Un agente derivatizante quiral ( CDA ), también conocido como reactivo de resolución quiral , es un auxiliar quiral que se utiliza para convertir una mezcla de enantiómeros en diastereómeros con el fin de analizar las cantidades de cada enantiómero presente en la mezcla. El análisis puede realizarse mediante espectroscopia o cromatografía. El uso de agentes derivatizantes quirales ha disminuido con la popularización de la HPLC quiral . Además del análisis, la derivatización quiral también se utiliza para la resolución quiral , la separación física real de los enantiómeros.
Historia
Dado que la espectroscopia de RMN ha estado disponible para los químicos, se han realizado numerosos estudios sobre las aplicaciones de esta técnica. Uno de ellos notó la diferencia en el desplazamiento químico (es decir, la distancia entre los picos) de dos diastereómeros. [1] Por el contrario, dos compuestos que son enantiómeros tienen las mismas propiedades espectrales de RMN. Se razonó que si una mezcla de enantiómeros se pudiera convertir en una mezcla de diastereoisómeros uniéndolas a otra sustancia química que fuera quiral, sería posible distinguir esta nueva mezcla usando RMN y, por lo tanto, aprender sobre la mezcla enantiomérica original. El primer ejemplo popular de esta técnica fue publicado en 1969 por Harry S. Mosher . El agente quiral utilizado fue un solo enantiómero de MTPA (ácido α-metoxi-α- (trifluorometil) fenilacético), también conocido como ácido de Mosher . [2] El correspondiente cloruro de ácido también se conoce como cloruro de ácido de Mosher , y los ésteres diastereoméricos resultantes se conocen como ésteres de Mosher. Otro sistema es el alcohol de Pirkle desarrollado en 1977.
Requisitos
El uso general y el diseño de los CDA obedecen las siguientes reglas para que el CDA pueda determinar eficazmente la estereoquímica de un analito: [3]
- El CDA debe ser enantioméricamente puro o (menos satisfactoriamente) su pureza enantiomérica debe conocerse con precisión.
- La reacción del CDA con ambos enantiómeros debería completarse en las condiciones de reacción. Esto actúa para evitar el enriquecimiento o el agotamiento de un enantiómero del analito por resolución cinética.
- CDA no debe racemizar en condiciones de derivatización o análisis. Su fijación debe ser lo suficientemente suave para que el sustrato tampoco se racemice. Si el análisis se completa mediante HPLC, el CDA debe contener un cromóforo para mejorar la detectabilidad.
- Si el análisis se completa por RMN, el CDA debe tener un grupo funcional que dé un singlete en el espectro de RMN resultante, donde el singlete debe estar alejado de otros picos.
El método de Mosher
El ácido de Mosher , a través de su derivado de cloruro de ácido, reacciona fácilmente con alcoholes y aminas para dar ésteres y amidas, respectivamente. La falta de un protón alfa en el ácido evita la pérdida de fidelidad estereoquímica en las condiciones de reacción. Por tanto, el uso de un ácido de Mosher enantioméricamente puro permite la determinación de la configuración de aminas quirales simples y alcoholes . [4] Por ejemplo, los enantiómeros ( R ) y ( S ) del 1-feniletanol reaccionan con el cloruro de ácido ( S ) -Mosher para producir diastereómeros ( R , S ) y ( S , S ), respectivamente, que son distinguibles en RMN. [5]
CFNA (alternativa al ácido de Mosher)
Se preparó un nuevo agente derivatizante quiral (CDA), ácido α-ciano-α-fluoro (2-naftil) -acético (2-CFNA) en forma ópticamente pura mediante la separación por HPLC quiral de un éster metílico de 2-CFNA racémico. Este éster se obtuvo mediante fluoración de α-ciano (2-naftil) acetato de metilo con FC103. Se ha demostrado que el 2-CFNA es un CDA superior al agente de Mosher para determinar el exceso enantiomérico de un alcohol primario. [6]
Cromatografía usando CDA
Tras la reacción de un CDA con el analito diana, se puede utilizar la cromatografía para separar los productos resultantes. En general, la cromatografía se puede utilizar para separar compuestos quirales para evitar cristalizaciones difíciles y / o recoger todos los pares de diastereoisómeros en solución. La cromatografía también tiene muchas variaciones (por ejemplo , HPLC , cromatografía de gases , cromatografía ultrarrápida ) con una amplia gama de aplicabilidad a diversas categorías de moléculas. La capacidad de los CDA para separar moléculas quirales depende de dos mecanismos principales de cromatografía: [7]
- Solvatación diferencial en la fase móvil
- Adsorción diferencial a la fase estacionaria
Postulados de Helmchen
Los Postulados de Helmchen [8] [9] son los modelos teóricos utilizados para predecir el orden de elución y el grado de separación de los diastereómeros (incluidos los formados a partir de CDA) que se adsorben en una superficie. Aunque los postulados de Helmchen son específicos para amidas en gel de sílice mediante cromatografía líquida, los postulados proporcionan pautas fundamentales para otras moléculas. Los postulados de Helmchen son:
- Las conformaciones son las mismas en solución y cuando se adsorbe.
- Los diastereómeros se unen a las superficies (gel de sílice en cromatografía en fase normal) principalmente con puentes de hidrógeno.
- Solo se espera una resolución significativa de diastereómeros cuando las moléculas pueden adsorberse en sílice a través de dos puntos de contacto (dos enlaces de hidrógeno). Esta interacción puede verse perturbada por sustituyentes .
- Los diastereómeros con sustituyentes voluminosos en el carbono alfa (R2) y en el nitrógeno (R1) pueden proteger el enlace de hidrógeno con la superficie, por lo que la molécula se eluirá antes que moléculas similares con sustituyentes más pequeños.
Se ha demostrado que los postulados de Helmchen son aplicables a otros grupos funcionales como: carbamatos , [7] ésteres , [10] y epóxidos . [11]
Fases quirales estacionarias
Las fases estacionarias pueden reaccionar con los CDA para formar fases estacionarias quirales que pueden resolver moléculas quirales. [12] Al reaccionar con alcoholes en una fase estacionaria de silicato, los CDA agregan un centro quiral a la fase estacionaria, lo que permite la separación de moléculas quirales.
CDA en espectroscopia de RMN
Los CDA se utilizan con análisis espectroscópico de RMN para determinar el exceso enantiomérico y la configuración absoluta de un sustrato. Los agentes discriminantes quirales a veces son difíciles de distinguir de los agentes solvatantes quirales (CSA) y algunos agentes pueden usarse como ambos. La velocidad del intercambio entre el sustrato y el centro metálico es el factor determinante más importante para diferenciar entre el uso de un compuesto como CDA o CSA. Generalmente, un CDA tiene un intercambio lento mientras que un CSA tiene un intercambio rápido. [13] Los CDA se utilizan más ampliamente que los CSA para determinar configuraciones absolutas porque la unión covalente al sustrato y al reactivo auxiliar produce especies con mayor rigidez conformacional que crea mayores diferencias en los espectros de RMN. [14] Los CDA y CSA se pueden usar juntos para mejorar el reconocimiento quiral, aunque esto no es común.
Principales preocupaciones al usar CDA
Las principales preocupaciones a tener en cuenta al utilizar un CDA en espectroscopía de RMN son la resolución cinética , la racemización durante la reacción de derivatización y que el reactivo debe tener una pureza óptica del 100%. La resolución cinética es especialmente significativa cuando se determina la pureza óptica, pero es algo despreciable cuando se usa el CDA para asignar la configuración absoluta de un sustrato ópticamente puro. [13] La resolución cinética se puede superar utilizando un exceso de CDA. [15] La racemización puede ocurrir en el CDA o en el sustrato y en ambos casos tiene el potencial de afectar significativamente los resultados.
Estrategias para el análisis de RMN
Los dos métodos básicos de análisis de RMN son derivatización simple y doble. La doble derivatización generalmente se considera más precisa, pero la derivatización simple generalmente requiere menos reactivos y, por lo tanto, es más rentable.
- Métodos de derivatización simple
- El espectro de RMN del producto formado a partir de la reacción del sustrato con un CDA a temperatura ambiente se compara con uno de los siguientes: [14]
- el espectro para la misma derivada cuando se registra a una temperatura más baja
- el espectro del mismo derivado después de formar un complejo con una sal metálica
- el espectro del sustrato sin derivatización
- Métodos de doble derivatización
- O el enantiómero del sustrato se deriva con dos enantiómeros del CDA o ambos enantiómeros del sustrato se derivatizan con un enantiómero del CDA. En ambos casos se forman dos diastereómeros y se evalúan los desplazamientos químicos de sus núcleos para asignar la configuración del sustrato. [15]
Técnicas de RMN
Las técnicas de RMN más comunes utilizadas para discriminar compuestos quirales son 1 H-NMR, 19 F-NMR y 13 C-NMR. 1 H-NMR es la técnica principal utilizada para asignar la configuración absoluta. La 19 F-NMR se aplica casi exclusivamente a los estudios de pureza óptica, y la 13 C-NMR se utiliza principalmente para caracterizar sustratos que no tienen protones que están directamente enlazados a un átomo de carbono asimétrico. [14]
Referencias
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