apuntes tema orgánica parte 2 isomería

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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.
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Metilpropano
Butano
Dimetilpropano
CH3
H3 C
CH3
H
C
C
H
H
H3 C
CH3
Metilbutano
H
H
H
C
C
C
H
H
H
H3 C
CH3
C
CH3
CH3
CH3
n-pentano
CH3
CH3
CH3
o-Dimetilbenceno
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; 2Butanol.
H
H3 C
C
H
CH2 Br
H
1-Bromopropano
2-Butanona
1-butanol CH3CH2CH2CH2OH
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H3 C
C
CH3
Br
2-Bromopropano
3-Butanona
2-butanol CH3CH2CHOHCH3
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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.
H
2-Hidroxi-2-metilpropano
H
CH3
Propanal
H3 C
H3 C
H
H
C
C
H
H3 C
H
OH
C
C
O
C
C
OH
H3 C
O
H3 C
2-Hidroxipropanal
1-Hidroxipropanol
CH3
OCH3
Ácido propanoico
Propanona
C
CH3
OH
H
O
H
C
Isopropilmetileter
Etilmetileter
CH3COCH3
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.
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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, Hay 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 sp3) 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)
•
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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 2n (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.
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(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 sp3) 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).
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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 sp2
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: HClC=CHCl ;
H2C=CHCl;
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HClC=CBrH; sí presentan isomería geométrica
H2C=CH2
no presentan isomería geométrica
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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, CH3CH=CHCH3, 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
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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 sp3 (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
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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
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A
B
C
D
A y B forman una pareja de enantiómeros; C y D forman otra pareja distinta
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Diastereoisómeros Son estereoisómeros configuracionales que no son imágenes especulares
entre si
Flechas horizontales: enantiómeros
Flechas verticales y oblicuas: diastereoisómeros
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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.
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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.
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PROYECCIONES DE FISCHER 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
sp3 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.
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Nomenclatura de los estereoisómeros (R, S)
-
- Proyección de Newman Fischer
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¿Tienen los compuestos la misma fórmula molecular?
NO
No Isómeros
SI
Isómeros
NO
¿Tienen los compuestos la misma conectividad?
SI
Estereoisómeros
NO
¿Son interconvertibles por rotación en torno a enlaces simples C-C?
SI
Configuracional
¿Es producida por un doble enlace?
SI
NO
Óptica
NO
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¿Son los compuestos imágenes especulares no superponibles?
SI
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