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 o de las funciones o por poseer funciones diferentes; 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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Butano
Isobutano (metilpropano)
H3 C
CH3
H
C
C
H
H
o-metilfenol
H3 C
CH3
H
H
H
C
C
C
H
H
H
m-metilfenol
p-metilfenol
CH3
CH3
H3 C
CH3
C
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
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
2-Butanona
1-butanol CH3CH2CH2CH2OH
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H3 C
C
CH3
Br
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.
CH3
Propanona, Propanal
H3 C
H
H
C
C
H
H3 C
H
OH
C
C
O
H3 C
H
H3 C
C
OH
CH3
H
C
H3 C
C
CH3
O
propanona CH3COCH3
ESTEREOQUIMICA:
C
OH
O
H
H
OCH3
propanal CH3CH2CHO
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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Veamos en primer lugar el concepto de quiralidad:
Estereoisomero quiral Es aquel estereoisómero que no es superponible con su imagen en
el espejo. La molécula 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
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con 3 sustituyentes diferentes, los complejos octaédricos convenientemente sustituidospresentan
centro quiral.
•
Sin centro quiral pero con plano quiral (compuestos sándwich)
•
Sin centro quiral pero con eje quiral (planos disimétricos perpendiculares)…
•
Con dos o más centros quirales
Moléculas quirales (no superponibles) Carbono tetraédrico con 4 sustituyentes diferentes
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 se dice que no es ópticamente activa y, por tanto, es incapaz de desviar el plano de la
luz polarizada.
Moléculas no quirales (superponibles)
En resumen: Cada centro quiral en una molécula es responsable de la existencia de
estereosómeros, da lugar a dos moléculas isómeras especulares o enantiómeros. El número de
estereoisómeros está relacionado con el número de carbonos asimétricos mediante la
expresión 2n siendo n el número de C quirales. Una molécula con 2 centros quirales puede tener
4 estereoisómeros (22 esteroisómeros, 2 parejas de enantiómeros); una con 3 centros quirales
puede tener 8 estereoisómeros (23 esteroisómeros, 4 parejas de enantiómeros); y así
sucesivamente.
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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 m
eso.
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.
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: 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 y que a su vez poseen dos sustituyentes idénticos, aunque
esto último no es obligatorio) 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.
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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
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 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.
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Estereoisomeria óptica: La isomería óptica (estereoisomería óptica) es característica de
aquellos compuestos orgánicos que poseen uno o más átomos de carbono asimétricos. Un
carbono asimétrico o quiral es aquel que posee los cuatro
sustituyentes
distintos. Las
moléculas que presentan este tipo de isomería de diferencian únicamente en el efecto
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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 o isómeros ópticos, cuyas propiedades
físicas y químicas son casi idénticas. En general, una molécula con n carbonos asimétricos
hace posibles 2n estereoisómeros. 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.
Isómeros ópticos: ¿Porqué los isómeros ópticos desvían el plano de polarización de la luz?
Las moléculas de los isómeros ópticos son quirales, carecen de simetría, y puede ser debido a
diferentes causas, la más frecuente de ellas es la presencia de, al menos, un carbono quiral o
carbono asimétrico, átomo de C unido a cuatro sustituyentes diferentes; las moléculas quirales
existen en dos formas que son entre sí imágenes especulares, no superponibles, se dicen que son
enantioméricas.
Enantiómeros : Son moléculas quirales. Dos compuestos son entre sí enantiómeros si la
imagen especular de uno no puede ser superpuesta con la del otro. Dicho de otra forma: un
enantiómero es una imagen especular no superponible de sí mismo. Los compuestos
enantioméricos tienen las mismas propiedades físicas y químicas, en condiciones aquirales,
excepto por la interacción con el plano de la luz polarizada o por la reacción con otras moléculas
quirales. Dos enantiómeros desvían el plano de la luz polarizada en la misma magnitud pero en
sentidos opuestos.
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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- 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-- y se nombra anteponiendo
al nombre del compuesto el signo (-) o también la
letra l minúscula.
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Características de los enantiómeros:
•
•
•
•
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.
Los enantiómeros se interconvierten a temperatura ambiente por efecto de sombrilla.
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.
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.
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La mezcla equimolecular de enantiómeros se denomina mezcla racémica o racemato. Una
mezcla racémica no rota el plano de vibración de la luz polarizada. En una mezcla racémica las
propiedades no son siempre las mismas que las de los enantiomeros por separado, depende del
estado de agregación.Se denomina resolución del racemato a la separación de los componentes
de un racémico
Diastereoisómeros Son estereoisómeros configuracionales que no son imágenes especulares
entre si
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Flechas horizontales: enantiómeros
Flechas verticales y oblicuas: diastereoisómeros
Características 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.
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 y los otros dos en un
plano horizontal y hacia delante. 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
hacemos que los enlaces contenidos en el plano del papel queden hacia atrás y los carbonos
quirales C*-C*queden en línea.
Nomenclatura de los estereoisómeros (R, S)
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La Nomenclatura R, S se utiliza para determinar la configuración absoluta de los carbonos
quirales.
- Para determinar si una molécula es R ó S se actúa de la siguiente forma:
1. Se observan los átomos que están directamente unidos a cada carbono del doble
enlace y se establece un orden de prioridad siguiendo las reglas de Cahn, Ingold y
Prelog. El átomo de mayor número atómico recibe la prioridad más alta.
2. Si no es posible tomar una decisión considerando los primeros átomos del
sustituyente, se recurre a los segundos, terceros, y así sucesivamente hasta encontrar un
punto de discordancia.
3. Se considera que los átomos unidos con enlaces múltiples son equivalentes al mismo
número de átomos unidos con enlace sencillo.
4. Cuando la única diferencia entre los sustituyentes sea isotópica tendrá prioridad el
átomo de mayor masa atómica.
5. Una vez determinadas las prioridades, se recorren los átomos por orden de prioridad
(de mayor a menor) sin tener en cuenta el de menor prioridad. El sentido de las agujas
del reloj es R, el sentido contrario a las agujas de reloj es S.
6. Si el átomo de menor prioridad se encuentra hacia atrás (posición vertical en la
proyección de Fisher) se mantiene el sentido, es decir, si el sentido de recorrido de los
átomos era R la molécula será R, y si el sentido de recorrido de los átomos era S la
molécula será S.
7. Si el átomo de menor prioridad se encuentra hacia adelante (posición horizontal en la
proyección de Fisher) se invierte el sentido, es decir, si el sentido de recorrido de los
átomos era R la molécula será S, y si el sentido de recorrido de los átomos era S la
molécula será R.
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- 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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