4.10 : Quiralidad en nitrógeno, fósforo y azufre

La quiralidad es más frecuente en los compuestos tetraédricos a base de carbono, pero esta importante faceta de la simetría molecular se extiende a los centros de nitrógeno, fósforo y azufre con hibridación sp³, incluidas las moléculas trivalentes con pares libres. Aquí, el par solitario se comporta como un grupo funcional, además de los otros tres sustituyentes, para formar un centro tetraédrico análogo que puede ser quiral.

Una consecuencia de la quiralidad es la necesidad de una resolución enantiomérica. Si bien esto es teóricamente posible para todas las aminas quirales, en la práctica es difícil separar los enantiómeros de la mayoría de las aminas quirales. Esto se debe a la inversión piramidal o de nitrógeno, donde los enantiómeros son fácilmente convertibles de una forma a otra a temperatura ambiente, ya que la barrera para la interconversión es ~25 kJ/mol. Para resumir brevemente el mecanismo de esta conversión, cuando el enantiómero pasa por el estado de transición para la inversión, el átomo de nitrógeno central sufre hibridación sp² y su par de electrones no compartido ocupa un orbital p. Por lo tanto, las sales de amonio que no tienen un par solitario no presentan este fenómeno y dichas sales quirales cuaternarias pueden resolverse en enantiómeros individuales (relativamente estables). Además, los compuestos sp³ de fósforo y azufre, a pesar de su único par, poseen una alta barrera para la interconversión. Por tanto, su resolución enantiomérica es factible.

Recuerda que los enantiómeros no son superponibles y, por lo tanto, son compuestos diferentes con identidades distintas. La nomenclatura de los centros quirales de nitrógeno, fósforo y azufre es similar a la de los centros quirales de carbono. El proceso de denominación de sus enantiómeros sigue las reglas de Cahn-Ingold-Prelog o (sistema R-S), que consta de tres pasos. Los tres pasos son los mismos que con los centros de carbono, es decir, la asignación de prioridades a los grupos de sustituyentes, la orientación del sustituyente de menor prioridad lejos del observador y la determinación de si la secuencia de prioridades de los otros tres grupos en el centro quiral es en sentido horario o antihorario. Sin embargo, en los centros quirales con un par solitario, al par solitario siempre se le asigna la prioridad más baja, en comparación con el hidrógeno en sistemas sin un par solitario. En consecuencia, la molécula gira de manera que el par solitario apunta hacia otro lado. Al igual que con el carbono, el centro quiral es la configuración R si la secuencia uno-dos-tres es en el sentido de las agujas del reloj y la configuración S si la secuencia es en el sentido contrario a las agujas del reloj.