Muchas de las propiedades químicas y físicas de los compuestos dependen no sólo de los átomos que los componen, sino también de la forma en que están enlazados

Capítulo 3. 3.1. Isomería. Muchas de las propiedades químicas y físicas de los compuestos dependen no sólo de los átomos que los componen, sino también de la forma en que están enlazados entre ellos (conectividad) y de la relación espacial que guardan entre sí. Por citar un ejemplo, tomemos el caso del etanol y del éter metílico, dos compuestos de igual fórmula molecular (C2H6O) pero con propiedades totalmente distintas, pues el primero es un líquido de punto de ebullición 78-79 ºC, en tanto que el otro es un gas a temperatura ambiente (punto de ebullición = -24.8 ºC). Estas diferencias pueden ser explicadas fácilmente a partir de sus estructuras, pues en tanto que en el etanol el átomo de oxígeno está enlazado a un átomo de carbono y a un átomo de hidrógeno, en el éter el oxígeno está enlazado a dos átomos de carbono; lo cual conduce a la formación de enlaces por puente de hidrógeno y a un elevado punto de ebullición en el primer caso, y a la ausencia de puentes de hidrógeno y un punto de ebullición bajo en el segundo (tabla 3.1): Tabla 3.1. Isómeros de fórmula C2H6O y sus puntos de ebullición. Estructura: P. ebullición: Interacciones: Etanol 78-79 ºC Puentes de hidrógeno. Éter metílico -24.8 ºC No hay puentes de hidrógeno. Si la conectividad tiene una gran influencia en las propiedades físicas y químicas de los compuestos, no menos importante es la distribución espacial de los sustituyentes; por ejemplo, el cis-1,2-dicloroeteno presenta un punto de ebullición de 60 ºC, en tanto que en el trans-1,2-dicloroeteno el punto de ebullición es de 48 ºC. Si realizamos el análisis vectorial de los momentos de enlaces basándonos en la estructura de estos dos compuestos, podremos explicar estos datos experimentales, puesto que mientras en el compuesto cis el momento dipolar es diferente de cero y origina más interacciones intramoleculares, en el trans el momento dipolar es cercano a cero y presentará menos interacciones intramoleculares (tabla 3.2): Tabla 3.2. Isómeros geométricos de fórmula C2H2Cl2 y sus puntos de ebullición. Estructura: P. ebullición: Momento dipolar: cis-1,2-dicloroeteno 60 ºC   0 trans-1,2-dicloroeteno 48 ºC  = 0 A este tipo de diferencias estructurales en compuestos que tienen la misma fórmula molecular se le conoce como isomería, del griego isos que significa igual, y meros que significa parte (partes iguales). La isomería puede ser de dos tipos (Esquema 3.1): Isomería constitucional. Isomería en el espacio o estereoisomería. 3.1.1. Isomería plana (constitucional o de posición): Las moléculas que presentan este tipo de isomería se diferencian en la conectividad, es decir, tienen los mismos átomos pero conectados de formas diferentes. A su vez, este tipo de isomería constitucional se clasifica en: Isomería de cadena o de ordenación: Presentan isomería de cadena u ordenación aquellos compuestos que tienen distribuidos sus átomos de forma diferente. Por ejemplo el n-butano y el 2-metilpropano (figura 3.1): (a) (b). Figura 3.1. Isómeros de cadena de fórmula C4H10: a) n-butano, b). 2-metilpropano. Esquema 3.1. Isomería molecular. Isomería de posición: La presentan aquellos compuestos que teniendo las mismas funciones químicas están enlazadas a átomos que tienen localizadores diferentes. Por ejemplo la 2-pentanona y la 3-pentanona (figura 3.2): (a) (b). Figura 3.2. Isómeros de posición de fórmula C5H10O: a) 2-pentanona, b). 3-pentanona. Isomería de función: La presentan aquellos compuestos que tienen distinto grupo funcional. Por ejemplo el n-butanol y el eter dietílico (figura 3.3): (a) (b) Figura 3.3. Isómeros de función de fórmula C4H10O: a) n-butanol, b). Éter etílico. La tautomería es un caso especial de la isomería de función. Ocurre cuando hay un rearreglo de los átomos y de los enlaces en una molécula, lo cual conduce a dos o más estructuras que se encuentran en equilibrio, estando éste más o menos desplazado hacia una estructura o hacia la otra dependiendo del resto de la molécula. Por ejemplo, en la tautomería ceto-enólica de la propanona, el equilibrio está desplazado hacia la forma ceto, en tanto que en la 2,4-pentanodiona, el equilibrio está desplazado hacia la forma enólica debido a la formación de un puente de hidrógeno intramolecular (tabla 3.3): Tabla 3.3. Tautomería cetoenólica. Tautómeros Forma ceto Forma enol Propanona 99.99985 % 1.5x10-4 % 2,4-pentanodiona 33.6 % 76.4 % Metamería. Es la isomería que se presenta cuando dos compuestos tienen el mismo grupo funcional sustituido de diferentes formas. Por ejemplo el propanoato de metilo y el etanoato de etilo (figura 3.4): Propanoato de metilo Etanoato de etilo Figura 3.4. Metámeros de fórmula C4H8O2: a). Propanoato de metilo, b). Etanoato de etilo. 3.1.2. Isomería del espacio o estereoisomería. Los isómeros espaciales poseen la misma fórmula molecular y también la misma fórmula estructural plana (la misma conectividad), diferenciándose por la relación espacial de unos átomos con respecto a otros. Este tipo de isomería se clasifica en: Isomería conformacional. Isomería configuracional. Isomería conformacional. La isomería conformacional se presenta en compuestos que pueden ser convertidos por rotación en torno a uno o varios enlaces sencillos. En principio el número de conformaciones puede ser infinito, sin embargo, debido a las interacciones repulsivas (e. g. el efecto estérico) o atractivas de los sustituyentes, unas conformaciones pueden ser más estables (y encontrarse en mayor proporción) que otras. En el etano por ejemplo, la conformación alternada es 3 kcal/mol más estable que la eclipsada (figura 3.5). Eclipsada. Sesgada. Alternada. Figura 3.5. Confórmeros del etano y la relación energética entre ellos. Isomería configuracional. La isomería configuracional se clasifica a su vez en: Estereoisomería geométrica. Estereoisomería óptica. b.1. Estereoisomería geométrica. La presentan los compuestos que se diferencian únicamente en la disposición de sus átomos en el espacio. Este tipo de isomería ocurre cuando existen dobles enlaces en cadenas abiertas o cerradas, por lo tanto, la diferencia entre los dos isómeros se debe a la imposibilidad de rotar el enlace , que convertiría un isómero en el otro. Si los dos sustituyentes de mayor prioridad (según las reglas de Cahn-Ingold-Prelog citadas en el anexo 1) están del mismo lado en los carbonos del doble enlace, al estereoisómero se le llama Z o cis, y si están en lados opuestos se le llama E o trans. Por ejemplo puede mencionarse el cis-2-buteno (p. eb. = 3.7 ºC) y el trans-2-buteno (p. eb. = 1 ºC). Cis-2-buteno. Trans-2-buteno. Figura 3.6. Interconversión impedida a Tamb de los isómeros geométricos del 2-buteno. La estereoisomería geométrica también se presenta en ciclos tensionados que no contienen doble enlace. En este caso el plano del ciclo es el plano de referencia para determinar si el isómero es cis o trans. Como ejemplo se presentan los isómeros del 1,2-dimetilciclopentano (figura 3.7). (a) (b) Figura 3.7. Isómeros geométricos del 1,2-dimetilciclopentano: a). Cis; b). Trans. Un ejemplo más de este tipo de isomería se presenta en los ciclos plegados, en los que se consideran los planos perpendiculares a los enlaces axiales como referencia. Si los sustituyentes se encuentran del mismo lado en dichos planos serán cis, y si se encuentran en lados opuestos serán trans. Como ejemplo se presentan los conformeros del 1-Bromo-3-metilciclohexano, en los que los planos de referencia se simbolizan con líneas punteadas (figura 3.8): (a) (b) Figura 3.8. Confórmeros del cis-1-Bromo-3-metilciclohexano: a). Axial-axial, b). Ecuatorial-ecuatorial. b.2. Estereoisomería óptica. Los isómeros de este tipo difieren únicamente en la relación espacial de los sustituyentes de uno o más de sus átomos, y se clasifican en: 1. Enantiómeros. 2. Diasteroisómeros. b.2.1. Enantiómeros. La palabra enantiómeros proviene del griego enantios que significa opuesto y meros que significa parte (partes opuestas), se usa para denotar a las moléculas que guardan relación de imagen en el espejo pero que no son superponibles. Los enantiómeros tienen las mismas propiedades químicas y físicas, a excepción de su respuesta ante la luz polarizada; por esta razón se les denomina como ópticamente activos. Como ejemplo se presentan los enantiómeros del ácido láctico: el enantiómero R gira el plano de la luz polarizada a la izquierda (levógiro), mientras que el enantiómero S lo gira a la derecha (dextrógiro). (a) (b)

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