U1 · Eje 3: Isomería
Unidad 1: Química Orgánica — Química II | UNSJ
Idea Clave
El término isomería proviene del griego (isos = igual; meros = parte). Se refiere a la propiedad que presentan algunos compuestos — en especial los orgánicos — de poseer la misma fórmula molecular pero distinta fórmula desarrollada y, por lo tanto, propiedades diferentes.
Clasificación general de los isómeros
ISÓMEROS
├── Estructurales (constitucionales) — mismos átomos, diferente conectividad
├── De cadena
├── De posición
└── De función
└── Espaciales (estereoisómeros) — misma conectividad, diferente orientación 3D
├── Conformacionales (interconvertibles por rotación de enlaces simples)
└── Configuracionales (NO interconvertibles sin romper enlaces)
├── Geométricos (cis-trans / E-Z)
└── Ópticos (enantiómeros, diastereoisómeros)
1. Isómeros estructurales
Isómeros estructurales (o constitucionales)
Son moléculas con la misma fórmula molecular pero una diferente distribución de los enlaces entre sus átomos. Es decir, difieren en el orden en el que los átomos se conectan en la molécula.
Se pueden presentar tres modos de isomería estructural:
1.1 Isómeros de cadena
Difieren en la forma de la cadena carbonada (lineal vs. ramificada). Tienen los mismos grupos funcionales y el mismo tipo de enlaces, pero la cadena de carbonos se organiza de manera distinta.
El butano (\(\text{C}_4\text{H}_{10}\)) tiene 2 isómeros, el pentano (\(\text{C}_5\text{H}_{12}\)) tiene 3, el hexano (\(\text{C}_6\text{H}_{14}\)) tiene 5, y el decano (\(\text{C}_{10}\text{H}_{22}\)) tiene 75 isómeros estructurales posibles.
1.2 Isómeros de posición
Tienen la misma cadena carbonada y los mismos grupos funcionales, pero difieren en la posición del grupo funcional o de la insaturación dentro de la cadena.
Otro ejemplo clásico con insaturaciones:
1.3 Isómeros de función
Tienen la misma fórmula molecular pero diferentes grupos funcionales. Esto implica que pertenecen a familias de compuestos distintas y tienen propiedades químicas muy diferentes.
En los isómeros de función cambia el tipo de grupo funcional (alcohol vs. éter, aldehído vs. cetona). En los de posición, el grupo funcional es el mismo pero está ubicado en un carbono diferente.
2. Estereoisómeros
Estereoisómeros (isómeros espaciales)
Moléculas con fórmulas moleculares idénticas y la misma conectividad entre sus átomos (misma cadena, mismos grupos funcionales, en la misma posición), pero que difieren en la orientación espacial de sus átomos. Es necesario representarlos en 3D para visualizar las diferencias.
Los estereoisómeros se clasifican en dos grandes grupos:
Conformacionales
La conversión de una forma en otra es posible por rotación en torno a enlaces simples (C–C).
- Se dan en carbonos sp³
- Se llaman confórmeros o rotámeros
- Generalmente no son separables ni aislables
- Ej.: formas alternada y eclipsada del etano; silla y bote del ciclohexano
Configuracionales
No basta una simple rotación para convertir una forma en otra. Se necesita ruptura de enlaces.
- Los isómeros son aislables
- Se requiere gran cantidad de energía para interconvertirlos
- Se divide en: isomería geométrica e isomería óptica
2.1 Estereoisómeros conformacionales
Ya los estudiamos en detalle en la sección de confórmeros y análisis conformacional. Como repaso:
- La rotación en torno al enlace C–C es más o menos libre en carbonos sp³.
- Si los grupos sustituyentes son voluminosos, puede haber impedimento estérico que dificulte la interconversión.
- Ejemplos clásicos: formas eclipsada y alternada del etano; formas de silla y bote del ciclohexano.
2.2 Isomería geométrica (cis-trans / E-Z)
Isomería geométrica
Se produce cuando hay dos carbonos unidos con doble enlace o en compuestos cíclicos. El doble enlace (sp²) es rígido y plano, impidiendo la rotación libre, por lo que los sustituyentes pueden quedar en distintas posiciones relativas del plano.
Los sustituyentes sobre cada uno de los carbonos del doble enlace deben ser distintos entre sí. Si un mismo carbono del doble enlace tiene dos sustituyentes iguales, no hay isomería geométrica.
Nomenclatura cis-trans
Se usa cuando hay exactamente dos tipos de sustituyentes en el doble enlace:
Forma cis
Los sustituyentes iguales están del mismo lado del plano del doble enlace.
Forma trans
Los sustituyentes iguales están en lados opuestos del plano del doble enlace.
Nomenclatura E-Z (reglas de Cahn-Ingold-Prelog)
Cuando hay más de dos tipos de sustituyentes, se usa el sistema E-Z, más general y riguroso:
- Z (del alemán zusammen = juntos): los sustituyentes de mayor prioridad en cada carbono del doble enlace están del mismo lado.
- E (del alemán entgegen = opuestos): los sustituyentes de mayor prioridad están en lados opuestos.
Reglas de prioridad para E-Z
- Se localiza el doble enlace y se traza una línea imaginaria en su plano.
- Se identifican los átomos directamente unidos a cada carbono del doble enlace.
- Se ordena por número atómico: el de mayor Z tiene mayor prioridad.
- Si dos átomos son iguales, se comparan los átomos unidos a ellos (se expande nivel por nivel).
- Si los de mayor prioridad están del mismo lado → Z; si están en lados opuestos → E.
Aunque en muchos casos coinciden, cis y Z no siempre describen la misma configuración. La nomenclatura E-Z se basa en prioridades de número atómico (Cahn-Ingold-Prelog), mientras que cis-trans se basa en la posición de sustituyentes iguales. Ante la duda, usar siempre el sistema E-Z.
No se presenta isomería geométrica ligada a enlaces triples (geometría lineal) ni a enlaces sencillos (rotación libre), salvo en compuestos cíclicos donde el anillo impide la rotación.
Isomería geométrica en compuestos cíclicos
En los cicloalcanos, el anillo actúa como un doble enlace en el sentido de que impide la rotación libre entre los carbonos que lo forman. Esto genera isomería cis-trans cuando hay sustituyentes en distintos carbonos del ciclo:
cis-1,2-dimetilciclohexano
Los dos grupos metilo están del mismo lado del plano del anillo.
trans-1,2-dimetilciclohexano
Los dos grupos metilo están en lados opuestos del plano del anillo.
El anillo define un plano. Los sustituyentes pueden quedar «arriba» o «abajo» de ese plano. Como el ciclo impide la rotación, estas posiciones son fijas y generan isómeros configuracionales separables, al igual que ocurre con los dobles enlaces.
3. Isomería óptica
Idea Clave
La isomería óptica surge cuando una molécula posee al menos un carbono quiral (asimétrico): un carbono con cuatro sustituyentes diferentes. Los dos isómeros resultantes son enantiómeros: imágenes especulares no superponibles, como la mano derecha y la izquierda.
3.1 Carbono quiral (asimétrico)
Carbono quiral
Un átomo de carbono con cuatro sustituyentes diferentes unidos a él. También se lo llama centro estereogénico, centro quiral o carbono asimétrico. Es la causa principal de la actividad óptica en moléculas orgánicas.
La presencia de un carbono quiral genera dos posibles disposiciones espaciales de los sustituyentes, dando lugar a dos enantiómeros: moléculas que son imagen especular una de la otra, pero que no se pueden superponer.
Un carbono quiral (C*) con 4 sustituyentes diferentes (a, b, c, d). Los enantiómeros son imágenes especulares no superponibles.
Un ejemplo concreto: el ácido láctico tiene un carbono quiral y existe como dos enantiómeros:
Un objeto es quiral si no es superponible con su imagen especular. Las manos humanas son el ejemplo más intuitivo: la mano derecha y la izquierda son imágenes especulares pero no se pueden superponer. Lo mismo ocurre con los enantiómeros.
3.2 Nomenclatura de enantiómeros
Existen tres sistemas para nombrar estereoisómeros ópticos:
a) Según la actividad óptica: (+) y (−)
Se basa en la dirección en la que la molécula desvía el plano de la luz polarizada (medido experimentalmente con un polarímetro):
Dextrógiro (+)
Desvía la luz polarizada hacia la derecha (en sentido horario).
Levógiro (−)
Desvía la luz polarizada hacia la izquierda (en sentido antihorario).
No existe una relación directa entre la configuración espacial de una molécula (R o S) y el signo de rotación óptica (+) o (−). Solo se puede determinar midiendo con un polarímetro.
b) Nomenclatura relativa: D y L
Se utiliza principalmente para azúcares y aminoácidos. Se basa en la comparación con una molécula de referencia (gliceraldehído):
- D: el grupo −OH del carbono quiral más alejado del grupo funcional principal se encuentra a la derecha en la proyección de Fischer.
- L: el grupo −OH está a la izquierda.
- En aminoácidos se observa la posición del grupo −NH₂ en lugar del −OH.
c) Configuración absoluta: R y S (reglas de Cahn-Ingold-Prelog)
Es el sistema más general y riguroso. Se aplica a cualquier molécula con centros quirales:
Procedimiento para asignar R o S
- Asignar prioridades a los 4 sustituyentes del carbono quiral según su número atómico (mayor Z = mayor prioridad). Si hay empate, se comparan los átomos del siguiente nivel.
- Orientar la molécula de modo que el sustituyente de menor prioridad (4°) quede apuntando hacia atrás (alejado del observador).
- Recorrer los tres sustituyentes restantes en orden 1° → 2° → 3°:
- Si el recorrido es en sentido horario (derecha) → R (rectum = derecha)
- Si el recorrido es en sentido antihorario (izquierda) → S (sinister = izquierda)
Configuración R (horario)
Configuración S (antihorario)
3.3 Enantiómeros y diastereoisómeros
Cuando una molécula tiene más de un centro quiral, se generan múltiples estereoisómeros. La relación entre ellos puede ser:
Enantiómeros
Son imágenes especulares no superponibles. Tienen todas las configuraciones de sus centros quirales invertidas (R↔S en todos los centros).
- Mismas propiedades físicas (p. fusión, p. ebullición, solubilidad)
- Misma magnitud de rotación óptica pero signo opuesto
- Diferente comportamiento biológico
Diastereoisómeros
No son imágenes especulares. Tienen algunos centros quirales invertidos y otros no.
- Diferentes propiedades físicas
- Diferentes rotaciones ópticas (magnitud y signo)
- Diferentes comportamientos químicos y biológicos
Número máximo de estereoisómeros
Donde \(n\) es el número de centros quirales. Por ejemplo, con 2 centros quirales puede haber hasta \(2^2 = 4\) estereoisómeros (aunque a veces es menor por la existencia de compuestos meso).
4. Mezclas racémicas y compuestos meso
4.1 Mezcla racémica
Mezcla racémica
Es una mezcla equimolar (50:50) de los dos enantiómeros de un compuesto. Se denota con el símbolo (±) o con el prefijo rac-. La mezcla racémica es ópticamente inactiva porque la rotación óptica de un enantiómero cancela exactamente la del otro.
Una mezcla racémica es ópticamente inactiva por compensación externa (cancelación entre moléculas diferentes), mientras que un compuesto meso es inactivo por compensación interna (simetría dentro de la propia molécula). Ambos dan rotación óptica nula, pero por razones muy distintas.
4.2 Compuestos meso
Compuesto meso
Es una molécula que posee centros quirales pero que, a pesar de ello, es ópticamente inactiva debido a la presencia de un plano de simetría interno. La mitad superior de la molécula es imagen especular de la mitad inferior, cancelándose la actividad óptica.
Proyecciones de Fischer
Para representar la configuración de centros quirales en 2D se utiliza la proyección de Fischer, una convención que traduce la geometría tetraédrica a un esquema de cruz:
Convenciones de la proyección de Fischer
- La línea vertical representa enlaces que se alejan del observador (van hacia atrás del plano).
- La línea horizontal representa enlaces que se acercan al observador (salen hacia adelante del plano).
- La cadena carbonada principal se dispone verticalmente, con el carbono más oxidado (−COOH, −CHO) arriba.
- El centro quiral queda en la intersección de ambas líneas.
En una proyección de Fischer no se puede rotar 90° (invierte la configuración). Sí se puede rotar 180° en el plano sin cambiar la configuración. Tampoco se puede sacar un sustituyente del plano y ponerlo en otro sitio sin verificar si la configuración cambia.
Veamos cómo se aplican estas proyecciones. Consideremos el ácido tartárico con dos centros quirales. Uno de sus estereoisómeros es el ácido meso-tartárico. Comparemos las proyecciones de Fischer:
Ácido (R,R)-tartárico — quiral
Ácido meso-tartárico (R,S) — aquiral
- Tiene centros quirales, pero la molécula no es quiral en su conjunto.
- Posee un plano de simetría que divide la molécula en dos mitades que son imagen especular una de la otra.
- La mitad superior es imagen especular de la inferior → las rotaciones ópticas se cancelan internamente.
- La ausencia de quiralidad se debe a la simetría de la molécula.
La ausencia de un plano de simetría no garantiza que la molécula sea quiral. Existen otras operaciones de simetría (como ejes de simetría impropios) que también pueden hacer que una molécula con centros quirales sea aquiral. Sin embargo, la presencia de un plano de simetría sí garantiza que la molécula no es quiral.
4.3 Resumen de relaciones entre estereoisómeros
| Relación | Imagen especular | Superponibles | Propiedades físicas | Actividad óptica |
|---|---|---|---|---|
| Enantiómeros | Sí | No | Iguales | Igual magnitud, signo opuesto |
| Diastereoisómeros | No | No | Diferentes | Diferente magnitud y signo |
| Compuesto meso | Sí (consigo mismo) | Sí | — | Inactivo (compensación interna) |
| Mezcla racémica | — | — | Puede diferir del puro | Inactiva (compensación externa) |