Estructura espacial y quiralidad
La característica más importante de los ácidos heterofuncionales es la enantiomería, un tipo de isomería que surge cuando hay un átomo de carbono asimétrico (centro quiral) en la molécula. Dicho átomo de carbono central debe estar unido a cuatro sustituyentes diferentes.
Consideremos el concepto de quiralidad utilizando el 3-metilpent-1-eno como ejemplo. Los siguientes sustituyentes están unidos al átomo central (en orden de complejidad estructural):
- Hidrógeno (–H)
- Grupo vinilo (–CH=CH₂)
- Grupo metilo (–CH₃)
- Grupo etilo (–C₂H₅)
La presencia de cuatro sustituyentes diferentes hace que la sustancia pueda existir en dos formas espaciales: los enantiómeros dextrógiro y levógiro. Para representar los isómeros ópticos en un plano, se utilizan fórmulas de proyección. El modelo tetraédrico de la molécula se coloca de modo que los enlaces horizontales (por ejemplo, H–OH) «apunten» hacia el observador, mientras que los enlaces verticales del esqueleto de carbono se alejen hacia el fondo. Un ejemplo clásico es el ácido láctico: si en la proyección el grupo hidroxilo (OH) está a la derecha, es ácido D-láctico; si está a la izquierda, es ácido L-láctico.
Propiedades de los enantiómeros
Los enantiómeros se relacionan entre sí como un objeto y su imagen especular, los cuales no son superponibles en el espacio.
Las propiedades físicas de los isómeros ópticos son prácticamente idénticas: comparten puntos de ebullición, puntos de fusión y solubilidad. La única diferencia fundamental radica en la capacidad de rotar el plano de polarización de la luz: un isómero desvía el haz hacia la derecha y el otro hacia la izquierda.
Las propiedades químicas también son completamente idénticas al reaccionar con reactivos habituales (aquirales). Es por ello que la síntesis de laboratorio convencional siempre produce un racemato, una mezcla de enantiómeros en cantidades iguales. La diferencia en la reactividad se manifiesta exclusivamente al interactuar con otras sustancias quirales. Esto se puede comparar con un guante derecho y uno izquierdo: se ven iguales, pero la diferencia se vuelve evidente solo cuando intentas ponértelos en la mano (que en sí misma es un objeto quiral).
Significado biológico de la estereoselectividad
A diferencia del matraz de un químico, los organismos vivos demuestran una estereoselectividad estricta. Las células son capaces de sintetizar y utilizar únicamente enantiómeros estrictamente definidos de compuestos biológicamente importantes, y las formas levógiras nunca son intercambiables con las dextrógiras.
Por ejemplo, todas las proteínas naturales constan únicamente de L-enantiómeros de aminoácidos. Al mismo tiempo, la glucosa que se forma durante la fotosíntesis de las plantas y alimenta a los organismos animales está representada exclusivamente por el isómero dextrógiro: la D-glucosa. Vale la pena señalar que el profundo significado biológico y los antecedentes evolutivos de dicha «pureza quiral» de la biosfera no han sido completamente dilucidados por la ciencia.
Métodos de obtención
Los ácidos heterofuncionales se pueden sintetizar de diversas maneras. Uno de los métodos es la obtención a través de aldores (conversión de un aldehído en aldol seguida de la oxidación del grupo aldehído a carboxilo). Sin embargo, el más común es la síntesis a través de derivados halogenados.
Consideremos este método utilizando como ejemplo la obtención de ácido α-hidroxipropiónico (láctico) a partir del ácido propiónico. El proceso consta de tres etapas:
- Cloración. Sustitución de un átomo de hidrógeno en la posición α. El ácido propiónico reacciona con el cloro en presencia de fósforo, formando ácido α-cloropropiónico y cloruro de hidrógeno.
- Hidrólisis. Sustitución del átomo de halógeno por un grupo hidroxilo utilizando un exceso de hidróxido de sodio (NaOH). En este proceso, el ácido se neutraliza y se forma la sal sódica del ácido α-hidroxipropiónico, agua y cloruro de sodio.
- Acidificación Para aislar el ácido orgánico libre de la sal obtenida, se añade ácido sulfúrico (H₂SO₄) a la mezcla. Como resultado, se forman el hidroxiácido deseado y hidrogenosulfato de sodio.
Características de las reacciones químicas
El comportamiento químico de ácidos heterofuncionales específicos está determinado por el conjunto de grupos funcionales que contienen. La presencia tanto del grupo hidroxilo como del carboxilo abre oportunidades para interacciones intermoleculares.
Por ejemplo, al calentar ácido láctico en presencia de ácido sulfúrico, se produce una reacción de dimerización. El grupo hidroxilo de una molécula reacciona con el grupo carboxilo de otra molécula. Como resultado, se forma un enlace éster entre las dos moléculas de ácido láctico y se libera agua.
En resumen: respuestas a preguntas sobre el tema
¿Qué producto específico se forma durante la dimerización del ácido láctico en presencia de ácido sulfúrico?
Durante la dimerización del ácido láctico en presencia de ácido sulfúrico, se forma un éster compuesto por dos residuos de la molécula inicial. El proceso ocurre al calentar e implica la interacción de dos moléculas de ácido con la formación de un enlace éster. Como resultado de esta reacción, se sintetiza un compuesto químico con la siguiente fórmula estructural: $\text{CH}_3\text{CH}(\text{OH})-\text{COO}-\text{CH}(\text{CH}_3)-\text{COOH}$.
¿Qué ácidos heterofuncionales son metabolitos intermediarios del ciclo de Krebs?
Los metabolitos intermediarios del ciclo de Krebs son el ácido oxalacético y el ácido cítrico. Los siguientes compuestos participan en este proceso:
- Ácido oxalacético: se une al acetil-CoA al principio del ciclo y se regenera al final del mismo.
- Ácido cítrico: un ácido tricarboxílico que se forma en la primera etapa y luego pasa por siete reacciones sucesivas de oxidación.
Para no confundir las fórmulas de proyección: el isómero D significa «Derecho» (grupo hidroxilo a la derecha), asociado con la palabra *Dexter* (latín) o diestro. El isómero L significa «Izquierdo» (OH a la izquierda), fácil de recordar por la palabra en inglés *Left*.
Preguntas de clases y exámenes
¿En qué consiste la única diferencia en las propiedades físicas de los enantiómeros?
La única diferencia física es la dirección de la rotación del plano de polarización de la luz: un isómero rota el haz hacia la derecha y el otro hacia la izquierda en exactamente el mismo ángulo.
¿Por qué rara vez se obtienen sustancias ópticamente puras en la síntesis de laboratorio?
En las reacciones químicas ordinarias que utilizan reactivos aquirales, la probabilidad de formación de ambos isómeros espaciales es la misma. Por lo tanto, se forma un racemato, una mezcla de enantiómeros en una proporción de 1:1.
¿Qué enantiómero de aminoácidos utilizan las células para construir proteínas?
Los organismos vivos poseen una estereoselectividad estricta y construyen sus proteínas exclusivamente a partir de isómeros levógiros: los L-enantiómeros de los aminoácidos.
Qué más repasar sobre el tema
- Mecanismo de la reacción de cloración en la posición α con la participación de fósforo
- Especificidad de la obtención de hidroxiácidos a través de la reacción de formación de aldores
- Algoritmo para clasificar los sustituyentes al determinar la configuración de un centro quiral
- Mecanismo de formación del enlace éster durante la dimerización del ácido láctico catalizada por ácidos
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