apuntes tema orgánica parte 2...

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QUIMICA ORGÁNICA Página 1

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 (isómería de cadena) o por la conectividad de las funciones (isomería de

posición) o bien por poseer funciones diferentes (isomería de función); 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

Metilpropano

Dimetilpropano

Metilbutano n-pentano

o-Dimetilbenceno m-Dimetilbenceno

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; 2-

Butanol.

1-Bromopropano 2-Bromopropano

2-Butanona 3-Butanona

1-butanol CH3CH2CH2CH2OH 2-butanol CH3CH2CHOHCH3

H3C C

CH3

CH3

CH3

H3C C

H

C

H

H

C

H

CH3

H

H

H3C C

CH3

C CH3

H H

H

CH3

CH3

CH3

CH3

H3C C

H

CH2Br

H

H3C C

H

CH3

Br

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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.

2-Hidroxi-2-metilpropano

Propanal

2-Hidroxipropanal

Ácido propanoico Isopropilmetileter

Propanona 1-Hidroxipropanol Etilmetileter

CH3COCH3

ESTEREOQUIMICA: 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.

H3C C

H

C

H

H

O

H3C C

H

C

OH

H

O

H3C C

H

C

H

OH

O H3C C

H

CH3

OCH3

H3C C

CH3

CH3

OH

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Estereoisomero quiral Es aquel estereoisómero que no es superponible con su imagen en

el espejo. La molécula de un esteroisómero quiral 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 con 3 sustituyentes diferentes, los complejos octaédricos convenientemente

sustituidos presentan centro quiral.

• Sin centro quiral pero con eje quiral (planos disimétricos perpendiculares)…

• Con dos o más centros quirales

• Sin centro quiral pero con plano quiral (compuestos sándwich)

•

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C tetraédrico quiral

N trigonal quiral

Moléculas quirales (no superponibles)

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 no es ópticamente activa y, por tanto, es incapaz de desviar el plano de la luz

polarizada.

En resumen: Cuando hay más de un carbono asimétrico (como en la mayoría de los azúcares)

aumentan las posibilidades de isomería. El número de estereoisómeros posibles es 2n (siendo n el

número de carbonos asimétricos) y, de entre todos estos estereoisómeros ópticos, aquellos que

sean imágenes especulares entre sí reciben el nombre de enantiomorfos, enantiómeros o

isómeros quirales. Pero puede ocurrir que dos isómeros ópticos no sean imágenes especulares

entre sí. Son los llamados diastereoisómeros.

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 meso

En las estructuras anteriores (Ácido 2,3,dihidroxibutanodioco) los C-2 y C-3 son asimétricos,

pero las moléculas son aquirales porque poseen un plano de simetría en la propia molécula.

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(Puedes comprobar que por rotación de 180º de la 2ª molécula según un eje perpendicular al plano

del papel obtienes la 1ª; son, por tanto, la misma estructura, no son estereoisómeros)

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.

Confórmeros del ciclobutano

Confórmeros del ciclohexano

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: Son estereoisómeros porque difieren únicamente en la

disposición espacial de los grupos, en concreto 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, recuerda que, debido a la hibridación de los

átomos de C que participan en el doble enlace la estructura es plana (3 orbitales híbridos sp2

dirigidos hacia los vértices de un triángulo equilátero). Recuerda que el doble enlace consiste en

un enlace sigma, σ, más un enlace π, éste último se halla en un plano perpendicular al

plano definido por el enlace σ e impide la rotación libre de la molécula en torno al

enlace doble que une C=C. Además, para que se produzca este tipo de isomería, cada uno de

los C que soportan el doble enlace tienen que tener 2 sustituyentes diferentes.

Ejemplos aclaratorios: HClC=CHCl ; HClC=CBrH; sí presentan isomería geométrica

H2C=CHCl; H2C=CH2 no presentan isomería geométrica

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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. 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

Cis-1,2-dimetilciclopentano

Trans-1,2-dimetilciclpopentano

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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 que contiene al esqueleto carbonado 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.

Isómeros Cis y Trans del 1,3-dimetilciclobutano

ISOMERÍA ÓPTICA: La isomería óptica (estereoisomería óptica) es la isomería que

presentan aquellos compuestos orgánicos que se diferencian únicamente en el efecto que tienen

sobre el plano de polarización de la luz polarizada, lo desvían hacia la izquierda, (isómeros

ópticos levógiros), (-), y se identifica con la letra S; o hacia la derecha (isómeros ópticos

dextrógiros), (+), y se identifica con la letra R; decimos en estos casos que son compuestos

ópticamente activos. Las moléculas de los compuestos ópticamente activos son moléculas

quirales. Existen varias causas de quiralidad en las moléculas, la que nos interesa es la

producida por la presencia de C quirales (un C*, asimétrico, o más de uno). Para que un C sea

quiral o asimétrico tiene que tener hibridación sp3 (C tetraédrico) y tener 4 sustituyentes

distintos.

Para una molécula con estas características siempre es posible encontrar otra, que es su imagen

especular, (imagen formada en el espejo), ambas son entre sí enantiomorfas o

enantioméricas o enantiómeras/os y no son superponibles.

Toda molécula no quiral, (sin actividad óptica) recibe el nombre de aquiral. Ahora bien, si

una molécula es aquiral puede deberse:

• no tiene átomos de C quirales

• aunque tiene átomos de C quirales posee un plano de simetría interno que la hace

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inactiva ópticamente, la misma molécula desvía el plano de la luz polarizada en

sentidos opuestos en igual magnitud).

Enantiómeros: Pareja de estereoisómeros configuracionales ópticamente activos, no

superponibles, que guardan entre sí una relación de imagen especular uno del otro. Dos

compuestos son entre sí enantiómeros si la imagen especular de uno no puede ser superpuesta

con la del otro, en otros términos: ellos no son superponibles. Dos enantiómeros desvían el plano

de la luz polarizada en la misma magnitud pero en sentidos opuestos.

Propiedades de los enantiómeros: Los enantiómeros tienen las mismas propiedades químicas y físicas, a excepción de su respuesta ante la luz polarizada (actividad óptica), de ahí al nombre de isómeros ópticos. Los enantiómeros se interconvierten a temperatura ambiente por efecto de sombrilla. 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.

La mezcla equimolecular de enantiómeros se denomina mezcla racémica o racemato. Una mezcla racémica no rota el plano de vibración de la luz polarizada. Las propiedades del racemato no son siempre las mismas que las de los enantiómeros por separado, depende del estado de agregación. Se denomina resolución del racemato a la separación de los componentes de un racémico

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- ,

dextrorrotatorio o dextrógiro 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—

levorrotatorio o levógiro y se nombra anteponiendo

al nombre del compuesto el signo (-) o también la

letra l minúscula.

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A B C D

A y B forman una pareja de enantiómeros; C y D forman otra pareja distinta

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Diastereoisómeros Son estereoisómeros configuracionales que no son imágenes especulares

entre si

Flechas horizontales: enantiómeros Flechas verticales y oblicuas: diastereoisómeros

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Propiedades 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.

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Resumiendo: 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, (alejándose del lector) y los otros dos en un plano horizontal y hacia delante, (acercándose al lector) (es fácil si te ayudas de los dedos índice y pulgar de cada mano); a continuación 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 los carbonos quirales C*-C*queden en línea.

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Nomenclatura de los estereoisómeros (R, S)

-

- Proyección de Newman Fischer

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¿Tienen los compuestos la misma fórmula molecular?

Isómeros

No IsómerosNO

SI

¿Tienen los compuestos la misma conectividad?NO SI

Estereoisómeros

¿Son interconvertibles por rotación en torno a enlaces simples C-C?

Configuracional

NOSI

¿Es producida por un doble enlace?SI

Óptica

¿Son los compuestos imágenes especulares no superponibles?

NO

NOSI

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