19.4: Pureza enantiomérica

El término pureza enantiomérica (o pureza óptica) se define como el exceso fraccionario de un enantiómero sobre el otro. Esto se expresa en la Ecuación 19-4 en términos de los moles (o pesos) de los dos enantiómeros\(n_1\), y\(n_2\), y es igual a la relación de la rotación óptica observada\(\alpha_\text{obs}\), y a la rotación óptica de cualquiera de los enantiómeros puros,\(\alpha_0\):

\[\text{enantiomeric purity of } n_1 = \dfrac{n_1-n_2}{n_1+n_2} = \dfrac{\alpha_\text{obs}}{\alpha_0} \tag{19-4}\]

Así, una mezcla racémica (\(n_1 = n_2\)) tiene una pureza enantiomérica de cero. Cualquier otra composición enantiomérica en principio puede determinarse siempre que la mezcla tenga una rotación medible y se conozca la rotación del enantiómero puro.\(\alpha_0\) Desafortunadamente, no existe un método sencillo de calcular\(\alpha_0\), de antemano. De hecho, las rotaciones específicas de compuestos ópticamente puros se determinan de manera más confiable a partir de la Ecuación 19-4 después de medir la pureza enantiomérica por métodos independientes.

Prácticamente todos los métodos para determinar la pureza enantiomérica se basan en las diferencias en las propiedades químicas, físicas o espectroscópicas de los diastereómeros derivados de mezclas enantioméricas. Mencionaremos aquí dos de los métodos más sencillos, basados en la cromatografía gas-líquido y la resonancia magnética nuclear.

Determinación de la pureza enantiomérica por cromatografía de gases

Este método equivale a una resolución completa del tipo descrito en la Sección 19-3D, pero a escala analítica. Por ejemplo, supongamos que tiene un compuesto parcialmente resuelto,\(A\), que consiste en cantidades desiguales de los enantiómeros\(A_+\) y\(A_-\). Por reacción con una segunda sustancia quiral enantioméricamente pura,\(B_+\), A se convierte en una mezcla de diastereómeros\(A_+B_+\) y\(A_-B_+\). Debido a que estos diastereómeros son química y físicamente diferentes, la mezcla generalmente se puede analizar por cromatografía gas-líquido (Sección 9-2A). Si la reacción de\(B_+\) con\(A_+\) y\(A_-\) fue cuantitativa, las áreas relativas de los dos picos que eluyen de la columna corresponden a la relación de los diastereómeros\(A_+B_+/A_-B_+\), y por lo tanto a la relación de enantiómeros\(A_+/A_-\), a partir de la cual la pureza enantiomérica de los parcialmente mezcla resuelta se puede calcular.

Un enfoque alternativo y muy directo es separar los enantiómeros en una columna en la que la fase líquida estacionaria es un compuesto quiral. La interacción diastereomérica es entre\(A_+\) o\(A_-\) y la fase líquida quiral, y puede ser suficientemente diferente para permitir la separación\(A_+\) de\(A_-\). La relación de las cantidades de\(A_+\) y\(A_-\) corresponde a la pureza enantiomérica.

Determinación de la Pureza Enantiomérica por Espectroscopia de RMN

Los desplazamientos químicos de RMN de núcleos de compuestos enantioméricos\(A_+\) y\(A_-\) son idénticos en disolventes aquirales. Sin embargo, en un disolvente quiral (enantioméricamente puro)\(A_+\) y se\(A_-\) convertirá eficazmente en diastereómeros como resultado de la solvatación quiral y, en consecuencia, sus núcleos tendrán desplazamientos químicos no idénticos. Siempre que las diferencias de desplazamiento sean lo suficientemente grandes como para permitir que las resonancias de un enantiómero solvatado quiralmente se resuelvan de las del otro, la relación de enantiómeros se\(A_+/A_-\) puede determinar a partir de la relación de sus intensidades de señal de RMN correspondientes.

Alternativamente, con un reactivo quiral puro, la mezcla enantiomérica puede convertirse (cuantitativamente) en diastereómeros. Se espera que los núcleos de los compuestos diastereoméricos tengan pequeñas diferencias en los desplazamientos químicos, incluso en disolventes aquirales, y la integración de sus respectivas intensidades de señal debe corresponder a la proporción de diastereómeros, y por lo tanto a la proporción de enantiómeros en la mezcla original.

La aplicación de los métodos de RMN descritos anteriormente para la determinación de la composición enantiomérica es difícil, si no imposible, si las diferencias de desplazamiento químico son demasiado pequeñas\(\left( 0.02 \: \text{ppm} \right)\) o si las resonancias se superponen extensamente. Este problema a menudo se puede resolver utilizando la capacidad de ciertos quelatos de metales de tierras raras (los metales lantánidos) para complejarse con compuestos orgánicos, particularmente con alcoholes, cetonas, aminas y otras bases de Lewis. Los cambios químicos en presencia de incluso pequeñas cantidades de quelatos de lantánidos generalmente se extienden en un rango mucho más amplio de intensidades de campo que para los compuestos puros. Como se discutió anteriormente en las Secciones 9-10D y 9-10K, el aumento de los cambios químicos puede simplificar en gran medida los espectros de RMN complejos. Los desplazamientos son producidos por estos compuestos lantánidos porque los electrones en los átomos metálicos no están todos emparejados, de manera que los átomos metálicos son paramagnéticos (poseen un espín electrónico neto). En un campo magnético aplicado los electrones desapareados circulan alrededor de los átomos metálicos y producen un campo inducido (Figura 9-26) que, dependiendo de la naturaleza del metal, puede actuar ya sea para aumentar o reducir el campo magnético aplicado,\(H_0\).

En el complejo formado entre el reactivo lantánido y el sustrato orgánico, los desplazamientos químicos más fuertemente afectados son los de núcleos cercanos al átomo metálico paramagnético. Las resonancias de estos núcleos también son ampliadas por el metal paramagnético (Sección 27-1), y esto es indeseable. Los complejos lantánidos que producen estos grandes cambios de cambio se denominan reactivos de cambio. La mayoría de ellas son sales quelatadas de 2,4-pentandionas sustituidas, especialmente de 2,2,6,6-tetrametil-3,5-heptanodiona (Sección 17-8).

Existen varios reactivos de desplazamiento útiles, generalmente de europio, en los que los ligandos orgánicos son quirales. Un ejemplo es\(1\):

Figura 19-4) de los enantiómeros de 1-feniletanamina en presencia de\(1\). Aunque no todas las resonancias están separadas por igual, la resolución es buena para las resonancias de los núcleos más cercanos al átomo de metal y permite una estimación de la relación de enantiómeros como aproximadamente 2:1 y la pureza enantiomérica como\(33\%\).