Isómero

Por ejemplo, existen tres compuestos distintos con la fórmula molecular${\displaystyle {\ce {C3H8O}}}$:

Los dos primeros isómeros mostrados de ${\displaystyle {\ce {C3H8O}}}$son propanoles , es decir, alcoholes derivados del propano . Ambos tienen una cadena de tres átomos de carbono conectados por enlaces simples, y las valencias de carbono restantes están llenas por siete átomos de hidrógeno y por un grupo hidroxilo.${\displaystyle {\ce {-OH}}}$que comprende el átomo de oxígeno unido a un átomo de hidrógeno. Estos dos isómeros difieren en qué carbono está unido el hidroxilo: ya sea a un extremo de la cadena de carbono propan-1-ol (1-propanol, alcohol n -propílico, n -propanol; I ) o al carbono central propan-2-ol (2-propanol, alcohol isopropílico, isopropanol; II ). Estos pueden describirse mediante las fórmulas estructurales condensadas${\displaystyle {\ce {H3C-CH2-CH2OH}}}$y${\displaystyle {\ce {H3C-CH(OH)-CH3}}}$.

El tercer isómero de${\displaystyle {\ce {C3H8O}}}$es el éter metoxietano (éter etil-metilo; III ). A diferencia de los otros dos, tiene el átomo de oxígeno unido a dos carbonos y los ocho hidrógenos unidos directamente a carbonos. Se puede describir mediante la fórmula condensada${\displaystyle {\ce {H3C-CH2-O-CH3}}}$.

El alcohol "3-propanol" no es otro isómero, ya que la diferencia entre este y el 1-propanol radica en la elección del orden en que se numeran los carbonos a lo largo de la cadena. Por la misma razón, el "etoximetano" es la misma molécula que el metoxietano, no otro isómero.

El 1-propanol y el 2-propanol son ejemplos de isómeros de posición , que se diferencian por la posición en la que aparecen ciertas características, como enlaces dobles o grupos funcionales , en una molécula "madre" (propano, en este caso).

También existen tres isómeros estructurales del hidrocarburo.${\displaystyle {\ce {C3H4}}}$:

En dos de los isómeros, los tres átomos de carbono están conectados en una cadena abierta, pero en uno de ellos ( propadieno o aleno; I ) los carbonos están conectados por dos enlaces dobles , mientras que en el otro ( propino o metilacetileno; II ) están conectados por un enlace simple y un enlace triple . En el tercer isómero ( ciclopropeno ; III ), los tres carbonos están conectados formando un anillo mediante dos enlaces simples y un enlace doble. En los tres, las valencias restantes de los átomos de carbono se satisfacen con los cuatro hidrógenos.

Nuevamente, cabe destacar que solo existe un isómero estructural con un triple enlace, ya que la otra posible ubicación de dicho enlace consiste simplemente en dibujar los tres carbonos en un orden diferente. Por la misma razón, solo existe un ciclopropeno, no tres.

Los tautómeros son isómeros estructurales que se interconvierten fácilmente, de modo que dos o más especies coexisten en equilibrio, como por ejemplo:

${\displaystyle {\ce {HXY=Z <=> X=YZH}}}$. ^{[ 9 ]}

Ejemplos importantes son la tautomería ceto-enólica y el equilibrio entre las formas neutras y zwitteriónicas de un aminoácido .

Se dice que dos compuestos son enantiómeros si sus moléculas son imágenes especulares una de la otra y no pueden coincidir solo mediante rotaciones o traslaciones, como una mano izquierda y una mano derecha. Se dice que las dos formas son quirales .

Un ejemplo clásico es el bromoclorofluorometano (${\displaystyle {\ce {CHFClBr}}}$). Los dos enantiómeros se pueden distinguir, por ejemplo, por si la ruta${\displaystyle {\ce {F->Cl->Br}}}$Gira en sentido horario o antihorario desde la perspectiva del átomo de hidrógeno. Para que se produzca un cambio de conformación, en algún momento esos cuatro átomos tendrían que estar en el mismo plano, lo que requeriría una tensión considerable o la ruptura de sus enlaces con el átomo de carbono. La barrera energética entre ambas conformaciones es tan alta que prácticamente no se produce ninguna conversión entre ellas a temperatura ambiente, y pueden considerarse configuraciones diferentes.

El compuesto clorofluorometano${\displaystyle {\ce {CH2ClF}}}$, en cambio, no es quiral; la imagen especular de su molécula también se obtiene mediante un giro de media vuelta alrededor de un eje adecuado.

Otro ejemplo de un compuesto quiral es el 2,3-pentadieno.${\displaystyle {\ce {H3C-CH=C=CH-CH3}}}$, un hidrocarburo que contiene dos enlaces dobles superpuestos. Los enlaces dobles están dispuestos de tal manera que los tres carbonos centrales se encuentran en línea recta, mientras que los tres primeros y los tres últimos se sitúan en planos perpendiculares. La molécula y su imagen especular no son superponibles, a pesar de que la molécula posee un eje de simetría. Los dos enantiómeros pueden distinguirse, por ejemplo, mediante la regla de la mano derecha . Este tipo de isomería se denomina isomería axial .

En las reacciones químicas, los enantiómeros se comportan de forma idéntica, salvo cuando reaccionan con compuestos quirales o en presencia de catalizadores quirales , como la mayoría de las enzimas . Por este último motivo, los dos enantiómeros de la mayoría de los compuestos quirales suelen tener efectos y funciones marcadamente diferentes en los organismos vivos. En bioquímica y ciencia de los alimentos , los dos enantiómeros de una molécula quiral, como la glucosa , se identifican y tratan habitualmente como sustancias muy distintas.

Cada enantiómero de un compuesto quiral suele rotar el plano de la luz polarizada que lo atraviesa. La rotación tiene la misma magnitud pero sentido opuesto para ambos isómeros, y puede ser una forma útil de distinguirlos y medir su concentración en una disolución. Por esta razón, los enantiómeros se denominaban antiguamente "isómeros ópticos". ^{[ 11 ] [ 12 ]} Sin embargo, este término es ambiguo y la IUPAC lo desaconseja . ^{[ 13 ] [ 14 ]}

Algunos pares de enantiómeros (como los del trans -cicloocteno ) pueden interconvertirse mediante movimientos internos que modifican ligeramente las longitudes y los ángulos de los enlaces. Otros pares (como el CHFClBr) no pueden interconvertirse sin romper enlaces y, por lo tanto, presentan configuraciones diferentes.

Los estereoisómeros que no son enantiómeros se denominan diastereómeros . Algunos diastereómeros pueden contener centros quirales , y otros no. ^{[ 15 ]}

isomería cis-trans

Un doble enlace entre dos átomos de carbono obliga a los cuatro enlaces restantes (si son simples) a situarse en el mismo plano, perpendicular al plano del enlace definido por su orbital π . Si los dos enlaces de cada carbono se unen a átomos diferentes, son posibles dos conformaciones distintas que difieren entre sí por una torsión de 180 grados de uno de los carbonos alrededor del doble enlace.

El ejemplo clásico es el dicloroeteno.${\displaystyle {\ce {C2H2Cl2}}}$, específicamente el isómero estructural${\displaystyle {\ce {Cl-HC=CH-Cl}}}$que tiene un átomo de cloro unido a cada átomo de carbono. Tiene dos isómeros conformacionales, con los dos átomos de cloro en el mismo lado o en lados opuestos del plano del doble enlace. Tradicionalmente se les llama cis (del latín que significa "de este lado") y trans ("del otro lado"), respectivamente, o Z y E en la nomenclatura recomendada por la IUPAC . La conversión entre estas dos formas generalmente requiere la ruptura temporal de enlaces (o la transformación del doble enlace en un enlace simple), por lo que se consideran configuraciones diferentes de la molécula.

En términos más generales, la isomería cis - trans (anteriormente llamada "isomerismo geométrico") se produce en moléculas donde la orientación relativa de dos grupos funcionales distinguibles está restringida por una estructura algo rígida de otros átomos. ^{[ 16 ]}

Por ejemplo, en el alcohol cíclico inositol${\displaystyle {\ce {(CHOH)6}}}$(un alcohol séxtuple de ciclohexano), el esqueleto cíclico de seis carbonos impide en gran medida el hidroxilo${\displaystyle {\ce {-OH}}}$y el hidrógeno${\displaystyle {\ce {-H}}}$en cada carbono de intercambiar posiciones. Por lo tanto, se tienen diferentes isómeros configuracionales dependiendo de si cada hidroxilo está en "este lado" o "el otro lado" del plano medio del anillo. Descartando los isómeros que son equivalentes bajo rotaciones, hay nueve isómeros que difieren según este criterio y se comportan como sustancias estables diferentes (dos de ellos son enantiómeros entre sí). El más común en la naturaleza ( mio -inositol) tiene los hidroxilos en los carbonos 1, 2, 3 y 5 en el mismo lado de ese plano, y por lo tanto puede llamarse cis -1,2,3,5– trans -4,6-ciclohexanohexol. Y cada uno de estos isómeros cis - trans puede tener posiblemente conformaciones estables de "silla" o "bote" (aunque las barreras entre estas son significativamente más bajas que las de los diferentes isómeros cis - trans ).

Los isómeros cis y trans también se presentan en compuestos de coordinación inorgánicos , como los de geometría plano-cuadrada.${\displaystyle {\ce {MX2Y2}}}$complejos y octaédricos${\displaystyle {\ce {MX4Y2}}}$complejos.

Para moléculas orgánicas más complejas, las etiquetas cis y trans pueden ser ambiguas. En tales casos, se emplea un esquema de etiquetado más preciso basado en las reglas de prioridad de Cahn-Ingold-Prelog . ^{[ 17 ] [ 15 ]}

Los distintos isótopos de un mismo elemento pueden considerarse como distintos tipos de átomos al enumerar los isómeros de una molécula o ion. La sustitución de uno o más átomos por sus isótopos puede generar múltiples isómeros estructurales y/o estereoisómeros a partir de un único isómero.

Por ejemplo, reemplazando dos átomos de hidrógeno común (${\displaystyle {\ce {^1 H}}}$) por deuterio (${\displaystyle {\ce {^2 H}}}$, o${\displaystyle {\ce {D}}}$) en una molécula de etano produce dos isómeros estructurales distintos, dependiendo de si las sustituciones están ambas en el mismo carbono (1,1-dideuteroetano,${\displaystyle {\ce {HD2C-CH3}}}$) o uno en cada carbono (1,2-dideuteroetano,${\displaystyle {\ce {DH2C-CDH2}}}$); como si el sustituyente fuera cloro en lugar de deuterio. Las dos moléculas no se interconvierten fácilmente y tienen propiedades diferentes, como su espectro de microondas . ^{[ 18 ]}

Otro ejemplo sería sustituir un átomo de deuterio por uno de los hidrógenos en el clorofluorometano (${\displaystyle {\ce {CH2ClF}}}$). Si bien la molécula original no es quiral y tiene un solo isómero, la sustitución crea un par de enantiómeros quirales de${\displaystyle {\ce {CHDClF}}}$, que podrían distinguirse (al menos en teoría) por su actividad óptica. ^{[ 19 ]}

Cuando dos isómeros serían idénticos si todos los isótopos de cada elemento se reemplazaran por un solo isótopo, se describen como isótopos o isómeros isotópicos. ^{[ 20 ]} En los dos ejemplos anteriores, si todos${\displaystyle {\ce {D}}}$fueron reemplazados por${\displaystyle {\ce {H}}}$, los dos dideuteroetanos se convertirían en etano y los dos deuteroclorofluorometanos se convertirían en${\displaystyle {\ce {CH2ClF}}}$.

El concepto de isótopos es diferente al de isotopólogos u homólogos isotópicos, que difieren en su composición isotópica. ^{[ 20 ]} Por ejemplo,${\displaystyle {\ce {C2H5D}}}$y${\displaystyle {\ce {C2H4D2}}}$son isotopólogos y no isótopos, y por lo tanto no son isómeros entre sí.

Otro tipo de isomería basada en propiedades nucleares es la isomería de espín , donde las moléculas difieren solo en los números cuánticos magnéticos de espín relativos m _s de los núcleos atómicos constituyentes. Este fenómeno es significativo para el hidrógeno molecular, que puede separarse parcialmente en dos estados de larga duración descritos como isómeros de espín ^{[ 21 ]} o isómeros de espín nuclear: ^{[ 22 ]} parahidrógeno, con los espines de los dos núcleos apuntando en direcciones opuestas, y ortohidrógeno, donde los espines apuntan en la misma dirección.