Isomería Óptica

Isomería: 2º de bachillerato

Probablemente estés aquí porque estás en 2º de bachillerato y estés viendo qué es la isomería. Quizás lo hayas visto ya en el curso anterior, pero siempre está bien hacer un repaso, así que allá vamos: podríamos considerar a los isómeros químicos como algo similar a los anagramas, ya que éstos contienen el mismo número de cada tipo de letra; pero, estas letras están dispuestas de forma diferente. Así es como se forman dos (o más) palabras únicas que tienen un aspecto y un sonido muy diferentes entre sí. Del mismo modo, los isómeros contienen el mismo número de cada tipo de átomo. Sin embargo, estos átomos están dispuestos de forma diferente, lo que da a los isómeros propiedades físicas y/o químicas distintas.

¿Qué es la isomería?

Tenemos varios tipos de isomería. Veamos cuáles son:

Tipos de isomería

Hay dos tipos principales de isomería:

• Isomería estructural.
• Estereoisomería.

Isomería estructural

Los isómeros estructurales son moléculas con la misma fórmula molecular, pero con fórmulas estructurales diferentes.

Fig. 1: Propano codificado por colores, para que puedas ver cómo se relaciona la molécula con su fórmula estructural.

La isomería estructural puede dividirse en otras tres categorías:

• Los isómeros de cadena: que tienen diferentes disposiciones de los átomos de carbono en el esqueleto de la molécula.
• Los isómeros de posición: que tienen su grupo funcional unido a un lugar diferente de la cadena de carbono.
• Los isómeros de grupo funcional: que tienen diferentes grupos funcionales.

Estereoisomería

Los estereoisómeros tienen las mismas fórmulas moleculares y estructurales, pero diferentes disposiciones de los átomos en el espacio. Aunque tienen los mismos grupos funcionales y cadenas de carbono, su enlace está dispuesto de forma ligeramente diferente.

Una vez más, existen dos tipos de estereoisomería:

• Los isómeros geométricos: que tienen diferentes disposiciones de los átomos alrededor de un doble enlace C=C.
• Los isómeros ópticos: que son moléculas que consisten en imágenes especulares no superponibles entre sí.

Sin embargo, es posible que no estés familiarizado con los isómeros ópticos, por lo que vamos a verlos a continuación.

Isomería óptica

Un compuesto tiene isomería óptica cuando presenta, al menos, un carbono quiral o asimétrico. El número de isómeros ópticos de una molécula dependerá, entonces, del número de carbonos quirales o asimétricos que esta tenga.

¿Qué es la quiralidad?

La isomería óptica puede sonar mucho más confusa de lo que realmente es. Como hemos dicho antes, tus zapatos presentan isomería óptica; lo mismo ocurre con los guantes. Son imágenes especulares entre sí, pero no importa cómo los gires, nunca podrás conseguir que uno coincida exactamente encima de otro. Podemos decir que no son superponibles. Este tipo de objetos o sistemas presentan quiralidad.

Puedes probarlo tú mismo para comprobarlo; por eso no puedes ponerte un zapato en el pie equivocado: simplemente, no encaja.

Fig. 2: Un par de zapatos. Este es un ejemplo de isómeros ópticos.

Enantiómeros

La isomería óptica se produce en moléculas con un átomo de carbono unido a cuatro grupos diferentes. A este átomo de carbono, en particular, lo llamamos centro quiral o carbono asimétrico. A menudo se indica con un asterisco ( * ). Los dos isómeros diferentes se conocen como enantiómeros.

Intenta dibujar esta molécula utilizando círculos de diferentes colores para representar los diferentes grupos. Deberías obtener dos disposiciones diferentes de los átomos alrededor del átomo de carbono central.

Al igual que tus zapatos, estas moléculas son imágenes especulares, la una de la otra. No importa cómo gires la segunda molécula, nunca coincidirá exactamente con la primera, así que estas moléculas no son superponibles. Son enantiómeros.

Fig. 3: Estas moléculas son imágenes especulares la una de la otra.

Cuando se crean moléculas ópticamente activas en una reacción química, se forma una mezcla 50:50 de los dos enantiómeros. Esto se conoce como mezcla racémica o racemato.

Ejemplos de isomería óptica

Ahora que hemos aprendido qué es la isomería óptica, podemos practicar la detección de ejemplos en las moléculas. A continuación, aprenderemos a dibujar los dos enantiómeros.

Observa la siguiente molécula.

Fig. 4: 1-cloroetanol.

El átomo de carbono más a la izquierda, marcado con un círculo rojo, está unido a cuatro grupos diferentes. Por lo tanto, debe ser un centro quiral.

Para representar gráficamente los dos enantiómeros diferentes de esta molécula, dibuja primero un átomo de carbono con cuatro enlaces simples, en una disposición tetraédrica.

Fig. 5: Disposición de los enlaces de una molécula. Las cuñas representan que un átomo se encuentra hacia delante, mientras que las líneas discontinuas significan que ese elemento se encuentra hacia atrás. Las líneas continuas indican que los átomos se encuentran en el plano.

Fig. 6: Un enantiómero del 1-cloroetanol, en el que los grupos cloro (-Cl) e hidroxilo (-OH) se encuentran en el plano, el grupo metilo (-CH₃) se encuentra hacia detrás y el hidrógeno (-H) se encuentra hacia delante.

Ahora, coge tu molécula y dale la vuelta a lo largo de una línea vertical imaginaria de espejo. Mantén el mismo grupo en la parte superior, pero invierte el enlace de los otros tres grupos.

Fig. 7: segundo enantiómero del 1-cloroetanol. En este caso, los grupos cloro (-Cl) e hidroxilo (-OH) se encuentran en el plano, el grupo metilo (-CH3) se encuentra hacia atrás, y el átomo de hidrógeno (-H) está hacia delante.

Para continuar, intenta localizar el carbono asimétrico en la siguiente molécula: butan-2-ol.

Fig. 8: Isomería óptica del butan-2-ol. El grupo hidroxilo (-OH) se encuentra en el segundo carbono de la cadena de cuatro carbonos. Este carbono tiene unidos 4 grupos diferentes, por lo que es un carbono asimétrico o centro quiral.

Contando desde la izquierda, el carbono número 2 tiene cuatro grupos diferentes unidos a él. Por lo tanto, debe ser un carbono asimétrico, o centro quiral, que debe representar isomería óptica. Sus dos enantiómeros se muestran a continuación.

Fig. 9: los dos enantiómeros del butan-2-ol.

Propiedades de los enantiómeros

Los enantiómeros son casi idénticos: contienen los mismos átomos, la misma columna vertebral de carbono, los mismos grupos funcionales y los mismos ángulos entre los enlaces. Por lo tanto, tienen las mismas propiedades químicas y físicas. Sin embargo, hay dos excepciones:

• El efecto de los enantiómeros sobre la luz polarizada plana.
• La reacción de los enantiómeros con otras moléculas quirales.

Luz plana polarizada

Normalmente, la luz vibra en todas las direcciones perpendiculares a la dirección en la que se desplaza; pero, si la hacemos pasar por un filtro especial polarizado, solo se permiten las vibraciones en una determinada dirección.

Fig. 10: luz antes y después de pasar por un filtro polarizado. Ahora solo vibra en una dirección; en este caso, verticalmente. Decimos que está plana-polarizada.

Enantiómeros R y S

Si haces pasar la luz polarizada por el plano, a través de un enantiómero, la luz girará en una dirección determinada. Si haces pasar la luz a través del otro enantiómero, la luz girará en la dirección opuesta. Llamamos enantiómero R al que gira la luz en el sentido de las agujas del reloj, y enantiómero S al que gira la luz en el sentido contrario a las agujas del reloj.

Como ya sabes, una mezcla racémica contiene una mezcla dos isómeros ópticos, con una cantidad exacta de mitad de un isómero y mitad de otro (50:50). Por lo tanto, una mezcla racémica no hace rotar la luz polarizada por el plano en absoluto. Esto se debe a que la rotación en el sentido de las agujas del reloj, causada por el enantiómero R, se anula completamente, como consecuencia de la rotación en sentido contrario a las agujas del reloj, causada por el enantiómero S.

Fig. 11: El efecto de los enantiómeros en la luz polarizada por el plano. El enantiómero R hace girar la luz en el sentido de las agujas del reloj y el enantiómero S en sentido contrario; mientras que una mezcla racémica no tiene ningún efecto.

Reacción con moléculas quirales

Los enantiómeros reaccionan de forma diferente con los sensores de nuestro cuerpo. Esto se debe a que muchas de nuestras proteínas, enzimas y receptores también muestran quiralidad.

Las reacciones se producen en el cuerpo cuando dos moléculas se unen, y estas tienen que tener una forma determinada para encajar la una con la otra. Como los enantiómeros tienen diferentes disposiciones tridimensionales de los átomos, solo uno tendrá la forma adecuada para encajar en el receptor o la enzima. Los enantiómeros pueden ser imágenes especulares entre sí, pero no son lo mismo, por lo que tiene sentido que solo uno de ellos se una a una determinada molécula.

Por ejemplo, los aminoácidos presentan isomería óptica. De hecho, todos los aminoácidos naturales son enantiómeros S. Las formas R no se encuentran en la naturaleza porque, sencillamente, tienen una forma incorrecta: no son compatibles con el resto de la vida orgánica.

Usos de la isomería óptica

Por último, veamos los usos de la isomería óptica. En particular, la isomería óptica nos da pistas sobre el tipo de mecanismo utilizado por una reacción.

Consideremos las reacciones de sustitución nucleofílica de los halogenoalcanos:

• Es posible que sepas que los halogenoalcanos primarios reaccionan utilizando un mecanismo SN₂.
• Por otro lado, los halogenoalcanos terciarios reaccionan utilizando un mecanismo SN₁.

El mecanismo SN₂ produce un solo producto, mientras que el mecanismo SN₁ produce una mezcla de dos enantiómeros ópticamente activos.

Veamos ambos mecanismos con más detalle.

Mecanismo SN₂

El número 2 en SN₂ nos indica que el paso inicial de la reacción implica a dos especies. En este caso, participan tanto el nucleófilo como el halogenoalcano que reacciona. Este mecanismo da lugar a un solo producto: no se forman isómeros ópticos.

Esto es lo que ocurre:

1. El nucleófilo ataca el átomo de carbono δ+ del halogenoalcano al mismo tiempo que se rompe el enlace C-X.

2. El enlace C-X, con su átomo de halógeno δ-, repele al nucleófilo rico en electrones y significa que el nucleófilo solo puede atacar desde el lado opuesto del halogenoalcano.

3. Al romperse el enlace C-X y formarse el enlace C-Nu, el nucleófilo repele a los otros grupos de enlace y hace que los enlaces se inviertan.

4. En general, esta reacción produce una molécula con una estructura específica: una sustancia enantiopura. Los enlaces de este producto están invertidos, en comparación con la molécula de partida.

Fig. 13: Isomería óptica. El mecanismo de la reacción de sustitución nucleofílica SN₂.

Mecanismo SN1

El número 1 en SN1 nos indica que el paso inicial de esta reacción implica a una sola especie: el halogenoalcano. Si se empieza con un producto ópticamente activo, el mecanismo da lugar a una mezcla racémica de dos enantiómeros; es decir, acabamos con isomería óptica.

Así es como funciona el mecanismo:

1. En primer lugar, el enlace C-X se rompe y el halógeno abandona el halogenoalcano como un ion haluro.

2. Los tres grupos de enlace restantes se separan al máximo alrededor del átomo de carbono central positivo, formando una disposición planar trigonal.

3. El nucleófilo ataca ahora al átomo de carbono central positivo. Puede atacar desde arriba o desde abajo del plano.

4. El enlace C-Nu se forma y repele a los otros grupos de enlace, empujándolos a una disposición tetraédrica. Si el nucleófilo ataca por delante, obtenemos una disposición particular de los enlaces; pero, si el nucleófilo ataca por detrás, obtenemos una disposición diferente.

5. El proceso global produce una mezcla racémica de dos enantiómeros ópticamente activos de imagen especular.

Fig. 14: mecanismo de sustitución nucleofílica SN₁.