Racemización: Definición, mecanismo y ejemplos

Definición de racemización

En química orgánica, un tipo especial de estructura molecular se denomina centro quiral. Los centros quirales se forman cuando un centro de carbono tiene cuatro sustituyentes diferentes. Dependiendo de la disposición de los sustituyentes alrededor del carbono central, se puede describir que la molécula tiene una configuración relativa o absoluta.

La configuración relativa utiliza la noción D- y L- al nombrar enantiómeros de azúcares o aminoácidos. Los enantiómeros son pares de moléculas que son imágenes especulares no superponibles entre sí. La Figura 1 muestra un ejemplo de los dos enantiómeros del transciclohexano. D significa dextrorrotatorio o del lado derecho, mientras que L se refiere a levógiro o del lado izquierdo. Esto significa que el grupo prioritario que ayuda a definir la molécula se encuentra en el lado derecho o izquierdo de la estructura.

En los azúcares, el grupo hidroxilo ({eq}OH^- {/eq}) del último carbono se sitúa a la derecha para los azúcares D y a la izquierda para los azúcares L. De la misma manera, en los aminoácidos, el grupo amino ({eq}NH_2 {/eq}) se encuentra a la derecha en los aminoácidos D y a la izquierda en los aminoácidos L.

El otro método para nombrar enantiómeros utiliza las designaciones R y S. Las configuraciones R y S se utilizan para identificar los dos enantiómeros de un centro quiral o estereocentro. La designación R se refiere a la derecha y refleja la orientación de los sustituyentes en el sentido de las agujas del reloj en orden de prioridad decreciente (de 1 a 4). Por el contrario, S significa «siniestro», de zurdo, que es la orientación antihoraria de los sustituyentes en orden de prioridad decreciente (de 1 a 4). La prioridad está determinada por el número atómico, donde «1» representa la prioridad más alta y «4» la prioridad más baja.

Los enantiómeros R y S de un centro quiral hacen girar la luz en direcciones opuestas. Esta rotación se puede observar en muestras purificadas que contienen el enantiómero R o S de un compuesto. Sin embargo, hay muchos casos, tanto en la naturaleza como en el laboratorio, en los que existen mezclas iguales de los dos enantiómeros. Esto se conoce como racemización.

¿Qué es la racemización en química orgánica? La definición de racemización debe incluir cada una de las siguientes características:

• Es una mezcla equimolar, lo que significa que hay cantidades iguales de dos sustancias.
• En la mezcla están presentes dos enantiómeros en las configuraciones R y S.
• La mezcla es ópticamente inactiva.

La inactividad óptica de una mezcla racémica se debe a la presencia de cantidades iguales de los enantiómeros R y S en la mezcla. Debido a que cada enantiómero refleja la luz de manera opuesta, los dos enantiómeros se cancelarán entre sí en términos de su rotación óptica. Por tanto, la mezcla es ópticamente inactiva.

La formación de modificación racémica, otro nombre de racemización, ocurre cuando se produce una mezcla racémica. Hay dos métodos principales responsables de la producción de racematos, como a veces se denominan mezclas racémicas:

1. En primer lugar, se puede mezclar una cantidad igual de los dos enantiómeros de un compuesto.
2. En segundo lugar, las reacciones pueden dar lugar a la creación de centros quirales, como una reacción {eq}S_N1 {/eq}, como se explicará más adelante en esta lección.

Ejemplos de racemización

Existen numerosos ejemplos de racemización tanto en la naturaleza como en condiciones de laboratorio. Por ejemplo, en la naturaleza existe una preferencia por el uso de L-aminoácidos y D-azúcares. Sin embargo, cuando los aminoácidos se exponen a ambientes ácidos o básicos fuertes, se puede formar una mezcla racémica de aminoácidos L y D.

Algunos otros ejemplos de racemización en química incluyen:

• La adición de R-3-fenil-2-butanona a una solución de etanol acuoso que contiene {eq}NaOH {/eq} o {eq}HCl {/eq} producirá una mezcla racémica que incluye las configuraciones R y L de 3- fenil-2-butanona.
• La adición de {eq}HBr {/eq} a 1-buteno producirá una mezcla racémica de los enantiómeros de 2-bromobutano.
• La hidrogenación de ciertos alquenos (compuestos con dobles enlaces carbono-carbono) producirá nuevos centros quirales que darán lugar a mezclas racémicas. Por ejemplo, el 3-metil-3-hepteno producirá una mezcla racémica de (R)- y (S)-3-metilheptano.

Mecanismo de racemización

Como se mencionó anteriormente en esta lección, un mecanismo de racemización común es la reacción de sustitución {eq}S_N1 {/eq}. Las reacciones {eq}S_N1 {/eq} involucran dos componentes principales: un nucleófilo y un grupo saliente. Un nucleófilo se refiere a cualquier molécula que sea capaz de donar electrones a sitios pobres en electrones. Un grupo saliente es capaz de mantener su estabilidad al abandonar una molécula más grande. Esto se debe al hecho de que los grupos salientes se llevarán electrones cuando abandonen una molécula.

La figura 2 muestra un ejemplo de una reacción {eq}S_N1 {/eq}.

Las reacciones {eq}S_N1 {/eq} se llevan a cabo en dos pasos. En el primer paso, el grupo saliente sale de la molécula. Debido a que el grupo saliente se lleva consigo electrones, el carbono central adquiere una carga positiva, lo que lleva a la formación de un carbocatión plano. Planar se refiere a la orientación plana de los átomos en una molécula. El carbocatión refleja la presencia de una carga positiva en el carbono central.

A menudo denominada intermediario carbocatión, esta molécula plana puede ser atacada por el nucleófilo desde ambos lados del intermediario. En el siguiente paso, el nucleófilo ataca el carbocatión desde la cara superior o inferior del intermedio plano. Debido a que el nucleófilo puede atacar por ambos lados, la reacción da como resultado la producción de los dos enantiómeros del compuesto, dependiendo del lado de la molécula al que se agrega el nucleófilo. Este paso de la reacción {eq}S_N1 {/eq} es rápido y permite que se forme una mezcla racémica.

En reacciones {eq}S_N1 {/eq}, los haluros como el bromuro ({eq}Br {/eq}) o el cloruro ({eq}Cl {/eq}) sirven como un excelente grupo saliente, debido a su estabilidad como iones y su capacidad para sufrir reacciones fácilmente con hidrógeno para formar haluros de alquilo (como {eq}HBr {/eq} o {eq}HCl {/eq}).

La Figura 3 muestra un ejemplo de una reacción {eq}S_N1 {/eq} que da como resultado la formación de dos enantiómeros. En el primer paso de esta reacción, el cloro representa el grupo saliente del que sale el 3-cloro-3-metilhexano. Esto da como resultado la formación de un carbocatión plano que es aquiral. El yodo, otro haluro, es el nucleófilo que puede atacar desde cualquier lado del intermedio carbocatión plano. El ataque nucleofílico da como resultado la formación de (R)- y (S)-3-yodo-3-metilhexano.

En otro ejemplo de una reacción {eq}S_N1 {/eq}, se añade agua a 3-bromo-3-metilhexano para formar una mezcla racémica de (R)- y (S)-3-metilhexan-3-ol. En el primer paso de la reacción, el bromo actúa como grupo saliente, lo que lleva a la formación de un carbocatión intermedio. Debido a la configuración plana del carbocatión, el agua puede atacar desde la parte superior o inferior del carbocatión. Esto da como resultado la producción de una mezcla racémica de los dos enantiómeros del 3-metilhexan-3-ol.

Resumen de la lección

Algunos compuestos químicos son capaces de formar imágenes especulares no súper imposibles entre sí, denominadas enantiómeros. Los enantiómeros se pueden describir por sus configuraciones de absolución utilizando las notaciones (R) y (S). Los enantiómeros (R) tienen sustituyentes quirales que se priorizan en el sentido de las agujas del reloj, mientras que los enantiómeros (L) utilizan la priorización de sustituyentes en sentido antihorario. Cuando una mezcla contiene una proporción de 1:1 de los enantiómeros (R) y (L), se dice que la mezcla es racémica o que ha sufrido racemización.

La reacción de sustitución {eq}S_N1 {/eq} representa el mecanismo más común que conduce a la racemización. Durante la reacción {eq}S_N1 {/eq}, un grupo saliente abandona el reactivo, lo que lleva a la formación de un carbocatión intermedio plano (plano) . Este intermedio plano permite que el nucleófilo, como el agua, ataque el carbocatión tanto desde la cara superior como desde la inferior. Como resultado, la reacción de sustitución {eq}S_N1 {/eq} dará como resultado una mezcla racémica que contiene 50 % (S) y 50 % (R).

Rodrigo Ricardo Editor y fundador