6.3: Configuración absoluta y el sistema (R) y (S)

Objetivo de aprendizaje

• nombrar compuestos quirales usando la nomenclatura (R) & (S)

UTILIZA TU KIT DE MODELADO: Los modelos ayudan a visualizar la estructura. Al usar un modelo, asegúrese de que la prioridad más baja esté apuntando lejos de usted. Luego determinar la dirección desde el sustituyente de mayor prioridad hasta el más bajo: en sentido horario (R) o antihorario (S).

SI NO TIENES UN KIT DE MODELADO: recuerde que los guiones significan que la unión va a entrar en la pantalla y las cuñas significa que la unión está saliendo de la pantalla. Si el vínculo de menor prioridad no está apuntando hacia atrás, rotarlo mentalmente para que así sea. Sin embargo, es muy útil a la hora de aprender química orgánica utilizar modelos.

Si tienes un kit de modelado úsalo mientras lees esta sección y trabajas los problemas de práctica.

Introducción y las reglas de Prioridad de Cahn-Ingold Prelog

Para nombrar inequívocamente a los enantiómeros de un compuesto, sus nombres deben incluir la “mano” de la molécula. Las letras “R” y “S” se determinan aplicando las reglas de Cahn-Ingold-Prelog (CIP). La actividad óptica (+/-) también se puede comunicar en el nombre, pero debe derivarse empíricamente. También existen convenciones bioquímicas para los carbohidratos (azúcares) y los aminoácidos (los componentes básicos de las proteínas).

El método de asignación inequívoca de las moléculas fue originado por tres químicos: R.S. Cahn, C. Ingold y V. Prelog y, como tal, a menudo también se le llama reglas Cahn-Inold-Prelog. Además del sistema CIP, existen dos formas de determinar experimentalmente la configuración absoluta de un enantiómero:

1. Análisis de difracción de rayos X. Obsérvese que no existe correlación entre el signo de rotación y la estructura de un enantiómero particular.
2. Correlación química con una molécula cuya estructura ya ha sido determinada por difracción de rayos X.

Sin embargo, para fines no de laboratorio, es beneficioso enfocarse en el sistema R/S. El signo de rotación óptica, aunque diferente para los dos enantiómeros de una molécula quiral, a la misma temperatura, no puede usarse para establecer la configuración absoluta de un enantiómero; esto se debe a que el signo de rotación óptica para un enantiómero particular puede cambiar cuando la temperatura cambios.

Las reglas de prioridad de Cahn-Ingold-Prelog se basan en los números atómicos de los átomos de interés. Para la quiralidad, los átomos de interés son los átomos unidos al carbono quiral.

1. El átomo con mayor número atómico tiene mayor prioridad (I > Br > Cl > S > P > F > O > N > C > H).
2. Al comparar isótopos, el átomo con mayor número de masa tiene mayor prioridad [¹⁸ O > ¹⁶ O o ¹⁵ N > ¹⁴ N o ¹³ C > ¹² C o T (³ H) > D (² H) > H].
3. Cuando haya un empate en (2) anterior, establezca la prioridad relativa procediendo al siguiente átomo (s) a lo largo de la cadena hasta que se observe la primera diferencia.

Los enlaces múltiples se tratan como si cada enlace del enlace múltiple estuviera unido a un átomo único. Por ejemplo, el grupo etenilo (CH ₂ =CH) tiene mayor prioridad que el grupo etilo (CH ₃ CH ₂). La prioridad de carbono de etenilo es “dos” enlaces a átomos de carbono y un enlace a un átomo de hidrógeno en comparación con el carbono etílico que tiene solo un enlace a un átomo de carbono y dos enlaces a dos átomos de hidrógeno. De manera similar, el triple enlace carbono-carbono del acetileno le daría mayor prioridad CIP que el grupo etenilo como se resume a continuación.

Los estereocentros están etiquetados como R o S

Se utiliza la nomenclatura “mano derecha” y “mano izquierda” para nombrar los enantiómeros de un compuesto quiral. Los estereocentros están etiquetados como R o S.

Considere el diagrama de arriba a la izquierda: se dibuja una flecha curva en sentido antihorario (c-cw) desde el sustituyente de mayor prioridad (1) hasta el sustituyente de prioridad más baja (4) en t él S - configuración (“Siniestro” → Latin=” izquierda”). El sentido contrario a las agujas del reloj puede ser reconocido por el movimiento a la izquierda al salir de la posición del reloj de 12 o'. Ahora considere el diagrama anterior a la derecha donde se dibuja una flecha curva en el sentido de las agujas del reloj (cw) desde el sustituyente de mayor prioridad (1) hasta el sustituyente de menor prioridad (4) en la configuración R (“Recto” → Latin= “derecho”). A continuación se agrega la R o S como prefijo, entre paréntesis, al nombre del enantiómero de interés. Se requiere un número de localizador si hay más de un centro quiral. De lo contrario, se espera que la persona que lea el nombre reconozca el centro quiral.

Ejemplo 1

Los dos compuestos quirales a continuación se dibujan para enfatizar el carbono quiral con el nombre químico completo debajo de cada estructura.

Configuraciones absolutas de fórmulas de perspectiva

Los químicos necesitan una manera conveniente de distinguir un estereoisómero de otro. El sistema Cahn-Ingold Prelog es un conjunto de reglas que nos permite definir sin ambigüedades la configuración estereoquímica de cualquier estereocentro, utilizando las designaciones 'R' (del latín recto, que significa diestro) o 'S' (de el latín siniestro, que significa zurdo).

Las reglas para este sistema de nomenclatura estereoquímica son, en la superficie, bastante simples.

Reglas para asignar una designación R/S a un centro quiral

1: Asignar prioridades a los cuatro sustituyentes, siendo #1 la prioridad más alta y #4 la más baja. Las prioridades se basan en el número atómico.

2: Traza un círculo de #1 a #2 a #3.

3: Determinar la orientación del grupo prioritario #4. Si está orientado al plano de la página (lejos de usted), vaya al paso 4a. Si está orientado fuera del plano de la página (hacia usted) vaya al paso 4b.

4a: (grupo #4 apuntando lejos de ti): un círculo en sentido horario en la parte 2 corresponde a la configuración R, mientras que un círculo en sentido contrario a las agujas del reloj corresponde a la configuración S.

4b: (grupo #4 apuntando hacia usted): un círculo en sentido horario en la parte 2 corresponde a la configuración S, mientras que un círculo en sentido contrario a las agujas del reloj corresponde a la configuración R.

Usaremos el gliceraldehído de azúcar de 3 carbonos como nuestro primer ejemplo. Lo primero que debemos hacer es asignar una prioridad a cada uno de los cuatro sustituyentes unidos al centro quiral. Primero observamos los átomos que están unidos directamente al centro quiral: estos son H, O (en el hidroxilo), C (en el aldehído) y C (en el grupo CH ₂ OH).

Asignación de configuración R/S a gliceraldehído:

Dos prioridades son fáciles: el hidrógeno, con un número atómico de 1, es la prioridad más baja (#4), y el oxígeno hidroxilo, con número atómico 8, es la prioridad #1. El carbono tiene un número atómico de 6. ¿Cuál de los dos grupos 'C' es prioridad #2, el aldehído o el CH ₂ OH? Para determinar esto, alejamos un enlace más del centro quiral: para el aldehído tenemos un doble enlace a un oxígeno, mientras que en el grupo CH ₂ OH tenemos un enlace sencillo a un oxígeno. Si el átomo es el mismo, los dobles enlaces tienen mayor prioridad que los enlaces simples. Por lo tanto, al grupo aldehído se le asigna prioridad #2 y al grupo CH ₂ OH la prioridad #3.

Con nuestras prioridades asignadas, miramos a continuación al grupo prioritario #4 (el hidrógeno) y vemos que se apunta hacia atrás lejos de nosotros, al plano de la página - así se aplica el paso 4a del procedimiento anterior. Luego, trazamos un círculo definido por los grupos prioritarios #1, #2 y #3, en orden creciente. El círculo es en el sentido de las agujas del reloj, lo que mediante el paso 4a nos dice que este carbono tiene la configuración 'R', y que esta molécula es (R) -gliceraldehído. Su enantiómero, por definición, debe ser (S) -gliceraldehído.

A continuación, veamos uno de los enantiómeros del ácido láctico y determinemos la configuración del centro quiral. Claramente, H es el sustituyente #4 y OH es #1. Debido a sus tres enlaces al oxígeno, el carbono en el grupo ácido tiene prioridad #2, y el grupo metilo toma #3. El grupo #4, hidrógeno, pasa a ser dibujado apuntando hacia nosotros (fuera del plano de la página) en esta figura, así que usamos el paso 4b: El círculo trazado de #1 a #2 a #3 es en sentido horario, lo que significa que el centro quiral tiene la configuración S.

El fármaco talidomida es un estudio de caso interesante -pero trágico- sobre la importancia de la estereoquímica en el diseño de fármacos. Fabricado por primera vez por una compañía farmacéutica alemana y prescrita ampliamente en Europa y Australia a fines de la década de 1950 como sedante y remedio para las náuseas matutinas en mujeres embarazadas, la talidomida pronto se vio implicada como la causa de devastadores defectos congénitos en bebés nacidos de mujeres que la habían tomado. La talidomida contiene un centro quiral, y por lo tanto existe en dos formas enantioméricas. Se comercializó como una mezcla racémica: es decir, una mezcla 50:50 de ambos enantiómeros.

Tratemos de determinar la configuración estereoquímica del enantiómero de la izquierda. De los cuatro enlaces al centro quiral, la prioridad #4 es hidrógeno. El grupo nitrógeno es #1, el lado carbonilo del anillo es #2 y el lado —CH ₂ del anillo es #3.

El hidrógeno se muestra apuntando lejos de nosotros, y los sustituyentes priorizados trazan un círculo en el sentido de las agujas del reloj: este es el enantiómero R de la talidomida. El otro enantiómero, por supuesto, debe tener la configuración S.

Aunque los científicos aún no están seguros hoy en día de cómo funciona la talidomida, la evidencia experimental sugiere que en realidad fue el enantiómero R el que tuvo los efectos médicos deseados, mientras que el enantiómero S causó los defectos congénitos. Aun con este conocimiento, sin embargo, la (R) -talidomida pura no es segura, porque las enzimas en el cuerpo se convierten rápidamente entre los dos enantiómeros -veremos cómo sucede eso en el capítulo 12.

Como nota histórica, la talidomida nunca fue aprobada para su uso en los Estados Unidos. Esto fue gracias en gran parte a los esfuerzos de la doctora Frances Kelsey, una oficial de Alimentos y Medicamentos que, en peligro para su carrera, bloqueó su aprobación debido a sus preocupaciones por la falta de estudios de seguridad adecuados, particularmente en lo que respecta a la capacidad del medicamento para ingresar al torrente sanguíneo de un feto en desarrollo. Desafortunadamente, sin embargo, en ese momento los ensayos clínicos de nuevos medicamentos involucraron una distribución generalizada y no regulada a los médicos y sus pacientes en todo el país, por lo que las familias en Estados Unidos no se libraron de los daños causados.

Muy recientemente se ha legalizado un derivado cercano de la talidomida para volver a recetar en Estados Unidos, con estrictas medidas de seguridad aplicadas, para el tratamiento de una forma de cáncer de la sangre llamada mieloma múltiple. En Brasil, la talidomida se utiliza en el tratamiento de la lepra, pero a pesar de las medidas de seguridad, los niños siguen naciendo con defectos relacionados con la talidomida.

Ejercicio 1. : Determinar las configuraciones estereoquímicas de los centros quirales en las biomoléculas que se muestran a continuación.

Ejercicio 2. : ¿Debe el enantiómero (R) del malato tener una cuña sólida o discontinua para el enlace C-O en la figura siguiente?

Ejercicio 3. : Usando cuñas sólidas o discontinuas para mostrar estereoquímica, dibujar el enantiómero (R) del ibuprofeno y el enantiómero (S) del 2-metileritritol-4-fosfato (las estructuras se muestran anteriormente en este capítulo sin estereoquímica).

Soluciones a los ejercicios

Configuraciones Absolutas de Proyecciones Fischer

Para determinar la configuración absoluta de un centro quiral en una proyección Fisher, utilice el siguiente procedimiento de dos pasos.

Paso 1
Asignar números de prioridad a los cuatro ligandos (grupos) unidos al centro quiral usando el sistema de prioridad CIP.

Paso 2 - opción vertical
Si el ligando de menor prioridad está en un enlace V ertical, entonces está apuntando lejos del espectador.

Trazar los tres ligandos de mayor prioridad comenzando en el ligando de mayor prioridad (① → ② → ③) en la dirección que dará una respuesta correcta de V ery.

En el siguiente compuesto, el movimiento es en sentido horario indicando una configuración R. El nombre completo de la IUPAC para este compuesto es (R) -butan-2-ol.

Paso 2 - opción horizontal

Si el ligando de menor prioridad está en un enlace orizontal H, entonces está apuntando hacia el espectador.

Rastree los tres ligandos de mayor prioridad comenzando en el ligando de mayor prioridad (① → ② → ③) en la dirección que dará una respuesta H orriblemente incorrecta. Observe en la siguiente tabla que las configuraciones se invierten desde el primer ejemplo.

En el siguiente compuesto, el movimiento es en sentido horario (R) lo cual es horriblemente incorrecto, por lo que la configuración real es S. El nombre completo de la IUPAC para este compuesto es (S) -butan-2-ol.

Manipulación de proyecciones Fischer sin cambio en la configuración

Una proyección Fischer restringe una molécula tridimensional en dos dimensiones. En consecuencia, existen limitaciones en cuanto a las operaciones que se pueden realizar en una proyección Fischer sin cambiar la configuración absoluta en los centros quirales. Las operaciones que no cambian la configuración absoluta en un centro quiral en una proyección Fischer se pueden resumir como dos reglas.

Regla 1: La rotación de la proyección Fischer en 180º en cualquier dirección sin levantarla del plano del papel no cambia la configuración absoluta en el centro quiral.

Regla 2: La rotación de tres ligandos en el centro quiral en cualquier dirección, manteniendo el ligando restante en su lugar, no cambia la configuración absoluta en el centro quiral.

Manipulación de proyecciones Fischer con cambio en la configuración

Las operaciones que sí cambian la configuración absoluta en un centro quiral en una proyección Fischer se pueden resumir como dos reglas.

Regla 1: La rotación de la proyección Fischer en 90º en cualquier dirección cambia la configuración absoluta en el centro quiral.

Regla 2: Intercambiar dos ligandos cualesquiera en el centro quiral cambia la configuración absoluta en el centro quiral.

Las reglas anteriores asumen que la proyección Fischer en consideración contiene sólo un centro quiral. Sin embargo, con cuidado, se pueden aplicar a proyecciones Fischer que contengan cualquier número de centros quirales.

Ejercicio 1

Clasificar los siguientes compuestos como R o S?

Solución

1. S: I > Br > F > H. El sustituyente de menor prioridad, H, ya va hacia atrás. Gira a la izquierda yendo de I a Br a F, entonces es una S.
2. R: Br > Cl > CH ₃ > H. Hay que cambiar la H y Br para colocar la H, la prioridad más baja, en la parte posterior. Entonces, yendo de Br a Cl, CH ₃ está girando a la derecha, dándote una R.
3. Ni R ni S: Esta molécula es aquiral. Solo las moléculas quirales pueden denominarse R o S.
4. R: OH > CN > CH ₂ NH ₂ > H. La H, la prioridad más baja, tiene que cambiarse a la parte posterior. Después, yendo de OH a CN a CH ₂ NH ₂, estás girando a la derecha, dándote una R.
5. (5) S:\(\ce{-COOH}\) >\(\ce{-CH_2OH}\) >\(\ce{C#CH}\) >\(\ce{H}\). Entonces, pasando de\(\ce{-COOH}\) a\(\ce{-CH_2OH}\) a\(\ce{-C#CH}\) estás girando a la izquierda, dándote una configuración S.

Ejercicios

6. Orientar lo siguiente para que el átomo de menor prioridad (4) se sitúe por detrás, luego asigne estereoquímica (R o S).

7. Dibujar (R) -2-bromobutan-2-ol.

8. Asignar R/S a la siguiente molécula.

Soluciones

6.

A = S; B = R

7.

 

8. El centro estéreo es R.

Otros recursos

Video tutorial de Kahn Academy sobre el sistema de nomenclatura R-S

Referencias

1. Schore y Vollhardt. Estructura y Función de Química Orgánica. Nueva York:W.H. Freeman and Company, 2007.
2. McMurry, John y Simanek, Eric. Fundamentos de Química Orgánica. 6ª Ed. Brooks Cole, 2006.

Colaboradores y Atribuciones

• Ekta Patel (UCD), Ifemayowa Aworanti (Universidad de Maryland, Condado de Baltimore)
• Template:Soderberg