Química orgánica · Estructura y reactividad orgánica
Isomería estructural y estereoisomería
El balón de gas licuado que usas en la casa de la playa en verano contiene butano, y en el encendedor también hay $\mathrm{C_4H_{10}}$. Pero existe otra sustancia, el metilpropano, con exactamente la misma fórmula molecular y propiedades distintas: otro punto de ebullición, otra forma. ¿Cómo pueden dos sustancias tener los mismos átomos y ser distintas? Las que comparten fórmula molecular pero tienen distinta estructura se llaman isómeros. Hay isomería por cómo están conectados los átomos (estructural) y por cómo están orientados en el espacio con la misma conexión (estereoisomería).
Isomería estructural: de cadena, de posición y de función
Dos frascos tienen sustancias de fórmula $\mathrm{C_2H_6O}$: en uno hay etanol, un líquido que hierve a $78\ ^\circ\mathrm{C}$ y se disuelve en agua; en el otro, dimetiléter, un gas que hierve a $-24\ ^\circ\mathrm{C}$. ¿Cómo pueden dos compuestos con los mismos átomos ser tan distintos?
Explora los isómeros de estas dos fórmulas y fíjate qué cambia en cada caso:
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Los compuestos orgánicos de fórmula molecular $\mathrm{C_3H_6O}$ presentan distintos tipos de isomería estructural según la conectividad de sus átomos y los grupos…
Los compuestos orgánicos de fórmula molecular $\mathrm{C_3H_6O}$ presentan distintos tipos de isomería estructural según la conectividad de sus átomos y los grupos funcionales presentes.
a) Escribe la fórmula semidesarrollada y el nombre sistemático de un aldehído y de una cetona que compartan dicha fórmula molecular, indicando el tipo de isomería que existe entre ambos.
b) Escribe la fórmula semidesarrollada y el nombre sistemático de un alcohol acíclico insaturado con la misma fórmula molecular $\mathrm{C_3H_6O}$.
La fórmula molecular saturada $\mathrm{C_4H_{10}O}$ engloba diversos isómeros constitucionales pertenecientes a distintas funciones oxigenadas. a) Escribe la fórmula…
La fórmula molecular saturada $\mathrm{C_4H_{10}O}$ engloba diversos isómeros constitucionales pertenecientes a distintas funciones oxigenadas.
a) Escribe la fórmula semidesarrollada y el nombre sistemático de los cuatro alcoholes isómeros posibles con dicha fórmula, e indica qué relación de isomería estructural (de cadena o de posición) guardan entre sí el butan-1-ol y el butan-2-ol, y el butan-1-ol y el 2-metilpropan-1-ol.
b) Escribe la fórmula semidesarrollada y el nombre sistemático de tres éteres isómeros con dicha fórmula molecular. ¿Qué tipo de isomería existe entre el butan-1-ol y el dietil éter?
Los estereoisómeros tienen la misma conectividad, pero sus átomos se ordenan distinto en el espacio. Al sintetizar but-2-eno se obtienen dos sustancias: una hierve a $3{,}7\ ^\circ\mathrm{C}$ y la otra a $0{,}9\ ^\circ\mathrm{C}$, aunque ambas tienen la secuencia de enlaces $\mathrm{CH_3-CH=CH-CH_3}$. ¿Qué impide que una se transforme en la otra girando?
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Para que un alqueno presente isomería geométrica cis/trans, es requisito indispensable que los dos sustituyentes unidos a cada uno de los carbonos del doble enlace sean…
Para que un alqueno presente isomería geométrica cis/trans, es requisito indispensable que los dos sustituyentes unidos a cada uno de los carbonos del doble enlace sean diferentes entre sí.
Considera los tres alquenos siguientes: propeno, but-1-eno y but-2-eno.
a) Escribe la fórmula semidesarrollada de cada uno de ellos.
b) Justifica cuál o cuáles de estos tres compuestos presentan isomería geométrica cis/trans y cuál o cuáles no pueden presentarla.
En la siguiente ilustración se representan las configuraciones espaciales de dos hidrocarburos insaturados rotulados como A y B. Observa con atención la disposición de…
En la siguiente ilustración se representan las configuraciones espaciales de dos hidrocarburos insaturados rotulados como A y B. Observa con atención la disposición de sus átomos.
a) Identifica el tipo de isomería que existe entre los compuestos A y B, y asigna a cada estructura su nombre sistemático completo incluyendo los descriptores cis o trans.
b) Justifica cuál de los dos isómeros presentará un momento dipolar neto apreciable (molécula polar) y cuál tendrá momento dipolar nulo (molécula apolar).
El limoneno de la cáscara de naranja y su imagen especular, presente en otras plantas, huelen distinto, aunque tienen la misma fórmula y el mismo punto de ebullición. ¿Qué diferencia geométrica distingue a dos moléculas que son imágenes especulares?
Más de un centro quiral: diasterómeros
Con $n$ centros quirales hay hasta $2^n$ estereoisómeros. Los que son imágenes especulares entre sí son enantiómeros; los que no lo son (por ejemplo, cuando cambia la configuración de un solo centro) son diasterómeros y sí tienen propiedades físicas distintas. Una aldohexosa como la glucosa tiene 4 centros quirales: $2^4 = 16$ estereoisómeros. Si un compuesto con varios centros tiene un plano de simetría interno, es aquiral (forma meso).
Configuración relativa (D/L) y absoluta (R/S)
En una proyección de Fischer, la cadena carbonada se dibuja vertical, con el carbono más oxidado arriba. Si el $\mathrm{-OH}$ (o $\mathrm{-NH_2}$) del centro quiral más alejado de ese extremo queda a la derecha, la configuración relativa es D; si queda a la izquierda, es L. La glucosa natural es D; los aminoácidos de las proteínas son L.
La configuración absoluta se nombra R o S: se ordenan los cuatro sustituyentes por prioridad (mayor número atómico del átomo unido al centro), se mira con el de menor prioridad (generalmente H) hacia atrás, y si 1→2→3 gira en sentido horario es R, y antihorario es S. Los enantiómeros tienen descriptores opuestos: $(R)$ y $(S)$.
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El butan-2-ol es un alcohol secundario de fórmula molecular $\mathrm{C_4H_{10}O}$. a) Escribe su fórmula semidesarrollada y señala mediante un asterisco () el carbono…
El butan-2-ol es un alcohol secundario de fórmula molecular $\mathrm{C_4H_{10}O}$.
a) Escribe su fórmula semidesarrollada y señala mediante un asterisco (*) el carbono que actúa como centro quiral (carbono asimétrico), justificando por qué cumple dicha condición.
b) Deduce si una muestra enantioméricamente pura de butan-2-ol presenta actividad óptica y cómo se denominan las dos formas espaciales no superponibles que son imágenes especulares entre sí.
El ácido láctico (ácido 2-hidroxipropanoico) es un metabolito fundamental en los procesos biológicos anaeróbicos musculares y en la fermentación láctica. a) Escribe su…
El ácido láctico (ácido 2-hidroxipropanoico) es un metabolito fundamental en los procesos biológicos anaeróbicos musculares y en la fermentación láctica.
a) Escribe su fórmula semidesarrollada, identifica su centro quiral y representa tridimensionalmente el par de enantiómeros mediante fórmulas en cuña (enlace en el plano, cuña continua hacia adelante y cuña discontinua hacia atrás).
b) Explica qué propiedades físicas y químicas comparten ambos enantiómeros puros en un entorno aquiral, en qué propiedad física mensurable difieren cuantitativamente y cuál es el comportamiento macroscópico de una mezcla equimolar de ambos (mezcla racémica) frente a la luz polarizada en un polarímetro.
Vuelta al principio: el butano (cadena lineal de 4 carbonos) y el metilpropano (cadena de 3 carbonos con un metilo) comparten la fórmula $\mathrm{C_4H_{10}}$ pero tienen distinta conectividad: son isómeros estructurales de cadena, y por eso difieren en sus propiedades.
Resumen
¡A practicar! 2 ejercicios de nivel medio en este apartado