La configuración absoluta se refiere a la disposición espacial de los átomos dentro de una entidad (o grupo) molecular quiral y su descripción estereoquímica resultante . [1] La configuración absoluta suele ser 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 recto y siniestro , que en latín significa derecha e izquierda, respectivamente.
Las moléculas quirales pueden diferir en sus propiedades químicas, pero son idénticas en sus propiedades físicas, lo que puede dificultar la distinción de enantiómeros. Las configuraciones absolutas de 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 vibratorio , espectroscopia ultravioleta-visible , el uso de reactivos de desplazamiento quiral en RMN de protones y formación de imágenes de explosión de Coulomb. [2] [3]
Hasta 1951 no fue posible obtener la configuración absoluta de compuestos quirales. [4] En algún momento se decidió que (+)- gliceraldehído era el enantiómero D. [ cita necesaria ] La configuración de otros compuestos quirales se relacionó luego 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 tanto, la configuración absoluta del ácido (-)-glicérico debe ser la misma que la del (+)-gliceraldehído. La oxidación con ácido nítrico [ cita necesaria ] de (+) - isoserina ( 3 ) da ácido (–) -glicérico, estableciendo que (+) -isoserina también tiene la misma configuración absoluta. (+) -Isoserina se puede convertir mediante un proceso de bromación de dos etapas [ cita necesaria ] y reducción de zinc para dar ácido (–)- láctico , por lo tanto, el ácido (–)-láctico también tiene la misma configuración absoluta. Si una reacción diera el enantiómero de una configuración conocida, como lo indica el signo opuesto de la 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 , ahora denominado dispersión resonante, para determinar la configuración absoluta. [5] 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 único impacto en el acceso a las estructuras moleculares, la cristalografía de rayos X plantea algunos desafíos. El proceso de cristalización de las moléculas diana requiere mucho tiempo y recursos, y no se puede aplicar a sistemas relevantes de interés, 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. [6] Además, las distorsiones cruciales de la señal surgen de la influencia de los vecinos más cercanos en cualquier estructura cristalina y de los disolventes 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 de mecánica cuántica ab initio , superando así algunas de las limitaciones de la cristalografía de rayos X. [7]
El sistema R / S es un sistema de nomenclatura importante para indicar enantiómeros. Este enfoque etiqueta cada centro quiral R o S de acuerdo con un sistema mediante 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 modo que el sustituyente de menor prioridad de los cuatro apunte en dirección opuesta al espectador, el espectador verá dos posibilidades: si la prioridad de los tres sustituyentes restantes disminuye en el sentido de las agujas del reloj, se denomina R (del latín : recto – derecho); si disminuye en sentido antihorario, es S (del latín : siniestro – izquierda). [8]
( R ) o ( S ) está escrito en cursiva y entre paréntesis. Si hay múltiples carbonos quirales, por ejemplo (1 R , 4 S ), un número especifica la ubicación del carbono que precede a cada configuración. [9]
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 intercambiara un grupo tiol, −SH, por él, el etiquetado D/L , según su definición, no se vería afectado por la sustitución. Pero esta sustitución invertiría el marcaje R / S de la molécula , porque la prioridad CIP del CH 2 OH es menor que la del CO 2 H pero la prioridad CIP del CH 2 SH es mayor que la del CO 2 H. Por esta razón, el 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 ocurren comúnmente de un tipo determinado 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 denominarse por la dirección en la que gira el plano de luz polarizada. La rotación en el sentido de las agujas del reloj de la luz que viaja hacia el espectador se denomina enantiómero (+). Su imagen especular está etiquetada (-). Los isómeros (+) y (-) también se han denominado d- y l- (por 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 . [10]
Un isómero óptico puede recibir nombre por la configuración espacial de sus átomos. El sistema D/L (llamado así por el latín dexter y laevus, derecha e izquierda), que no debe confundirse con el sistema d y l , ver arriba , lo hace relacionando la molécula con el gliceraldehído . El gliceraldehído es quiral en sí mismo y sus dos isómeros están etiquetados como D y L (normalmente escritos en minúsculas en los trabajos publicados). Ciertas manipulaciones químicas se pueden realizar con 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 de uso común) ha resultado en su uso para la nomenclatura. En este sistema, los compuestos se nombran por analogía con el gliceraldehído, lo que, en general, produce designaciones inequívocas, pero es más fácil de ver en pequeñas biomoléculas similares al gliceraldehído. Un ejemplo es el aminoácido quiral alanina , que tiene dos isómeros ópticos y están etiquetados según el isómero de gliceraldehído del que provienen. Por otro lado, la glicina , el aminoácido derivado del gliceraldehído, no tiene actividad óptica, al no ser 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 espectador, si la disposición de los grupos CO → R → N alrededor del átomo de carbono como centro es en sentido antihorario, entonces es la forma L. [11] Si la disposición es en el sentido de las agujas del reloj, es la forma D. Como es habitual, si la molécula misma está orientada de manera diferente, por ejemplo, con H hacia el espectador, el patrón puede invertirse. La forma L es la habitual que se encuentra en las proteínas naturales. Para la mayoría de los aminoácidos, la forma L corresponde a una estereoquímica absoluta S , pero en cambio es R para ciertas cadenas laterales.