ISOMERÍA

 

El hecho de que tengamos muchas posibilidades de disponer los átomos que intervienen en una estructura orgánica da lugar a que podamos tener diferentes configuraciones que tienen la misma fórmula global pero diferente estructura y por consiguiente diferentes propiedades. Esto se conoce con el nombre de isomería (del griego: isos – igual y meros – parte). Los compuestos que presentan esta característica reciben el nombre de isómeros.

La isomería puede ser de dos tipos:

Ø       Isomería estructural

Ø       Isomería en el espacio o estereoisomería

 

Isomería estructural

Las moléculas que presentan este tipo de isomería se diferencian en la conectividad, es decir, tienen los mismos átomos conectados de forma diferente (distinta fórmula estructural). La isomería estructural se clasifica en:

v   Isomería de cadena: la presentan aquellos compuestos que tienen distribuidos los átomos de C de la molécula de forma diferente. Los siguientes compuestos tienen como fórmula global C6H14. Nótese que en el primero (el n-hexano) los átomos de carbono están unidos uno a continuación del otro. En el segundo compuesto (3-metil-pentano), hay una cadena de 5 átomos y en el tercer carbono hay un grupo CH3 (grupo metilo). Otras opciones para disponer los 6 átomos de carbono se presentan en los otros isómeros.

v   Isomería de posición: La presentan aquellos compuestos que teniendo las mismas funciones químicas están enlazadas a átomos de carbono que tienen posiciones diferentes en la cadena carbonada. En el ejemplo tenemos 2 cetonas con la misma fórmula global pero en la primera el grupo carbonilo está en el carbono 2 y en la segunada e el carbono 3:

v   Isomería de función: La presentan aquellos compuestos que tienen distinta función química:

 

Isomería en el espacio o estereoisomería.

La isomería en el espacio se clasifica en:

*      Isomería conformacional 

*      Isomería configuracional

 

La isomería conformacional se origina en la posibilidad de rotación alrededor del simple enlace, por lo que a temperaturas suficientemente bajas, cuando no se recibe por la molécula suficiente energía para lograr esta rotación, se distinguen conformaciones distintas de una misma molécula. Veamos por ejemplo el caso del etano:

           

 

                        

Conformación eclipsada                      Conformación alternada

Y el caso del metilciclohexano:

 

La isomería configuracional se clasifica a su vez en:

Ø       Estereoisomería cis-trans. La 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. Estas moléculas pueden ser:

Ø       aquellas cuyas cadenas tienen dobles enlaces. Una característica del doble enlace es su rigidez, que impide la libre rotación y reduce los posibles intercambios de posición que pueden experimentar los átomos de una molécula. Esto en los alquenos da lugar a la isomería cis trans.

Aunque los sustituyentes no sean iguales también ocurre este tipo de isomería si el tamaño de dos de los sustituyentes es grande con respecto a los otros dos:

En el caso de doble enlace trisustituido o tetrasustituido con los 3 ó 4 sustituyentes diferentes se emplea la Denominación E, Z basada en las reglas de secuencia de Cahn, Ingold y Prelog:

Se observan los átomos que están directamente unidos a cada carbono del doble enlace y se establece un orden de prioridad.Un átomo de mayor número atómico recibe prioridad más alta.

Si no es posible tomar una decisión considerando los primeros átomos del sustituyente, se recurre a los segundos, terceros, y así sucesivamente hasta que se encuentre una diferencia.

Si los átomos de mayor prioridad están del mismo lado el compuesto es Z.Si están del lado contrario el compuesto es E.

Ø       Sistemas cíclicos

 

 

Ø       Estereoisomería óptica. Las moléculas que presentan este tipo de isomería de diferencian únicamente en el efecto que tienen sobre la luz. Recibe el nombre de molécula quiral aquella que no se puede superponer con su imagen especular. Toda molécula no quiral recibe el nombre de aquiral. Si una molécula posee un plano de simetría es aquiral. Una molécula quiral puede presentar, al menos, dos configuraciones diferentes, una imagen especular de la otra, que constituyen una pareja de enantiómeros. Uno de ellos gira el plano de polarización de la luz hacia la derecha (dextrógiro) y se identifica con la letra R; el otro gira el plano de polarización de la luz hacia la izquierda (levógiro) y se identifica con la letra S. Este tipo de nomenclatura recibe el nombre de Nomenclatura R,S.

 

Un carbono asimétrico o estéreocentro es aquel carbono que tiene los 4 sustituyentes distintos. Precisamente esta característica es la que impide que se pueda superponer la estructura con su imagen especular:

 

Si una molécula tiene sólo un carbono asimétrico, sólo puede existir una par de enantiómeros. Si tiene dos carbonos asimétricos da por resultado un máximo de cuatro estereoisómeros (dos pares de enantiómeros). En general, una molécula con n carbonos asimétricos hace posibles 2n estereoisómeros ( 2n-1 pares de enantiómeros ).

Los estereoisómeros que no son imágenes especulares se denominan diastereisómeros. Esta generalización implica que los estereoisómeros cis - trans son un tipo de diastereoisómeros.

Las moléculas que contienen un estereocentro son siempre quirales.
Esto no es cierto necesariamente para moléculas con más de un estereocentro. Esto depende de que se presenten elementos de simetría. Esto escapa al alcance de este curso, aunque se proporciona un material de un Profesor de la UNAM que les permitirá ampliar en esto.

Los enantiómeros tienen las mismas propiedades químicas y físicas, a excepción de su respuesta ante la luz polarizada (actividad óptica). Por ello se les denomina isómeros ópticos.

Un enantiómero que rota el plano de la luz polarizada, al pasar a su través, en el sentido de las agujas del reloj, se dice que es dextrorrotatorio o dextrógiro. Si lo hace al contrario, es levorrotatorio o levógiro.

Las moléculas aquirales son ópticamente inactivas.

La rotación específica de la luz polarizada, que 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 medida de la rotación específica indica la composición enantiomérica del producto.

                                  

(-)-2-Bromobutano (-23.1°)                              (+)-2-Bromobutano (+23.1°)

La mezcla 1:1 de los enantiómeros (+) y (-) de una molécula quiral se denomina mezcla racémica o racemato y no desvía la luz polarizada. Cualquier proceso químico que permita la interconversión de enantiómeros se denomina racemización.

Un caso importante de estereoisomería son las aldohexosas, hidratos de carbono o azúcares de seis átomos de carbono, de fórmula general C6H12O6:

 

HOCH2-CHOH-CHOH-CHOH-CHOH-CHO

 

Dependiendo de la configuración de los cuatro estereocentros tenemos ocho diastereoisómeros que son compuestos diferentes con propiedades y nombres comunes distintos:

 

Las aldohexosas mencionadas tienen cuatro estereocentros. ¿Cuántos son los isómeros posibles?. Son 24, es decir, 16. Los otros 8 compuestos que no se representan son los enantiómeros de cada uno de ellos que no son naturales aunque se han sintetizado en el laboratorio. Se muestra la glucosa y su enantiómero: