En química , la configuración absoluta se refiere a la disposición espacial de los átomos dentro de una entidad molecular (o grupo ) que es quiral , y su descripción estereoquímica resultante. [1] La configuración absoluta es típicamente relevante en moléculas orgánicas donde el carbono está unido a cuatro sustituyentes diferentes . Este tipo de construcción crea dos posibles enantiómeros . La configuración absoluta utiliza un conjunto de reglas para describir las posiciones relativas de cada enlace alrededor del átomo central quiral. El método de etiquetado más común utiliza los descriptores R o S y se basa en las reglas de prioridad de Cahn-Ingold-Prelog . R y S se refieren a rectus y sinister , en latín para derecha e izquierda, respectivamente.
Las moléculas quirales pueden diferir en sus propiedades químicas, pero son idénticas en sus propiedades físicas, lo que puede hacer que distinguir enantiómeros sea un desafío. Las configuraciones absolutas para una molécula quiral (en forma pura) se obtienen con mayor frecuencia mediante cristalografía de rayos X , aunque con algunas limitaciones importantes. Todas las moléculas quirales enantioméricamente puras cristalizan en uno de los 65 grupos de Sohncke (grupos espaciales quirales). Las técnicas alternativas incluyen dispersión rotatoria óptica , dicroísmo circular vibracional , espectroscopia ultravioleta-visible , el uso de reactivos de desplazamiento quiral en RMN de protones e imágenes de explosión de Coulomb. [2] [3]
Hasta 1951, no fue posible obtener la configuración absoluta de los compuestos quirales. En algún momento se decidió arbitrariamente que el (+)- gliceraldehído era el enantiómero D. [4] [5] La configuración de otros compuestos quirales se relacionó entonces con la del (+)-gliceraldehído mediante secuencias de reacciones químicas . Por ejemplo, la oxidación del (+)-gliceraldehído ( 1 ) con óxido de mercurio da ácido (−)-glicérico ( 2 ), una reacción que no altera el estereocentro. Por lo tanto, la configuración absoluta del ácido (−)-glicérico debe ser la misma que la del (+)-gliceraldehído. La oxidación de la (+)- isoserina ( 3 ) por ácido nitroso da ácido (−)-glicérico, estableciendo que la (+)-isoserina también tiene la misma configuración absoluta. [6] La (+)-isoserina se puede convertir mediante un proceso de dos etapas de bromación en ácido (−)-3-bromo-2-hidroxi-propanoico ( 4 ) y reducción de zinc para dar ácido (−)- láctico ( 5 ), por lo tanto, el ácido (−)-láctico también tiene la misma configuración absoluta. [7] Si una reacción diera el enantiómero de una configuración conocida, como lo indica el signo opuesto de rotación óptica, indicaría que la configuración absoluta está invertida.
En 1951, Johannes Martin Bijvoet utilizó por primera vez en cristalografía de rayos X el efecto de dispersión anómala , que ahora se conoce como dispersión resonante, para determinar la configuración absoluta. [8] El compuesto investigado fue (+)- tartrato de rubidio sódico y de su configuración ( R , R ) se dedujo que la suposición original para (+)-gliceraldehído era correcta.
A pesar del tremendo y singular impacto en el acceso a las estructuras moleculares, la cristalografía de rayos X plantea algunos desafíos. El proceso de cristalización de las moléculas objetivo requiere mucho tiempo y recursos, y no se puede aplicar a sistemas de interés relevantes, como muchas biomoléculas (algunas proteínas son una excepción) y catalizadores in situ . Otra limitación importante es que la molécula debe contener átomos "pesados" (por ejemplo, bromo) para mejorar la dispersión. [9] Además, surgen distorsiones cruciales de la señal debido a la influencia de los vecinos más cercanos en cualquier estructura cristalina y de los solventes utilizados durante el proceso de cristalización .
Recientemente, se han introducido nuevas técnicas para investigar directamente la configuración absoluta de moléculas individuales en fase gaseosa, generalmente en combinación con cálculos teóricos mecánicos cuánticos ab initio , superando así algunas de las limitaciones de la cristalografía de rayos X. [10]
El sistema R / S es un sistema de nomenclatura importante para denotar enantiómeros. Este enfoque etiqueta cada centro quiral R o S de acuerdo con un sistema por el cual a cada uno de sus sustituyentes se le asigna una prioridad , de acuerdo con las reglas de prioridad de Cahn-Ingold-Prelog (CIP), basadas en el número atómico. Cuando el centro está orientado de manera que el sustituyente de menor prioridad de los cuatro apunta en dirección opuesta al observador, el observador verá entonces dos posibilidades: si la prioridad de los tres sustituyentes restantes disminuye en sentido horario, se etiqueta como R (del latín : rectus – derecha); si disminuye en sentido antihorario, es S (del latín : sinister – izquierda). [11]
( R ) o ( S ) se escribe en cursiva y entre paréntesis. Si hay varios carbonos quirales, p. ej. (1 R ,4 S ), un número especifica la ubicación del carbono que precede a cada configuración. [12]
El sistema R / S tampoco tiene una relación fija con el sistema D/L . Por ejemplo, la cadena lateral de la serina contiene un grupo hidroxilo, −OH. Si se lo sustituyera por un grupo tiol, −SH, el etiquetado D/L no se vería afectado por la sustitución, por definición. Pero esta sustitución invertiría el etiquetado R / S de la molécula , porque la prioridad CIP de CH2OH es menor que la de CO2H , pero la prioridad CIP de CH2SH es mayor que la de CO2H . Por esta razón, el sistema D/L sigue siendo de uso común en ciertas áreas de la bioquímica, como la química de aminoácidos y carbohidratos, porque es conveniente tener la misma etiqueta quiral para las estructuras que se dan comúnmente de un tipo dado de estructura en organismos superiores. En el sistema D/L , casi todos los aminoácidos naturales son todos L , mientras que los carbohidratos naturales son casi todos D. Todos los aminoácidos proteinogénicos son S , excepto la cisteína , que es R.
Un enantiómero puede ser nombrado por la dirección en la que rota el plano de la luz polarizada. La rotación en el sentido de las agujas del reloj de la luz que viaja hacia el observador se denomina enantiómero (+). Su imagen especular se denomina (−). Los isómeros (+) y (−) también se han denominado d- y l- (para dextrógiro y levógiro ); pero, nombrar con d- y l- es fácil de confundir con el etiquetado D- y L- y, por lo tanto, la IUPAC lo desaconseja . [13]
Un isómero óptico puede ser nombrado por la configuración espacial de sus átomos. El sistema D/L (nombrado a partir del latín dexter y laevus, derecha e izquierda), que no debe confundirse con el sistema d- y l- , ver arriba , hace esto relacionando la molécula con el gliceraldehído . El gliceraldehído es quiral en sí mismo y sus dos isómeros están etiquetados como D y L (típicamente escritos en mayúsculas pequeñas en trabajos publicados). Ciertas manipulaciones químicas pueden realizarse en el gliceraldehído sin afectar su configuración, y su uso histórico para este propósito (posiblemente combinado con su conveniencia como una de las moléculas quirales más pequeñas comúnmente utilizadas) ha resultado en su uso para la nomenclatura. En este sistema, los compuestos se nombran por analogía con el gliceraldehído, que, en general, produce designaciones inequívocas, pero es más fácil de ver en las pequeñas biomoléculas similares al gliceraldehído. Un ejemplo es el aminoácido quiral alanina , que tiene dos isómeros ópticos, y se etiquetan según el isómero del gliceraldehído del que proceden. Por otro lado, la glicina , el aminoácido derivado del gliceraldehído, no tiene actividad óptica, ya que no es quiral (es aquiral).
El etiquetado D/L no está relacionado con (+)/(−) – no indica qué enantiómero es dextrógiro y cuál es levógiro. Más bien, indica la estereoquímica del compuesto en relación con la del enantiómero dextrógiro o levógiro del gliceraldehído. El isómero dextrógiro del gliceraldehído es, de hecho, el isómero D- . Nueve de los diecinueve L -aminoácidos que se encuentran comúnmente en las proteínas son dextrógiros (a una longitud de onda de 589 nm), y la D -fructosa también se conoce como levulosa porque es levógira. Una regla general para determinar la forma isomérica D/L de un aminoácido es la regla del "MAÍZ". Los grupos
están dispuestos alrededor del átomo de carbono del centro quiral. Con el átomo de hidrógeno alejado del observador, si la disposición de los grupos CO → R → N alrededor del átomo de carbono como centro es en sentido contrario a las agujas del reloj, entonces es la forma L. [14] Si la disposición es en el sentido de las agujas del reloj, es la forma D. Como es habitual, si la molécula en sí está orientada de forma diferente, por ejemplo, con H hacia el observador, el patrón puede invertirse. La forma L es la que se encuentra habitualmente en las proteínas naturales. Para la mayoría de los aminoácidos, la forma L corresponde a una estereoquímica absoluta S , pero es R en cambio para ciertas cadenas laterales.