Topicidad en Estereoquímica: Definición, relaciones y ejemplos

¿Qué es la topicidad en estereoquímica?

Aunque la gente suele estudiar las moléculas desde una perspectiva bidimensional, los átomos y los electrones que los rodean en realidad existen dentro de un espacio tridimensional. La estereoquímica representa un concepto importante en química que se refiere al estudio de moléculas en el espacio tridimensional. En muchos subcampos de la química, la estereoquímica es un concepto importante porque la actividad de muchos compuestos depende de la orientación de una molécula en el espacio. En farmacología, por ejemplo, algunos medicamentos sólo funcionan cuando las moléculas que componen un compuesto están en una orientación específica entre sí.

Para describir la orientación entre diferentes átomos o una molécula, los químicos se basan en la topicidad. La topicidad es una forma especial de estereoquímica que describe la relación entre los átomos o sustituyentes en relación con la molécula más grande en la que se encuentran. Un sustituyente se refiere a cualquier átomo o compuesto que reemplaza al hidrógeno en una molécula.

La topicidad representa un concepto relativamente nuevo en química que se basa en el concepto de quiralidad. A veces denominada lateralidad, la quiralidad se produce cuando dos moléculas no se pueden superponer entre sí, incluso cuando los átomos giran alrededor del mismo átomo central. La quiralidad ocurre a menudo cuando hay diferentes átomos ubicados alrededor de un átomo de carbono central.

Un principio clave de la topicidad es que cada molécula ocupa un lugar específico dentro de una molécula. Esta ubicación depende de la ubicación de otros átomos que componen el compuesto o molécula más grande.

El tema es importante por varias razones importantes. En primer lugar, los diferentes mecanismos de reacción dependen de la accesibilidad de los átomos de hidrógeno u otros sustituyentes para permitir que se produzca una reacción. A continuación, la temática explica cómo la espectroscopía de RMN (resonancia magnética nuclear) es capaz de distinguir entre diferentes hidrógenos o sustituyentes contenidos en una molécula. De hecho, las señales producidas por la espectroscopia de RMN dependen de las interacciones entre átomos adyacentes en función de sus ubicaciones dentro de una molécula.

Esta lección proporciona una descripción general de los cuatro tipos principales de topicidad descritos por los químicos, además de ejemplos de moléculas que reflejan cada tipo de topicidad.

Cuatro relaciones de tema diferentes

La topicidad está determinada por las ubicaciones específicas de los átomos dentro de una molécula, así como por sus relaciones espaciales entre sí. En cada caso, la determinación de la topicidad de las moléculas depende de la orientación de los átomos de hidrógeno en relación con toda la estructura o dentro de un par de estructuras. Utilizando estos criterios, los químicos han identificado cuatro tipos principales de topicidad:

• Relaciones homotópicas
• Relaciones heterotópicas
• Relaciones enantiotópicas
• Relaciones diastereotópicas

La homotopicidad, la enantiotopicidad y la diastereotopicidad representan los tres tipos principales de relaciones estereoquímicas que a menudo se tratan en la clase de química. La heterotopicidad representa a veces un cuarto tipo de relación estereoquímica descrita por los químicos. Las siguientes subsecciones proporcionan una discusión más profunda de estas cuatro relaciones de topicidad. También se proporcionan ejemplos para cada tipo de tema.

homotópico

A los compuestos homotópicos a veces se les llama “moléculas gemelas”. Este apodo se deriva de la observación de que los átomos de hidrógeno que se encuentran en ciertas moléculas como el metano ({eq}CH_4 {/eq} mantienen la misma relación espacial entre sí incluso cuando giran alrededor del átomo de carbono central. Esto significa que no importa dónde esté el Cuando se coloca un ion hidrógeno, se forma la misma molécula. Los átomos de hidrógeno del metano a menudo se describen como homotópicos.

Para identificar un par homotópico de moléculas, primero es importante averiguar si los dos compuestos son iguales. Esto significa que las moléculas de hidrógeno de cada compuesto producen el mismo compuesto sin importar dónde se encuentren respecto del carbono central. Luego, reemplace un átomo de hidrógeno en cada molécula con el mismo sustituyente, como el cloro que se muestra en la Figura 1. No importa qué átomo de hidrógeno se reemplace con el átomo de cloro, los dos compuestos siguen siendo los mismos: clorometano.

heterotópico

Los compuestos heterotópicos representan isómeros constitucionales, lo que significa que tienen la misma fórmula química, pero con diferente conectividad entre los átomos. Por ejemplo, la Figura 2 muestra la estructura de dos isómeros constitucionales del cloronitrobenceno.

En el primer isómero constitucional, el átomo de hidrógeno resaltado tiene un sustituyente de cloro en un lado y un átomo de hidrógeno en el otro. En el segundo isómero constitucional, el átomo de hidrógeno resaltado tiene un sustituyente cloro ({eq}Cl {/eq}) en un lado y un grupo funcional nitro ({eq}NO_2 {/eq}) en el otro lado. Debido a que los átomos de hidrógeno son adyacentes a diferentes conjuntos de sustituyentes, tienen diferentes temas. Por tanto, estas dos moléculas se describen como un par heterotópico.

enantiotópico

Los compuestos se describen como enantiotópicos cuando forman un par de enantiómeros. Los enantiómeros se refieren a un conjunto de imágenes especulares que no se pueden superponer unas sobre otras. En muchas clases de química, las manos derecha e izquierda de los humanos se utilizan como ejemplos de pares de enantiómeros. Cada enantiómero refleja la luz de forma diferente, lo que los hace ópticamente diferentes entre sí.

La Figura 3, por ejemplo, muestra un par de átomos de hidrógeno resaltados en azul y rojo. El hidrógeno azul se proyecta desde el plano de la molécula, como lo muestra la cuña, mientras que el hidrógeno rojo retrocede del plano, como lo muestra la línea discontinua. Los átomos de hidrógeno rojos y azules son enantiotópicos porque se encuentran en diferentes planos alrededor del mismo carbono central en una sola molécula.

Para probar la enantiotopicidad que involucra dos moléculas, primero, determine si las estructuras representan imágenes especulares entre sí. Si son imágenes especulares, entonces pruebe la enantiotopicidad observando los átomos de hidrógeno resaltados para ver si uno se proyecta desde el plano del mismo carbono central mientras el otro retrocede. Los átomos que se proyectan se representan mediante una cuña, mientras que los átomos que retroceden se muestran mediante una línea discontinua.

Por ejemplo, la Figura 4 muestra un par de moléculas enantiotópicas en las que los átomos de hidrógeno resaltados se encuentran en diferentes planos alrededor del mismo carbono central de la estructura. Los átomos de hidrógeno resaltados se encuentran en planos opuestos del mismo carbono central de dos moléculas, lo que hace que estos dos átomos de hidrógeno sean enantiotópicos.

diastereotópico

Los átomos se describen como diasteretópicos cuando se encuentran en un par de diastereómeros. Los diastereómeros, a diferencia de los enantiómeros, no se reflejan entre sí y no pueden superponerse entre sí. Para probar átomos de hidrógeno diastereotópicos, primero observe si las moléculas no representan imágenes especulares entre sí. Si las moléculas no son imágenes reflejadas, busque átomos de hidrógeno que se encuentren en planos opuestos del mismo carbono central en las dos estructuras.

La Figura 5, por ejemplo, muestra un par de moléculas diastereotópicas. Estas estructuras no son imágenes especulares entre sí y no pueden superponerse. Al observar los átomos de hidrógeno resaltados, cada uno se encuentra en un plano diferente del mismo carbono central, uno sobresaliendo del plano y el otro alejándose del plano. Estos dos átomos de hidrógeno son, por tanto, átomos diastereotópicos porque se encuentran en lados diferentes de un átomo de carbono central que forma parte de un par de diastereoisómeros.

Resumen de la lección

La topicidad es un concepto en estereoquímica que describe cómo los átomos o sustituyentes de una molécula están relacionados espacialmente entre sí. La topicidad de un compuesto se prueba observando la orientación de los átomos de hidrógeno dentro de una sola estructura o un par de estructuras. Un sustituyente se refiere a cualquier átomo o molécula que reemplaza un átomo de hidrógeno alrededor de un átomo de carbono central. Hay cuatro tipos principales de topicidad:

• Relaciones homotópicas
• Relaciones heterotópicas
• Relaciones enanteotópicas
• Relaciones diastereotópicas

Las moléculas homotópicas a menudo se describen como estructuras gemelas porque la orientación de la molécula de hidrógeno es la misma sin importar cómo se encuentre alrededor del átomo de carbono central, como ocurre con los hidrógenos de una molécula de metano. Los hidrógenos heterotópicos se producen cuando las dos moléculas comparadas forman isómeros constitucionales. Los hidrógenos enantiotópicos se forman cuando dos hidrógenos se encuentran en planos opuestos de una sola molécula, en planos opuestos de un par de enantiómeros o estructuras que forman imágenes especulares entre sí. Los hidrógenos diastereotópicos también se encuentran en planos opuestos de un par de estructuras que forman diastereómeros, o moléculas no superponibles que no representan imágenes especulares entre sí.