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• Danny Portilla

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ISOMERIA Analiza las formulas moleculares y estructurales de los siguientes compuestos químicos: COMPUESTO

FORMULA MOLECULAR

FORMULA ESTRUCTURAL H H H H

Compara la molécula de butano con la de 2metilpropano y la molécula de etanol con la de dimetil éter, qué observas?

BUTANO

C4H10

HC CC CH

Seguramente podrás afirmar que las formulas moleculares de las parejas de compuestos referidos son iguales, pero que las formulas estructurales son diferentes, por que en estas el ordenamiento de los átomos de los distintos elementos no es igual y por lo tanto, tienen diferentes propiedades químicas y físicas. Los compuestos que tienen estas características se los llama isómeros (isos: igual, meros: partes). En la siguiente tabla podemos ver algunas propiedades físicas:

H

H H H H H  C H H 2-METIL PROPANO

C4H10 HC  C  C H H H

ETANOL

C2H6O

C2H6O

H

H

H

HC COH H H

DIMETIL ETER

H

H H

HC OC  H H

H

COMPUESTO Butano 2metilpropano Etanol Dimetil eter

Teb. 0 -0,5 C

Tf 0 -135 C

0

-145 C

0

0

-11,7 C 78,4 C 0 -24 C

0

-112,3 C 0 -140 C

Densidad 0,6g/l 0,603g/l 0,78g/ml 1,617g/ml

Tabla No. 2

Tabla No. 1

Los compuestos orgánicos por su estructura, presentan diferentes tipos de isomería: POR RAMIFICACION

I S O M E R I A

ESTRUCTURAL

POR POSICION POR GRUPO FUNCIONAL GEOMETRICA

ESTEREOISOMERIA

CONFORMACIONAL OPTICA

CuadroNo. 1

ISOMERIA ESTRUCTURAL. Los isómeros estructurales se diferencian por el diferente ordenamiento de sus átomos en la molécula; puede ser por ramificación, por posición y por grupo funcional. Isomería por ramificación de la cadena es propia de alcanos (CnH2n+2); el número de isómeros depende en razon directa a la cantidad de carbonos del compuesto. En el ejemplo citado, el butano y el isobutano o 2metipropano son isómeros por ramificación. Tendrá el butano más isómeros por ramificación?... H H H H H H H H H H | | | | | | HC CC CCH H C  C  CCH H H-C–H H | | | | | | | | H H H H H HH–C–HH H H  C  C  C  H | | | | H H H–C–H H | Pentano Isopentano H Neopentano

2-metilbutano

2,2-dimetilpropano

Tendrá el pentano más isómeros por ramificación?... Isomería por posición se obtienen cuando en la molécula de hidrocarburo, los hidrógenos de posiciones no equivalentes se sustituyen por uno o mas átomos diferentes al C o al H. Por ejemplo, en el pentano, arriba escrito, podemos observar 3 hidrógenos no equivalentes, por lo tanto tendrá tres isómeros por posición, sí los sustituimos tenemos: H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H | | | | | | | | | | | | | | | | H C  C  C  C  C H; H  C  C  C  C  C  H; H  C  C  C  C  C  H; H  C  C  C  C  C  H | | | | | | | | | | | | | | | | H H H H H H H Cl H H H H H Cl H H H H H Cl n-pentano 3-cloropentano 2-cloro pentano cloropentano

En un compuesto aromático, por ejemplo en el benceno (C6H6), sabemos que en cada vertice de la fórmula etructural existe un carbono con un hidrógeno, al sustituir dos de los hidrógenos por sustituyentes identicos, tenemos:

H

NO2

NO2

NO2

NO2 NO2 Benceno

NO2

1,2- dinitrobenceno 1,3-dinitrobenceno 1,4 –dinitrobenceno Ortodinitrobenceno metadinitrobenceno paradinitrobenceno Analice cuantos isómeros se obtienen del benceno si tiene tres sustituyentes identicos.

Isomería por grupo funcional se presenta cuando compuestos orgánicos tienen grupos funcionales diferentes y sin embargo tienen formulas moleculares iguales. Ver ejemplo del etanol y eter dimetilico, del cuadro No. 1. Otro ejemplo: el compuesto con fórmula molecular C4H11N CH3 | CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – NH2 CH3 – CH2 – CH2 – NH – CH3 CH3 – CH2 – N – CH3 Butilamina (primaria) Metilpropilamina (secundaria) Dimetiletilamina (terciaria)

ESTEREOISOMERÍA Se presenta por el diferente ordenamiento de los átomos de las moléculas en el espacio. A estos isómeros se los denomina estereoisómeros. Isómería conformacional se presentan en alcanos y cicloalcanos, en los cuales existe un enlace sencillo tipo  3 (sigma) carbono-carbono, formado por orbitales híbridos sp alrededor del cual los grupos de átomos unidos por el pueden rotar. Por ejemplo, observemos las fórmulas estructurales desarrolladas del etano CH3 - CH3 H H H H | C H H C | H H H H H H H H H | | H H H H C C H H H H H Conformaciones Proyecciones de Newman Eclipsada Escalonada Eclipsada Escalonada Estos estereoisómeros ademas de diferenciarse en sus propiedades físicas y químicas se diferencian por su estabilidad; la forma eclipsada es menos estable que la escalanada, la interacción entre átomos es menor en la forma escalonada por cuanto la distancia entre ellos es mayor. En los cicloalcanos, los angulos entre orbitales híbridos de 109,5° se deforman debido alas tensiones angulares que se crean por la sercanía de átomos entre si. Por ejemplo el ciclohexano deberia ser plano con ángulos de 120°, sin embargo las tensiones angulares hacen que esos ángulos se deformen y se acerquen a 109,5° (Angulo tetraedrico), por que el hexagono se plega generando estereoisómeros: H H |-- H H H H H

H H

HH

H Ciclohexano

Conformaciones Silla

Bote

Isomería geométrica se presenta en los alquenos. Recordemos que en los alquenos entre carbono – carbono aparece un doble enlace por la hibridación sp de estos, un enlace  y otro  ; los orbitales híbridos se disponen en un plano formando ángulos de 120° entre si. La posición de átomos o grupo de átomos iguales en torno al doble enlace, genera dos tipos de estereoisómeros: los isómeros cis cuando estan a un mismo lado del doble enlace y los trans cuando se hallan en lados opuestos. Ejemplos 2

H3C

CH3

C

H3C

C

H

C H

C

H

Cis 2-buteno

CH3 Trans 2-buteno

HOOC

COOH

C

H

HOOC

C

H

C H

(Cis) ácido maleico

H

C

H

COOH (Trans) ácido fumárico

Isomería óptica se presenta en algunos compuestos cuando al ser atravesados por un rayo de luz polarizada, tienen la propiedad de hacer girar el plano en el que vibra la luz. A los compuestos que tiene esta propiedad, se los llama opticamente activos y son isómeros ópticos cuando al tener la misma fómula molecular uno de ellos hace girar el plano de luz polarizada a la derecha de su posición original y el otro a la iquierda, en un ánglo equivalente. La luz ordinaria o luz blanca esta formada por rayos de luz de diferente longitud de onda que vibran en todos los planos posibles perpendiculares a la dirección de su propagación. Con ayuda de filtros especiales se puede hacer pasar rayos con una misma longitud de onda y retener todos los demas. La luz de rayos de una misma longitud de onda se llama luz monocromática. La luz monocromática vibra en todos los planos posibles:

Representación de luz monocromática. Las flechas de dos cabezas representan todos los planos posibles de vibración de ondas.

Cristal polarizador

Ilustración de un solo plano de vibración: luz polarizada.

Si se hace pasar la luz monocromática a través de ciertos materiales, como el carbonato cálcico llamado también espato de Islandia (cristal de Nicol), que reflejan los rayos innecesarios y dejan pasar solo los rayos de luz que vibran en un solo plano, se obtiene luz polarizada. Un compuesto es ópticamente activo cuando en su molécula hay por lo menos un carbono tetraédrico asimétrico (carbono unido a cuatro átomos o grupos de átomos diferentes), que posibilita la formación de moléculas que son imágenes al espejo, por ejemplo, el ácido láctico tiene un carbono asimétrico: OH CH3 CH3 | CH3 - C - COOH C C | H OH HO H H

C

Carbono asimétrico

O ACIDO LACTICO

C OH

(1) Espejo Representación tetraédrica

HO

O (2)

Existen otros compuestos químicos que no tienen carbonos asimétricos y son ópticamente activos, como los alenos, espiranos y bifenilos. No son tema de nuestro estudio. Las representaciones (1) y (2) del ácido láctico, corresponden a los isómeros ópticos de esta sustancia; el isómero (2), es la imágen al espejo del isómero (1), no son superponibles. Las moléculas que son imágenes especulares no superponibles se llaman enantiómeros. Un enantiómero gira el plano de luz polarizada a la derecha(dextrógiro), el otro enantiómero gira el plano a la izquierda (dextrógiro). Usualmente se indican con los signos (+) y (-) respectivamente, colocados antes del nombre. Una mezcla equimolecular de dos enantiómeros, se llama mezcla racémica o racemato y es ópticamente inactiva; la separacion de la mezcla en los enantiómeros se llama resolución, lo contrario se denomina racemización. Como la representación tetraédrica es un poco compleja, se acostumbra a representar a los estereoisómeros ópticos con fórmulas de de proyección con lineas ordinarias: CH3 CH3 El compuesto 2-cloro-2COOH COOH | | butanol, presenta un | | Cl – C – OH HO – C – Cl carbono asimétrico o H – C – OH HO – C – H | | centro de giro, por lo tanto | | CH2 CH2 CH3 CH3 | | es ópticamente activo: CH3 CH3 (1) (2) (1) (2) Las estructuras (1) y (2) en los ejemplos anteriores, son estereoisómeros ópticos y como son imágenes especulares no superponibles, son enentiómeros. Cuando en la molécula hay dos carbonos asimétricos, el número de isómeros ópticos aumenta: CH3 CH3 CH3 CH3 Si observamos las estructuras de la izquierda, | | | | Cl – C – H H – C – CL H – C – Cl Cl – C – H vemos que no todas son imágenes especulares, | | | | (1) y (2), (3) y (4) son parejas de enantiómeros, HO – C – H H – C – OH HO – C – H H – C – OH | | | | las parejas (1) y (3), (1) y (4), (2) y (3), (2) y (4) se CHO CHO CHO CHO llaman diastereoisómeros o diasterómeros. (1) (2) (3) (4) Los diastereoisómeros, son estereoisómeros que no son enantiómeros; estos compuestos presentan diferentes propiedades físicas y químicas. Los enantiómeros difieren entre sí, en algunas propiedades físicas.

El número de isómeros ópticos de un compuesto con un carbono asimétrico es dos; si tiene dos carbonos asimétricos es cuatro, entonces cabe suponer que si el número de carbonos asimétricos es n, la cantidad de n isómeros ópticos del compuesto es 2 . Existen compuestos orgánicos que tienen dos carbonos asimétricos similares, los cuatro grupos sustituyentes son diferentes, pero éstos grupos son los mismos en cada carbono; veamos la siguiente molécula: COOH COOH COOH COOH |

H – C – OH |

HO – C – H |

COOH (1)

|

HO – C – H |

H – C – OH |

COOH (2)

|

HO – C – H |

HO – C – H |

COOH (3)

|

H – C – OH

Acido Tartárico

|

H – C – OH |

COOH (4)

Si observamos con atención las estructuras anteriores, podemos afirmar que (1) y (2) son estereoisómeros enantiómeros; sin embargo (3) y (4) a pesar de ser imágenes especulares, no son enantiómeros, ya que sus o imágenes son superponibles, si la estructura (3) la giramos en 180 es exactamente la misma estructura (4). A las estructuras (3) y (4) se las llama formas Meso, son estereisómeros opticamente inactivos y las estructuras (1) y (2) son sus isómeros opticamente activos. Las formas meso presentan un eje de simetría, en el ejemplo del ácido tartárico, se encuentra entre el segundo y tercer carbono; si doblamos la molécula por el eje de simetría, las dos partes de la molécula coinciden en todas sus partes.

ACTIVIDAD

1°. Escriba todos los posibles isómeros de cadena del nonano y nombre a cada uno de ellos. 2°. Para el n-nitroheptano, escriba todos los posibles isómeros de posición y nombre a cada uno de ellos. 3°. Cuantos isómeros de posición tiene el cloronaftaleno, escriba sus estructuras y nombrelas. 4°. Escriba los isómeros conformacionales para el 2,3-diclorobutano y para el 3,4-dinitrohexano. 5°. Escriba los isómeros geométricos para 2,3- dibromo-2-buteno y para CHO - C(CH3) = C(CH3) – CHO. 6°. Escriba los isómeros ópticos de CCCH – CHOH – CHCl – CHO, CH3 –CHOH – CHOH – CH3 y de CH3 – CHBr – COOH. Indique en elo los enentiómeros, los diastereoisómeros y las formas meso.

Profesor: Luis Antonio Vallejo.