Isomeria
La isomeria és una propietat d'aquells composts químics (en especial, les cadenes de carbono) que tenen la mateixa fòrmula molecular (fòrmula química no desenrollada) d'iguals proporcions relatives dels àtoms que conformen el seu molècula, pero presenten estructures químiques distintes i, per això, diferents propietats i configuració. Dits composts reben la denominació de isòmers. Per eixemple, el alcohol etílico o etanol i el éter dimetílico són isòmers la fòrmula molecular dels quals és C2H6O.
De fet, una de les primeres coses que un químic ha de fer quan vol resoldre l'estructura completa d'una nova espècie molecular és determinar els elements químics que formen part de la seua composició i la proporció relativa en la que es troben.[1]
Despuix deurà dilucidar el pes molecular de la nova substància química i, en totes estes senyes, calcular la fòrmula molecular, és dir, el número d'àtoms de cada element presents en la molècula principal de l'hidrocarbur.[2]
Aplegat a este punt, deuran centrar les investigacions en determinar la manera en la que els àtoms estan conectats entre sí en la molècula baix estudi i cóm estos àtoms s'ordenen en l'espai, moment en el qual entra en joc l'isomeria, ya que per lo general s'obriran numeroses possibilitats de substàncies en la mateixa fòrmula molecular, totes elles es coneixen pel nom genèric d'isòmers.[3]
Encara que este fenomen és molt freqüent en química orgànica, no és exclusiva d'esta puix també la presenten alguns composts inorgànics.
Història
[editar | editar còdic]L'isomeria es va observar per primera volta en 1827: Friedrich Wöhler va preparar cianato d'argent (AgOCN) i va notar que, a pesar de que la seua composició elemental era idèntica a la del fulminato d'argent (preparat per Justus von Liebig l'any anterior),[4] les seues propietats eren molt diferents. Esta troballa desafiava la comprensió química predominant de l'época, que sostenia que els composts químics podien ser diferents només quan tenien diferents composicions elementals. Despuix de més descobriments del mateix tipo, com el descobriment de 1828 de Wöhler de que la urea tenia la mateixa estructura atòmica que el químicament distint cianato d'amoni, Jöns Jakob Berzelius va introduir el terme isomerismo en 1830 per a descriure este fenomen.[5]
En 1848, Louis Pasteur va separar diminuts cristals d'àcit tartárico en les seues dos formes especulares.[6][7] Les molècules individuals de cada u eren els estereoisómeros òptics d'esquerra i dreta, les solucions de la qual feyen girar el pla de llum polarisada en un mateix grau, pero en direccions opostes.
Tipos d'isomeria
[editar | editar còdic]Existixen dos tipos bàsics d'isomeria: estructural i espacial.[8]
Isomeria constitucional o estructural
[editar | editar còdic]- Artícul principal → Isòmer estructural.
És una forma d'isomeria, a on els composts en la mateixa fòrmula molecular tenen una diferent distribució dels enllaços entre els seus àtoms, al contrari de lo que ocorre en la estereoisomería.
Per açò es poden presentar tres diferents modos d'isomeria:
- Isomeria de cadena / esquelet.- Els isòmers d'este tipo tenen components de la cadena acomodats en diferents llocs, és dir les cadenes carbonadas són diferents, presenten distint esquelet o estructura.
Un eixemple és el pentano, del com existixen varis isòmers, pero els més coneguts són el isopentano i el neopentano.
Archiu:Pentane isomers. caps block 19
- Isomeria de posició.- És la d'aquells composts en els que els seus grups funcionals estan units en diferents posicions.
Un eixemple simple d'este tipo d'isomeria és la del pentanol, a on existixen tres isòmers de posició: 1-pentanol, 2-pentanol i 3-pentanol.
- Isomeria de grup funcional.- Ací, la diferent conectivitat dels àtoms, pot generar diferents grups funcionals en la cadena. Un eixemple és el ciclohexano i l'1-hexeno, que tenen la mateixa fòrmula molecular (C6H12), pero el ciclohexano és un alcano cíclico o cicloalcano i l'1-hexeno és un alqueno.
Hi ha varis eixemples d'isomeria com la de ionisació, coordinació, enllaç, geometria i òptica.
Isomeria de cadena o ordenació
[editar | editar còdic]Varia la disposició dels àtoms de carbono en la cadena o esquelet carbonado, és dir l'estructura d'est, que pot aplegar a ser llineal o be tindre distintes ramificacions depén del seu llarc.
Per eixemple el C4H10 correspon tant al butà com al metilpropano (isobutano o terc-butà):
| Cadena llineal de 4 àtoms de C | Cadena ramificada |
|---|---|
| Butà n-butà |
Metilpropano iso-butà o terc-butà |
Per a la fòrmula C5H12, tenim tres possibles isòmers de cadena: pentano, metilbutano (isopentano) i dimetilpropano (neopentano). El número d'isòmers de cadena creix ràpidament en aumentar el número d'àtoms de carbono.
Isomeria de posició
[editar | editar còdic]La presenten aquells composts que posseïxen el mateix esquelet carbonado pero en els que el grup funcional ocupa diferent posició.
Per eixemple, la fòrmula molecular C4H10O pot correspondre a dos substàncies isómeras que es diferencien en la posició del grup OH: l'1-butanol.
| CH3-CH2-CH2-CH2OH | CH3-CH2-CHOH-CH3 |
|---|---|
| 1-butanol, butan-1-ol o n-butanol | 2-butanol, butan-2-ol o sec-butanol |
| Archiu:1-butanol.png | Archiu:2-butanol.png |
Este tipo d'isomeria resulta de la possibilitat de colocar grups funcionals, cadenes laterals en posicions estructuralment no equivalents. Supongam que substituïm un dels àtoms d'hidrogen del butà, CH3-CH2-CH2-CH3, per un grup hidroxilo. Numerant els carbono de la cadena del butà i realisant esta substitució en el carbono extrem (C1), obtenim un alcohol cridat butan-1-ol (1-butanol). Si substituïm un hidrogen de el C2 pel grup -OH, obtenim l'alcohol isòmer butan-2-ol (2-butanol), que diferix en la posició del grup hidroxilo. Observe's que, no obstant, si realisem la substitució en el C3, no obtenim un tercer isòmer, sino de nou el 2-butanol. Les dos representacions que s'indiquen per al 2-butanol són estructuralment idèntiques, com es pot vore girant la seua estructura 180° al voltant d'un eix.
Isomeria de compensació o per compensació
[editar | editar còdic]A voltes es diu isomeria de compensació o metamería la d'aquells composts en els quals una funció talla la cadena carbonada en porcions de llongituts diferents.[9]
Per eixemple dos metámeros de fòrmula molecular C4O2H8 són:
| HCOO-CH2-CH2-CH3 | CH3-COO-CH2-CH3 |
|---|---|
| Metanoato de propilo | Etanoato d'etil |
Este tipo d'isomeria era més usat en el passat que en l'actualitat. S'aplicava inclús a aldehits-cetones,[10] als que hui se solen considerar isòmers de funció.
Isomeria funcional
[editar | editar còdic]Varia el grup funcional, conservant l'esquelet carbonado.
Per eixemple el C3H6O pot correspondre a la molècula de propanal (funció aldehit) o a la propanona (funció cetona).
| CH3-CH2-CHO | CH3-CO-CH3. |
|---|---|
| Propanal (funció aldehit) | Propanona (funció cetona) |
Esta isomeria la presenten certs grups de composts relacionats com: els Alquenos i Cicloalcanos, els Alquinos, Cicloalquenos i alcadienos, els alcoholés i éter, els àcits i ésterés, i també els aldehits i cetones.
Tautomería
[editar | editar còdic]- Artícul principal → Tautómero.
És un tipo especial d'isomeria en la que existix transposició d'un àtom entre les dos estructures, generalment hidrogen, existint ademés un fàcil equilibri entre abdós formes tautómeras.[11]
Un eixemple de la mateixa és la tautomería ceto-enólica en la que existix equilibri entre un compost en grup OH unit a un dels àtoms de carbono d'un doble enllaç C=C, i un compost en el grup carbonilo intermig, C=O típic de les cetones, en transposició d'un àtom d'hidrogen.
| Archiu:Enol-keto tautomers.svg |
|---|
| Tautomería ceto-enólica. |
Isomeria espacial o estereoisomería
[editar | editar còdic]- Artícul principal → Estereoisomería.
Presenten estereoisomería aquells composts que tenen fòrmules moleculars idèntiques i els seus àtoms presenten la mateixa distribució (la mateixa forma de la cadena; els mateixos grups funcionals i sustituyentes; situats en la mateixa posició), pero la seua disposició en l'espai és distinta, o siga, diferixen en l'orientació espacial dels seus àtoms.
Els estereoisómeros tenen igual forma si es representen en un pla. És necessari representar-los en l'espai per a visualisar les diferències. Poden ser de dos tipos: isomeria conformacional i isomeria configuracional, segons que els isòmers es puguen convertir un en un atre per simple rotació d'enllaços simples o no.
Una atra classificació els dividix en enantiómeros i diastereoisómeros. Entre els diastereoisómeros es troben els isòmers cis-trans (abans conegut com a isòmers geomètrics), els confórmeros o isòmers conformacionales i, en les molècules en varis centres quirales, els isòmers que pertanyen a distintes parelles de enantiómeros.
Isomeria conformacional
[editar | editar còdic]- Artícul principal → Isomeria conformacional.
Este tipo d'isòmers conformacionales[12] o confórmeros, la conversió d'una forma en una atra és possible puix la rotació entorn a l'eix de l'enllaç format pels àtoms de carbono és més o menys lliure (vore animació la dreta). Per això també reben el nom de rotámeros.
Els isòmers conformacionales generalment no són separables o aislables, per la facilitat de interconversión encara a temperatures relativament baixes. La branca de la estereoquímica que estudia els isòmers conformacionales que sí són aislables (la majoria són derivats del bifenilo) es diu atropisomería.
Estes formes es reconeixen be si s'utilisa la proyecció de Newman, com s'aprecia en els dibuixos de l'esquerra. Reben noms com a sinclinal (a voltes, gauche), anticlinal (anti o trans), sinperiplanar i antiperiplanar.[12]
| Proyeccions de Newmann per a la molècula de etano. Formes eclipsada i alternada. | Distintes conformació del etano segons la rotació entorn a l'eix que formen els dos àtoms de carbono. S'observen formes eclipsades o formes escalonades. |
Un atre tipo d'isòmers conformacionales es dona en composts en anells hexagonals com el ciclohexano, a on són factibles la conformació en forma de cadira i conformació en forma de pot.
Isomeria configuracional
[editar | editar còdic]No basta una simple rotació per a convertir una forma en una atra i encara que la disposició espacial siga la mateixa, els isòmers no són interconvertibles. Es dividix en: isomeria geomètrica o cis-trans, i isomeria òptica. Els isòmers configuracionales són aislables, ya que és necessària una gran cantitat d'energia per a interconvertirlos (es requerix energia necessària per a la ruptura d'enllaços).
Isomeria geomètrica o cis-trans
[editar | editar còdic]La isometría cis-trans és un tipo d'estereoisomería, la qual es referix als composts que tenen els seus àtoms conectats en el mateix orde pero tenen diferent orientació tridimensional. Este tipo d'isomeria presenta en cicloalcanos (série de carbono que conformen un anell) i en alquenos (cadena de carbono units per una doble lligam). Es produïx quan existixen dos grups idèntics per a comparar i es troben en diferents posicions.[13][14]
En el cas dels cicloalcanos es nomena cis quan els grups funcionals es troben del mateix costat de l'anell i trans si es troben en costats contraris. De la forma que es pot observar en l'image.[14]
En el cas dels dobles enllaços, s'ampra cis si els grups es troben del mateix costat del doble enllaç i trans si els grup es troben en costats oposts. Podem observar els dos casos en les següents imàgens.[14]
Este tipo d'isomeria otorga propietats físiques distintes, degut a que els enllaços dobles no rotan lliurement com els simples.[14]
- Artícul principal → Isomeria cis-trans.
Es produïx quan hi ha dos carbono units en doble enllaç que tenen les atres valència en els mateixos sustituyentes (2 parells) o en dos iguals i un de distint.
No es presenta isomeria geomètrica lligada als enllaços triples o senzills.
A les dos possibilitats li les denomina:
- forma cis (o forma Z), en els dos sustituyentes més voluminosos del mateix costat, i
- forma trans (o forma I), en els dos sustituyentes més voluminosos en posicions opostes (Regles de Cahn-Ingold-Prelog).[15]
No es poden interconvertir entre sí estes dos formes d'un modo espontàneu, puix el doble enllaç impedix la rotació, encara que sí poden convertir-se, a voltes, en reaccions catalizadas.
| Isòmers del But-2-eno | Àcit maleico (Cis) i àcit fumárico (trans) |
Formes trans (I) i cis (Z) de el 1,2-dibromoeteno. |
|---|---|---|
| Archiu:Cis-trans-2-Buten.svg | Archiu:Maleinsäure Fumarsäure caps block 67 .svg | Archiu:Cis-trans.png |
L'isomeria geomètrica també es presenta en composts en doble enllace N=N, o en composts cíclicos en els que també s'impedix la rotació entorn a un eix.
| 1,2-dimetilciclopentano (formes cis i trans) |
cis-1,2-diclorociclohexano | trans-1,2-diclorociclohexano | Formes cis i trans del difluorodiazeno |
|---|---|---|---|
| Archiu:Dimethylcyclopentan cis-trans.svg | Archiu:Cis-1,2-dichlorocyclohexane-2D-skeletal.svg | Archiu:Trans-1,2-dichlorocyclohexane-2D-skeletal.svg | Archiu:Cistrans-Distickstoffdifluorid.png |
Isomeria òptica o enantiomería
[editar | editar còdic]- Artícul principal → Enantiómero.
Quan un compost té a lo manco un àtom de Carbono asimètric o quiral, és dir, un àtom de carbono en quatre sustituyentes diferents, poden formar-se dos varietats distintes cridades estereoisómeros òptics, enantiómeros, formes enantiomórficas o formes quirales, encara que tots els àtoms estan en la mateixa posició i enllaçats d'igual manera. Açò es coneix com regla de li Bel-van't Hoff.[8]
Els isòmers òptics no es poden superpondre, com ocorre en les mans dreta i esquerra. Presenten les mateixes propietats físiques i químiques pero es diferencien que desvien el pla de vibració de la llum polarisada en diferent direcció:
- un isòmer desvia la llum polarisada cap a la dreta (en orientació en les manetes del rellonge) i es representa en el signe (+): és l'isòmer dextrógiro o forma dextro;
- l'atre isòmer òptic la desvia cap a l'esquerra (en orientació contrària en les manetes del rellonge) i es representa en el signe (-)(isòmer levógiro o forma levo).[16]
Una atra forma de nomenar estos composts és per mig del conveni o nomenclatura D-L, normalment amprant la proyecció de Fischer. Esta nomenclatura és absoluta pero no necessàriament la forma (D) coincidix en l'isòmer dextrógiro o forma (+).[17]
Si una molècula té n àtoms de carbono asimètrics, tindrà un total de 2n isòmers òptics.
També poden representar-se estos isòmers en les lletres (R) i (S). Esta nomenclatura R-S, que seguix les regles de Cahn-Ingold-Prelog, també s'utilisa per a determinar la configuració absoluta dels carbono quirales.
Aixina que, hi ha tres sistemes de nomenar estos composts:
- segons la direcció de desviació del pla de la llum polarisada, distinguim les formes dextro (+) i levo (-);
- segons la nomenclatura D-L (Formes D i L), que és inequívoca per a isòmers en un sol carbono asimètric,[18] i
- segons la configuració absoluta R-S (formes R i S),[19] més adequada per a molècules en varis centres asimètrics.
Diasteroisómeros
[editar | editar còdic]- Artícul principal → Diastereoisómero.
Quan un compost té més d'un carbono asimètric, podem trobar formes enantiómeras i atres formes que no són exactament còpies especulares, per no tindre tots els seus carbono invertits. A estes formes se'ls crida diasteroisómeros. Per eixemple, el 3-bromo-butan-2-ol posseïx dos carbono asimètrics per lo que té 4 formes possibles. D'elles, algunes són enantiomorfas, com (2S,3S)-3-bromo-butan-2-ol i (2R,3R)-3-bromo-butan-2-ol. En canvi, (2R,3S)-3-bromo-butan-2-ol és un diastereoisómero dels dos anteriors.
Mescla racémica i formes meso
[editar | editar còdic]
Una mescla racémica és la mescla equimolecular dels isòmers dextro i levo. Esta fòrmula és ópticamente inactiva (no desvia el pla de la llum polarisada). La mescla d'àcit D-làctic i L-làctic forma una mescla racémica, ópticamente inactiva.
Si un compost posseïx dos carbono asimètrics, pot tindre un dextrógiro i un atre levógiro, pero si té un pla de simetria, en conjunt es comporta com ópticamente inactiu i rep el nom de forma meso. És el cas del àcit tartárico o 2,3-dihidroxibutanodioico, un dels isòmers del qual és una forma meso.
Poder rotatori específic
[editar | editar còdic]És la desviació que sofrix el pla de polarisació en travessar la llum polarisada una dissolució en una concentració d'1 gram de substància per cm³ en un recipient d'1 dm d'altura. És el mateix per a abdós enantiómeros, encara que de signe contrari. Es medix en el polarímetro.[20]
Referències
[editar | editar còdic]- ↑ «Isomeria Molecular». www.quiral.es. Consultat el 8 de giner de 2016.
- ↑ «Lliçó 5. Fòrmula molecular | Quiral». www.quiral.es. Consultat el 8 de giner de 2016.
- ↑ «Lliçó 6. Isomeria Constitucional | Quiral». www.quiral.es. Consultat el 8 de giner de 2016.
- ↑ F. Kurzer(2000).J. Chem. Educ..77(7)
- 851–857.doi:10.1021/ed077p851.Consultat el 7 de maig de 2014.
- ↑ Esteban, Soledad.(2008).J. Chem. Educ..85(9)doi:10.1021/ed085p1201.
- ↑ L. Pasteur (1848) "Mémoire sur la relation qui peut exister entre la forme cristalline et la composition chimique, et sur la cause de la polarisation rotatoire" (Memoir on the relationship which ca exist between crystalline form and chemical composition, and on the cause of rotary polarization)," Comptes rendus de l'Académie dones sciences (Paris), vol. 26, pages 535–538.
- ↑ L. Pasteur (1849) "Sur els relations qui peuvent exister entre la forme cristalline, la composition chimique et li sens de la polarisation rotatoire" (On the relations that ca exist between crystalline form, and chemical composition, and the sense of rotary polarization), Annales de Chimie et de Physique, 3rd séries, vol. 24, no. 6, pages 442–459.
- ↑ 8,0 8,1 Química: Teoria i problemes. José Antonio García Pérez i uns atres. Ed. Tébar Flores. Albacete, 1996. ISBN 84-7360-155-6.Pág. 253 i ss.
- ↑ Química general. M. Garric. Editorial Reverté, 1979. ISBN 8429171770. Pág. 170
- ↑ Curs de química biològica. Venancio Deulofeu, Agustín Dumenge Marenzi. Editorial L'Ateneu, 1946. Pág. 34
- ↑ Química orgànica. Robert Thornton Morrison, Robert Neilson Boyd. 5ª ed., Editorial Pearson Educació, 1998. ISBN 9684443404. Pág. 421
- ↑ 12,0 12,1 Títul Fonaments de química orgànica. Carl David Gutsche. Editorial Reverté, 1979. ISBN 8429174753. Pág.67
- ↑ (2008) Química Orgànica, Mèxic: Cengage Learning.
- ↑ 14,0 14,1 14,2 14,3 (2014) Química Orgànica, Espanya: Editorial Meja Panamericana.
- ↑ Romanelli, Gustavo Pablo (2020). Problemes de Química Orgànica.
- ↑ Química general; 8ª edició; Petrucci, Harwood i Herring; Prentice Hall; ISBN 0-13-014329-4
- ↑ http://books.google.es/books?aneu=VmdvQfFbq9UC&pg=PA166 Configuració absoluta. En: Diccionari de química. Inmaculada Julián. Editorial Complutense, 1999. ISBN 8489784728. Pág. 166
- ↑ Nomenclatura D-L. En: Curs de biomoléculas. Juan Manuel González Manyes. Universitat del País Vasc.
- ↑ Configuració absoluta dels centres quirales: cóm determinar-la i designar-la. En: Química orgànica. Stephen J Weininger, Frank R. Stermitz. Editorial Reverté, 1988. ISBN 842917527X. Pág. 132
- ↑ Química orgànica bàsica i aplicada: de la molècula a l'indústria, Volum 1. Eduardo Primer Yúfera. Editorial Reverté, 1996. ISBN 8429179534, Pág. 52 i ss.
- Este artícul conté una traducció derivada de «Isomería» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.