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Objetivo: Identificar y explicar el concepto de Isomería
ISÓMEROS
Son compuestos que presentan la misma fórmula molecular, pero propiedades físicas y/o químicas distintas
Clasificación
Isómeros
Constitucionales
Estereoisómeros
De cadena
De posición
De función
Conformacionales
Cis-trans o geométricos
Ópticos
ISÓMEROS CONSTITUCIONALES
Los isómeros constitucionales o
estructurales son los compuestos que a
pesar de tener la misma fórmula molecular
difieren en el orden en que están conectados
los átomos, es decir, tienen los mismos
átomos conectados de forma diferente
(distinta fórmula estructural).
ISÓMEROS DE CADENA
Los compuestos tienen distribuidos los átomos
de carbonos de la molécula de forma diferente.
Por ejemplo, existen 3 isómeros de fórmula
general C5H12.
CH3 CH2 CH2 CH2 CH3
pentano
CH3 CH CH2 CH3
CH3
2-metilbutano (isopentano)
CH3 C CH3
CH3
CH3
2,2-dimetilpropano (neopentano)
ISÓMEROS DE POSICIÓN
Son compuestos que tienen las mismas
funciones químicas, pero sobre átomos de
carbono con números localizadores diferentes.
* CH3CH2CH2CH2OH
1-butanol
CH3CHCH2CH3
OH
2-butanol
* CH3CCH2CH2CH3 O
2-pentanona
CH3CH2CCH2CH3
O
3-pentanona
ISÓMEROS DE FUNCIÓN
Son compuestos de igual fórmula molecular que
presentan funciones químicas diferentes.
* O CH2CH3 CH3
etil metil éter un éter
CH3CH2CH2OH
1-propanol un alcohol
C3H8O
* C3H6O C CH3CH3
O
propanona una cetona
C HCH2
OCH3
propanalun aldehído
* C3H6O2 C OCH3
OCH3
etanoato de metilo un éster
C OH CH2
OCH3
ácido propanoicoun ácido carboxílico
ESTEREOISÓMEROS
Los estereoisómeros son los
isómeros cuyos átomos están
conectados en el mismo orden, pero
con disposición espacial diferente.
ISOMERÍA CONFORMACIONAL
Son las distintas estructuras de un mismo compuesto que
surgen como resultado de la libre rotación de los enlaces
simples y la flexilibilidad de los ángulos de enlace.
Conformaciones del etano
A- Conformación alternada: De menor energía, por lo tanto, la más estable.
B- Conformación eclipsada: El carbono 2 está girado 60° con respecto a la posición que tiene en A. Es la de mayor energía.
1
2
1
2 60° Vista a lo largo de los carbonos 1 y 2
Vista a lo largo de los carbonos 1 y 2
Conformaciones del ciclohexano
A- Conformación silla: De menor energía, por lo tanto, la más estable.
B- Conformación bote: De mayor energía, menos estable.
Enlaces axiales
Enlaces ecuatoriales
ISOMERÍA cis-trans
La isomería cis-trans se puede observar en moléculas cíclicas o en moléculas que presenten dobles enlaces.
• 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 es el isómero cis, y si están en lados opuestos es el isómero trans.
trans-1,2-dimetilciclopropano
H
H
CH3
H
H
CH3
Los grupos metilo en lados opuestos del plano
cis-1,2-dimetilciclopropano
H
H
CH3
H
CH3
H
Los grupos metilo en el mismo lado del plano
• Isomería cis-trans en alquenos
Una característica del doble enlace es su rigidez que impide la libre rotación, por lo que se reduce los posibles intercambios de posición que pueden sufrir los átomos de una molécula y surge así un nuevo tipo de isomería. La isomería cis-trans en los alquenos se da cuando los sustituyentes en cada uno de los carbonos del doble enlace son distintos.
C CHH
HCH3
C CH
CH3
HCH3
Dos sustituyentes distintos: H y CH3
Dos sustituyentes distintos: H y CH3
En este compuesto hay isomería geométrica, pues se cumple la condición en ambos
carbonos.
En este carbono hay dos sustituyentes
iguales, por lo tanto, en este compuesto
no hay isomería geométrica.
Un estereoisómero es cis cuando los dos hidrógenos están del mismo lado del doble enlace.
Un estereoisómero es trans cuando los dos hidrógenos están en lados opuestos del doble enlace
C CH
CH3
HCH3
Del mismo lado del plano
C CH
CH3
CH3H
De lados opuestos del plano
cis-2-buteno
trans-2-buteno
3. Quiralidad
• Se denomina quiral toda figura geométrica, o todo grupo
de puntos, cuya imagen en un espejo plano, idealmente
realizada, no puede hacerse coincidir consigo misma.
• Algunas moléculas son como las manos. La izquierda es
la imagen especular de la derecha pero no son
superponibles y por lo tanto no son idénticas. Se llaman
quirales.
mano izquierda espejo mano derecha no superponibles
3. Quiralidad
Hay otras moléculas parecidas a un par de calcetines.
Los calcetines son imágenes especulares un del otro y
también son superponibles.
Una molécula o un objeto superponible a su imagen
especular se denomina aquiral.
los calcetines son idénticos.
3. Quiralidad
Girar la molécula para alinear los
enlaces
Los enlaces y los átomos están alineados
Los enlaces y los átomos están alineados
CH2BrCl es aquiral
H2O es aquiral
3. Quiralidad
Si una molécula posee un plano de simetría es un sistema aquiral.
Una molécula quiral existe en dos formas estereoisómericas llamadas enantiómeros. Estos son objetos no superponibles con sus imágenes especulares.
Metano (solo se muestra un plano de simetría)
Diclorometano
Bromoclorometano
Bromoclorofluorometano
*CH3 CHOH
CH2 CH3
2-butanol
El carbono 2, marcado con un asterisco, es quiral porque tiene 4 sustituyentes distintos: -OH, -CH2CH3, -CH3, -H. Hay dos estereoisómeros de este compuesto.
ENANTIÓMEROS
Espejo
C OH
CH3CH2
CH3
HCHO
CH2CH3
CH3
H
enantiómeros
Los estereoisómeros que son imágenes especulares no superponibles reciben el nombre de enantiómeros.
3. Quiralidad
Un átomo de carbono unido a 4 sustituyentes distintos se denomina carbono asimétrico. Sin embargo su existencia no es garantía de quiralidad. Se llama también carbono estereogénico o estereocentro.
CHBrClF es una molécula quiralNi los enlaces ni los átomos
son superponibles.
Enantiómeros
OH
H
CH3 CH2CH3
2-butanol
*
COOH
CH3
HO H* COOH
Cl
H3C
*
Acido láctico Acido 2-cloro-2-fenilpropanoico
3. Quiralidad
3.1. Isomería óptica3.1. Isomería óptica Las propiedades físicas de dos enantiómeros son idénticas: tienen
los mismos puntos de ebullición y de fusión, la misma solubilidad, la misma densidad, el mismo índice de refracción, misma conductividad...etc.
La actividad óptica de las parejas de enantiómeros es la propiedad característica para diferenciarlos.
Si la sustancia no es ópticamente activa no se observa ningún cambió en el plano de vibración de la luz polarizada emitida.
Si la sustancia tiene actividad óptica se observa una rotación de grados del plano de vibración de la luz polarizada emitida.
Vollhardt & Schore 5th Edition p:175
3. Quiralidad
3.1. Isomería óptica3.1. Isomería ópticaSi la rotación del plano de la luz es hacia la derecha (en el
mismo sentido de las agujas del reloj) la sustancia es dextrógira y al valorse le asigna signo positivo.
Si el giro es hacia la izquierda (en el sentido contrario de las agujas del reloj) la sustancia es levógira y a se le asigna signo negativo.
La rotación específica de una molécula ópticamente activa es una constante física característica de dicha molécula:
t ºC
l.c
La rotación óptica indica la composición enantiomérica
3. Quiralidad
Rotación específica de algunos compuestos quirales
Los enantiómeros puros presentan el mismo valor de rotación específica pero de signo contrario.
Por lo tanto, la rotación óptica resultante de una mezcla 1:1 de enantiómeros es cero, es decir, es ópticamente inactiva. Este tipo de mezclas se denomina racemato o mezcla racémica.
CH2CH3
CH3Br
H
(-)-2-Brometano
CH2CH3
CH3H
Br
(+)-2-Brometano
H
COOHCH3
NH2
Ácido (+)-2-aminopropanoico[(+)-Alanina]
H
COOHOH
CH3
Ácido (-)-2-hidroxipropanoico[Ácido (-)-láctico]
-23.1º +23.1º +8.5º -3.8º
3.1. Isomería óptica3.1. Isomería óptica
Configuración absoluta de un átomo de carbono asimétricoConfiguración absoluta de un átomo de carbono asimétricoLa denominación de la configuración absoluta de un
centro estereogénico se basa en la mismas reglas de prelación desarrolladas por Cahn, Ingold y Prelog.
Estas reglas permiten nombrar y describir la disposición en el espacio de los sustituyentes sobre un centro estereogénico, independientemente del signo de la rotación óptica de la molécula.
El primer paso:Colocar los cuatro sustituyentes 1, 2, 3, 4, del átomo de carbono sp3 en orden decreciente de prioridad según las reglas CIP : 1 > 2 > 3 > 4
3.1. Isomería óptica3.1. Isomería óptica
3. Quiralidad
3. Quiralidad
Configuración absoluta de un átomo de carbono asimétricoConfiguración absoluta de un átomo de carbono asimétricoEl sustituyente de menor prioridad se encuentra lo más
alejado posible del observador. -Si el paso de 123 se hace en el sentido horario, el
centro quiral es R (rectus, latín, derecha). Si el paso 12 3 se hace en el sentido contrario a las
agujas del reloj, la configuración del centro quiral se denomina S (sinister, latín, izquierda).
Isómero R
Isómero S
3.1. Isomería óptica3.1. Isomería óptica
3. Quiralidad
Configuración absoluta de un átomo de carbono asimétricoConfiguración absoluta de un átomo de carbono asimétrico En la nomenclatura sistemática, R o S se añaden entre
paréntesis como prefijo del nombre del compuesto quiral.
Es importante recordar que los símbolos R y S no muestran ningún tipo de correlación con el signo de α.
(R) butan-2-ol (S)-2-butanol
3.1. Isomería óptica3.1. Isomería óptica
3. Quiralidad
Configuración absoluta de un átomo de carbono asimétricoConfiguración absoluta de un átomo de carbono asimétrico¿Que hacer cuando una molécula no está orientada de manera que el grupo de menor prioridad esté alejado?
3.1. Isomería óptica3.1. Isomería óptica
3. Quiralidad
Los enantiómeros son esteroisómeros que son imágenes especulares no superponibles.Sus propiedades físicas son idénticas con excepción de la rotación específica
Los diastereómeros son isómeros configuracionales que no son enantiómeros.
Sus propiedades físicas y químicas son distintas.
E Z
COOHOH
OH OH
* *S S
COOHOH
OH OH
* *S R
H
COOH
H3C
H2N
4
1
2
3H
COOH
CH3
NH2
4
1
2
3
Configuración absoluta S
H
COOH
H3C
H2N4 1
2
3
Configuración absoluta R
Plano de simetría
3.2. Moléculas con más de un centro esterogénico3.2. Moléculas con más de un centro esterogénico
3. Quiralidad
Ejemplo:CH3 CHOH CHOH COOH
* *
1234
COOH
CH3
HOH
OHH
COOH
CH3
OHH
OHH
COOH
CH3
HOH
HOH
COOH
CH3
OHH
HOH
El átomo en posición 2
se puede escribir
El átomo en posición 3
se puede escribir
COOH
CHOHCH3
OH H
CHOHCOOH
CH3
H OH1
2
3
41
2
3
4
Doble intercambio para alejarel grupo con menos prioridad
H
OH
CH3OHC COOH
1
2
3
4
Doble intercambio para alejarel grupo con menos prioridad
H
OH
HOOCHCOHC CH3
1
2 3
4
(2S,3R) (2R,3R) (2S,3S) (2R,3S)
3.2. Moléculas con más de un centro esterogénico3.2. Moléculas con más de un centro esterogénico
Transformación de fórmulas en perspectivas a proyecciones en el plano
OH
COOH
CH3
H
Ácido D-láctico
C OHH
COOH
CH3
COOH
COHH3C
H
D-gliceraldehído L-gliceraldehído
CHO
CHO CH2OH
H
CHO
CHO
CH2OH
H=
CHO
COHHOH2C
H
C OH
CHO
CH2OH
H=
Si una molécula tiene un único carbono quiral, sólo puede existir un par de enantiómeros.
Si tiene dos carbonos quirales tiene un máximo de cuatro estereoisómeros (dos pares de enantiómeros).
En general, una molécula con n carbonos quirales tiene un número máximo de 2n estereoisómeros posibles.
Por ejemplo, el 3-bromo-2-butanol tiene dos carbonos quirales, por lo tanto, se esperaría 4 estereoisómeros.
*CH3 CH
OH
CH CH3
Br
*
DIASTEREOISÓMEROS
C
C
HO CH3
CH3Br
H
H
C
C
OHH3C
H3C Br
H
H
C
C
HO CH3
CH3H
H
Br
C
C
OHH3C
H3C H
H
Br
Flechas horizontales: enantiómeros
Flechas verticales y oblicuas: diastereoisómeros
Los estereoisómeros
que no son imágenes
especulares se denominan
diastereoisómeros.
C
C
HO CH3
CH3HO
H
H
C
C
OHH3C
H3C OH
H
H
COMPUESTOS MESO
Estas dos estructuras del 2,3-butanodiol son imágenes especulares y no pueden superponerse, por lo tanto, estos dos compuestos son enantiómeros
PLANO DE SIMETRÍA
Estas dos estructuras del 2,3-butanodiol son imágenes especulares, pero pueden superponerse, por lo tanto, NO son enantiómeros, sino que se trata del mismo compuesto. Es el compuesto meso.
C
C
HO CH3
CH3H
H
HO
C
C
OHH3C
H3C H
H
OH
Se denominan compuestos meso a aquéllos que, a pesar de tener carbonos quirales, son aquirales (no tienen actividad óptica) porque poseen un plano de simetría.
MEZCLA RACÉMICA
Se denomina mezcla racémica o
racemato, a aquélla que contiene un
par de enantiómeros en una proporción
del 50% de cada uno. Esta mezcla no
produce desviación de la luz polarizada,
es decir, no tiene actividad óptica.
PROYECCIONES DE FISCHER
• Las representaciones de Fischer son representaciones codificadas del diagrama de cuñas, son muy útiles para ilustrar estructuras que contienen más de un estereo centro. Todas las uniones en las estructuras son líneas simples pero se sigue una codificación: Las líneas horizontales son uniones que se proyectan hacia afuera del plano del papel y las líneas verticales son uniones que se proyectan hacia atrás del plano del papel. Las proyecciones de Fischer se usan con más frecuencia cuando más de un centro estereogénico está presente en la molécula
EJEMPLOS:
• La proyección de Newman se obtiene al mirar la molécula a lo largo del eje C-C. El carbono frontal se representa por un punto, del que parten los tres enlaces que lo unen a los sustituyentes. El carbono de atrás se representa por un círculo y los enlaces que salen de este carbono se dibujan a partir de este círculo.
PROYECCIONES DE NEWMAN
http://www.uhu.es/quimiorg/newman.html
