Isomeria para quimica II

1. ISOMERíA

Tenemos dos sustancias que tienen el mismo peso molecular, 46, y la misma fórmula molecular, C2H6O y, sin embargo, son dos compuestos claramente diferentes.

El primero es un líquido que hierve a 78ºC. Es un conpuesto bastante reactivo: si se deja caer en él un trozo de sodio metálico, se produce un burbujeo vigoroso y se consume el sodio; se desprende hidrógeno gaseoso y queda un compuesto de fórmula C2H5ONa. También reacciona con ácido yodhídrico para formar agua y un compuesto de fórmula C2H5I.

El segundo compuesto es un gas con punto de ebullición de - 24ºC. No reacciona con el sodio metálico. También reacciona con el ácido yodhídrico, pero da un compuesto de fórmula CH3I.

2. Tipos de Isómeros

¿Cómo podemos explicar esta diferencia?

La respuesta es que difieren en su estructura molecular.

El primer compuesto es el alcohol etílico (CH3-CH2-OH) y el segundo es el dimetil éter (H3C-O-CH3).

Las diferencias en propiedades físicas y químicas de estos dos compuestos pueden explicarse fácilmente a partir de sus diferencias estructurales.

Los compuestos diferentes que tienen la misma fórmula molecular se llaman isómeros (del griego: isos, igual, y meros, parte). Contienen igual número de las mismas clases de átomos, pero éstos están unidos entre sí de manera distinta.

En algunos casos, la diferencia estructural y por consiguiente las propiedades distintas es tan marcada que los isómeros se clasifican en familias químicas diferentes como, por ejemplo, alcohol etílico y dimetil éter. En otros casos, la diferencia estructural es tan sutil que sólo puede describirse en función de modelos tridimensionales.

3. ISOMERÍA
Se dice que dos compuestos químicos son isómeros cuando tienen el mismo peso molecular y la misma composición elemental pero diferentes propiedades fisico-químicas
¿QUE SON ISÓMEROS?
Los isómeros tienen el mismo número de átomos de cada tipo pero éstos están unidos entre sí de manera distinta.

4. •
Una de las características más llamativas de los compuestos orgánicos es la posibilidad de que presenten isomería
•
Se llaman Isómeros aquellos compuestos que tienen igual fórmula molecular y distintas propiedades.
•
Los diversos tipos de isomería se pueden clasificar atendiendo a los conceptos de
–
Constitución: Distinta ordenación o naturaleza de los enlaces
–
Configuración: Disposición tridimensional de los átomos de una molécula en el espacio, sin considerar los casos debidos a la rotación de grupos en torno a enlaces sencillos. Los isómeros que difieren en su configuración reciben el nombre de estereoisómeros.
–
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 lovorrotatorio o levógiro.

5. ESTEREOISÓMEROS
TIPOS DE ISOMERIA
ISÓMEROS ESTRUCTURALES

6. ISÓMEROS ESTRUCTURALES
Son isómeros que aunque poseen el mismo número y tipo de componentes, difieren entre sí en que dichos componentes están unidos unos a otros de diferente forma
ISÓMEROS DE ESTRUCTURA
- En ellos no todos los centros estructurales están formados por los mismos grupos -Son, por lo tanto, moléculas diferentes tanto en su estructura como en sus propiedades físicas y químicas

7. ISOMERÍA

8. • Todos los centros están formados por los mismos grupos pero difieren en su disposición relativa en el espacio
• Son moléculas muy parecidas entre sí tanto en sus propiedades físicas como químicas
ESTEREOISÓMEROS
Son compuestos que difieren entre sí únicamente en el arreglo de sus átomos en el espacio

9. - ISOMERÍA DE CADENA -ISOMERÍA DE FUNCIÓN - ISOMERÍA DE POSICIÓN
ISOMERÍA DE ESTRUCTURA
PUEDE SER DE TRES TIPOS

10. ISÓMEROS DE CADENA
Difieren en la forma en que los átomos de carbono están unidos entre sí para formar una cadena
H3CCHCHHCHCH3HHH3CCCH3CCH3HHHH3CCCH3CH3CH3
C5H12

11. Isomería cis-trans

La energía de disociación del doble enlace C=C es aproximadamente de 146 kcal/mol y la energía de disociación de un enlace simple C-C es de 83 kcal/mol. Por tanto, la energía de disociación del enlace π debe ser de 63 kcal/mol.

A diferencia de lo que ocurre en los enlaces simples, los enlaces dobles C=C no presentan libre rotación.

Este es el origen de la isomería cis-trans.

Así pues, hay dos alquenos que llevan el nombre de 2-buteno: el cis-2-buteno y el trans-2-buteno:

12. Nomenclatura para alquenos con isomería cis-trans
•
Se determina cuál de los dos grupos unidos a cada átomo de carbono del doble enlace tiene prioridad según la convención de Cahn-Ingold-Prelog.
•
Si los dos grupos de mayor prioridad están del mimo lado del plano de referencia se le asigna el símbolo Z (del alemán zusammen).
•
Si los dos grupos están en lados opuestos del plano de referencia se le denomina E (del alemán entgegen).

13. Isomería cis-trans. Ácidos Maleico y Fumárico

14. Isomería cis-trans RETINAL

15. ISÓMEROS DE FUNCIÓN
- La forma en que están unidos los átomos da lugar al establecimiento de grupos funcionales distintos, por lo tanto: - Son moléculas que difieren drásticamente en sus propiedades químicas
H3CCHCHHOH3CCCH3O
Cetona
Aldehído
C3H6O
Acido
α-hidroxi aldehido
H3CCHCOHHOH3CCHCHOHO
C3H6O2

16. ISÓMEROS DE FUNCIÓN
Éter
Alcohol
H3CCCH3CH3OHH3CCHCH3OCH3H3CCHCHHOH3CCCH3O
Cetona
Aldehído
C3H6O
Ácido
α-hidroxialdehído
H3CCHCOHHOH3CCHCHOHO
C3H6O2
C4H10O

18. ESTEREOISOMERÍA

19. Carbono Asimétrico
En el espacio tri-dimensional (3D), los cuatro enlaces covalentes del átomo de carbono se dirigen hacia los cuatro vértices de un tetraedro regular.
La molécula representada a la derecha es el metano (CH4).
Siempre que un átomo de carbono tenga sus cuatro enlaces covalentes sustituidos por cuatro estructuras diferentes, se dice que es asimétrico y se originan dos tipos diferentes de moléculas.

20. Ejemplo: Alanina
Enlazados covalentemente a su α-carbono se encuentran:
–
Un grupo carboxilo (COO-)
–
Un grupo amino (NH3+)
–
Un grupo metilo (CH3) (que forma su cadena lateral R)
–
Un átomo de Hidrógeno
Si se orienta la molécula de modo que se pueda mirar a lo largo del grupo COO- hacia el grupo NH3+, el grupo metilo (cadena lateral R) puede orientarse:
–
hacia la izquierda formando la L-alanina
–
hacia la derecha formando la D-alanina
Aunque ambas formas tienen la misma fórmula estructural, en realidad no son más intercambiables que un guante para la mano izquierda y un guante para la mano derecha.

21. Cada una de estas estructuras se denominan isómeros ópticos, enantiómeros o bien estereoisómeros y son ópticamente activas (pueden rotar el plano de la luz polarizada en diferente dirección dependiendo del estereoisómero que se trate).

22. D- y L-Aminoácidos
19 de los 20 aminoácidos utilizados en la síntesis de las proteínas pueden existir como L- or D- enantiomorfos. (La excepción es la glicina, que no posee ningún carbón asimètrico).
Aunque algunos D aminoácidos pueden ser utilizados para otros propósitos, exlusivamente las formas L- de los aminoácidos son utilizadas para la síntesis de proteínas en todas las formas de vida conocidas
La forma tridimensional de los aminoácidos es realmente importante porque la función de las proteínas esta determinada por su forma tridimensional.
Una proteína con un D-aminoácido, en vez de uno de la forma L-, tendría su cadena lateral (R) proyectada en una dirección anómala y modificaría drásticamente la forma de la proteína.

23. La enantiomería sólo se presentan en los compues- tos cuyas moléculas son quirales. Se define como molécula quiral aquélla que no puede superponerse a su reflexión especular. La palabra quiral proviene del griego cheir, que signi- fica "mano". Se dice que los objetos quirales (inclu- yendo las moléculas) se parecen a las "manos“ por- que son una respecto a la otra como una imagen en un espejo y no pueden ser superponibles, ni intercon- vertibles por la rotación de ningúna de ellas

24. TIPOS DE ESTEREOISOMERÍA
ESTEREOISÓMEROS COFORMACIONALES
NOMENCLATURA DE ESTEREOISÓMEROS
ESTEREOISÓMEROS CONFIGURACIONALES

25. ESTEREOISÓMEROS
- ESTEREOISÓMEROS CONFORMACIONALES - ESTEREOISÓMEROS CONFIGURACIONALES
- ESTEREOISÓMEROS QUIRALES - ESTEREOISÓMEROS NO QUIRALES
- ENANTIÓMEROS - DIASTEREOISÓMEROS

26. - ESTEREOISÓMEROS CONFORMACIONALES - ESTEREOISÓMEROS CONFIGURACIONALES
Los estereoisómeros conformacionales de un compuesto reciben el nombre de CONFÓRMEROS de ese compuesto. La transformación de unos en otros consiste en giros de grupos en el espacio alrededor de enlaces sencillos. A temperatura ambiente se interconvierten tan rápidamente que resulta imposible mantenerlos aislados por separado. POR ESTA RAZÓN SON ESTEREOISÓMEROS NO AISLABLES POR SEPARADO A TEMPERATURA AMBIENTE O PRÓXIMA A ELLA

27. En la mayor parte de los casos para transformar uno en otro es necesario romper y formar enlaces, no basta con realizar giros alrededor de enlaces sencillos.
La barrera energética que se requiere superar para la inter- conversión de estereoisómeros configuracionales es grande
Por lo tanto, SON ESTEREOISÓMEROS QUE PUEDEN SER AISLADOS UNOS DE OTROS A TEMPERATURA AMBIENTE O PRÓXIMA A ELLA
- ESTEREOISÓMEROS CONFORMACIONALES - ESTEREOISÓMEROS CONFIGURACIONALES

28. MOLÉCULAS QUIRALES

Se dice que una molécula es quiral si puede escribirse de dos formas que sean una la imagen especular de la otra.

Una clase muy importante de moléculas quirales son aquellas que tienen uno o varios carbonos con cuatro sustituyentes diferentes. A esos carbonos se les denomina carbonos asimétricos o, más modernamente, centros quirales, centros estereogénicos o estereocentros.
Estas dos estructuras reciben el nombre de enantiómeros ya que ni son superponibles, ni interconvertibles por la rotación de ningúno de sus enlaces: puede verse que una es la imagen especular de la otra.

29. Estereoisomería Gliceraldehído
GLICERALDEHÍDO
D(+)
L(-)

30. ENANTIÓMEROS Y MOLÉCULAS QUIRALES

33. Proyecciones de Fischer

Fischer ideó una forma sencilla de representar los estereocentros de una molécula.

Las proyecciones de Fischer son generadas siempre de la misma forma: la molécula se orienta de manera que los enlaces verticales del centro estereogénico se alejan de nosotros y los enlaces horizontales se acercan a nosotros. La proyección de los enlaces en el papel es una cruz. El carbono estereogénico se encuentra en el centro de la cruz y cada uno de los sustituyentes en los extremos.

Es costumbre orientar las moléculas que tienen varios carbonos de manera que la cadena carbonada sea vertical.

34. Rotación Específica de la Luz Polarizada

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.
donde [α] = rotación específica
α = rotación observada
c = concentración de la solución en gramos por centímetro
l = longitud del tubo en decímetros (1 dm = 10 cm)
La rotación especifica también depende de la temperatura (t) y de la longitudde onda (D) de la luz que se utiliza y estos datos deben especificarse .

35. Dextrógiros y Levógiros

La rotación específica es una propiedad física tan característica como el punto de ebullición de una sustancia y se puede consultar para un gran numero de sustancias en textos de referencia.

Los enantiómeros giran el plano de polarización en magnitudes exactamente iguales pero en direcciones opuestas.

Se llaman compuestos Dextrorrotatorios o mejor Dextrógiros, indicados como (+), aquellos que producen la rotación del plano a la derecha. Levorrotatorios o Levógiros, indicados como (-), aquellos que inducen la rotación del plano a la izquierda.

36. Mezcla Racémica

La mezcla 1:1 de los enantiómeros (+) y (-) de una molécula quiral no desvía la luz polarizada y se denomina mezcla racémica o racemato.

Se denomina racemización cualquier proceso químico que permita la interconversión de enantiómeros

Sin embargo, una mezcla que contiene un exceso de alguno de los dos enantiómeros, producirá una rotación del plano de polarización característica del enantiómero que está en exceso y directamente proporcional al exceso de su concentración.

37. EL POLARÍMETRO

El dispositivo que se utiliza para medir el efecto de los compuestos ópticamente activos sobre la luz polarizada es un POLARíMETRO. En la siguiente figura se muestra el diagrama de un polarímetro. Las partes fundamentales de la operación de un polarímetro son:

1) una fuente de luz (usualmente una lámpara de sodio)

2) un polarizador

3) un tubo para mantener la substancia (o solución) ópticamente activa en el rayo luminoso

4) un analizador

5) una escala para medir el número de grados que el plano de la luz polarizada ha girado.

40. Varios Estereocentros

Una misma molécula puede contener varios estereocentros.

El que los diferentes estereocentros tengan una configuración u otra da lugar a diferentes compuestos cuyas propiedades químicas, físicas y fisiológi-cas pueden ser muy diferentes.

Un ejemplo excelente lo tenemos en las aldo- hexosas, hidratos de carbono o azúcares de seis átomos de carbono.

41. En carbohidratos

La fórmula general de las aldohexosas es
C6H12O6: HOCH2-CHOH-CHOH-CHOH-CHOH-CHO

Poseen pues cuatro estereocentros (en rojo).

Dependiendo de la configuración de los cuatro estereocentros tenemos ocho diastereómeros.

Estos diastereómeros son compuestos clara- mente diferentes con propiedades y nombres comunes distintos:

43. Enantiómeros

Las aldohexosas mencionadas tienen cuatro estereocentros.

Una molécula con n estereocentros tiene un máximo de 24 estereoisómeros, es decir 16.

¿Cuáles son los otros ocho que faltan? Los enantiómeros de cada uno de ellos.

Los estereoisómeros que se relacionan entre sí como objeto e imagen especular se denominan enantiómeros.

Los estereoisómeros que no se relacionan entre sí como objeto e imagen especular se denominan diastereómeros o diastereoisómeros.

44. En química, un epímero es un estereoisómero de otro compuesto que tiene una configuración diferente en uno solo de sus centros estereogénicos.

45. Cuando se incorpora un epímero a una estructura en anillo, es llamado Anómero

46. DIASTEREOISÓMEROS

Los diastereoisómeros o diastereómeros son una clase de estereoisómeros tales, que no son superponibles pero tampoco son imagen especular uno del otro, es decir, no son enantiómeros.

Dentro del grupo de los diasterómeros se encuentran los isómeros cis-trans (que ya vimos) (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. Casos típicos de este hecho son los azúcares.

47. DIASTEREÓMEROS
Los estereoisómeros que no son imágenes especulares entre sí se denominan diastereómeros.
La presencia de dos centros quirales puede conducir a la existencia de hasta cuatro estereoisómeros. Para compuestos que contienen tres de ellos, podría haber hasta ocho estereoisómeros: para los que contienen cuatro, hasta dieciseis, y así sucesivamente. El numero máximo de estereoisómeros que pueden existir es igual a 2n, en donde n corresponde al número de centros quirales.
Debemos aprender a reconocer cuántos estereoisómeros pueden existir para compuestos cuyas moléculas contienen más de un centro quiral. Son estereoisómeros pero no enantiómeros.

48. Propiedades de los diastereómeros

Los diastereómeros tienen propiedades químicas similares puesto que son miembros de la misma familia; sin embargo, no son idénticas. En la relación de dos diastereómeros con una sustancia determinada, ninguno de los dos conjuntos reaccionantes ni de los estados de transición son imágenes especulares, por lo que –salvo por pura coincidencia- no serán de energías iguales. Las Energías de activación serán diferentes como también la rapidez de reacción.

Los diasterómeros tienen diferentes propiedades físicas: distintos puntos de fusión y de ebullición, solubilidades en un solvente determinado, indices de refracción, etc. También difieren en la rotación específica: pueden tener igual o diferente signo de rotacion y algunos pueden ser inactivos.

Como consecuencia de sus diferencias en puntos de ebullición y solubilidades, al menos en principio, pueden separarse por destilación o cristalización fraccionadas; igualmente, debido a diferencias en forma molecular y polaridad, difieren en adsorción, por lo que pueden separarse por cromatografía.

49. Tutorial de estereoquímica
CONFIGURACIONES ABSOLUTAS
Los enantiómeros pueden distinguirse a través de su capacidad de girar el plano de la luz polarizada, nombrándose como dextrógiros o levógiros según desvíen el plano de la luz polarizada hacia la derecha o hacia la izquierda, respectivamente.
Sin embargo este dato no da información acerca de la disposición relativa de los grupos. Para este fin se utilizan las reglas secuenciales de Cahn, Ingold y Prelog que permiten determinar la configuración de un centro quiral de forma absoluta

50. Notación De Cahn-Ingold-Prelog R/S
Las reglas de Cahn-Ingold-Prelog se utilizan para establecer la configuración absoluta, de tipo R/S, de los enantiómeros.
1.
Identifique los centros estereogénicos (comúnmente un C con hibridización SP3 unido covalentemente a 4 grupos diferentes).
2.
Asigne una prioridad a cada grupo (pueden utilizarse los números 1 al 4, o letras sucesivas A, B, C, D) indicando con el número más bajo (la primera letra) el grupo con mayor número atómico y en orden decreciente a los demás grupos unidos al centro estereogénico

51. Notación De Cahn-Ingold-Prelog R/S
3. Coloque el grupo de prioridad más baja lejos de usted como si mirara hacia él a lo largo del enlace que lo une al carbono. Si está usted utilizando modelos, tome en su mano al grupo de menor prioridad.
4. Para los otros 3 grupos, determine la dirección del giro para numerar de la prioridad más alta a la prioridad más baja (de 1 a 3, o bien A, B, C).
5. Si el giro es a la derecha, en el sentido de las manecillas del reloj, el centro es R (latín: rectus = derecho).
6. Si el giro es al contrario, entonces es S (latín: siniestro = izquierdo)

52. Notación De Cahn-Ingold-Prelog R/S

Veamos un ejemplo la molécula Br Cl I Metano
En este ejemplo el centro estereo- génico es fácil de identificar (gris), y los cuatro grupos unidos son Br (púrpura), Cl (verde), F (café) e H (blanco), enumerados en el orden de prioridad, de la más alta a la más baja, dependiendo de su número atómico: Br > Cl > F > H.

53. Notación De Cahn-Ingold-Prelog

A continuación se sitúa la molécula de manera que los sustituyentes de mayor prioridad queden hacia el observador y el de menor prioridad, en este caso el hidrógeno, hacia la parte posterior

54. Notación De Cahn-Ingold-Prelog

Si para ir del grupo de mayor prioridad hasta el de menor prioridad, a través del de prioridad intermedia, hacemos un recorrido en el sentido de las agujas del reloj decimos que el centro tiene configuración R (rectus) y si en sentido contrario S (sinister).

55. Notación De Cahn-Ingold-Prelog
Se deja el grupo de prioridad menor (d) hacia atrás y se observa el sentido de giro para ir desde el grupo de mayor prioridad (a) hacia el de menor (c) de los tres que quedan. Si el sentido es el de las agujas del reloj, la configuración es R (rectus). Al contrario es S (sinister).

56. R/S en la Proyección de Fischer

57. Estereoisomería geométrica debida al doble enlace

Supongamos un doble enlace C=C, disustituido, siendo ambos sustituyentes idénticos. Si los dos sustituyentes están del mismo lado el compuesto es CIS. Si están en distinto lado es 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.
El doble enlace C=C no permite el giro cuyo eje sea dicho enlace.

58. Estereoisomería geométrica debida al doble enlace

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:
–
1. 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.
–
2. 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.
–
3. Si los átomos de mayor prioridad están del mismo lado el compuesto es Z. Si están del lado contrario el compuesto es E.

59. Son isómeros
Clasificación de las relaciones entre moléculas
¿Tienen la misma fórmula molecular?
ó
¿Son iguales sus pesos moleculares
y sus composiciones elementales?
SI
NO
No son isómeros
Son la misma molécula
¿Son superponibles?
SI
NO
Son isómeros
estructurales
¿Difieren únicamente en el arreglo de sus átomos en el espacio?
NO
SI
Son estereoisómeros
Son estereoisómeros
configuracionales
Son estereoisómeros conformacionales
SI
¿Son aislables a temperatura
ambiente o próxima a ella?
NO
SI
¿Es uno de ellos superponible con la imagen en el espejo del otro?
NO
Son enantiómeros
Son quirales
¿Son superponibles con sus respectivas imágenes en el espejo?
SI
NO
Son aquirales
Son diasteroisómeros