3.1: Preludio a las conformaciones y la estereoquímica
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¡Los modelos moleculares son tu amigo!
Debido a que este capítulo trata extensamente de conceptos que son inherentemente tridimensionales por naturaleza, será muy importante que uses un kit de modelado molecular que esté específicamente destinado a la química orgánica. Muchas de las ideas que estaremos explorando pueden ser extremadamente confusas si estás limitado a las dos dimensiones de esta página. ¡Prepárate para seguir estas discusiones en tres dimensiones, con un modelo molecular en tus manos!
Introducción: Louis Pasteur y el descubrimiento de la quiralidad molecular
En 1848, un químico de 25 años llamado Louis Pasteur hizo una afirmación sorprendente -y algunos pensaron descarada- ante la comunidad científica. Pasteur era inexperto, por decir lo menos: sólo había obtenido su doctorado el año anterior, y acababa de comenzar su primer trabajo como asistente de profesor en la Ecole normale superieure, una universidad de París. Jean-Baptiste Biot, un físico muy respetado que ya había hecho importantes contribuciones a campos científicos tan diversos como los meteoritos, el magnetismo y la óptica, estaba intrigado pero poco convencido por la afirmación de Pasteur. Invitó al joven a venir a su laboratorio y reproducir sus experimentos.
(Crédito de la foto: https://www.flickr.com/photos/nate/)
Décadas antes, Biot había descubierto que las soluciones acuosas de algunas sustancias de origen biológico, como el ácido tartárico, la quinina, la morfina y varios azúcares, eran ópticamente activas: es decir, el plano de la luz polarizada giraría en un positivo (en sentido horario, o diestro) o negativo (en sentido antihorario o zurdo) cuando se pasa a través de las soluciones. Nadie entendió la fuente de esta propiedad óptica. Una de las sustancias biológicas conocidas por ser ópticamente activas fue una sal de ácido tartárico, un compuesto que se encuentra en abundancia en la uva y un importante subproducto de la industria vinícola. fig 1b
El compuesto era dextrorrotatorio en solución, es decir, giraba la luz polarizada en el plano en el sentido positivo (diestro o horario). Curiosamente, sin embargo, los químicos también habían encontrado que otra forma de ácido tartárico procesado estaba ópticamente activo, a pesar de que parecía ser idéntico al ácido ópticamente activo en todos los demás aspectos. El compuesto ópticamente inactivo se denominó 'acide racemique', del latín racemus, que significa 'racimo de ujas'.
Las afirmaciones de Louis Pasteur tuvieron que ver con experimentos que dijo haber hecho con el ácido 'racémico'. Jean-Baptise Biot convocó a Pasteur a su laboratorio, y le presentó una muestra de ácido racémico que él mismo ya había confirmado que estaba ópticamente inactivo. Con Biot vigilando sobre su hombro, y usando los reactivos de Biot, Pasteur preparó la forma de sal del ácido, la disolvió en agua y dejó la solución acuosa en un matraz descubierto para permitir que los cristales se formaran lentamente a medida que el agua se evaporaba.
Biot volvió a convocar a Pasteur al laboratorio unos días después cuando se completó la cristalización. Pasteur colocó los cristales bajo un microscopio, y comenzó a examinar minuciosamente su forma, tal como lo había hecho en sus experimentos originales. Había reconocido que los cristales, que tenían una forma regular, eran asimétricos: en otras palabras, no podían superponerse a su imagen especular. Los científicos se refirieron a los cristales asimétricos y otros objetos asimétricos como “quirales”, de la palabra griega para 'mano'. Tus manos son objetos quirales, pues aunque tu mano derecha y tu mano izquierda son imágenes especulares entre sí, no se pueden superponer. Por eso no puedes meter tu mano derecha en un guante zurdo.
Más importante aún, Pasteur había afirmado que los cristales quirales que estaba viendo bajo la lente de su microscopio eran de dos tipos diferentes, y los dos tipos eran imágenes especulares el uno del otro: aproximadamente la mitad eran lo que él denominó 'dicha' y la mitad eran 'zurdos'. Separó cuidadosamente los cristales diestros y zurdos entre sí, y presentó las dos muestras a Biot. El eminente científico entonces tomó lo que Pasteur le dijo que eran los cristales zurdos, los disolvió en agua, y puso la solución acuosa en un polarímetro, instrumento que mide la rotación óptica. Biot sabía que el ácido tartárico procesado que había proporcionado Pasteur había sido ópticamente inactivo. También sabía que el ácido tartárico sin procesar de la uva tenía actividad óptica diestra, mientras que el ácido tartárico zurdo era inaudito. Ante sus ojos, sin embargo, ahora vio que la solución estaba rotando la luz hacia la izquierda. Se volvió hacia su joven colega y exclamó: "Mon cher enfant, j'ai tant aime ́ les sciences dans ma vie que cela me fait battre le coeur! ' (Mi querido hijo, ¡he amado tanto la ciencia durante mi vida que esto me hace latir el corazón!)
Biot tenía buenas razones para estar tan profundamente emocionado. Pasteur acababa de demostrar de manera concluyente, por primera vez, el concepto de quiralidad molecular: las propias moléculas -no solo objetos macroscópicos como los cristales- podían exhibir quiralidad, y podían separarse en distintos 'estereoisómeros' diestros y zurdos. Uniendo ideas de física, química y biología, había demostrado que la naturaleza podía ser quiral a nivel molecular, y al hacerlo había introducido al mundo un nuevo subcampo que llegó a conocerse como 'estereoquímica'.
Unos diez años después de su demostración de quiralidad molecular, Pasteur pasó a hacer otra observación con profundas implicaciones para la química biológica. Ya era bien sabido que el ácido tartárico 'natural' (el tipo diestro de la uva) podría ser fermentado por bacterias. Pasteur descubrió que las bacterias eran selectivas con respecto a la quiralidad del ácido tartárico: no se produjo fermentación cuando las bacterias fueron provistas de ácido puro zurdo, y cuando se les proporcionó ácido racémico fermentaron específicamente el componente diestro, dejando atrás el ácido zurdo.
Pasteur no era consciente, en el momento de los descubrimientos aquí descritos, de los detalles de las características estructurales del ácido tartárico a nivel molecular que hicieron quiral al ácido, aunque hizo algunas predicciones sobre los patrones de unión del carbono que resultaron ser notablemente precisos. En los más de 150 años transcurridos desde el trabajo inicial del ácido tartárico de Pasteur, hemos ampliado enormemente nuestra comprensión de la quiralidad molecular, y es este conocimiento el que conforma el núcleo de este capítulo. En pocas palabras, la estereoquímica es el estudio de cómo se orientan los enlaces en el espacio tridimensional. Es difícil exagerar la importancia de la estereoquímica en la naturaleza, y en los campos de la biología y la medicina en particular. Como Pasteur demostró tan convincentemente, la vida misma es quiral: los seres vivos reconocen diferentes estereoisómeros de compuestos orgánicos y los procesan en consecuencia.