Clasificación de los isómeros en Química orgánica.
Isomería en química orgánica[
Hay dos tipos básicos de isomería: estructural y espacial.
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Isomería constitucional o estructural[
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Debido a esto se pueden presentar tres diferentes modos de
isomería:
Isomería de cadena o esqueleto.- Los isómeros de este tipo
tienen componentes de la cadena acomodados en diferentes lugares, es decir las
cadenas
carbonadas son diferentes, presentan distinto esqueleto o estructura.
Un ejemplo es el
pentano, del cual
existen varios isómeros, pero los más conocidos son el isopentano y el
neopentano.
Isomería de posición.- Es la de aquellos compuestos en los
que sus grupos funcionales o sus grupos sustituyentes están unidos en
diferentes posiciones.
Isomería de grupo funcional.- Aquí, la diferente
conectividad de los átomos, puede generar diferentes grupos funcionales en la
cadena. Un ejemplo es el ciclohexano y el 1-hexeno, que tienen la misma fórmula
molecular (C6H12), pero el ciclohexano es un alcano cíclico o cicloalcano y el
1-hexeno es un alqueno.
Hay varios ejemplos de isomeria como la de ionización,
coordinación, enlace, geometría y óptica.
Isomería de cadena u ordenación
Varía la disposición de los átomos de carbono en la cadena o
esqueleto carbonado, es decir la estructura de éste, que puede llegar a ser
lineal o bien tener distintas ramificaciones.
Para la fórmula C5H12, tenemos tres posibles isómeros
de cadena:
pentano,
metilbutano (isopentano)
y
dimetilpropano(neopentano). El número de isómeros de
cadena crece rápidamente al aumentar el número de átomos de carbono.
Isomería de posición
La presentan aquellos compuestos que poseen el mismo
esqueleto carbonado pero en los que el
grupo funcional o el sustituyente ocupa diferente posición.
Por ejemplo, la fórmula molecular C4H10O puede
corresponder a dos sustancias isómeras que se diferencian en la posición del
grupo OH: el
1-butanol y el
2-butanol.
Este tipo de isomería resulta de la posibilidad de colocar
grupos funcionales,
cadenas
laterales o átomos sustituyentes en posiciones estructuralmente no
equivalentes. Supongamos que sustituimos uno de los
átomos de
hidrógeno del
butano, CH3-CH2-CH2-CH3,
por un
grupo hidroxilo. Numerando los carbonos de la
cadena del butano y realizando esta sustitución en el carbono extremo (C1),
obtenemos un alcohol llamado butan-1-ol (
1-butanol).
Si sustituimos un hidrógeno del C2 por el grupo -OH, obtenemos el alcohol
isómero butan-2-ol (
2-butanol), que difiere en la posición del grupo hidroxilo.
Obsérvese que, sin embargo, si realizamos la sustitución en el C3, no obtenemos
un tercer isómero, sino de nuevo el 2-butanol. Las dos representaciones que se
indican para el 2-butanol son estructuralmente idénticas, como se puede ver
girando su estructura 180º alrededor de un eje.
Isomería de compensación o por compensación[
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A veces se llama
isomería de compensación o
metamería la
de aquellos compuestos en los cuales una función corta la cadena carbonada en
porciones de longitudes diferentes.
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Este tipo de isomería era más usado en el pasado que en la
actualidad. Se aplicaba incluso a
aldehídos-
cetonas,
3 a los
que hoy se suelen considerar isómeros de función.
Isomeria de funcion
Varía el grupo funcional, conservando el esqueleto
carbonado.
Tautomería
Es un tipo especial de isomería en la que existe
transposición de un átomo entre las dos estructuras, generalmente hidrógeno,
existiendo además un fácil equilibrio entre ambas formas
tautómeras.
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Un ejemplo de la misma es la
tautomería ceto-enólica en la que
existe equilibrio entre un compuesto con grupo OH unido a uno de los átomos de
carbono de un doble enlace C=C, y un compuesto con el grupo carbonilo
intermedio, C=O típico de las cetonas, con transposición de un átomo de
hidrógeno.
Isomería espacial o estereoisomería
Presentan estereoisomería aquellos compuestos que tienen
fórmulas moleculares idénticas y sus átomos presentan la misma distribución (la
misma forma de la cadena; los mismos grupos funcionales y sustituyentes;
situados en la misma posición), pero su disposición en el espacio es distinta,
o sea, difieren en la orientación espacial de sus átomos.
Los estereoisómeros tienen igual forma en el plano. Es
necesario representarlos en el espacio para visualizar las diferencias. Puede
ser de dos tipos:
isomería conformacional e
isomería configuracional,
según que los isómeros se puedan convertir uno en otro por simple rotación de
enlaces simples, o no.
Otra clasificación los divide en
enantiómeros (son
imágenes especulares) y
diastereoisómeros (no son imágenes
especulares). Entre los diastereoisómeros 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.
Isomería conformacional
Este tipo de isómeros conformacionales
5 o confórmeros,
la conversión de una forma en otra es posible pues la
rotaciónen torno al eje del enlace formado
por los átomos de carbono es más o menos libre (ver animación a la derecha).
Por eso también reciben el nombre de
rotámeros.
Si los grupos son voluminosos podría haber impedimento estérico y no ser tan
fácil la interconversión entre rotámeros.
Los isómeros conformacionales generalmente no son separables
o aislables, debido a la facilidad de interconversión aún a temperaturas
relativamente bajas. La rama de la estereoquímica que estudia los isómeros
conformacionales que sí son aislables (la mayoría son derivados del bifenilo)
se llama
atropisomería.
Estas formas se reconocen bien si se utiliza la
proyección de Newman, como se aprecia en los
dibujos de la izquierda. Reciben nombres como sinclinal (a veces, gauche),
anticlinal (anti o trans), sinperiplanar y antiperiplanar.
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Isomería configuracional[
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No basta una simple rotación para convertir una forma en
otra y aunque la disposición espacial es la misma, los isómeros no son
interconvertibles. Se divide en: isomería geométrica o cis-trans,
e isomería óptica. Los isómeros configuracionales son aislables, ya que es
necesaria una gran cantidad de energía para interconvertirlos (se requiere
energía necesaria para la ruptura de enlaces),
Isomería geométrica o cis-trans
Se produce cuando hay dos carbonos unidos con doble enlace
que tienen las otras valencias con los mismos sustituyentes (2 pares) o con dos
iguales y uno distinto.
No se presenta isomería geométrica ligada a los enlaces
triples o sencillos.
A las dos posibilidades se las denomina:
forma cis (o forma Z), con los dos sustituyentes
más voluminosos del mismo lado, y
forma trans (o forma E), con los dos sustituyentes
más voluminosos en posiciones opuestas.
No se pueden interconvertir entre sí estas dos formas de un
modo espontáneo, pues el doble enlace impide la rotación, aunque sí pueden
convertirse a veces, en reacciones catalizadas.
La isomería geométrica también se presenta en compuestos con
doble enlace N=N, o en compuestos cíclicos en los que también se impide la
rotación en torno a un eje.
Isomería óptica o Enantiomería
Los isómeros ópticos no se pueden superponer y uno es como
la imagen especular del otro, como ocurre con las manos derecha e izquierda.
Presentan las mismas propiedades físicas y químicas pero se diferencian en que
desvían el plano de la
luz
polarizada en diferente dirección:
un isómero desvía la luz polarizada hacia la derecha (en
orientación con las manecillas del reloj) y se representa con el signo (+): es
el isómero dextrógiro o forma dextro;
el otro isómero óptico la desvía hacia la izquierda (en
orientación contraria con las manecillas del reloj) y se representa con el
signo (-)(isómero levógiro o forma levo).
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Otra forma de nombrar estos compuestos es mediante el
convenio o
nomenclatura D-L, normalmente empleando la
proyección de Fischer. Esta nomenclatura es
absoluta pero no necesariamente la forma (D) coincide con el isómero dextrógiro
o forma (+).
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Formas R y S del bromoclorofluorometano.
También pueden representarse estos isómeros con las letras
(R) y (S). Esta
nomenclatura R-S, que sigue las
reglas de Cahn-Ingold-Prelog, también
se utiliza para determinar la configuración absoluta de los carbonos quirales.
Así pues, hay tres sistemas de nombrar estos compuestos:
según la dirección de desviación del plano de la luz
polarizada, distinguimos las formas dextro (+) y levo (-);
según la
nomenclatura
D-L (Formas D y L), que es inequívoca para isómeros con un solo
carbono asimétrico,
8 y según la
configuración absoluta R-S (formas
R y S),
9 más
adecuada para moléculas con varios centros asimétricos.
Diasteroisómeros
Cuando un compuesto tiene más de un carbono asimétrico
podemos encontrar formas enatiómeras (que son imagen especular una de la otra)
y otras formas que no son exactamente copias espaculares, por no tener todos
sus carbonos invertidos. A estas formas se les llama
diasteroisómeros.
Por ejemplo, el 3-bromo-butan-2-ol posee dos carbonos asimétricos por lo que
tiene 4 formas posibles. De ellas, algunas son enantiomorfas (formas
especulares), como (2S,3S)-3-bromo-butan-2-ol y (2R,3R)-3-bromo-butan-2-ol. En
cambio, (2R,3S)-3-bromo-butan-2-ol es un diastereoisómero de los dos
anteriores.
Mezcla racémica y formas meso
Formas R y S del ácido láctico. Enantiómeros del
ácido láctico o ácido 2-hidroxipropanoico.
Una
mezcla
racémica es la mezcla equimolecular de los isómeros dextro y levo.
Esta fórmula es ópticamente inactiva (no desvía el plano de la luz polarizada).
La mezcla de ácido D-láctico y L-láctico forma una mezcla racémica, ópticamente
inactiva..
Si un compuesto posee dos carbonos asimétricos, puede tener
uno dextrógiro y otro levógiro, pero si tiene un plano de simetría, en conjunto
se comporta como ópticamente inactivo y recibe el nombre de
forma meso.
Es el caso del ácido tartárico o 2,3-dihidroxibutanodioico, uno de cuyos
isómeros es una forma meso.
Poder rotatorio específico Es la desviación que sufre
el plano de polarización al atravesar la luz polarizada una disolución con una
concentración de
1 gramo de sustancia por cm³ en un recipiente de 1 dm de altura. Es el mismo
para ambos
enantiómeros, aunque de signo contrario. Se mide con el
polarímetro.
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