Quiralidad, enantiómeros y proyecciones de Fischer
Tomá tus dos manos y mirálas: una es la imagen en el espejo de la otra, pero por más que las gires, no podés superponerlas. Probá ponerte el guante derecho en la mano izquierda y vas a ver que no entra bien. Algo parecido pasa con muchas moléculas del cuerpo: la glucosa que usan tus células y su «imagen en el espejo» son sustancias distintas, y el organismo solo aprovecha una. ¿Cómo se reconoce esa diferencia y cómo se dibuja? De eso trata esta página.
El carbono asimétrico
Un átomo de carbono con hibridación $sp^3$ forma cuatro enlaces dirigidos hacia los vértices de un tetraedro. Si los cuatro sustituyentes son distintos entre sí, el carbono es especial: hay dos maneras diferentes de ordenarlos en el espacio.
Fijate que la condición es sobre los grupos que rodean al carbono, no solo sobre los átomos vecinos. En el 2-butanol, $\mathrm{CH_3-CHOH-CH_2-CH_3}$, el carbono 2 tiene $-\mathrm{H}$, $-\mathrm{OH}$, $-\mathrm{CH_3}$ y $-\mathrm{CH_2CH_3}$: cuatro grupos distintos, así que es quiral. El grupo metilo y el etilo empiezan los dos con carbono, pero no son iguales.
Explicá con tus palabras qué es un carbono asimétrico (o centro quiral) y qué condición debe cumplir un átomo de carbono para serlo. Después indicá si el carbono central…
Explicá con tus palabras qué es un carbono asimétrico (o centro quiral) y qué condición debe cumplir un átomo de carbono para serlo. Después indicá si el carbono central del $\mathrm{CH_2Cl_2}$ es quiral y justificá tu respuesta.
Enantiómeros
Una molécula con un carbono asimétrico existe en dos formas que son imagen especular una de la otra y no se pueden superponer, igual que tus manos.
Tienen la misma fórmula, los mismos enlaces y casi todas las propiedades físicas iguales (punto de fusión, solubilidad en agua, densidad). Se diferencian en dos cosas:
-
Desvían el plano de la luz polarizada en el mismo ángulo pero en sentido opuesto (actividad óptica).
-
Reaccionan de manera distinta con otras moléculas quirales, como las enzimas y los receptores del cuerpo. El guante derecho solo calza bien en la mano derecha.
Definí el término «enantiómeros». Luego decidí si el siguiente par de moléculas puede considerarse enantiómeros: dos moléculas con un único carbono quiral, que son…
Definí el término «enantiómeros». Luego decidí si el siguiente par de moléculas puede considerarse enantiómeros: dos moléculas con un único carbono quiral, que son imágenes especulares entre sí y no se pueden superponer. Justificá brevemente.
La proyección de Fischer
Dibujar tetraedros es incómodo cuando la molécula tiene varios carbonos quirales. Emil Fischer propuso una convención que permite escribirlos en el plano de la hoja.
Dos movimientos están permitidos y uno no:
-
Girar la proyección 180° en el plano de la hoja no cambia la molécula.
-
Intercambiar dos sustituyentes de un mismo carbono quiral invierte la configuración de ese carbono: si es el único centro quiral de la molécula, se obtiene su enantiómero; si hay más centros, se obtiene un diasterómero (un epímero).
-
Girarla 90° cambia la molécula: los enlaces horizontales pasarían a ser verticales y se cambiaría la convención.
El aminoácido alanina tiene la fórmula $\mathrm{CH_3-CH(NH_2)-COOH}$. Dibujá la proyección de Fischer de la L-alanina, colocando el grupo carboxilo ($-\mathrm{COOH}$)…
El aminoácido alanina tiene la fórmula $\mathrm{CH_3-CH(NH_2)-COOH}$. Dibujá la proyección de Fischer de la L-alanina, colocando el grupo carboxilo ($-\mathrm{COOH}$) arriba y el metilo ($-\mathrm{CH_3}$) abajo. Indicá hacia qué lado queda el grupo $-\mathrm{NH_2}$ y explicá por qué esa disposición corresponde a la serie L. Luego mencioná qué relación tiene con la D-alanina.
Series D y L
Para nombrar los enantiómeros de azúcares y aminoácidos se usa una configuración relativa: se compara con el gliceraldehído, que se tomó como referencia.
El criterio es solo una convención de dibujo: D y L no indican hacia dónde desvía la luz. Un azúcar D puede desviarla a la izquierda o a la derecha.
Los azúcares naturales son casi todos de la serie D, y los aminoácidos de las proteínas son de la serie L. Por eso hablamos de D-glucosa y de L-alanina.
En una proyección de Fischer de un monosacárido, el grupo $-\mathrm{OH}$ del carbono quiral más alejado del grupo carbonilo (el de mayor numeración) está dibujado a la…
En una proyección de Fischer de un monosacárido, el grupo $-\mathrm{OH}$ del carbono quiral más alejado del grupo carbonilo (el de mayor numeración) está dibujado a la derecha. ¿A qué serie estereoquímica pertenece ese azúcar, D o L? Explicá qué criterio usaste para decidirlo.
Configuración absoluta: R y S
La serie D/L es una configuración relativa: compara con el gliceraldehído. La configuración absoluta describe la disposición real de los grupos alrededor de un carbono quiral con las letras R y S.
Los dos enantiómeros de un carbono quiral tienen configuraciones opuestas: uno es R y el otro S. R/S no tiene relación fija con D/L ni con el sentido en que se desvía la luz.
Varios carbonos quirales: $2^n$ estereoisómeros
Cuando una molécula tiene $n$ carbonos asimétricos, cada uno puede tener dos disposiciones. El número máximo de estereoisómeros es
$$2^n$$Por qué: por cada centro, la cantidad de combinaciones se duplica (2 con un centro, 4 con dos, 8 con tres, y así).
La aldohexosa de cadena abierta $\mathrm{CHO-CHOH-CHOH-CHOH-CHOH-CH_2OH}$ tiene los carbonos 2, 3, 4 y 5 quirales. Los extremos no: C1 es un carbonilo ($sp^2$) y C6 tiene dos hidrógenos.
Algunos de esos 16 son la D-glucosa, la D-manosa o la D-galactosa, que vas a ver enseguida.
La aldohexosa $\mathrm{C_6H_{12}O_6}$ de cadena abierta tiene la estructura $\mathrm{CHO-CHOH-CHOH-CHOH-CHOH-CH_2OH}$. Identificá cuántos carbonos quirales posee y…
La aldohexosa $\mathrm{C_6H_{12}O_6}$ de cadena abierta tiene la estructura $\mathrm{CHO-CHOH-CHOH-CHOH-CHOH-CH_2OH}$. Identificá cuántos carbonos quirales posee y calculá cuántos estereoisómeros posibles tiene usando la expresión $2^n$. Indicá cuántos de ellos pertenecen a la serie D y cuántos a la serie L.
Diasterómeros, epímeros y formas meso
Con más de un centro quiral aparece una relación nueva.
Si dos diasterómeros difieren en la configuración de un solo carbono quiral, se llaman epímeros. Los cis/trans de un alqueno también son diasterómeros (geométricos).
Esta es la D-glucosa y dos azúcares relacionados (los $-\mathrm{OH}$ de C2 a C5, de arriba hacia abajo):
| Azúcar | C2 | C3 | C4 | C5 |
|---|---|---|---|---|
| D-glucosa | der. | izq. | der. | der. |
| D-manosa | izq. | izq. | der. | der. |
| D-galactosa | der. | izq. | izq. | der. |
| L-glucosa | izq. | der. | izq. | izq. |
La L-glucosa es el enantiómero de la D-glucosa (cambian los cuatro). La D-manosa y la D-galactosa son diasterómeros de la D-glucosa, y más precisamente epímeros: la manosa difiere en C2, la galactosa en C4.
Fijate que en cada carbono quiral falta el $-\mathrm{H}$, que va del otro lado, y que no se escribe para no cargar el dibujo.
Formas meso
Que haya $n$ centros quirales no garantiza $2^n$ estereoisómeros ni que todos sean ópticamente activos. Si la molécula tiene un plano de simetría interno, la parte de arriba es la imagen especular de la de abajo y la molécula es aquiral aunque tenga centros quirales: es una forma meso.
El ácido tartárico, $\mathrm{HOOC-CHOH-CHOH-COOH}$, tiene dos carbonos quirales con los mismos cuatro grupos cada uno. Por eso no hay 4 estereoisómeros distintos sino 3:
-
Dos enantiómeros (los dos $-\mathrm{OH}$ del mismo lado de la cruz de Fischer, a la derecha o los dos a la izquierda): ópticamente activos.
-
Una forma meso (un $-\mathrm{OH}$ a cada lado): aquiral, sin actividad óptica, porque tiene un plano de simetría. Es un diasterómero de cada uno de los otros dos.
La D-glucosa y la D-galactosa son aldohexosas que difieren únicamente en la configuración del carbono 4 (en la proyección de Fischer, el $-\mathrm{OH}$ del C4 está a la…
La D-glucosa y la D-galactosa son aldohexosas que difieren únicamente en la configuración del carbono 4 (en la proyección de Fischer, el $-\mathrm{OH}$ del C4 está a la derecha en la glucosa y a la izquierda en la galactosa). Explicá si son enantiómeros o diastereómeros, y justificá por qué. Indicá además el nombre específico que reciben los diastereómeros que difieren en un solo carbono quiral.
Dada la D-glucosa en proyección de Fischer, con los grupos $-\mathrm{OH}$ de los carbonos 2, 3, 4 y 5 ubicados así: C2 derecha, C3 izquierda, C4 derecha, C5 derecha: a)…
Dada la D-glucosa en proyección de Fischer, con los grupos $-\mathrm{OH}$ de los carbonos 2, 3, 4 y 5 ubicados así: C2 derecha, C3 izquierda, C4 derecha, C5 derecha:
- a) Escribí la proyección de Fischer de su enantiómero (L-glucosa) y explicá cómo la obtuviste.
- b) Escribí la proyección de un diastereómero que difiera solo en el C2 e indicá su nombre común.
- c) Explicá por qué el enantiómero y el diastereómero no se comportan igual frente a las enzimas del organismo.
Una estudiante, Valentina, afirma: «Si una molécula tiene dos carbonos quirales, siempre existen exactamente cuatro estereoisómeros y todos son ópticamente activos».…
Una estudiante, Valentina, afirma: «Si una molécula tiene dos carbonos quirales, siempre existen exactamente cuatro estereoisómeros y todos son ópticamente activos». Analizá críticamente esta afirmación. Para eso, considerá el ácido tartárico, $\mathrm{HOOC-CHOH-CHOH-COOH}$, y explicá si existe algún estereoisómero que, aun con dos carbonos quirales, sea aquiral (forma meso). Indicá cuántos estereoisómeros distintos tiene en total y qué relación hay entre ellos.
Vuelta al principio: la glucosa y su imagen especular, como tus dos manos, tienen la misma fórmula pero no se superponen. Son enantiómeros, y el cuerpo, que está hecho de moléculas quirales, solo usa la forma D.