IMPORTANCIA DE LA QUIRALIDAD EN EL MEDIOAMBIENTE

I.2.1 La quiralidad

Dos compuestos son estereoisómeros cuando tienen la misma composición atómica y la misma conectividad entre sus átomos pero se diferencian en la forma en que sus átomos o grupos de átomos se disponen en el espacio, es decir, poseen diferente estructura tridimensional. Dentro de los esteroisómeros se incluyen los enantiómeros y los diastereoisómeros.

Los compuestos para los que las distancias interatómicas coinciden, pero cuyos elementos están colocados en una secuencia diferente respecto a un elemento central, se denominan enantiómeros. Los enantiómeros constituyen imágenes especulares no

superponibles (Figura I.1), como ocurre con las manos, y a esa propiedad de un

compuesto de ser no superponible a su imagen en el espejo se le denomina quiralidad

(que proviene de la palabra griega “quiros” que significa mano). Para que se dé este tipo de quiralidad tiene que haber en la molécula centros estereogénicos o centros quirales, es decir, átomos que presentan cada uno de sus enlaces dirigidos hacia un grupo diferente. Es lo que ocurre con los carbonos asimétricos, que están unidos a cuatro grupos diferentes.

Figura I.1. Comparación entre una molécula que presenta quiralidad y las manos.

Los enantiómeros que se caracterizan por poder interconvertirse, es decir, modificar su orientación espacial para convertirse en otro isómero de la misma molécula por rotación en torno a enlaces simples, se llaman atropoisómeros o isómeros conformacionales. La isomería conformacional es otro tipo de quiralidad ya que por impedimentos en la rotación se generan dos conformaciones diferentes que son imágenes especulares no superponibles.

El número de enantiómeros de un compuesto puede calcularse utilizando la regla 2n_,

donde n es el número de centros quirales de la molécula [18]. Conocer la configuración absoluta de los enantiómeros implica conocer exactamente la disposición de los grupos

alrededor de un centro estereogénico. Esa configuración, se designa como R o S según el método de Cahn-Ingold-Prelog [19].

Los estereoisómeros que puedan distinguirse entre sí por la diferente distancia entre alguno de los átomos o grupos de átomos, reciben el nombre de diastereoisómeros. Pertenecen a este grupo compuestos con más de un centro estereogénico, de los cuales algunos presentan la misma configuración y otros la opuesta. Este es el caso por ejemplo

de ciertos alquenos y compuestos cíclicos llamados isómeros cis-trans. Ningún compuesto

incluido en un grupo de diastereoisómeros es la imagen especular de otro de dicho grupo [20].

La diferencia entre un enantiómero y un diastereoisómero tiene implicaciones cruciales desde el punto de vista químico. Los diastereoisómeros tienen propiedades físico- químicas diferentes (punto de fusión, momento dipolar, espectro de resonancia magnética nuclear, comportamiento cromatográfico y de cristalización) y diferente reactividad química. Sin embargo, los enantiómeros presentan las mismas propiedades físico- químicas y sólo se comportan de manera diferente en un entorno quiral. La luz polarizada puede considerarse un entorno quiral, por lo que puede emplearse para diferenciar dos enantiómeros entre sí, ya que ambos desvían el plano de la luz polarizada en sentido opuesto. El signo de la rotación del plano de luz polarizada se describe mediante los

términos dextrorrotatorio (d,+) y levorrotatorio (l,-), dependiendo de si la desviación ocurre

en el sentido de las agujas del reloj o en sentido contrario, respectivamente. Hay que destacar que no existe relación entre el signo de la rotación y la secuencia de los

sustituyentes, por lo que existen compuestos (R,+), (R,-), (S,+) y (S,-).

Finalmente, indicar que se denomina mezcla racémica o racemato a la mezcla de dos enantiómeros en proporciones equimoleculares, y que por lo tanto es ópticamente inactiva.

I.2.2 Interés de la determinación enantiomérica de contaminantes ambientales

El impacto de la quiralidad de los contaminantes ambientales es un área de investigación en crecimiento en el campo de la Química Analítica. La principal razón es que muchos de los contaminantes químicos de interés medioambiental son quirales, este es el caso por ejemplo de los productos agroquímicos, para los cuales el 25 % de los principios activos empleados poseen al menos un centro quiral [21]. Sin embargo, hasta ahora la estereoisomería de los contaminantes químicos no ha recibido demasiada atención a pesar de la diferencia toxicológica que pueden presentar los enantiómeros, asumiendo que ambos isómeros tienen idéntico comportamiento medioambiental.

Como se ha expuesto anteriormente, los enantiómeros de un compuesto quiral a pesar de tener propiedades físico-químicas idénticas, se comportan de forma completamente diferente en un entorno quiral. Así, mientras que los procesos medioambientales abióticos afectan exactamente de la misma manera a los enantiómeros, en los sistemas vivos todos los receptores de la maquinaria celular poseen una configuración definida [22], de manera que las interacciones biológicas que se producen en el organismo, la forma de metabolizar y excretar estos compuestos e incluso la toxicidad son diferentes para cada uno de los enantiómeros de un mismo compuesto [23]. Del mismo modo, la presencia de microorganismos en el medioambiente es la responsable de la degradación enantioselectiva que se observa para muchos de estos compuestos. De esta manera, mediante la determinación de cada uno de los enantiómeros de forma individual se pueden trazar patrones de actividad bioquímica de estos contaminantes. Por todo ello, la quiralidad tiene una fuerte repercusión en campos de interés científico y social tales como el medioambiente.

En general, la importancia del análisis quiral de los contaminantes químicos se debe principalmente a los siguientes motivos:

 Aproximadamente el 25 % de los productos agroquímicos son quirales y para

muchos de ellos solamente uno de los enantiómeros es activo. Además,

muchas veces el enantiómero no activo resulta ser tóxico para los organismos no-diana.

 El uso de racematos en los que solamente uno de los enantiómeros es activo,

supone la emisión al medioambiente de una mayor cantidad del mismo para obtener los mismos resultados.

 La mayoría de los procesos bioquímicos en la naturaleza son

estereoespecíficos.

 Los enantiómeros de los contaminates químicos poseen frecuentemente

diferentes actividades toxicológicas y biológicas y por ello, el metabolismo y excreción de los mismos es diverso. La evaluación de la toxicidad real de las muestras ambientales implica conocer el contenido de cada enantiómero. Hasta hace relativamente poco tiempo el análisis de contaminantes ambientales no tenía en cuenta la quiralidad de los mismos. Como resultado de esta falta de información las medidas de ecotoxicidad, biodisponibilidad y acumulación realizadas serían inadecuadas. En efecto, supongamos que un compuesto dado posee dos enantiómeros y que aquel que es más tóxico se degrada mucho más rápido que el menos tóxico. Si no se tiene en cuenta su quiralidad y se realizan las medidas para el conjunto de los dos enantiómeros sin ningún tipo de distinción, se estaría sobreestimando la ecotoxicidad del compuesto [24].

El movimiento en la biosfera de los contaminantes quirales y sus residuos puede ser tratado a través de determinaciones de excesos enantioméricos (e.e). Los fenómenos de transporte habituales (volatilización, lixiviación, deposición atmosférica) no alteran el e.e.; sin embargo, como se ha comentado, el metabolismo de los pesticidas por parte de microorganismos y enzimas en animales superiores sí lo altera. Por tanto, la determinación del e.e indica la degradación biológica de estos productos y puede

informar sobre el origen de los pesticidas. También se pueden emplear con este fin los parámetros de relación enantiomérica (ER) y fracción enantiomérica (EF), que en general son los más utilizados para expresar degradaciones enantioselectivas o enantiomerizaciones en el medioambiente [25].

ee (%) o ee(%)=

ER= o ER=

EF= o EF=

Siendo [R] y [S] las concentraciones de cada enantiómero en la mezcla y R y S las señales

instrumentales (áreas en el caso de la cromatografía y de la electroforesis) obtenidas para cada enantiómero.

Dentro de los contaminantes químicos que se conocen hoy en día existen muchos grupos que presentan quiralidad. Como ejemplo representativo cabe destacar, los ya mencionados pesticidas o agroquímicos en los que para muchos de ellos la actividad pesticida reside generalmente en uno solo de los enantiómeros, por lo que el empleo de la mezcla racémica supondría la emisión al medioambiente de más producto del necesario para obtener el mismo resultado [26]. Otro grupo de contaminantes químicos que presentan quiralidad son los PCBs. En este caso, se han encontrado para muchos de ellos evidencias de diferente interacción enzimática y acumulación según el enantiómero [27].

Por todo lo expuesto, la importancia de la quiralidad en el medioambiente no puede ser subestimada. Además, a la necesidad de sintetizar compuestos enantioméricamente puros, se une la de desarrollar técnicas analíticas de separación y determinación quirales que permitan controlar los procesos de producción de dichos compuestos. Este hecho, está

reconocido por las agencias regulatorias que cada vez son más conscientes de la importancia de la quiralidad y por ejemplo, piden más información sobre la composición quiral de los nuevos productos y exigen la síntesis de compuestos agroquímicos enantioméricamente puros [28, 29]. En efecto, la OMS recomienda que se fomente el uso de enantiómeros puros activos y que se tolere el uso de compuestos racémicos solamente cuando los estudios farmacocinéticos, toxicológicos y ambientales indiquen que el ingrediente activo no contiene impureza isomérica y no causa más efectos secundarios adversos que el enantiómero puro. Asimismo, exige que los estudios toxicológicos de los principios activos se realicen con los enantiómeros individuales.