UD. 8 ISOMERÍA y REACCIONES ORGÁNICAS ISOMERÍA (Cuando se formula un compuesto inorgánico, se hace referencia inequívocamente a un solo compuesto, mientras que, en química orgánica no suele suceder esto. Lo habitual es que una misma fórmula molecular puede corresponder a más de un compuesto. En este caso, hablamos de isomería e isómeros.) 1. DEFINICIÓN La isomería es una propiedad de los compuestos químicos que, con igual fórmula molecular presentan estructuras químicas distintas, y por lo tanto, diferentes propiedades. Los compuestos que cumplen esta condición se les denomina isómeros. 2. CLASIFICACIÓN Existen 2 tipos básicos de isomería: estructural y espacial. 2.1. Isomería Estructural Este tipo de isomería se presenta cuando, a pesar de tener el mismo número de átomos de cada clase, las uniones entre ellos son diferentes en uno y otro compuesto. Estas diferencias en la estructura del esqueleto carbonado permite que se puedan clasificar en: Isomería de Cadena: los isómeros de cadena poseen el mismo grupo funcional, pero la estructura de la cadena es diferente, pudiendo ser lineal, ramificada, etc. Ocurre a partir de compuestos con 4 átomos de carbono. C 5 H 12 Isomería de Posición: la presentan los compuestos que tienen el mismo grupo funcional colocado en diferente posición dentro de la cadena carbonada. C 3 H 8 O ud. 8 Isomería y reacciones orgánicas Página 1 de 10
Isomería de Función: la presentan aquellos compuestos que teniendo la misma fórmula molecular presentan distintos grupos funcionales. C 2 H 6 O CH 3 -CH 2 -OH CH 3 -O-CH 3 2.2. Isomería Espacial La isomería espacial o estereoisomería la presentan aquellas moléculas que, con la misma estructura, tienen diferente distribución espacial de sus átomos. Los tipos principales de estereoisomería son: Isomería Geométrica: característica de aquellas sustancias que presentan un doble enlace carbono-carbono, y se debe a que no es posible la libre rotación de los átomos alrededor del eje del doble enlace. Asimismo, es preciso que los sustituyentes unidos a cada uno de los átomos de carbono implicados en el doble enlace sean distintos. Las distribuciones espaciales posibles son dos, la forma cis y la trans. En la primera, los sustituyentes iguales de los dos átomos de carbono afectados por el doble enlace se encuentran situados en una misma región del espacio con respecto al plano que contiene el doble enlace. En la segunda, los sustituyentes afectados se encuentran en distinta región del espacio. Isomería Óptica: isómeros que poseen idénticas propiedades tanto físicas como químicas, diferenciándose únicamente en el distinto comportamiento frente a la luz polarizada. Un isómero desvía el plano de polarización de la luz hacia la derecha (isómero dextro o (+)) y el otro hacia la izquierda (isómero levo o (-)). Se da en moléculas con átomos de carbonos asimétricos o quirales, es decir, unidos a cuatro sustituyentes distintos. Los 2 compuestos orgánicos que surgen de un átomo de carbono quiral se denominan enantiómeros, y son imágenes especulares uno respecto del otro. Una mezcla equimolecular de dos enantiómeros de la misma molécula se denomina mezcla racémica, y es ópticamente inactiva, ya que se compensan los giros dextrógiros de un enantiómero con los levógiros del otro. Las propiedades físicas de una mezcla racémica son iguales que las de los enantiómeros que la forman, salvo en el aspecto concerniente a la quiralidad. ud. 8 Isomería y reacciones orgánicas Página 2 de 10
REACCIONES ORGÁNICAS (La reactividad orgánica es muchísimo más amplia que la inorgánica, puesto que cada grupo funcional va a sufrir un número determinado de reacciones, pudiéndose participar en éstas como como reactivos o como productos. Además, dependiendo de medio en el que ocurran, nos podemos encontrar que la misma reacción origina productos diferentes.) 3. INTRODUCCIÓN En general, la reactividad de los compuestos orgánicos depende básicamente de los grupos funcionales que forman parte de la molécula. Así, las zonas de las cadenas que solo poseen enlaces sencillos (C C y C H) serán muy poco reactivas; pero la existencia de insaturaciones (C=C y C C) y/o la unión del carbono a elementos de mayor electronegatividad (C Cl; C=O; C N ) genera zonas de «inestabilidad» electrónica que favorecen el ataque de diferentes reactivos. 4. GLOSARIO Antes de entrar a detallar los tipos de reacciones, es conveniente definir una serie de términos: Carbono primario: se denomina así al átomo de carbono que está unido a otro carbono y a 3 hidrógenos. Análogamente se definen carbono secundario, terciario y cuaternario. Serie homóloga: conjunto de compuestos químicos que tienen el mismo grupo funcional pero se diferencian entre sí que al pasar de un compuesto a otro de la serie el número de carbonos en la cadena principal aumenta en uno: CH 4 ; CH 3 -CH 3 ; CH 3 -CH 2 -CH 3 ; CH 3 -CH 2 - CH 2 -CH 3... Sustrato: la especie química que está siendo modificada al reaccionar con ciertos reactivos; es la que sufre cambio estructural o cambio de grupo funcional. Reactivo atacante: especie química que origina la formación de nuevos enlaces. Productos mayoritarios y minoritarios: a partir de los mismos reactivos se pueden producir varios productos, muchas veces isómeros entre ellos, y en la mayoría de los casos habrá uno que sea predominante o mayoritario, que el resto. Grupo saliente: es un átomo o grupo de átomos del sustrato que es desplazado por un átomo o grupo de átomos aportados por el reactivo atacante. Grado de insaturación en compuestos orgánicos: número que indica el número de enlaces π y anillos que tiene un compuesto. Se calcula como: nº ins=c+1 H 2 X 2 + N 2 enlaces cuentan como uno, los triples como 2 y los ciclos como 1. Los dobles Una primera clasificación de la gran variedad de reacciones químicas orgánicas es la siguiente: Combustión: reacción con oxígeno para dar CO 2 y H 2 O siempre que el compuesto sea del tipo C x H y o C x H y O z. Sustitución: un grupo entrante sustituye a un grupo saliente. Adición: un grupo se adiciona a un doble (o triple) enlace, que pasa a simple (o doble). Eliminación: un grupo es eliminado y se forma un enlace doble o triple. Redox: aumenta el número de oxígenos unidos a un C (oxidación) o el de H (reducción). Condensación: se unen dos moléculas para dar otra, con posible pérdida de molécula pequeña como H 2 O. ud. 8 Isomería y reacciones orgánicas Página 3 de 10
5. REACCIONES DE COMBUSTIÓN Reacción de un compuesto orgánico con oxígeno en exceso. Normalmente se necesita calor para iniciar la reacción. C 4 H 10 O+6 O 2 4 CO 2 +5 H 2 O 6. REACCIONES DE SUSTITUCIÓN Básicamente, consisten en el cambio de un átomo, o grupo atómico, por otro u otros átomos. Su esquema sería: R X + Y R Y + X. Según sea la ruptura del enlace R X, estas reacciones de sustitución pueden dividirse en: a) Sustituciones radicálicas: Se producen a través de radicales libres y son típicas de los hidrocarburos saturados. La reacción se realiza en fase gaseosa y se van sustituyendo los átomos de hidrógeno del hidrocarburo por otros átomos o grupos atómicos como el Cl, el Br, el I, el NO 2, etc. Como los choques entre radicales y moléculas son aleatorios, se suele obtener una mezcla de productos tan variada que es muy difícil separar uno de otros y obtener sustancias puras. CH 3 CH cl 2 h υ 3 CH 3 CH 2 Cl+ClCH 2 CH 2 Cl+... b) Sustituciones nucleófilas: Se producen cuando un reactivo nucleófilo sustituye a un átomo o grupo atómico electronegativo, X, que está unido a un carbono del sustrato. Ejemplos: Derivados de halógenos: Formación de alcoholes Formación de aminas primarias CH 3 CH 2 Br + NaOH CH 3 CH 2 OH + NaBr CH 3 CH 2 Br + NH 3 CH 3 CH 2 NH 2 + HBr Formación de aminas sustituidas CH 3 CH 2 Br + R NH 2 CH 3 CH 2 NH R + HBr Formación de nitrilos Formación de éteres Formación de ésteres CH 3 CH 2 Br + KCN CH 3 CH 2 CN + KBr CH 3 CH 2 Br + CH 3 OH CH 3 CH 2 O CH 3 + HBr CH 3 CH 2 Br + CH 3 COOH CH 3 COO CH 2 CH 3 + HBr En alcoholes: R OH H + R OH 2 + X- R X +H 2 O 7. REACCIONES DE ADICIÓN Los enlaces π son más débiles y tienen la nube electrónica más deslocalizada que los enlaces σ; por eso pueden ser atacados más fácilmente por diversos reactivos, provocando la ruptura de dicho enlace y la posterior formación de dos enlaces sencillos como indica el siguiente esquema: Los reactivos que se adicionan son muy variados: halógenos, agua, hidrácidos, hidrógeno, etc. Cuando el reactivo es asimétrico, se pueden formar diferentes isómeros, pero experimentalmente se comprueba que siempre uno es mayoritario. Para predecir los compuestos que se obtienen en mayor proporción, se sigue la regla de Markownikoff: Cuando se adiciona un reactivo asimétrico (HX, ud. 8 Isomería y reacciones orgánicas Página 4 de 10
H 2 O, HCN...) sobre un enlace múltiple carbono-carbono, lo hace de tal manera que la parte electropositiva del reactivo se adicione al átomo de carbono más hidrogenado. Ejemplos: Adición de hidrógeno CH 3 CH=CH 2 + H 2 CH 3 CH 2 CH 3 Adición de halógenos CH 3 CH=CH 2 + Br 2 CH 3 CHBr CH 2 Br Adición de hidrácidos CH 3 CH=CH 2 + HBr CH 3 CHBr CH 3 (mayoritario) + CH 3 CH 2 CH 2 Br(Minoritario) Adición de HBrO CH 3 CH=CH 2 + HBrO CH 3 CHOH CH 2 Br Adición de agua CH 3 CH=CH 2 + H2O CH 3 CHOH CH 3 En los alquinos, las reacciones son similares a las anteriores y también se cumple la regla de Markownikoff; por ejemplo: CH 3 C CH +HBr CH 3 CBr=CH 2 + HBr CH 3 CBr 2 CH 3 8. REACCIONES DE ELIMINACIÓN Se pueden considerar reacciones inversas a las de adición, ya que se eliminan moléculas pequeñas (H 2 O, H 2, HCl, NH 3 ) a partir de átomos o grupos atómicos situados en carbonos contiguos dentro de la molécula de sustrato, y se forman dobles o triples enlaces. En las reacciones de eliminación también se pueden obtener diferentes isómeros alquénicos, pero experimentalmente se comprueba que la mayor proporción se obtiene del alqueno más sustituido. Es lo que pronostica la regla de Saytzeff: El hidrógeno que sale del sustrato lo hace del carbono más ramificado (el carbono que tiene menos hidrógenos). Ejemplos de estos tipos de reacciones son: Deshidratación de alcoholes: CH 3 CHOH CH 2 CH 3 + H 2 SO 4 /calor CH 3 CH=CH CH 3 + H 2 O Transformación de un derivado halogenado en un alqueno: CH 3 CH 2 Br OH - ch 2 =CH 2 9. REACCIONES DE ESTERIFICACIÓN Son reacciones entre ácidos carboxílicos y alcoholes en presencia de un catalizador ácido (normalmente ácido sulfúrico por su acción deshidratante) para obtener un éster, eliminándose una molécula de agua en el proceso. CH 3 -CH 2 -COOH + HO-CH 3 H + CH 3 -CH 2 -COO-CH 3 10. REACCIONES REDOX Estas reacciones de oxidación o reducción son características de los compuestos orgánicos. La oxidación será cuando el átomo de carbono gane oxígenos y la reducción cuando gane hidrógenos. Ejemplos de oxidación: Alcoholes primarios: CH 3 -CH 2 -CH 2 -OH ox CH 3 -CH 2 -CHO ox CH 3 -CH 2 -COOH Alcoholes secundarios: CH 3 -CHOH-CH 3 ox CH 3 -CO-CH 3 Aldehidos: CH 3 -CH 2 -CHO ox CH 3 -CH 2 -COOH Cetonas: CH 3 -CH 2 -CO-CH 2 -CH 2 -CH 3 ox CH 3 -CH 2 -COOH + HOOC-CH 2 -CH 3 ud. 8 Isomería y reacciones orgánicas Página 5 de 10
Ejemplos de reducción: ácidos carboxílicos: CH 3 -COOH red CH 3 -CH 2 -OH cetonas: CH 3 -CO-CH 3 red CH 3 -CHOH-CH 3 ésteres: CH 3 -CH 2 -COO-CH 3 red CH 3 -CH 2 -CH 2 OH + HO-CH 3 ud. 8 Isomería y reacciones orgánicas Página 6 de 10
RELACIÓN DE PROBLEMAS 1. Formula un compuesto que tenga en su molécula un C primario, uno secundario, uno terciario y uno cuaternario. 2. Formula un compuesto que tenga en su molécula átomos de C unidos mediante enlace sencillo, otros mediante enlace doble, otros mediante enlace triple y aromáticos. 3. Es lo mismo un compuesto insaturado que uno aromático? 4. Puede haber una cetona cíclica? Y un aldehído cíclico? 5. Del siguiente conjunto de compuestos, señala: a) Los que pertenecen a la misma serie homóloga. b) Los que tienen el mismo grupo funcional. c) Los que pertenecen a la misma familia. d) Los que son isómeros. 6. Qué diferencia hay entre un compuesto mesómero y una mezcla racémica? 7. Qué relación existe entre dos compuestos que presenten isomería cis-trans? Pon un ejemplo. 8. Menciona un grupo funcional que sea isómero de un alcohol. Pon un ejemplo. 9. Escribe compuestos isómeros que respondan a la fórmula C 4 H 8 O y que ejemplifiquen los distintos tipos de isomería. 10. Justifica por qué la molécula CH 3 -CHOH-COOH presenta isomería óptica. 11. Dadas estas fórmulas: C 3 H 6 O, C 3 H 6 O 2 y C 3 H 8 O: a) Escribe todas las posibles estructuras semidesarrolladas de las moléculas monofuncionales que respondan a las fórmulas anteriores (excluir las estructuras cíclicas). b) Nombra sistemáticamente todos los compuestos. 12. Escribe todos los isómeros de los compuestos de fórmula molecular C 4 H 6. 13. Formula y nombra todas las cetonas de cadena abierta de cinco átomos de C. ud. 8 Isomería y reacciones orgánicas Página 7 de 10
14. Formula y nombra los estereoisómeros del 2,3-diclorobuteno. Justifica cuál tendrá mayor punto de ebullición. 15. Indica qué moléculas son isómeros estructurales. Cuáles pueden presentar isomería óptica? Y geométrica? 16. Señala qué tres alquenos conducen, por hidrogenación, al 2-metilbutano. 17. Completa las siguientes reacciones: ud. 8 Isomería y reacciones orgánicas Página 8 de 10
18. Completa las siguientes reacciones de adición: CH 3 -C CH + H 2 CH 2 =CH 2 + Br 2 19. Completa las siguientes reacciones: 20. Completa las siguientes reacciones: 21. Indique si cada una de las siguientes afirmaciones es verdadera o falsa y justifique las respuestas formulando la reacción a que se alude: a) El doble enlace de un alqueno puede incorporar hidrógeno y convertirse en un alcano. b) La reducción de un grupo funcional aldehído conduce a un grupo ácido. c) Las aminas son compuestos básicos. d) La deshidratación del etanol, por el ácido sulfúrico, produce etino. ud. 8 Isomería y reacciones orgánicas Página 9 de 10
22. Escribe completas, nombrando los productos, las siguientes reacciones: a) 1-buteno + HBr b) Ácido propanoico + etanol c) Oxidación suave de 2-propanol d) Deshidratación de 1-butanol 23. Para el siguiente compuesto: a) Indique su nombre sistemático. b) Escriba su reacción con HI e indique el nombre del producto mayoritario. c) Formule y nombre los isómeros de posición del compuesto del enunciado. 24. Indique los productos que se obtienen en cada una de las siguientes reacciones: a) CH 3 CH=CH 2 + Cl 2 b) CH 3 CH=CH 2 + HCl c) CH 3 CH=CH 2 + O 2 d) 2-metil-2-buteno + ácido bromhídrico e) Propino + hidrógeno (exceso) + catalizador 25. Escribe un procedimiento para la obtención de la CH 3 -CO-CH 3 a partir de CH 3 -CH=CH 2 ud. 8 Isomería y reacciones orgánicas Página 10 de 10