Isómeros

           Dos compuestos con igual fórmula molecular pero con propiedades físicas y/o químicas diferentes se denominan isómeros. La palabra isómero se emplea, a modo de término general, para designar aquellos compuestos que están relacionados entre sí de alguna de las siguientes formas: como isómeros estructurales o como estereoisómeros.  

            Los isómeros constitucionales o estructurales son los que difieren en el orden en el que se enlazan los átomos en la molécula. Por ejemplo, el n-butano y el 2-metilpropano son dos isómeros estructurales con fórmula molecular C₄H₁₀. En el n-butano hay dos clases diferentes de carbonos: los carbonos C1 y C4, con un enlace C-C y tres enlaces C-H, y los C2 y C3, que presentan dos enlaces C-C y dos enlaces C-H.  En el 2-metilpropano hay también dos clases diferentes de carbono: los carbonos C1, C3 y C4, similares a los carbonos C1 y C4 del butano puesto que tienen un enlace C-C y tres enlaces C-H, y el carbono C2, que tienen tres enlaces C-C y un enlace C-H. En el butano no hay ningún átomo de carbono con estas características.

            Los isómeros estructurales pueden ser; de función, de posición o de cadena.

            Los Estereoisómeros se definen como isómeros que tienen la misma secuencia de átomos enlazados covalentemente, pero con distinta orientación espacial. Hay dos clases de esteroisómeros:

a) Isómeros conformacionales o confórmeros, que son aquellos que se interconvierten rápidamente a temperatura ambiente mediante rotaciones sobre enlaces sencillos. Esta clase de isómeros no pueden separarse.

b) Isómeros configuracionales, que no pueden interconvertirse y, por tanto, pueden separarse. Hay dos clases de isómeros configuracionales:

b.1) Los que se originan por la distinta orientación espacial de átomos o grupo de átomos alrededor de un enlace doble y que se denominan isómeros geométricos.

b.2) Los que se originan por la distinta orientación espacial de átomos o grupos de átomos alrededor de un carbono tetraédrico (hibridación sp³). Esta clase de esteroisómero abarca a dos tipos de isómeros configuracionales:

            Los enantiómeros que se relacionan entre sí por ser imágenes especulares no superponibles.  Los diastereoisómeros o diasterómeros, isómeros configuracionales que no son imagen especular uno del otro.

Isomería conformacional.

a) Isomería conformacional en compuestos acíclicos.

            En la figura 1 se representa la molécula de metano mediante un sistema que da una idea de la forma tridimensional de este compuesto. Como se puede apreciar los cuatro enlaces covalentes C-H se dibujan de tres formas diferentes. Los dos enlaces covalentes C-H, dibujados en trazo simple, están contenidos en el plano del papel, mientras que el enlace C-H, dibujado en trazo grueso en forma de cuña se dirige hacia el observador. El cuarto enlace C-H está dibujado mediante una línea a trazos, y también en forma de cuña, y esta forma de representar el enlace significa que este enlace se aleja del observador.

            En la figura 2 se ha representado la molécula de metano en un modelo de varillas y bolas. Se puede apreciar cómo el átomo de hidrógeno que está más cerca del observador, el enlazado en la figura 1 con el trazo grueso en forma de cuña, presenta un mayor volumen que el resto de los átomos de hidrógeno. El átomo de hidrógeno más pequeño en la figura 2 se corresponde con el átomo de hidrógeno de la figura 1, que está enlazado con la línea a trazos (se aleja del observador). El tamaño diferente de los átomos de hidrógeno en la figura 2 representa una visión real de esta molécula.

            ¡Atención: no es que los átomos de hidrógeno sean de tamaño diferente, sino que al ser del mismo tamaño el que está más cerca del observador se ve más voluminoso que los que están más alejados debido al efecto de la perspectiva!

            El siguiente hidrocarburo en complejidad, después del metano, es el etano cuya fórmula molecular es C₂H₆. Los dos grupos CH₃ unidos por el enlace C-C, y que constituyen la molécula de etano, se denominan grupos metilo. En la figura 3 se dibuja la molécula de etano en la representación aplastada. Mientras que la figura 4 es una representación más real, con enlaces gruesos en forma de cuña que se acercan al observador, y enlaces a trazos que se alejan del observador, y que ponen de manifiesto la forma tridimensional del etano.

            Si se observase la representación del etano de la figura 4 a lo largo del enlace C-C se vería una disposición de átomos de manera que el primer átomo de carbono, el que estuviese más cerca del observador, taparía (eclipsaría) al otro átomo de carbono pero ninguno de los hidrógenos del grupo metilo (CH₃) más cercano al observador taparía a los hidrógenos del grupo metilo más alejado. Esta forma de ver la molécula de etano se dibuja en la figura 5. A esta disposición de los átomos de hidrógeno de la molécula de etano, en la que ninguno de los átomos de hidrógeno de un grupo metilo eclipsa (tapa) a ninguno de los átomos de hidrógeno del otro grupo metilo se le denomina conformación alternada del etano. En las figuras 6 y 7 se dibujan las disposiciones de las figuras 4 y 5, respectivamente, pero mediante el modelo de varillas y bolas.

            Una característica del etano es que los dos grupos que constituyen su estructura no están fijos en una posición determinada sino que pueden girar con relativa libertad alrededor del enlace sigma que mantiene unidos a los dos átomos de carbono. Esto es así porque el enlace σ es capaz de mantener el solapamiento lineal sp3-sp3 a pesar del giro relativo de los dos grupos metilo. El giro de los grupos metilo de la conformación alternada puede llevar a otra disposición relativa de los átomos de hidrógeno de los grupos metilo, de manera que en la nueva colocación los átomos de hidrógeno de un grupo metilo eclipsan a los átomos de hidrógeno del otro grupo metilo. A esta disposición particular de la molécula de etano se le denomina conformación eclipsada. 

            En las figuras 8, 9 y 10 se representa la conformación eclipsada del etano de tres formas diferentes.

            La representación de la molécula de metano, tal y como aparece en las figuras 5 y 8, se denomina representación de Newman. Esta forma de representar las moléculas orgánicas Implica la visión de la molécula desde el extremo del eje de un enlace C-C. El átomo de carbono que queda más próximo al observador se representa por un punto central del que emergen los enlaces restantes. El átomo de carbono posterior se representa por un círculo.  La representación de la molécula de etano, tal y como aparece en la figura 10, se denomina representación de caballete o en perspectiva. Esta forma de representar las moléculas orgánicas implica la visión de la molécula desde arriba y desde la derecha de un enlace C-C. Todos los enlaces se dibujan con líneas continuas, de forma que la representación angular proporciona una imagen en perspectiva de la estructura tridimensional.

Isomería geométrica.

            El doble enlace de los alquenos se representa mediante una doble línea que une a los dos átomos de carbono olefínicos. La orientación de los orbitales sp² y el solapamiento de los orbitales p en el etileno obliga a colocar a los cuatro átomos que componen esta olefina en el mismo plano. En el esquema que aparece a continuación se indican varias representaciones de Lewis del etileno, así como las correspondientes representaciones en el modelo de varillas y bolas. La vista superior pone de manifiesto la planaridad de este compuesto.

            El siguiente alqueno en complejidad estructural, después del etileno, es el propileno, de fórmula molecular C₃H₆. La representación de este compuesto se da en el siguiente esquema:

            Obsérvese que en la molécula de propileno los tres átomos de carbono y los tres átomos de hidrógeno unidos a los carbonos sp² están contenidos en un plano, no así los tres átomos de hidrógeno del grupo metilo (CH₃) que están enlazados a un carbono con hibridación sp³.  Después del propileno el siguiente hidrocarburo olefínico es el de fórmula molecular C₄H₈. Con esta fórmula se pueden dibujar hasta un total de cuatro olefinas diferentes, que son las que se indican a continuación:

            Dos de los isómeros anteriores, los denominados cis-2-buteno y trans-2-buteno no son isómeros estructurales entre sí, puesto que ambos tienen la misma secuencia de átomos enlazados covalentemente. La diferencia entre ellos estriba en la posición relativa en la que se encuentran dispuestos los grupos metilo y los átomos de hidrógeno y esta clase de isómeros, que se forman como consecuencia de la distinta orientación espacial de átomos o grupo de átomos alrededor de un enlace doble, se denominan isómeros geométricos. En el denominado cis-2-buteno los dos grupos metilo están del mismo lado del doble enlace, mientras que en el trans-2-buteno estos dos grupos metilo están situados en lados opuestos del doble enlace. A continuación, se dan las representaciones en los modelos de varillas y bolas de cis- y trans-2- buteno:

¿Cómo se explica la existencia de dos isómeros diferentes del 2-buteno? La respuesta reside en la rotación restringida a lo largo del doble enlace carbono-carbono. La energía de disociación del doble enlace C=C es aproximadamente de 146 kcal/mol y la energía de disociación de un enlace simple C-C es de 83 kcal/mol. Por tanto, la energía de disociación del enlace π debe ser de 63 kcal/mol. Los extremos de la molécula de 2-buteno no pueden torcerse entre sí, porque para ello se debería romper el enlace π. Por tanto, a diferencia de lo que ocurre en los enlaces simples, en los enlaces dobles C=C no hay libre rotación. Como se ha apuntado antes, este es el origen de la isomería cis-trans.

Quiralidad: noción de centro esteroquímico.

            El tipo de estereoisomería más interesante es el que da lugar a la actividad óptica. A principios de siglo XIX Biot señaló que algunas sustancias orgánicas de origen natural poseían la propiedad de girar el plano de la luz polarizada. Este fenómeno consiguió explicarse cuando los químicos comenzaron a considerar la disposición tridimensional de las moléculas en el espacio y la configuración tetraédrica del átomo de carbono. Las propiedades geométricas de un carbono con hibridación sp3 hacen que, en el caso de que esté unido a cuatro átomos o grupos de átomos diferentes, la molécula no tenga plano de simetría y que existan dos maneras diferentes de ordenar a los cuatro átomos o grupos de átomos. Estas dos ordenaciones o configuraciones generan dos formas isoméricas denominadas enantiómeros, que son imágenes especulares entre sí pero que no son superponibles.

            Cuando esto ocurre se dice que la molécula es quiral y óptimamente activa, puesto que es capaz de desviar el plano de la luz polarizada. Dos enantiómeros desvían el plano de la luz polarizada en la misma magnitud pero en sentidos opuestos.  Al carbono con hibridación sp3 que está unido a cuatro átomos o grupos de átomos diferentes se le denomina estereocentro o centro estereogénico. En la siguiente figura se dibuja un compuesto de carbono con hibridación sp³ unido a cuatro grupos diferentes, representados por cuatro colores distintos. El reflejo de esta estructura genera su enantiómero:

            En la siguiente representación se indican dos compuestos enantioméricos, cuyo estereocentro está unido a cuatro grupos diferentes simbolizados por dos bolas una de color granate y otra verde, un triángulo de color azul y un rectángulo de color naranja.  Se puede observar en el dibujo la imposibilidad de superposición entre los enantiómeros.  Cuando una molécula es superponible con su imagen especular se dice que no es ópticamente activa y por tanto es incapaz de desviar el plano de la luz polarizada. Normalmente esto ocurre cuando la molécula presenta un plano de simetría.

            La quiralidad no es una propiedad exclusiva de las moléculas orgánicas que contienen estereocentros. En la vida ordinaria se pueden encontrar objetos quirales, y por tanto, no superponibles con su imagen especular, como la mano derecha y la mano izquierda, el pie derecho y el izquierdo, el zapato derecho y el izquierdo, etc.