3.2: Isomería óptica

En la sección anterior analizamos el estereoisomería conformacional y geométrica, con lo que nos referimos a que las moléculas que tienen la misma fórmula molecular y conectividad de los átomos, pero que tienen diferentes arreglos en el espacio. Los isómeros conformacionales se pueden interconvertir mediante rotaciones alrededor de\(\mathrm{C-C}\) los enlaces, mientras que los isómeros geométricos (cis/trans) tienen geometrías permanentemente distintas. Ahora introducimos otro tipo de estereoisómero, conocido como isómeros ópticos. Los isómeros ópticos tienen una propiedad llamada quiralidad: son imágenes especulares entre sí. Si bien tienen exactamente la misma forma general, no son superponibles entre sí. Un ejemplo obvio de objetos macroscópicos que son quirales son tus manos.

Tus manos son imágenes especulares unas de otras, pero no son superponibles entre sí colocando una mano encima de la otra te muestra que son diferentes como lo hace el hecho de que un guante de mano izquierda no se ajusta a tu mano derecha. Hay muchos objetos en el mundo que son quirales. A nivel molecular, muchas moléculas son quirales —y a menudo se dice que existen en formas zurdas y diestras.

Los ejemplos más simples de moléculas quirales son aquellas que tienen un solo átomo de carbono con cuatro sustituyentes diferentes unidos. Si bien estos compuestos tienen exactamente la misma estructura, conectividad y relación entre los átomos en el espacio, son diferentes de la misma manera que una mano derecha e izquierda son diferentes: se les conoce como enantiómeros —imágenes especulares no superponibles entre sí. Una mezcla igual de enantiómeros se llama racemato (racémico). En condiciones normales de laboratorio es difícil diferenciar entre un par de enantiómeros. Si pudieras separar las formas izquierdas de las diestras, encontrarías que tienen la misma estructura, las mismas propiedades físicas y químicas, es decir, el mismo punto de fusión, punto de ebullición, solubilidad y reactividad química. Sin embargo, no son idénticos, se pueden distinguir por la forma en que interactúan con ciertos tipos de luz.

Se puede considerar que la radiación electromagnética está compuesta por ondas eléctricas y magnéticas (e-m) que oscilan perpendiculares entre sí y a la dirección de transmisión de las ondas.

Pero un haz de luz no es una sola onda e-m; consiste en muchas de esas ondas. La orientación de las diversas ondas e-m dentro del haz son independientes entre sí y están orientadas aleatoriamente con respecto a la dirección del haz. Podemos simplificar una onda e-m pasando el haz de luz a través de lo que se conoce como polarizador. Un polarizador es un material transparente (permite que la luz pase a través de él) compuesto de cristalino orientado que bloquea todas las oscilaciones e-m que no se alinean con la estructura cristalina. El resultado es que la luz que pasa a través del polarizador oscila en un solo plano; conocida como luz plano-polarizada. Ahora puedes hacer una predicción; si colocas un segundo filtro polarizador en la misma orientación que el primero, en la trayectoria de un haz de luz polarizado plano, el haz pasará a través, pero si giras el segundo filtro\(90^{\circ}\) to the first, the beam will be absorbed (blocked). This is an experiment you can do if you have polarizing sunglasses, which reduce glare by allowing light vibrating in only one direction to pass through. If the plane-polarized light interacts with an asymmetric electric field (such as the one generated by a chiral molecule), the plane of vibration will be rotated. We can measure the angle of rotation using another polarizing lens and in this way, we can detect the presence of chiral molecules. On the other hand, passing plane-polarized light through a racemic mixture (with 50% of each enantiomers present), or through a solution containing a non-chiral solute, will not affect the direction of the polarization plane.

In a sample that rotates the plane of a plane-polarized light beam to the right, the enantiomer is designated as the (+ or dextrorotatory ) isomer; if it rotates the plane-polarized light beam to the left it is referred to as the (– or levorotatory ) isomer. This phenomenon is direct evidence of the existence of chiral molecules. The amount of rotation is dependent on the concentration of the substance in the solution, the path length of the sample tube, the wavelength of the incident light, and also the nature of the substance itself. We often report these rotations as a specific rotation, where all of these variables are defined, so that compounds can be identified by this property. Because of this phenomenon, substances that are chiral are said to be optically active.