Gabinete — U1 Eje 3: Isomería
Guía Nº 2 de la cátedra (Química II, Bioingeniería — UNSJ). Resolución progresiva.
Sobre este gabinete
Esta página resuelve la Guía Nº 2 de Isomería propuesta por la cátedra, de manera complementaria a los ejercicios generados en el eje. Cada respuesta teórica está alineada con lo visto en la teoría de Isomería. Por ahora se publican los ejercicios 1 a 3.
Ejercicio 1 — ¿Qué significan los siguientes conceptos?
a) Actividad óptica
Propiedad de ciertas sustancias de desviar el plano de la luz polarizada cuando ésta atraviesa la muestra. Se mide experimentalmente con un polarímetro. La presentan las moléculas quirales (con centros estereogénicos) en estado puro o en mezclas no compensadas.
b) Dextrógiro (+)
Enantiómero que desvía el plano de la luz polarizada hacia la derecha (sentido horario al ver la luz de frente). Se denota con el signo (+) antepuesto al nombre.
c) Levógiro (−)
Enantiómero que desvía el plano de la luz polarizada hacia la izquierda (sentido antihorario). Se denota con el signo (−). Un enantiómero (+) y su (−) tienen igual magnitud de rotación pero signo opuesto.
d) Molécula quiral
Molécula que no es superponible con su imagen especular. El ejemplo clásico son las manos: la izquierda y la derecha son imágenes una de la otra, pero no coinciden al apilarlas. La causa más común de quiralidad en química orgánica es la presencia de al menos un carbono quiral.
e) Centro quiral (carbono asimétrico)
Átomo de carbono unido a cuatro sustituyentes diferentes. También llamado centro estereogénico o carbono asimétrico. Se suele marcar con un asterisco (C*). Es el origen habitual de la isomería óptica en compuestos orgánicos.
f) Superponible
Dos estructuras son superponibles cuando, mediante traslaciones y rotaciones en el espacio (sin romper enlaces), todos sus átomos coinciden exactamente. Si dos moléculas son superponibles, son la misma molécula. Si no lo son (aunque sean imagen especular una de la otra), son enantiómeros.
g) Enantiómeros
Par de estereoisómeros que son imágenes especulares no superponibles entre sí. Tienen invertidas todas las configuraciones de sus centros quirales (R ↔ S en todos). Comparten todas las propiedades físicas (p. de fusión, ebullición, solubilidad, etc.), pero desvían la luz polarizada con igual magnitud y signo opuesto, y pueden comportarse de forma muy distinta en medios biológicos.
h) Diastereoisómeros
Estereoisómeros que no son imagen especular entre sí. Tienen algunos centros quirales invertidos y otros no. A diferencia de los enantiómeros, presentan propiedades físicas y químicas distintas (distintos p. de fusión, solubilidades, rotaciones ópticas, etc.). Los isómeros cis/trans (E/Z) también se consideran diastereoisómeros.
i) Compuesto meso
Molécula que posee centros quirales pero que en su conjunto no es quiral, porque tiene un plano de simetría interno que hace que una mitad sea imagen especular de la otra. Es, por tanto, ópticamente inactivo por compensación interna (a diferencia de una mezcla racémica, donde la compensación es externa).
j) Modificación racémica (mezcla racémica)
Mezcla equimolar (50:50) de los dos enantiómeros de un compuesto quiral. Se denota (±) o con el prefijo rac-. Es ópticamente inactiva porque la rotación óptica de un enantiómero cancela externamente la del otro.
k) Isómeros conformacionales (confórmeros)
Estereoisómeros que se interconvierten por simple rotación en torno a enlaces simples C–C, sin ruptura de enlaces. Dan carbonos sp³. Por lo general no son aislables a temperatura ambiente. Ejemplos: formas eclipsada y alternada del etano; formas de silla y bote del ciclohexano.
l) Isómeros configuracionales
Estereoisómeros cuya interconversión requiere ruptura de enlaces; no basta con rotar. Son aislables y separables. Se subdividen en isomería geométrica (cis-trans / E-Z, asociada a dobles enlaces o ciclos) e isomería óptica (enantiómeros y diastereoisómeros, asociada a centros quirales).
m) R y S
Descriptores de configuración absoluta en un centro quiral según las reglas de Cahn-Ingold-Prelog. Se asignan prioridades (1° a 4°) a los cuatro sustituyentes por número atómico, se orienta el sustituyente de menor prioridad (4°) hacia atrás y se recorre 1° → 2° → 3°: si el giro es horario el centro es R (rectus, derecha); si es antihorario es S (sinister, izquierda).
La configuración absoluta (R, S) se deduce de la estructura; el signo (+)/(−) se mide experimentalmente con un polarímetro. No existe correspondencia directa entre una cosa y la otra: una molécula R puede ser (+) o (−) según el caso.
Ejercicio 2 — Fórmulas moleculares y grupos funcionales
Para cada fórmula molecular se indican los grupos funcionales compatibles y se escriben las fórmulas estructurales de los isómeros posibles (sin duplicar equivalentes).
a) CH₄O
Sólo es compatible con un alcohol: el metanol (CH₃–OH). No hay suficientes carbonos para formar un éter (se requieren al menos dos).
b) C₂H₆O
Admite dos isómeros de función:
- Etanol (alcohol): CH₃–CH₂–OH
- Dimetil éter (éter): CH₃–O–CH₃
c) C₂H₄O₂
Admite varios isómeros de función. Los más representativos:
- Ácido acético (ácido carboxílico): CH₃–COOH
- Formiato de metilo (éster): H–COO–CH₃
- Glicolaldehído (aldehído + alcohol): HO–CH₂–CHO
De las opciones pedidas (alcohol, éter, aldehído, cetona, ácido), encaja el ácido; además, con un −OH como sustituyente, también es compatible la familia aldehído (glicolaldehído).
d) C₃H₆O
Admite isómeros de función aldehído y cetona (entre otros):
- Propanal (aldehído): CH₃–CH₂–CHO
- Propanona / acetona (cetona): CH₃–CO–CH₃
- Alcohol alílico (alcohol insaturado): CH₂=CH–CH₂–OH
- Metil vinil éter (éter insaturado): CH₃–O–CH=CH₂
e) CH₂O
Sólo es compatible con un aldehído: el metanal (formaldehído), H–CHO. No hay átomos suficientes para una cetona, ácido, alcohol ni éter con esa fórmula.
Ejercicio 3 — ¿Son isómeros? ¿De qué tipo?
Para que dos compuestos sean isómeros deben compartir la misma fórmula molecular y diferir en la estructura.
a) CH₃CH₂CH₂CH₃ y (CH₃)₂CHCH₃
Fórmula molecular de ambos: C₄H₁₀. Sí son isómeros.
- n-Butano: cadena lineal de 4 carbonos.
- Isobutano / 2-metilpropano: cadena ramificada (3 C en la principal + 1 metilo).
Mismos átomos y mismos grupos, pero diferente forma de la cadena carbonada → isómeros estructurales de cadena.
b) CH₃CH=CH₂ y (CH₃)₂C=CH₂
Fórmulas moleculares:
- CH₃–CH=CH₂ → propeno → C₃H₆
- (CH₃)₂C=CH₂ → 2-metilpropeno (isobuteno) → C₄H₈
No son isómeros: tienen distinta fórmula molecular (distinto número de C y de H). Son simplemente dos alquenos diferentes, homólogos de la misma familia.
c) Ciclobutano y metilciclopropano
Ambos cicloalcanos tienen fórmula molecular C₄H₈. Sí son isómeros.
- Ciclobutano: anillo de 4 carbonos.
- Metilciclopropano: anillo de 3 carbonos con un metilo como sustituyente.
Difieren en la disposición del esqueleto carbonado → isómeros estructurales de cadena (también llamados isómeros de esqueleto).
Antes de clasificar el tipo de isomería, verificar siempre la fórmula molecular. Si no coincide, los compuestos no son isómeros (como en el caso b).
Ejercicio 4 — Tipos de isomería entre pares
En cada par se escribe la fórmula desarrollada, se verifica que compartan fórmula molecular y se clasifica el tipo de isomería.
a) Propanal y propanona
- Propanal (aldehído): CH₃–CH₂–CHO
- Propanona (cetona): CH₃–CO–CH₃
Ambos tienen fórmula molecular C₃H₆O, pero difieren en el grupo funcional (aldehído vs. cetona) → isómeros estructurales de función.
b) Buteno y 2-buteno
«Buteno» sin numeración suele referirse al 1-buteno. Ambos son C₄H₈.
- 1-Buteno: CH₂=CH–CH₂–CH₃ (doble enlace entre C1 y C2).
- 2-Buteno: CH₃–CH=CH–CH₃ (doble enlace entre C2 y C3).
Misma cadena, mismo grupo funcional (alqueno), pero distinta posición del doble enlace → isómeros estructurales de posición.
Nota: el 2-buteno presenta además isomería geométrica (cis/trans), pero eso se trata dentro del mismo compuesto; entre 1- y 2-buteno la relación es de posición.
c) 2,3-Dimetilbutano y 3-metilpentano
- 2,3-Dimetilbutano: (CH₃)₂CH–CH(CH₃)₂ → cadena principal de 4 C con dos metilos.
- 3-Metilpentano: CH₃–CH₂–CH(CH₃)–CH₂–CH₃ → cadena principal de 5 C con un metilo.
Ambos son alcanos de fórmula C₆H₁₄. Difieren en la forma de la cadena carbonada → isómeros estructurales de cadena.
d) Etilmetiléter y propanol
- Etilmetiléter (metoxietano): CH₃–O–CH₂–CH₃ — éter.
- Propanol (1-propanol): CH₃–CH₂–CH₂–OH — alcohol.
Ambos comparten fórmula C₃H₈O pero tienen grupos funcionales distintos (éter vs. alcohol) → isómeros estructurales de función.
Ejercicio 5 — ¿Presentan isomería óptica o geométrica?
Para cada compuesto se verifica si posee carbono(s) quiral(es) (isomería óptica) o un doble enlace con sustituyentes distintos en cada carbono (isomería geométrica). En los casos quirales se indica la configuración R/S; en los geométricos, E/Z.
a) CH₃–CH₂–CH₂–CH₃ (butano)
No tiene dobles enlaces ni carbonos con cuatro sustituyentes distintos: cada C interno está unido a dos H. No presenta isomería óptica ni geométrica.
b) CH₃–CHOH–C₂H₅ (butan-2-ol)
El C2 está unido a cuatro sustituyentes diferentes: –H, –OH, –CH₃ y –CH₂CH₃. Es un carbono quiral → presenta isomería óptica.
Prioridades CIP en ese carbono: OH (1°) > CH₂CH₃ (2°) > CH₃ (3°) > H (4°). Según la orientación espacial, el centro puede ser R o S; existen ambos enantiómeros: (R)-butan-2-ol y (S)-butan-2-ol.
c) BrCH=CHBr (1,2-dibromoeteno)
Doble enlace entre dos carbonos que llevan cada uno un Br y un H (sustituyentes distintos en cada C). Presenta isomería geométrica.
- cis (Z)-1,2-dibromoeteno: los dos Br del mismo lado del plano.
- trans (E)-1,2-dibromoeteno: los dos Br en lados opuestos.
Como cada carbono sólo tiene dos tipos de sustituyentes (Br y H), las nomenclaturas cis/trans y Z/E coinciden: cis = Z, trans = E.
d) BrCH=CHCl (1-bromo-2-cloroeteno)
Cada carbono del doble enlace tiene un halógeno y un H, todos distintos entre sí. Presenta isomería geométrica, y al haber más de dos tipos de sustituyentes conviene usar E/Z.
Prioridades: en el C del Br, Br > H; en el C del Cl, Cl > H.
- Z: Br y Cl (los de mayor prioridad en cada C) del mismo lado.
- E: Br y Cl en lados opuestos.
e) CH₃–CH(NH₂)–COOH (ácido 2-aminopropanoico, alanina)
El C2 (carbono α) está unido a –H, –NH₂, –CH₃ y –COOH: cuatro sustituyentes distintos → carbono quiral, presenta isomería óptica.
Prioridades CIP: NH₂ (1°, N con Z=7) > COOH (2°, C con (O,O,O)) > CH₃ (3°) > H (4°). Existen los enantiómeros (R)-alanina (D-alanina) y (S)-alanina (L-alanina, la forma natural que forma parte de las proteínas).
f) CH₃–CHOH–CH₂–CH₂–CH₃ (pentan-2-ol)
El C2 está unido a –H, –OH, –CH₃ y –CH₂CH₂CH₃ (n-propilo): cuatro sustituyentes diferentes → carbono quiral, presenta isomería óptica.
Prioridades CIP: OH (1°) > CH₂CH₂CH₃ (2°) > CH₃ (3°) > H (4°). Existen los enantiómeros (R)-pentan-2-ol y (S)-pentan-2-ol.
- Sin isomería óptica ni geométrica: a) butano.
- Isomería óptica (R/S): b) butan-2-ol, e) alanina, f) pentan-2-ol.
- Isomería geométrica (E/Z, cis/trans): c) 1,2-dibromoeteno, d) 1-bromo-2-cloroeteno.
Próximos ejercicios (6 al 33): pendientes de resolución.