En estereoquímica , la tópico es la relación estereoquímica entre los sustituyentes y la estructura a la que están unidos. Dependiendo de la relación, dichos grupos pueden ser heterotópicos , homotópicos , enantiotópicos o diastereotópicos .
Los grupos homotópicos en un compuesto químico son grupos equivalentes. Dos grupos A y B son homotópicos si la molécula permanece aquiral cuando los grupos se intercambian con algún otro átomo (como el bromo) mientras que las partes restantes de la molécula permanecen fijas. Los átomos homotópicos son siempre idénticos, en cualquier entorno. Los núcleos homotópicos activos en RMN tienen el mismo desplazamiento químico en un espectro de RMN . Por ejemplo, los cuatro átomos de hidrógeno del metano (CH 4 ) son homotópicos entre sí, al igual que los dos hidrógenos o los dos cloros en el diclorometano (CH 2 Cl 2 ).
El término estereoquímico enantiotópico se refiere a la relación entre dos grupos de una molécula que, si uno u otro fuera reemplazado, generaría un compuesto quiral . Los dos posibles compuestos resultantes de esa sustitución serían los enantiómeros .
Por ejemplo, los dos átomos de hidrógeno unidos al segundo carbono del butano son enantiotópicos. La sustitución de un átomo de hidrógeno (de color azul) por un átomo de bromo producirá ( R )-2-bromobutano. La sustitución del otro átomo de hidrógeno (de color rojo) por un átomo de bromo producirá el enantiómero ( S )-2-bromobutano.
Los grupos enantiotópicos son idénticos e indistinguibles excepto en entornos quirales. Por ejemplo, los hidrógenos CH2 en etanol ( CH3CH2OH ) normalmente son enantiotópicos, pero pueden volverse diferentes (diastereotópicos) si se combinan con un centro quiral, por ejemplo mediante la conversión a un éster de un ácido carboxílico quiral como el ácido láctico , o si se coordinan con un centro metálico quiral, o si se asocian con un sitio activo enzimático , ya que las enzimas están constituidas por aminoácidos quirales . De hecho, en presencia de la enzima LADH , se elimina un hidrógeno específico del grupo CH2 durante la oxidación del etanol a acetaldehído , y se reemplaza en el mismo lugar durante la reacción inversa. El entorno quiral no necesita ser ópticamente puro para este efecto.
Los grupos enantiotópicos son imágenes especulares entre sí respecto de un plano interno de simetría. Un entorno quiral elimina esa simetría. Los pares enantiotópicos de núcleos activos en RMN también son indistinguibles mediante RMN y producen una única señal.
Los grupos enantiotópicos no necesitan estar unidos al mismo átomo. Por ejemplo, dos átomos de hidrógeno adyacentes al grupo carbonilo en cis -2,6-dimetilciclohexanona son enantiotópicos; están relacionados por un plano interno de simetría que pasa por el grupo carbonilo, pero la desprotonación en un lado del grupo carbonilo o en el otro generará compuestos que son enantiómeros. De manera similar, la sustitución de uno u otro por deuterio generará enantiómeros.
El término estereoquímico diastereotópico se refiere a la relación entre dos grupos en una molécula que, si se reemplazan, generarían compuestos que son diastereómeros . Los grupos diastereotópicos son a menudo, pero no siempre, grupos idénticos unidos al mismo átomo en una molécula que contiene al menos un centro quiral.
Por ejemplo, los dos átomos de hidrógeno de la fracción CH2 en ( S ) -2-bromobutano son diastereotópicos. La sustitución de un átomo de hidrógeno (de color azul) por un átomo de bromo producirá ( 2S,3R )-2,3-dibromobutano. La sustitución del otro átomo de hidrógeno (de color rojo) por un átomo de bromo producirá el diastereómero ( 2S,3S )-2,3-dibromobutano.
En las moléculas quirales que contienen grupos diastereotópicos, como en el 2-bromobutano, no hay ningún requisito de pureza enantiomérica u óptica ; sin importar su proporción, cada enantiómero generará conjuntos enantioméricos de diastereómeros tras la sustitución de grupos diastereotópicos (aunque, como en el caso de la sustitución por bromo en el 2-bromobutano, los isómeros meso no tienen, estrictamente hablando, ningún enantiómero).
Los grupos diastereotópicos no son imágenes especulares entre sí en ningún plano. Siempre son diferentes, en cualquier entorno, pero pueden no ser distinguibles. Por ejemplo, ambos pares de hidrógenos CH2 en el clorhidrato de fenilalaninato de etilo (PhCH2CH ( NH3+)COOCH2CH3Cl− ) son diastereotópicos y ambos dan pares de señales de RMN de 1 H distintas en DMSO - d6 a 300 MHz, [1] pero en el 2-nitrobutanoato de etilo similar (CH3CH2CH ( NO2 ) COOCH2CH3 ) , solo el grupo CH2 junto al centro quiral da señales distintas de sus dos hidrógenos con el mismo instrumento en CDCl3 . [ 2] Dichas señales suelen ser complejas debido a pequeñas diferencias en el desplazamiento químico, la superposición y un fuerte acoplamiento adicional entre los hidrógenos geminales . Por otra parte, los dos grupos CH 3 del ipsenol, que están a tres enlaces del centro quiral, dan dobletes 1 H separados a 300 MHz y señales 13 C-NMR separadas en CDCl 3 , [3] pero los hidrógenos diastereotópicos en el clorhidrato de alaninato de etilo (CH 3 CH(NH 3 + )COOCH 2 CH 3 Cl − ), también a tres enlaces del centro quiral, muestran señales 1 H-NMR apenas distinguibles en DMSO-d 6 . [4]
Los grupos diastereotópicos también surgen en moléculas aquirales. Por ejemplo, cualquier par de hidrógenos CH2 en 3-pentanol (Figura 1) son diastereotópicos, ya que los dos carbonos CH2 son enantiotópicos. La sustitución de cualquiera de los cuatro hidrógenos CH2 crea dos centros quirales a la vez, y los dos posibles productos de sustitución de hidrógeno en cualquier carbono CH2 serán diastereómeros. Este tipo de relación suele ser más fácil de detectar en moléculas cíclicas. Por ejemplo, cualquier par de hidrógenos CH2 en ciclopentanol (Figura 2) son igualmente diastereotópicos, y esto se discierne fácilmente ya que uno de los hidrógenos en el par será cis con respecto al grupo OH (en el mismo lado de la cara del anillo) mientras que el otro será trans con respecto a él (en el lado opuesto).
El término diastereotópico también se aplica a grupos idénticos unidos al mismo extremo de una fracción de alqueno que, si se reemplazan, generarían isómeros geométricos (que también caen en la categoría de diastereómeros). Por lo tanto, los hidrógenos CH2 del propeno son diastereotópicos, uno es cis con respecto al grupo CH3 y el otro es trans con respecto a él, y la sustitución de uno u otro por CH3 generaría cis- o trans- -2 - buteno .
La diastereotopicidad no se limita a moléculas orgánicas, ni a grupos unidos al carbono, ni a moléculas con centros tetraédricos quirales (hibridados sp 3 ): por ejemplo, el par de hidrógenos en cualquier grupo CH 2 o NH 2 en el ion tris (etilendiamina)cromo (III) (Cr(en) 3 3+ ), donde el centro metálico es quiral, son diastereotópicos (Figura 2).
Los términos enantiotópico y diastereotópico también se pueden aplicar a las caras de los grupos planares (especialmente grupos carbonilo y fracciones de alqueno). Véase la regla de prioridad de Cahn-Ingold-Prelog .
Los grupos heterotópicos son aquellos que al ser sustituidos son estructuralmente diferentes. No son ni diastereotópicos ni enantiotópicos ni homotópicos. [5]