1 ISOMERÍA ISOMERÍA La isomería consiste en el hecho de que dos o más compuestos tienen la misma fórmula molecular, pero diferente estructura molecular; en consecuencia poseen diferentes propiedades físicas y químicas. Se denominan isómeros a los compuestos que tienen la misma fórmula molecular, (tienen el mismo número de átomos de cada tipo, tienen la misma composición química y el mismo peso molecular), pero tienen diferente estructura química (diferente formula estructural). Los isómeros tienen diferentes propiedades físicas y/o químicas. Los isómeros no son superponibles, CLASIFICACIÓN DE LOS ISÓMEROS: Isómeros Estructurales: Los isómeros estructurales son los compuestos que a pesar de tener la misma fórmula molecular difieren en su estructura, bien por la conectividad de la cadena hidrocarbonada (isómería de cadena) o por la conectividad de las funciones (isomería de posición) o bien por poseer funciones diferentes (isomería de función); por tanto sus propiedades físicas y químicas son diferentes. La isomería estructural se clasifica en: Isómeros de cadena: Difieren en la forma en que están unidos los átomos de carbono entre sí para formar una cadena. Por ejemplo: Butano, Isopropano. Las propiedades químicas apenas varían y las propiedades físicas varían gradualmente. QUIMICA ORGÁNICA Página 1
2 Metilpropano Butano Dimetilpropano 3 C C 3 C C C 3 3 C C C C C 3 3 C C 3 C C 3 C 3 Metilbutano n-pentano C 3 C 3 C 3 o-dimetilbenceno C 3 m-dimetilbenceno Isómeros de posición: Son compuestos que difieren en las posiciones que ocupan sus grupos funcionales en la estructura carbonada, (tienen las mismas funciones químicas, pero sobre átomos de carbono con números localizadores diferentes). Sus propiedades químicas son muy parecidas y las diferencias en las propiedades físicas son mayores.. Ejemplo 1-Butanol; 2- Butanol. 3 C C C 2 Br 3 C C C 3 Br 1-Bromopropano 2-Bromopropano 2-Butanona 3-Butanona 1-butanol C 3 C 2 C 2 C 2 O 2-butanol C 3 C 2 COC 3 QUIMICA ORGÁNICA Página 2
3 Isómeros de función: Son compuestos de igual fórmula molecular, pero la forma en que están unidos los heteroátomos da lugar a que difieran en sus grupos funcionales (presentan funciones químicas diferentes). Sus propiedades físicas y químicas son muy diferentes. Ejemplo. 3 C Propanal C C O O 3 C C C 3 C C C O O 2-idroxipropanal Ácido propanoico 2-idroxi-2-metilpropano O 3 C C C 3 OC 3 Isopropilmetileter C 3 3 C C C 3 O Propanona 1-idroxipropanol Etilmetileter C 3 COC 3 ESTEREOQUIMICA: Es la parte de la química que se ocupa del estudio de la disposición espacial de los átomos que componen las moléculas y de cómo afecta esto a las propiedades y reactividad de dichas moléculas. ISOMERÍA EN EL ESPACIO O ESTEREOISOMERÍA Es la isomería que presentan los compuestos que se diferencian únicamente en la disposición de sus átomos en el espacio. Moléculas con fórmulas moleculares idénticas pueden presentar estructuras espaciales diferentes y se denominan estereoisómeros (moléculas isómeras, que aun teniendo los mismos enlaces y ordenación entre sus átomos difieren en el modo en que estos átomos están dispuestos en el espacio). Se clasifican por sus propiedades de simetría. QUIMICA ORGÁNICA Página 3
4 Estereoisomero quiral Es aquel estereoisómero que no es superponible con su imagen en el espejo. La molécula de un esteroisómero quiral no tiene elementos de simetría, es ópticamente activa y desvía el plano de la luz polarizada, hacia la derecha: dextrógiros o hacia la izquierda: levógiros Una molécula puede ser quiral debido a que posee: Con centro quiral: 1 átomo quiral, ay varias circunstancias que posibilitan que un átomo de C sea quiral, el caso que nos interesa es el de un átomo de C tetraédrico (hibridación sp 3 ) con 4 sustituyentes diferentes; también la estructura del adamantano, los átomos piramidales con 3 sustituyentes diferentes, los complejos octaédricos convenientemente sustituidos presentan centro quiral. Sin centro quiral pero con eje quiral (planos disimétricos perpendiculares) Con dos o más centros quirales Sin centro quiral pero con plano quiral (compuestos sándwich) QUIMICA ORGÁNICA Página 4
5 C tetraédrico quiral N trigonal quiral Moléculas quirales (no superponibles) Estereoisomero aquiral o no quiral Es aquel que es superponible con su imagen en el espejo (tiene elementos de simetría). Cuando una molécula es superponible con su imagen especular no es ópticamente activa y, por tanto, es incapaz de desviar el plano de la luz polarizada. En resumen: Cuando hay más de un carbono asimétrico (como en la mayoría de los azúcares) aumentan las posibilidades de isomería. El número de estereoisómeros posibles es 2 n (siendo n el número de carbonos asimétricos) y, de entre todos estos estereoisómeros ópticos, aquellos que sean imágenes especulares entre sí reciben el nombre de enantiomorfos, enantiómeros o isómeros quirales. Pero puede ocurrir que dos isómeros ópticos no sean imágenes especulares entre sí. Son los llamados diastereoisómeros. Las moléculas que contienen sólo un átomo de carbono asimétrico son siempre quirales. Las moléculas con más de un átomo de carbono asimétrico no son necesariamente quirales, éste es el caso de las formas meso En las estructuras anteriores (Ácido 2,3,dihidroxibutanodioco) los C-2 y C-3 son asimétricos, pero las moléculas son aquirales porque poseen un plano de simetría en la propia molécula. QUIMICA ORGÁNICA Página 5
6 (Puedes comprobar que por rotación de 180º de la 2ª molécula según un eje perpendicular al plano del papel obtienes la 1ª; son, por tanto, la misma estructura, no son estereoisómeros) Estereoisómeros conformacionales: Son estereoisómeros que se caracterizan por poder modificar su orientación espacial, por rotación en torno a enlaces simples (los C tienen hibridación sp 3 ) convirtiéndose en otro isómero de la misma molécula; existen conformaciones: anti, eclipsada o alternada. Los estereoisómeros conformacionales o confórmeros de un compuesto se interconvierten rápidamente a temperatura ambiente debido a que la barrera energética que hay que superar para la interconversión es muy baja; por esta razón resulta imposible mantenerlos aislados por separado. Confórmeros del ciclobutano Confórmeros del ciclohexano Estereoisómeros configuracionales: Son estereoisómeros que tienen la misma forma estructural y diferente disposición de sus átomos en el espacio pero son estructuralmente estables, se pueden aislar, por separado a temperatura ambiente. En la mayor parte de los casos para transformar uno en otro no basta con realizar giros alrededor de enlaces sencillos sino que es necesario romper y formar enlaces teniendo que vencer una barrera energética alta). QUIMICA ORGÁNICA Página 6
7 Estereoisomeros geométricos: Son estereoisómeros porque difieren únicamente en la disposición espacial de los grupos, en concreto difieren en la ordenación de los grupos en el plano. La isomería geométrica es característica de los compuestos orgánicos que poseen dos átomos de carbonos unidos por un doble enlace, recuerda que, debido a la hibridación de los átomos de C que participan en el doble enlace la estructura es plana (3 orbitales híbridos sp 2 dirigidos hacia los vértices de un triángulo equilátero). Recuerda que el doble enlace consiste en un enlace sigma, σ, más un enlace π, éste último se halla en un plano perpendicular al plano definido por el enlace σ e impide la rotación libre de la molécula en torno al enlace doble que une C=C. Además, para que se produzca este tipo de isomería, cada uno de los C que soportan el doble enlace tienen que tener 2 sustituyentes diferentes. Ejemplos aclaratorios: ClC=CCl ; ClC=CBr; sí presentan isomería geométrica 2 C=CCl; 2 C=C 2 no presentan isomería geométrica QUIMICA ORGÁNICA Página 7
8 Los sustituyentes iguales pueden estar situados al mismo lado del doble enlace (cis) o en lados opuestos (trans). No se presenta isomería geométrica si tiene tres o los cuatro sustituyentes iguales. Tampoco puede presentarse con triples enlaces. La primera estructura es cis- porque los grupos isopropilo y metilo quedan al mismo lado del plano que contiene al orbital molecular π, en la segunda estructura quedan a lados opuestos, razón por la que esta ultima estructura es trans-. Los estereoisómeros geométricos no pueden convertirse uno en otro sin que se rompa un enlace químico. El doble enlace C=C no permite el giro cuyo eje sea dicho enlace. Supongamos un doble enlace C=C, disustituido, siendo ambos sustituyentes idénticos, por ejemplo, el 2- buteno, C 3 C=CC 3, éste presenta 2 isómeros geométricos. Si los dos sustituyentes están del mismo lado del plano que contiene a la nube π el compuesto es CIS. Si están en distinto lado es TRANS. Los isómeros cis, trans no son convertibles el uno en el otro porque carecen de libre rotación en torno al doble enlace Cis-1,2-dimetilciclopentano Trans-1,2-dimetilciclpopentano QUIMICA ORGÁNICA Página 8
9 Esta isomería puede aparecer también en compuestos cíclicos. Isomería cis-trans en ciclos: Los cicloalcanos tienen dos caras o lados debido al plano que contiene el esqueleto carbonado; cuando en el ciclo hay dos sustituyentes en átomos de carbono distintos, existen dos isómeros. Si los sustituyentes se encuentran del mismo lado del plano que contiene al esqueleto carbonado es el isómero cis, y si están en lados opuestos es el isómero trans.las reglas de Can-Ingold y Prelog permiten la notación Z si los sustituyentes de mayor prioridad están al mismo lado y E si los sustituyentes prioritarios están alados opuestos. Isómeros Cis y Trans del 1,3-dimetilciclobutano ISOMERÍA ÓPTICA: La isomería óptica (estereoisomería óptica) es la isomería que presentan aquellos compuestos orgánicos que se diferencian únicamente en el efecto que tienen sobre el plano de polarización de la luz polarizada, lo desvían hacia la izquierda, (isómeros ópticos levógiros), (-), y se identifica con la letra S; o hacia la derecha (isómeros ópticos dextrógiros), (+), y se identifica con la letra R; decimos en estos casos que son compuestos ópticamente activos. Las moléculas de los compuestos ópticamente activos son moléculas quirales. Existen varias causas de quiralidad en las moléculas, la que nos interesa es la producida por la presencia de C quirales (un C*, asimétrico, o más de uno). Para que un C sea quiral o asimétrico tiene que tener hibridación sp 3 (C tetraédrico) y tener 4 sustituyentes distintos. Para una molécula con estas características siempre es posible encontrar otra, que es su imagen especular, (imagen formada en el espejo), ambas son entre sí enantiomorfas o enantioméricas o enantiómeras/os y no son superponibles. Toda molécula no quiral, (sin actividad óptica) recibe el nombre de aquiral. Ahora bien, si una molécula es aquiral puede deberse: no tiene átomos de C quirales aunque tiene átomos de C quirales posee un plano de simetría interno que la hace QUIMICA ORGÁNICA Página 9
10 inactiva ópticamente, la misma molécula desvía el plano de la luz polarizada en sentidos opuestos en igual magnitud). Enantiómeros: Pareja de estereoisómeros configuracionales ópticamente activos, no superponibles, que guardan entre sí una relación de imagen especular uno del otro. Dos compuestos son entre sí enantiómeros si la imagen especular de uno no puede ser superpuesta con la del otro, en otros términos: ellos no son superponibles. Dos enantiómeros desvían el plano de la luz polarizada en la misma magnitud pero en sentidos opuestos. Al enantiómero que rota el plano de vibración de la luz polarizada en el sentido de las agujas del reloj, (hacia la derecha), se le denomina isómero dextro-, dextrorrotatorio o dextrógiro y se nombra anteponiendo al nombre del compuesto el signo (+) o también la letra d minúscula; y análogamente, al enantiómero que rota el plano de vibración de la luz polarizada en sentido contrario a las agujas del reloj, (hacia la izquierda), se le denomina isómero levo levorrotatorio o levógiro y se nombra anteponiendo al nombre del compuesto el signo (-) o también la letra l minúscula. Propiedades de los enantiómeros: Los enantiómeros tienen las mismas propiedades químicas y físicas, a excepción de su respuesta ante la luz polarizada (actividad óptica), de ahí al nombre de isómeros ópticos. Los enantiómeros se interconvierten a temperatura ambiente por efecto de sombrilla. La rotación específica de la luz polarizada, se mide por medio de un polarímetro, es una propiedad física característica de la estructura de cada enantiómero, de su concentración y del disolvente empleado en la medición. La mezcla equimolecular de enantiómeros se denomina mezcla racémica o racemato. Una mezcla racémica no rota el plano de vibración de la luz polarizada. Las propiedades del racemato no son siempre las mismas que las de los enantiómeros por separado, depende del estado de agregación. Se denomina resolución del racemato a la separación de los componentes de un racémico QUIMICA ORGÁNICA Página 10
11 A B C D A y B forman una pareja de enantiómeros; C y D forman otra pareja distinta QUIMICA ORGÁNICA Página 11
12 Diastereoisómeros Son estereoisómeros configuracionales que no son imágenes especulares entre si Flechas horizontales: enantiómeros Flechas verticales y oblicuas: diastereoisómeros QUIMICA ORGÁNICA Página 12
13 Propiedades de los diastereoisómeros: Los diastereoisómeros difieren en sus propiedades físicas y químicas, razón por la que pueden separarse mediante procedimientos de destilación, cristalización o cromatografía. QUIMICA ORGÁNICA Página 13
14 Resumiendo: Dentro del grupo de los diasterómeros se encuentran los isómeros cis-trans (antes conocido como Isómeros Geométricos), los confórmeros o isómeros conformacionales y, en las moléculas con varios centros quirales, los isómeros que pertenecen a distintas parejas de enantiómeros. Si una molécula tiene varios centros quirales obtendremos diastereómeros cambiando la configuración absoluta de uno de los centros quirales y manteniendo la del resto. QUIMICA ORGÁNICA Página 14
15 PROYECCIONES DE FISCER Las proyecciones de Fischer son utilizadas en química orgánica para representar en dos dimensiones la disposición espacial de moléculas tridimensionales en las que uno o más átomos de carbono están unidos a 4 sustituyentes diferentes. En una proyección de Fischer, un átomo de carbono tetraédrico se representa por dos líneas cruzadas. Por convenio, las líneas horizontales representan enlaces que salen de la página hacia el lector, y las líneas verticales representan enlaces que entran en la página y se alejan del lector. El esquema anterior representa un compuesto con un átomo tetraédrico, asimétrico, (hibridación sp 3 y 4 sustituyentes diferentes dirigidos hacia los vértices de un tetraedro). Giramos el compuesto de forma que dos de sus enlaces queden en un plano vertical y hacia atrás, (alejándose del lector) y los otros dos en un plano horizontal y hacia delante, (acercándose al lector) (es fácil si te ayudas de los dedos índice y pulgar de cada mano); a continuación proyectamos la molécula sobre el plano del papel como si la aplastásemos. Cuando la molécula tiene dos carbonos asimétricos, para realizar la proyección de Fischer los carbonos quirales C*-C*queden en línea. QUIMICA ORGÁNICA Página 15
16 Nomenclatura de los estereoisómeros (R, S) - - Proyección de Newman Fischer QUIMICA ORGÁNICA Página 16
17 Tienen los compuestos la misma fórmula molecular? NO SI Isómeros No Isómeros NO Tienen los compuestos la misma conectividad? SI Estereoisómeros Son interconvertibles por rotación en torno a enlaces simples C-C? NO SI Configuracional SI Es producida por un doble enlace? NO Óptica NO Son los compuestos imágenes especulares no superponibles? SI QUIMICA ORGÁNICA Página 17