¿Por qué los carbonos de los centros quirales de la inositol?

Question

Se me pidió dibujar todos los posibles estereoisómeros de inositol (1,2,3,4,5,6-ciclohexano hexol). Para obtener la respuesta tuve que asumir que los seis carbonos de la molécula son asimétricos, lo que (teniendo en cuenta la posible simetría molecular) resulta en los siguientes nueve estereoisómeros:[1]

El problema es que no logro ver por qué estos carbonos pueden considerarse centros quirales. Dado:[2]

 

La causa más común de quiralidad en una molécula orgánica, aunque no la única, es la presencia de un átomo de carbono unido a cuatro grupos diferentes [...]. Estos carbonos ahora se llaman centros quirales [...]

La quiralidad de la molécula no es la razón de mis dudas, puedo ver que los únicos isómeros quirales son el D- y el L- quiro-inositol. Dado que todos los carbonos en el anillo poseen un grupo hidroxilo, ¿no podrían considerarse unidos a sustituyentes equivalentes, haciéndolos simétricos? ¿Es la posibilidad de que los grupos -OH estén arriba o abajo del plano del anillo lo que los hace asimétricos?

1. De Wikipedia
2. McMurry, John. Organic Chemistry. CENGAGE Learning, 2008. 7.ª edición.

Answer 1

Considera 2,3-butanodiol.

Este compuesto tiene 2 estereocentros. La versión meso de este compuesto es aciral. Sin embargo, todavía hay dos estereocentros. Como se muestra, el de la izquierda es (R) y el de la derecha es (S). Precisamente porque estos dos estereocentros son idénticos pero de configuración opuesta, la molécula es meso.

Un centro de carbono es asimétrico si tiene 4 sustituyentes diferentes independientemente de si la molécula en su totalidad es quiral. La sustitución en el anillo de inositol es tal que los centros alrededor del anillo no son idénticos (incluyendo cuando se analiza la estereoquímica--por ejemplo, (R) tiene mayor prioridad que (S)). Esto por supuesto no es suficiente para ayudarte a realizar asignaciones estereoquímicas fácilmente para todos los centros de inositol, pero esperemos que te permita entender por qué los centros siguen siendo centros quirales.

Como dato curioso, hay algunos centros que no pueden ser quirales porque yacen en un plano de espejo. Sin embargo, cambiar la configuración del centro produce una molécula diferente. Estos centros se llaman pseudocirales, y los etiquetamos con minúsculas r y s.

Answer 2

Ofrezco una perspectiva diferente a tu pregunta sobre los inositoles y cómo se determina la quiralidad de los carbonos "superiores" en D-quiro-inositol 2 (C₂; configuración S) y escilo-inositol 3 (C₂; configuración r).

El inositol genérico 1 se numera de la misma manera que D-quiro-inositol y escilo-inositol. Se ilustrará el método para asignar el descriptor CIP para cada inositol en C₂. Comenzando desde C₂ en la estructura 1, la trayectoria en sentido contrario a las agujas del reloj C₂-->C₃-->C₄-->C₅ está coloreada de azul mientras que la trayectoria en sentido de las agujas del reloj C₂-->C₁-->C₆-->C₅ está en rojo.

Comenzando con D-quiro-inositol 2, se asignan descriptores temporales (R_o/S_o) en todos los carbonos excepto en C₂. En cada uno de estos carbonos, el grupo hidroxilo tiene la prioridad más alta mientras que el hidrógeno tiene la prioridad más baja. C₂ se toma como el grupo de prioridad siguiente más alto, sin importar qué tan lejos esté el carbono en cuestión de C₂.1 Las asignaciones temporales para D-quiro-inositol se ilustran en la estructura 2. Para determinar si la trayectoria azul o roja tiene la prioridad más alta, el paso 1 es comparar las asignaciones de C₃/C₄ (S_o/R_o) con C₁/C₆ (S_o/R_o). En este punto no se puede tomar una decisión. En el paso 2, se compara C₃/C₅ (S_o/S_o) en azul con C₁/C₅ (S_o/R_o) en rojo. Porque los descriptores "iguales" (RR o SS) tienen prioridad sobre los descriptores "diferentes" (RS o SR), ya sean temporales o no. Las prioridades para C₂ son OH>S_oS_o>S_oR_o>H. C₂ es de la configuración S. El digrafo 4 también ilustra este punto. Debido a que el D-quiro-inositol es quiral, cada uno de los carbonos es tanto estereogénico como quirotópico. Cada carbono debe ser analizado independientemente como se hizo con C₂. Nota que las asignaciones temporales (R_o/S_o) no tienen relación con las asignaciones finales (R/S). continuar

Escilo-inositol 3 es acíclico al tener tres planos de simetría que pasan por C₁/C₄, C₂/C₅ y C₃/C₆. Todos los carbonos son equivalentes; asigna uno, has asignado los seis. Después de asignar descriptores temporales y avanzar hasta el paso 3 (ver reglas al lado de la estructura 1), no se puede tomar una decisión. C₂ y todos los demás carbonos son pseudoasimétricos (estereogénicos y acirotópicos). La posición por defecto es usar las asignaciones temporales en C₁ y C₃ (ver digrafo 5). La Regla CIP 5 establece R>S (y R_o>S_o). Las prioridades para C₂ son OH>R_o>S_o>H. C₂ es de la configuración r. Los descriptores en minúsculas r/s se reservan para carbonos pseudoasimétricos.

Los dos inositoles discutidos aquí tienen descriptores que son R/S o r/s. Esto no necesita ser siempre el caso. Por ejemplo, el muco-inositol tiene cuatro carbonos quirotópicos (R/S) y dos carbonos acirotópicos (r/s).

1) Este método es una simplificación de una metodología más compleja.

Answer 3

Cuando contamos diferentes sustituyentes para determinar los centros quirales, tenemos que incluir las ubicaciones relativas de los átomos, así como la estequiometría.

Veamos el átomo de carbono superior en la forma D-ciro. Si vas en sentido horario alrededor del anillo, te encuentras con cinco grupos CHOH, y si vas en sentido antihorario obtienes los mismos cinco grupos CHOH. Las fórmulas atómicas de los sustituyentes lucen iguales. Pero:

• en la dirección horaria ves que el grupo hidroxilo unido al primer carbono desde arriba está en el mismo lado del anillo que el grupo hidroxilo en el propio carbono superior. Mientras que:

• en la dirección antihoraria ves que el grupo hidroxilo unido al primer carbono desde arriba está en el lado opuesto del anillo que el grupo hidroxilo en el propio carbono superior.

Esa diferencia es suficiente para contar como dos sustituyentes diferentes incluso cuando las fórmulas en términos de átomos son las mismas. Así que tienes un centro quiral, e incluso la convención CIP identifica la orientación del carbono superior como S. De manera similar, cualquiera de los otros carbonos del anillo pueden ser un centro quiral.

Contrastemos esto con la forma scyllo, por ejemplo, donde la sustitución en cualquier carbono es verdaderamente completamente simétrica incluyendo la estereoquímica. Así que no hay centros quirales ahí. La mayoría de las otras formas mencionadas anteriormente sí tienen centros quirales según el método mencionado, pero terminan siendo compuestos meso. Así que solo las formas etiquetadas como "chiro" tienen en realidad una quiralidad molecular neta.