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Moléculas gemelas formadas con luz

Laura Marcela Becerra Cely, Diego Alexander Gamba Sánchez

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76 Hipótesis, Apuntes científicos uniandinos, núm. 19, 2015

Laura Marcela Becerra CelyQuímica, estudiante de maestría en Química en la Universidad de los Andeslm.becerra74@uniandes.edu.co

Diego Alexander Gamba SánchezPh. D., profesor asociado e investigador del Departamento de Química de la Universidad de los Andesda.gamba1361@uniandes.edu.co

“Espejito, espejito mágico, ¿quién es la más bella de todo el reino?”, decía la reina Grimhilde, madrastra de Blancanie-ves. Ella y un gran porcentaje de personas solo evidencia sus imperfecciones o sus perfectos rasgos físicos al verse en el espejo. Pero nunca se llega a notar la diferencia que existe con la imagen especular sino cuando se habla al respecto.

En ocasiones, un cuerpo y su imagen especular no se pueden superponer; en ese caso ha-blamos de quiralidad. Nosotros mismos, nuestras manos, pies y muchos otros objetos de uso común tienen esta propiedad [1].

El mismo fenómeno se puede observar en algunas moléculas. En este caso hablamos de quiralidad molecular o de la existencia de moléculas quirales. Un par de compuestos que son imagen especular el uno del otro y no son superponibles se conocen como enantiómeros. Los enantiómeros difieren solo en la ubicación espacial de los grupos funcionales que los componen.

Moléculas gemelas formadas con luz

Figura 1. Quiralidad en las manos.Fuentes: https://pixabay.com/es/photos/earth/; https://en.wikipedia.org/wiki/Mountza.

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En la naturaleza podemos encontrar una gran variedad de com-puestos quirales, como azúcares, enzimas, esteroides, proteínas, ácidos nucleicos y otros. Estos compuestos están encargados de diversos e importantes procesos biológicos en los que solo uno de los enantiómeros es útil para realizar ciertas funciones. Un ejemplo de ello es la formación de proteínas a partir de la forma enantiomérica L de los aminoácidos [2]. Este ejemplo se ilustra en la figura 3.

Puesto que las moléculas que conforman un organismo vivo son todas quirales, su interacción con otras moléculas que tengan la misma propiedad será exclusiva, algo que en química llamamos estereoespecífica. El lector puede imaginar la interacción entre dos manos para ilustrar este fenómeno. Si una mano derecha interactúa con otra mano derecha en un apretón de manos, esta interacción es óptima, pero si la interacción se da entre una mano derecha y una izquierda, el apretón es débil; es más, es-trictamente hablando, el apretón no existe.

Muchos ejemplos se pueden citar para ilustrar químicamente este fenómeno; sin embargo, los más populares son los referen-tes a medicamentos. Para mencionar algunos, tenemos el caso de la talidomida (uno de los enantiómeros es sedativo, y el otro, teratogénico) o del albuterol (uno de los enantiómeros dilata los bronquios, el otro los inflama y bloquea las vías respiratorias). Otro ejemplo que cabe resaltar es la levodopa, medicamento

utilizado para el tratamiento de la enfermedad de Parkinson, en la que el enantiómero L es activo, y el enantiómero D es biológi-camente inactivo. La nomenclatura D y L es antigua, aunque se sigue usando en aminoácidos y azúcares; hoy usamos el siste-ma CIP, en el cual los enantiómeros se nombran como R y S, de acuerdo con la distribución de sus sustituyentes en el espacio. Es importante mencionar que al consumir el enantiómero “malo” o inactivo, o al utilizar la mezcla racémica (mezcla 1:1 de los dos enantiómeros) se puede afectar la capacidad del organismo para utilizar el enantiómero correcto, y adicionalmente se suelen observar efectos farmacológicos indeseables.

Las propiedades físicas y químicas de una pareja de enantióme-ros son casi idénticas; solo difieren en dos aspectos: la forma en que interactúan con la luz polarizada y la forma en que reaccio-nan con moléculas quirales. Sobre la forma de reaccionar con moléculas quirales ya se ha hablado y se han dado ejemplos en este escrito. Debe quedar claro que un par de moléculas quirales, o asimétricas, solo reaccionarán de forma distinta con otra si esta también es asimétrica. En resumen, la interacción de un par de enantiómeros es idéntica con una molécula simétrica y distinta con una asimétrica. Esto se puede extrapolar al efecto observado cuando interacciona una molécula asimétrica con la luz polarizada, puesto que si cada uno de los enantiómeros de un par reacciona o interacciona de forma diferente con la luz polarizada, significa que esta también es quiral.

RC

COOH

NH2

H R C

COOH

NH2

H

Figura 2. Enantiómeros.Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Chirality_with_hands.svg.

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La luz es una porción de varias ondas electromagnéticas que vi-bran y viajan a una velocidad muy alta a través del espacio. Las ondas de luz se pueden descomponer según su longitud de onda y su ángulo de oscilación [3]. La luz visible es no polarizada. Este tipo de luz se compone de muchas ondas que tienen direcciones diferentes, mientras que las ondas de luz que vibran en la misma dirección se llaman polarizadas. Cuando se habla de luz lineal-mente polarizada se hace referencia al hecho de que el campo

eléctrico siempre conserva su dirección, y cambia únicamente su magnitud y sentido; por lo tanto, se dice que el campo eléctrico se encuentra en fase. En cambio, en la polarización circular se puede evidenciar un desfase de 90° en las ondas del campo eléctrico, pero la amplitud de estas es la misma (figura 5).

En este escrito nos enfocaremos en la luz polarizada circular-mente y en su interacción con moléculas quirales. La polariza-

Figura 3. Formación de proteína a partir de L-lisina y L-histidina.Fuente: autores.

Figura 4. a) estructura de L-levodopa; b) estructura de D-levodopa.Fuente: autores.

Figura 5. Luz polarizada circularmente (negro), como suma de dos componentes polarizados linealmente (azul y rojo) con desfase de 90°.Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Rising_circular.gif.

Y

Z

X

HO

A

OH

HO

NH2

O

HO

B

OH

HO

NH2

O

L-Lisina L-Histidina

+OH

O

NH2

N2H

Cadena terminalGrupo carboxilo

Grupo amino

OH

O

NH2

Cadena terminalGrupo carboxilo

Grupo amino

N

HN

Grupo amino terminal

Enlace peptídico

O

O

NH

NH2

HN

N

OHN2H

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ción circular puede presentarse hacia la derecha (sentido de las manecillas del reloj) o izquierda (sentido opuesto a las maneci-llas del reloj). Nos basamos en la dirección en la que el campo rota mientras la onda se propaga.

En la naturaleza podemos encontrar ciertos animales que tie-nen la capacidad de distinguir la luz polarizada lineal, pero es extremadamente extraño que distingan la luz polarizada circular. Como ya hemos mencionado, esto se debe a la interacción entre moléculas quirales y la luz polarizada. Esta dificultad nos permite suponer una quiralidad intrínseca de las moléculas que compo-nen los órganos de recepción de luz. Un ejemplo particular es el camarón mantis, o gamba mantis, un crustáceo con una visión magnífica, ya que puede mover de manera independiente los ojos. Puede captar ondas del infrarrojo y ondas del ultravioleta, y ve en doce colores, mientras que el ser humano solo logra ver en tres. Adicionalmente, puede captar cuatro clases de polariza-

ción lineal, y hasta el momento son los únicos organismos —de los que se tiene evidencia— capaces de distinguir dos clases de polarización circular, lo cual les permite detectar animales transparentes y pequeños (figura 6).

El complejo sistema visual de este camarón es tan sorprendente que se han realizado estudios con fines medicinales, pues la detección de UV que el mantis marino logra realizar se podría imitar para fabricar cámaras que logren captar tejidos relaciona-dos con el cáncer, no perceptibles para el ojo humano.

El caso citado del camarón no es solo un ejemplo curioso: en el proceso de captación de luz y transformación de la imagen existe un número muy grande de reacciones químicas. La visión de este camarón permite especular sobre procesos bioquímicos en los cuales la luz polarizada circular está interactuando de una única manera con moléculas quirales. Un poco más reciente-

Figura 6. Luz polarizada y camarón mantis.Fuente: autores; https://en.wikipedia.org/wiki/Mantis_shrimp#/media/File:OdontodactylusScyllarus.jpg

Fuente de luz

Luz no polarizada

Polarizador

Tubo que contiene el compuesto

aquiral

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mente se ha logrado determinar que si una molécula simétrica que tiene la geometría apropiada interactúa con luz polarizada circular, esta es capaz de inducir una reacción en la que se ob-tiene un único producto asimétrico, dependiendo de la dirección de polarización de la luz. Es como si un triángulo pudiese con-vertirse en un tetraedro y otro, por adición de un ángulo adicional en una de sus caras selectivamente (véase la figura 7).

Para enfocarse en la luz polarizada circularmente hay que defi-nir cómo se puede relacionar dicha luz con los compuestos. La fotoquímica estudia la interacción que se da entre las moléculas y la luz, y, por ende, los cambios que trae consigo esta interac-ción. En las reacciones que son inducidas por la luz, la molécula pasa de un estado fundamental simétrico a un estado excitado asimétrico, y así logra la energía necesaria para generar unos productos. En las reacciones de activación térmica, la energía es tomada de la fuente de calentamiento. La mayoría de estas reacciones no permiten discernir entre las formas enantioméri-cas sintetizadas para una molécula; pero si se sabe que cada enantiómero se comporta de diferente manera al interactuar con la luz polarizada circular, se tiene una interesante posibilidad de síntesis enantioselectiva o asimétrica.

La síntesis asimétrica permite introducir, mantener o fomentar la quiralidad que se desea. La síntesis asimétrica absoluta pre-tende lograr esa quiralidad sin usar ninguna fuente molecular de esta. El uso de luz polarizada circular (CPL) es interesante para un laboratorio, ya que la CPL se genera fácilmente a partir de la luz linealmente polarizada. La luz polarizada circular es una radiación electromagnética quiral. Cuando una molécula inte-ractúa con la luz polarizada se obtienen sustancias ópticamente activas, o quirales. El único requisito que tienen las moléculas para poder volverse quirales es absorber la luz visible o ultravio-leta, y de esta manera inducir una reacción fotoquímica.

Una reacción asimétrica mediada por luz se puede esperar en diferentes sistemas: el primero tiene lugar cuando se evidencia un equilibrio térmico entre las dos conformaciones enantioméri-cas; el segundo ocurre cuando se está irradiando una molécula con CPL de una longitud de onda para la cual el dicroísmo cir-cular no sea cero (teniendo en cuenta que para cada uno de los

enantiómeros este valor es distinto); y por último, sucede si la relajación de los productos es más rápida que una posible race-mización1 en el estado excitado, y los productos que se irradian son quirales.

En los siguientes párrafos se mostrarán las posibles formas de realizar reacciones asimétricas utilizando CPL. La irradiación de una molécula proquiral (que no es quiral, pero en la cual un cambio de uno de sus grupos genera una estructura quiral) con luz polarizada circular podría conducir el estado fundamental de estas moléculas a un estado excitado con cierta quiralidad, lo cual permite la formación preferencial de un enantiómero. Se pueden destacar tres tipos de conversiones enantioselectivas utilizando CPL: fotodestrucción preferencial, fotorresolución y fotosíntesis asimétrica.

En la fotodestrucción preferencial solo uno de los enantióme-ros de un racemato o mezcla racémica es convertido. De esta manera, la mezcla se enriquece en uno de los estereoisómeros (figura 8). Esta reacción es irreversible.

La foto-resolución es un proceso de conversión de una mezcla racémica a un enantiómero puro. La mezcla y el enantiómero puro son fotoquímicamente interconvertibles (figura 9), es decir, la reacción es reversible.

Y por último encontramos la fotosíntesis asimétrica, que es una formación fotoquímica enantioselectiva de un compuesto óptica-mente activo a partir de un material de partida proquiral —mo-lécula orgánica que no tiene centros quirales, y que al reaccionar en un ambiente quiral genera quiralidad— (figura 10).

Los sistemas más comunes para ilustrar el concepto de síntesis asimétrica controlados por CPL son los helicenos. Estos son mo-léculas orgánicas compuestas por anillos aromáticos que tienen la capacidad de generar hélices (figura 11), y por lo tanto son quirales [4]. La forma de los helicenos es similar a la concha del caracol, debido a que estos están enrollados en forma de espiral y tienen una abertura hacia la derecha o hacia la izquierda. La

1 Transformación de un isómero óptico puro o enantiómero en una mezcla de isómeros.

Figura 7. Inducción de asimetría por una reacción

ent-BB A

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quiralidad de los helicenos se da por tener hélices en sentido horario y antihorario, ya que estos no se pueden sobreponer.

En 1967 se reportó la primera síntesis de heptahelicenos. Desde entonces la fotociclación se ha convertido en uno de los métodos más importantes para sintetizar muchos derivados de esta familia de compuestos. Con el fin de controlar la regioselectividad, el grupo de investigación de Katz [5] desarrolló un método de fotociclación en el que se utilizó bromo para lograr la producción de helicenos, se-

lectivamente, con un rendimiento del 75%. Se ha reportado que los productos de síntesis asimétrica en los que se obtienen helicenos no tienen una pureza óptica muy alta. Por lo tanto, se debe seguir investigando acerca de la resolución óptica de estos compuestos, puesto que al ser ópticamente puros tienen múltiples aplicaciones.

Los helicenos se utilizan en diversos y amplios campos de la vida. Por los diferentes resultados y las múltiples aplicaciones que puede tener este grupo de compuestos, algunos grupos de

Figura 8. Fotodestrucción preferencial.Fuente: autores.

Figura 9. Fotoresolución.Fuente: autores.

Figura 10. Fotosíntesis asimétrica.Fuente: autores.

Figura 11. Estructura de helicenos en 2D, 3D y conchas de caracol enantioméricas.Fuente: https://en.wikipedia.org/wiki/Chirality#/media/File:Neptunea_-_links%26rechts_gewon-den.jpg; https://commons.wikimedia.org/wiki/File:M-heptahelicene.svg; https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Heptahelicene-3D-balls.png

Mezcla de compuestos R, S

Mezcla de compuestos R. S

Exceso de productos a partir de compuesto S

Degradación de productos a partir de

compuesto R

Exceso de producto R

Exceso de producto S

(l)-CPL

(r)-CPL

Compuestos aquirales

Producto S

Producto R

(l)-CPL

(r)-CPL

(r)-CPL

Exceso de productos a partir de compuesto R

Degradación de productos a partir de compuesto S

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investigación trabajan en métodos de síntesis de helicenos utili-zando como reactivo principal la luz polarizada circular.

Las aplicaciones más destacadas de esta familia de compues-tos son la catálisis asimétrica, su uso en sensores fluorescentes enantioselectivos, maquinarias moleculares y materiales emiso-res, entre otros. La primera aplicación es la catálisis asimétrica, en la que se utilizan cantidades muy pequeñas de compuestos o catalizadores quirales que promueven la formación de productos enantioméricamente puros.

También se observa la presencia de helicenos en sensores fluo-rescentes enantioselectivos, los cuales permiten detectar nano-partículas imperceptibles al ojo humano, y que logran acumular-se en un pequeño espacio muy rápidamente.

Como se mencionó, los helicenos son de gran importancia para la construcción de maquinarias moleculares. Una máquina mo-lecular es un sistema de moléculas en la que se produce un movimiento controlado de una específica parte del sistema, lo cual permite el desarrollo de una función específica. Este movi-miento controlado se da por una incitación externa. Los objetivos principales de la síntesis de maquinarias moleculares son que el movimiento de las moléculas pueda ser controlado a voluntad y que dicho movimiento tenga una funcionalidad bastante signifi-cativa en diferentes sistemas biológicos.

Un ejemplo de máquinas moleculares son los motores giratorios moleculares impulsados químicamente. El objetivo es utilizar la energía química para producir movimientos controlados en una sola dirección de rotación. Este mecanismo es bastante similar

al consumo de ATP por los organismos con el fin de alimentar numerosos procesos (figura 12) [6].

A pesar de lo interesante que es realizar síntesis asimétrica uti-lizando luz polarizada circular, existen diversas dificultades en el momento de usar este tipo de fotorreacciones. Aquí menciona-remos las más relevantes.

La primera dificultad es la obtención de un alto exceso enantio-mérico sobre la cantidad del sustrato recuperado. Alto exceso se define como la cantidad en que un enantiómero puro excede la mezcla racémica. Es decir, si se tiene una mezcla de 90% del enantiómero R, y 10% del S, el exceso enantiomérico es 80%, lo cual significa que la mezcla está compuesta por 20% de mezcla racémica y 80% de enantiómero R puro. Hasta ahora solo se han logrado bajos excesos, y en cantidades muy pequeñas. La razón: cuando se tiene una mezcla racémica que se va a someter a una reacción fotoquímica con l-CPL, un enantiómero del racemato va a reaccionar más rápido que el otro.

La segunda dificultad es la baja selectividad o rendimiento ópti-co que se logra de los productos, debido a que se tiene un valor anisotrópico (g) pequeño. El factor anisotrópico es la diferencia relativa de los coeficientes de extinción molar (ε) de un com-puesto ópticamente puro hacia l- y r-CPL, a una longitud de onda dada, donde el numerador debe ser mayor que el denomi-nador, para de esta manera mejorar el rendimiento óptico.

La tercera y última dificultad que mencionaremos tiene lugar cuando los enantiómeros se interconvierten fotoquímicamente utilizando CPL. Al tener R y S diferente facilidad de absorber

Figura 12. Motor molecular químico.Fuente: https://es.wikipedia.org/wiki/Motores_moleculares_sintéticos#/media/File:Feringa_chem_motor.png

A

11

3

34

4 22

D

A

D

B

C

B

C

CO2HOAllyIPMBO

CO2HAllyIO OPMB AllyIO O

O

PMBO O

O

PMB= OMe AllyI=

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la luz a cierta longitud de onda, se dará un desequilibrio en las cantidades de los enantiómeros. Aunque R y S se consumen en el proceso, los resultados aún no son los deseados debido a que el exceso enantiomérico del sustrato recuperado es pequeño.

Casi siempre, al realizar fotorreacciones iniciadas con luz polari-zada circular, el exceso enantiomérico del fotoproducto o reactivo recuperado es bajo, por las dificultades mencionadas. Un ejemplo de esto es la fotodegradación del alcanfor con luz polarizada circu-lar, caso en el que el rendimiento de la reacción es del 99%, pero solo el 20% del fotoproducto es ópticamente puro. Aunque existen múltiples resultados que demuestran las dificultades de llevar a cabo la síntesis asimétrica con CPL, se han hecho algunos in-tentos de aumentar los excesos enantioméricos que se obtienen. Entre ellos se destaca el trabajo del grupo de Soai [7], que utilizó trazas de un iniciador quiral con muy bajo exceso enantiomérico (ee) y obtuvo productos con elevada pureza óptica, aunque algo alejados de la idea original, que era eliminar el uso de cualquier fuente molecular de quiralidad (figura 13).

En conclusión, hemos definido la quiralidad, mostrado su im-portancia en la naturaleza y explicado cómo la luz polarizada circular emerge como una alternativa de bajo costo para la ob-tención de moléculas enantioméricamente puras, ya sea a partir de mezclas racémicas o de moléculas proquirales. Los procedi-mientos mediante los cuales se llevan a cabo estas transforma-ciones son de distintos tipos y abren la puerta a un sinnúmero de aplicaciones en química, principalmente en síntesis orgánica. Con esta técnica se pretende simular lo que por millones de años ha hecho la naturaleza, y que aún hoy es causa de un amplio debate sobre el origen de la quiralidad en la tierra. •

REFERENCIAS

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licenes using bis(arylvinyl) arenes as precursors. Tetrahedron

1975; 31(17): 2139-2143.

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[7] Pagni RM, Compton RN. Is circularly polarized light an effective

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2005; 2(3): 203-209.

Figura 13. Síntesis de alcoholes con elevado exceso enantiomérico (ee) a partir de iniciadores quirales con bajo ee.Fuente: autores

+ j-Pr2Zn

O

OHN

N

OHN

N

OHN

N

Producto (R)79% ee

Iniciador quiral (S)0,1% ee

Tolueno, 0°C

Tolueno, 0°C

Iniciador quiral (R)0,1% ee

Producto (S)85% ee

NH

NH

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