocentro porque cada carbono tiene diferentes átomos unidos a él.
Proyección de Fisher

Epimer

Ahora que sabemos qué es un estereocentro, veamos algunos de los posibles tipos de isómeros. Primero, tenemos un epímero. Un epímero es cuando una molécula es exactamente igual, excepto que un estereocentro es diferente. En el ejemplo anterior con galactosa y glucosa, estos eran epímeros porque estas dos moléculas son exactamente iguales, excepto que un grupo OH apuntaba hacia arriba en lugar de hacia abajo. Cuando los miramos como una proyección de Fischer, el OH de la galactosa apunta hacia la izquierda y el OH de la glucosa apunta a la derecha en el tercer carbono.

Diastereómero

El siguiente es un diastereoisómero. Un diastereoisómero es un isómero en el que dos o más estereocentros son diferentes, pero no todos. Además, los estereocentros no pueden crear una imagen especular entre sí. Un ejemplo de esto es con galactosa y otro azúcar, manosa.

Estructuras de manosa y galactosa

Podemos ver que los estereocentros en los carbonos 3 y 4 son diferentes para la galactosa y la manosa, pero son los mismos en todas partes.

Enantiómero

Un enantiómero es cuando tenemos dos moléculas que son imágenes especulares entre sí. Ahora, debemos tener mucho cuidado al determinar cuándo dos moléculas son enantiómeros frente a la misma molécula exacta. Nuestras manos son enantiómeros unas de otras. Son exactamente imágenes especulares entre sí, pero no importa cómo oriente sus manos, no puede apilar una encima de la otra, no son exactamente iguales. Pero los calcetines también pueden ser imágenes especulares entre sí, pero puede rotar los calcetines para que se apilen bien uno encima del otro, de modo que no sean enantiómeros.

Enantiómeros

Los diferentes enantiómeros se nombran usando D y L. Para determinar si un enantiómero es D o L, observe el último estereocentro de la molécula. Para los azúcares, esto es fácil de determinar utilizando una proyección de Fischer. Un azúcar D (como la D-manosa) tiene el OH a la derecha, mientras que un azúcar L (como la L-manosa) tiene el OH de la izquierda. Naturalmente, normalmente vemos azúcares D. Es de destacar que, naturalmente, vemos L-aminoácidos. Un L-azúcar o un D-aminoácido no será reconocido ni metabolizado por nuestro cuerpo normalmente. Este es un ejemplo importante de lo importante que puede ser un cambio de estereocentro.

D y L manosa

Configuraciones D / L y R / S

Así que hemos hablado un poco sobre las configuraciones D y L, pero no siempre es tan fácil como con el azúcar determinar si una molécula es D vs L. De hecho, solo podemos determinarlo midiendo la luz polarizada plana y observando en qué dirección gira. Si se gira en el sentido de las agujas del reloj, entonces es D; si se gira en sentido antihorario, entonces es L.

Otra forma de asignar la dirección de configuración es usando R y S. Parece bastante simple. Primero, asigna un orden de “importancia” o “prioridad” a cada sustituyente. Esto simplemente significa qué sustituyente es el más electronegativo.

Después de asignar prioridad, podemos asignar una dirección. Nos orientamos de modo que miremos la molécula como si la prioridad más baja apuntara hacia otro lado. Luego, miramos la molécula y comenzando en 1 y vamos a 3, determinamos si va en sentido horario o antihorario. A la derecha se le asigna R, mientras que a la izquierda se le asigna S.

R y S

En este ejemplo, es bastante sencillo. Simplemente actuamos como si estuviéramos mirando la molécula desde el lado derecho. Con la figura 1, comenzamos con la prioridad 1, vamos al número 2, y luego al número 3, y podemos ver que va en el sentido de las agujas del reloj, por lo que es ‘R’. Luego, la figura 2 va en sentido antihorario, por lo que es ‘S’.


No se confunda pensando que esta es una conformación R.
Debido a que el cuarto grupo apunta hacia arriba, debemos mirar la molécula desde atrás.
Al revés S

Esto comienza a complicarse un poco más cuando el grupo de cuarta prioridad no está apuntando en una dirección fácil de visualizar de espaldas a él.


Una vez que volteamos la molécula, podemos ver que en realidad es una conformación S
Volteado S

En este ejemplo, el cuarto grupo apunta hacia arriba (la cuña indica que apunta hacia arriba). Si simplemente lo miráramos normalmente, parece que giramos en el sentido de las agujas del reloj, por lo que parece ser ‘R’. Esto no es correcto. Cuando giramos la molécula (sin reorganizar la configuración real), vemos que en realidad es ‘S’.

Actividad óptica

Una forma de medir la estereoquímica de una molécula es con luz polarizada plana. Diferentes estereoisómeros rotan la luz polarizada en diferentes direcciones, de ahí provienen la ‘D’ y la ‘L’. Las moléculas pueden ser quirales o aquirales. Las moléculas quirales son moléculas donde tomamos la imagen especular y no se pueden superponer, hacen girar la luz polarizada y se denominan ópticamente activas . Las moléculas con un estereocentro 1 son siempre quirales. Las moléculas de achira pueden superponerse en su propia imagen especular y no son ópticamente activas. Otro nombre para los compuestos aquirales son estructuras meso. Una forma de identificar una molécula aquiral es buscar un eje de simetría. ¿Hay un lugar en la molécula donde puedas cortarla por la mitad y son idénticas en cada mitad?


Si cortamos esta molécula por la mitad en la línea punteada roja, las dos mitades serán exactamente iguales y podrían apilarse una encima de la otra para que sea aquiral.
Quiralidad

Un compuesto quiral podría terminar pareciendo no ser ópticamente activo si tenemos una mezcla racémica. Una mezcla racémica es aquella en la que tenemos cantidades iguales de formas izquierda y derecha. Entonces terminan anulándose entre sí al medir la polarización (ya que la actividad óptica izquierda es exactamente el negativo de la actividad óptica derecha).

Resumen de la lección

La estereoquímica se ocupa de la conformación tridimensional de una molécula. Esto se puede visualizar utilizando conformaciones de sillas y proyecciones de Fisher . Cuando dos moléculas tienen la misma estructura molecular pero una conformación 3D diferente, se trata de isómeros . Los isómeros pueden ser epímeros , diastereómeros o enantiómeros . La estereoquímica se puede medir utilizando luz polarizada plana. Si se gira la luz, está ópticamente activa . Las moléculas quirales son ópticamente activas, mientras que las moléculas aquirales (o compuestos meso ) no lo son.

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