Hispanopedia WikiEn química , un isómero estructural (o isómero constitucional en la nomenclatura IUPAC [ 1 ] ) de un compuesto es un compuesto que contiene el mismo número y tipo de átomos, pero con una conectividad diferente (es decir, una disposición distinta de los enlaces ) entre ellos. [ 2 ] [ 3 ] El término metámero se utilizaba anteriormente para el mismo concepto. [ 4 ]
Por ejemplo, el butanol H 3 C−(CH 2 ) 3 −OH , el metil propil éter H 3 C−(CH 2 ) 2 −O−CH 3 , y el dietil éter (H 3 CCH 2 −) 2 O tienen la misma fórmula molecular C 4 H 10 O pero son tres isómeros estructurales distintos.
El concepto también se aplica a iones poliatómicos con la misma carga total. Un ejemplo clásico es el ion cianato O=C=N − y el ion fulminato C − ≡N + −O − . También se extiende a compuestos iónicos, de modo que (por ejemplo) el cianato de amonio [ NH 4 ] + [ O=C=N] − y la urea (H 2 N−) 2 C=O se consideran isómeros estructurales, [ 4 ] y también lo son el formiato de metilamonio [ H 3 C−NH 3 ] + [ HCO 2 ] − y el acetato de amonio [ NH 4 ] + [ H 3 C−CO 2 ] − .
La isomería estructural es el tipo más radical de isomería . Se opone a la estereoisomería , en la que los átomos y el esquema de enlace son los mismos, pero solo difiere la disposición espacial relativa de los átomos. [ 5 ] [ 6 ] Ejemplos de esto último son los enantiómeros , cuyas moléculas son imágenes especulares una de la otra, y las versiones cis y trans del 2-buteno .
Entre los isómeros estructurales, se pueden distinguir varias clases, incluyendo isómeros esqueléticos , isómeros posicionales (o regioisómeros ), isómeros funcionales , tautómeros , [ 7 ] e isótopos estructurales . [ 8 ]
isomería esquelética
Un isómero esquelético de un compuesto es un isómero estructural que se diferencia de este en los átomos y enlaces que conforman el "esqueleto" de la molécula. En el caso de los compuestos orgánicos , como los alcanos , esto generalmente se refiere a los átomos de carbono y los enlaces entre ellos.
Por ejemplo, existen tres isómeros esqueléticos del pentano : n -pentano (a menudo llamado simplemente "pentano"), isopentano (2-metilbutano) y neopentano (dimetilpropano). [ 9 ]
Si el esqueleto es acíclico , como en el ejemplo anterior, se puede utilizar el término isomería de cadena .
isomería de posición (regioisomería)
Los isómeros de posición (también isómeros posicionales o regioisómeros ) son isómeros estructurales que pueden considerarse diferentes únicamente en la posición de un grupo funcional , sustituyente o alguna otra característica en la misma estructura "padre". [ 10 ]
Por ejemplo, al reemplazar uno de los 12 átomos de hidrógeno –H por un grupo hidroxilo –OH en la molécula madre de n -pentano se pueden obtener tres isómeros de posición diferentes:
Otro ejemplo de regioisómeros son los ácidos α-linolénico y γ-linolénico , ambos ácidos octadecatrienoicos , cada uno de los cuales tiene tres enlaces dobles, pero en diferentes posiciones a lo largo de la cadena.
isomería funcional
Los isómeros funcionales son isómeros estructurales que tienen diferentes grupos funcionales , lo que da como resultado propiedades químicas y físicas significativamente diferentes. [ 11 ]
Un ejemplo es el par propanal H 3 C–CH 2 –C(=O)-H y acetona H 3 C–C(=O)–CH 3 : el primero tiene un grupo funcional –C(=O)H, lo que lo convierte en un aldehído , mientras que el segundo tiene un grupo C–C(=O)–C, lo que lo convierte en una cetona .
Otro ejemplo es el par etanol H₃C –CH₂ – OH (un alcohol ) y dimetil éter H₃C –O–CH₂H ( un éter ). En cambio, el 1-propanol y el 2-propanol son isómeros estructurales, pero no isómeros funcionales, ya que comparten el mismo grupo funcional significativo (el hidroxilo –OH) y ambos son alcoholes.
Además de las diferencias químicas, los isómeros funcionales suelen tener espectros infrarrojos muy distintos . El espectro infrarrojo está determinado en gran medida por los modos de vibración de la molécula, y los grupos funcionales como el hidroxilo y los ésteres presentan modos de vibración muy diferentes. Por lo tanto, el 1-propanol y el 2-propanol tienen espectros infrarrojos relativamente similares debido al grupo hidroxilo, que difieren considerablemente del del metil etil éter.
Isótopos estructurales
En química, normalmente se ignoran las distinciones entre isótopos de un mismo elemento. Sin embargo, en algunas situaciones (por ejemplo, en espectroscopia Raman , RMN o de microondas ) se pueden considerar diferentes isótopos de un mismo elemento como elementos distintos. En este último caso, se dice que dos moléculas con el mismo número de átomos de cada isótopo, pero con esquemas de enlace diferentes, son isótopos estructurales .
Así, por ejemplo, el eteno no tendría isómeros estructurales bajo la primera interpretación; pero al reemplazar dos de los átomos de hidrógeno ( ¹H ) por átomos de deuterio ( ²H ) se pueden obtener dos isótopos estructurales (1,1-dideuteroeteno y 1,2-dideuteroeteno), si ambos átomos de carbono son del mismo isótopo. Si, además, los dos carbonos son isótopos diferentes (por ejemplo, ¹²C y ¹³C ), habría tres isótopos estructurales distintos, ya que el 1,1 - dideuteroeteno- ¹³C sería diferente del 2,2-dideuteroeteno-¹³C. Y, en ambos casos, el isótopo estructural 1,2-dideutero se presentaría como dos estereoisótopos, cis y trans .
Equivalencia estructural y simetría
Equivalencia estructural
Dos moléculas (incluidos los iones poliatómicos) A y B tienen la misma estructura si cada átomo de A puede emparejarse con un átomo de B del mismo elemento, de forma uno a uno, de modo que por cada enlace en A exista un enlace en B, del mismo tipo, entre átomos correspondientes; y viceversa. [ 3 ] Este requisito también se aplica a los enlaces complejos que involucran tres o más átomos, como el enlace deslocalizado en la molécula de benceno y otros compuestos aromáticos.
Dependiendo del contexto, puede ser necesario que cada átomo se empareje con un átomo del mismo isótopo, no solo del mismo elemento.
Se puede decir que dos moléculas son isómeros estructurales (o, si los isótopos importan, isótopos estructurales) si tienen la misma fórmula molecular pero no la misma estructura.
Simetría estructural y átomos equivalentes
La simetría estructural de una molécula se puede definir matemáticamente como una permutación de los átomos que intercambia al menos dos átomos, pero sin alterar la estructura molecular. Se puede decir entonces que dos átomos son estructuralmente equivalentes si existe una simetría estructural que los transforma en el otro. [ 12 ]
Así, por ejemplo, los cuatro átomos de hidrógeno del metano son estructuralmente equivalentes, porque cualquier permutación de ellos conservará todos los enlaces de la molécula.
Asimismo, los seis hidrógenos del etano ( C2 H6 ) son estructuralmente equivalentes entre sí, al igual que los dos carbonos; porque cualquier hidrógeno puede intercambiarse con cualquier otro, ya sea mediante una permutación que intercambie solo esos dos átomos, o mediante una permutación que intercambie los dos carbonos y cada hidrógeno en un grupo metilo con un hidrógeno diferente en el otro metilo. Cualquiera de las dos operaciones conserva la estructura de la molécula. Ese es también el caso de los átomos de hidrógeno enciclopentano,aleno,2-butino,hexametilentetramina,prismano,cubano,dodecahedrano, etc.
Por otro lado, los átomos de hidrógeno del propano no son todos estructuralmente equivalentes. Los seis hidrógenos unidos al primer y tercer carbono son equivalentes, como en el etano, y los dos unidos al carbono central son equivalentes entre sí; pero no hay equivalencia entre estas dos clases de equivalencia .
Simetría e isomería posicional
Las equivalencias estructurales entre los átomos de una molécula madre reducen el número de isómeros de posición que se pueden obtener al reemplazar esos átomos por un elemento o grupo diferente. Así, por ejemplo, la equivalencia estructural entre los seis hidrógenos del etano C2 H6 significa que solo hay un isómero estructural deletanolC2 H5 OH, no 6. Los ocho hidrógenos delpropanoC3 HLos 8 se dividen en dos clases de equivalencia estructural (los seis en los grupos metilo y los dos en el carbono central); por lo tanto, solo hay dos isómeros de posición del propanol (1-propanoly2-propanol). Del mismo modo, solo hay dos isómeros de posición delbutanoly tres delpentanolohexanol.
Ruptura de simetría por sustituciones
Una vez que se realiza una sustitución en una molécula original, su simetría estructural generalmente se reduce, lo que significa que los átomos que antes eran equivalentes pueden dejar de serlo. Por lo tanto, la sustitución de dos o más átomos equivalentes por el mismo elemento puede generar más de un isómero de posición.
El ejemplo clásico son los derivados del benceno . Sus seis hidrógenos son estructuralmente equivalentes, al igual que los seis carbonos; porque la estructura no cambia si los átomos se permutan de maneras que corresponden a voltear la molécula o rotarla en múltiplos de 60 grados. Por lo tanto, reemplazar cualquier hidrógeno por cloro produce solo un clorobenceno . Sin embargo, con ese reemplazo, las permutaciones atómicas que movieron ese hidrógeno ya no son válidas. Solo queda una permutación, que corresponde a voltear la molécula manteniendo el cloro fijo. Los cinco hidrógenos restantes se dividen entonces en tres clases de equivalencia diferentes: el opuesto al cloro es una clase aparte (llamada posición para ), los dos más cercanos al cloro forman otra clase ( orto ), y los dos restantes son la tercera clase ( meta ). Así, una segunda sustitución de hidrógeno por cloro puede producir tres isómeros de posición: 1,2- u orto- , 1,3- o meta- , y 1,4- o para -diclorobenceno .
Por la misma razón, solo hay un fenol (hidroxibenceno), pero tres bencenodioles ; y un tolueno (metilbenceno), pero tres toluoles y tres xilenos .
Por otro lado, la segunda sustitución (por el mismo sustituyente) puede preservar o incluso aumentar la simetría de la molécula y, por lo tanto, puede preservar o reducir el número de clases de equivalencia para la siguiente sustitución. Así, los cuatro hidrógenos restantes en el meta -diclorobenceno siguen perteneciendo a tres clases, mientras que los del orto- pertenecieron a dos, y los del para- volvieron a ser todos equivalentes. Sin embargo, algunas de estas 3 + 2 + 1 = 6 sustituciones terminan produciendo la misma estructura, por lo que solo hay tres triclorobencenos estructuralmente distintos : 1,2,3- , 1,2,4- y 1,3,5- .
Si los sustituyentes en cada paso son diferentes, generalmente habrá más isómeros estructurales. El xilenol , que es benceno con un sustituyente hidroxilo y dos sustituyentes metilo, tiene un total de 6 isómeros:
Enumeración y conteo de isómeros
Enumerar o contar isómeros estructurales en general es un problema difícil, ya que hay que tener en cuenta varios tipos de enlaces (incluidos los deslocalizados), estructuras cíclicas, estructuras que no pueden realizarse debido a restricciones geométricas o de valencia, y tautómeros no separables.
Por ejemplo, existen nueve isómeros estructurales con fórmula molecular C₃H₆O que presentan diferentes conectividades de enlace. Siete de ellos son estables al aire a temperatura ambiente , y se muestran en la tabla a continuación.
Dos isómeros estructurales son los tautómeros enólicos de los isómeros carbonílicos (propionaldehído y acetona), pero estos no son estables. [ 13 ]
Véase también
Referencias
- ↑ "Isomería constitucional" . Libro de Oro de la IUPAC . IUPAC. 2014. doi : 10.1351/goldbook.C01285 . Consultado el 19 de julio de 2018 .
- ↑ Frederick A. Bettelheim, William H. Brown, Mary K. Campbell, Shawn O. Farrell (2009): Introducción a la química orgánica y bioquímica . 752 páginas. ISBN 9780495391166
- 1 2 Peter P. Mumba (2018): Principios útiles de química para estudiantes de agricultura y enfermería , 2.ª edición. 281 páginas. ISBN 9781618965288
- 1 2 William F. Bynum, E. Janet Browne, Roy Porter (2014): Diccionario de la historia de la ciencia . página 218. ISBN 9781400853410
- ↑ Jim Clark (2000). "Isomería estructural" en Chemguide , nl
- ↑ Poppe, Laszlo; Nagy, Jozsef; Hornyanszky, Gabor; Boros, Zoltan; Mihaly, Nogradi (2016). Estereoquímica y síntesis estereoselectiva: una introducción . Weinheim, Alemania: Wiley-VCH. pp. 26–27 . ISBN 978-3-527-33901-3.
- ↑ D. Brynn Hibbert, AM James (1987): Diccionario Macmillan de Química . página 263. ISBN 9781349188178
- ↑ "Isótopo". Compendio de terminología química de la IUPAC (3.ª ed.). 2006. doi : 10.1351/goldbook.I03352 . Versión en línea 3.0.1 2019.
- ↑ Zdenek Slanina (1986): Teoría contemporánea de la isomería química . 254 páginas. ISBN 9789027717078
- ↑ H. Stephen Stoker (2015): Química general, orgánica y biológica , 7.ª edición. 1232 páginas. ISBN 9781305686182
- ↑ Barry G. Hinwood (1997): Un libro de texto de ciencia para las profesiones de la salud . 489 páginas. ISBN 9780748733774
- ↑ Jean-Loup Faulon, Andreas Bender (2010): Manual de algoritmos de quimioinformática . 454 páginas. ISBN 9781420082999
- ↑ Manual CRC de Química y Física, 65.ª ed.
- isomerismo
