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2 del curso de química orgánica correspondiente al tema de isomería. Vamos a comenzar presentando una visión global del tema.
Los isómeros son compuestos diferentes de igual fórmula molecular. Recordemos que la fórmula molecular de una sustancia nos indica el número de átomos diferentes que están presentes. Por otra parte, las fórmulas estructurales nos indican cómo están acomodados los átomos. Las moléculas que contienen el mismo número y tipo de átomos pero con diferentes ordenamientos, es decir, enlazados de diferente manera, se llaman isómeros estructurales o constitucionales. Presentan diferente patrón de enlace.
Vamos a desarrollar este tipo de isomería y vamos a hablar de isómeros de cadenas. Se distinguen por la diferente estructura de las cadenas carbonadas. Un ejemplo de este tipo de isómeros son el butano y el isobutano o metilpropano. El metano tiene los 4 carbonos enlazados en forma lineal, mientras que el metilpropano tiene los tres pasos de carbono en línea y el cuarto como sustituyente en la cadena principal.
Los isómeros de posición se caracterizan por pertenecer a la misma familia orgánica. El grupo funcional ocupa una posición diferente en cada isómero. Por ejemplo, el 1-propanol, en el cual el hidroxilo se encuentra en el carbono 1, y el 2-propanol, en el cual el hidroxilo se encuentra en el carbono 2.
Esto no me hace feliz. Presentan grupos funcionales diferentes. El 1-propanol y el éter metílico presentan la misma fórmula molecular. Todos pertenecen a familias diferentes, pero para mí es un alcohol y el éter metílico es un éter. Por eso se clasifican como isómeros de funciones.
Además de los isómeros caracterizados por un diferente patrón de enlaces, es decir, por tener distinta fórmula estructural, tenemos los estereoisómeros. Éstos tienen las mismas uniones de átomos, el mismo orden de unión de los átomos, idéntico patrón de enlaces, pero diferente orientación de éstos en el espacio. Los estereoisómeros pueden clasificarse de acuerdo con su facilidad para interconvertirse. Pueden ser conformacionales, los cuales pueden convertirse por rotación en torno a un enlace sencillo, o pueden ser isómeros configuracionales, los cuales sólo pueden interconvertirse al romper enlaces covalentes y formar los de nuevo.
Vamos a ver entonces el concepto de conformeros. Éstos son los isómeros cuyos átomos están conectados en el mismo orden, pero con disposición espacial diferente. La isomería conformacional son las distintas estructuras de unos compuestos que surgen como resultado de la libre rotación de los enlaces simples y la flexibilidad de los ángulos de enlace.
Veamos las conformaciones que presenta el etano, el arcano más sencillo. En estas, el arcano más sencillo que puede existir en diferentes conformaciones de las infinitas conformaciones que se pueden obtener por giro de enlaces carbono-carbono, se destacan por su importancia las conformaciones escalonadas o alternadas y la conformación eclipsada. Como puede verse en la figura, la conformación escalonada o alternada, en los hidrógenos del primer átomo de carbono situados entre los hidrógenos del segundo átomo de carbono, no existen hidrógenos enfrentados. En esta conformación, los enlaces carbono-hidrógeno de ambos carbonos se encuentran al azar, formando ángulos de 60 grados. La segunda conformación se llama eclipsada. En ella, los enlaces carbono-hidrógeno de ambos carbonos quedan enfrentados, es decir, eclipsados.
En el etano, la barrera energética para que se conviertan los conformeros es pequeña. A temperatura ambiente, la cantidad de energía disponible es suficiente para que se interconviertan con rapidez los conformeros escalonados y eclipsados. En consecuencia, los conformeros no se pueden separar entre sí por medio de pruebas físicas.
Sabemos que ambas formas no tienen la misma estabilidad. La conformación eclipsada del etano es la de mayor energía, está hacia abajo, es decir, es la más inestable. La conformación alternada o escalonada es la más estable de las conformaciones del etano, es decir, es la de menor energía. Las razones de por qué se prefiere esta conformación es que los electrones de enlace en los carbonos adyacentes se encuentran lo más alejados posible y, por tanto, experimentan menor repulsión.
Existen varias formas para representar esquemáticamente las conformaciones existentes por la rotación de enlaces carbono-carbono. Las tres representaciones tienen en cuenta el hecho de que se trata de representar moléculas divinas. Tenemos así las representaciones de líneas y cuñas. Una línea de trazo continuo representa un enlace. Una cuña de trazo a uno eso representa un enlace hacia adelante del plano y una cuña discontinua representa un enlace hacia atrás.
En la representación de caballete se representa la conformación de la molécula sin tener que usar diferentes estilos de enlace. El observador visualiza la molécula desde arriba y desde la derecha del enlace carbono-carbono.
En la proyección de Newman, el observador visualiza la molécula a lo largo del eje carbono-carbono desde uno de los extremos. El carbono más cercano se representa por un punto con los tres grupos unidos a él dispuestos radialmente. El carbono más alejado se representa por un círculo y sus enlaces parten radialmente del contorno de este círculo.
También el ciclohexano u otras moléculas cíclicas presentan conformaciones. Estos isómeros aparecen debido a los plegamientos de los enlaces. Los alcanos con más de tres átomos de carbono no son planos como nosotros los hacemos representados y tienen conformaciones plegadas. Estos dobleces permiten que la molécula adopte la conformación más estable, es decir, con la menor energía de tensión angular.
Los anillos de 6 miembros, como los ciclohexanos, son algo especial y se han estudiado con mucho detalle, ya que son muy comunes en la naturaleza. El ciclohexano no es plano. Los ángulos internos carbono-carbono serían los de un hexágono regular, es decir, 120 grados, mucho mayores que los ángulos tetraédricos de 109,5 correspondientes a la hibridación sp3 de cada átomo de carbono. La tensión que resultaría de una estructura plana con ángulos de 120 grados sería de gran tensión angular y evitaría, y sería imposible que el ciclohexano fuera plano.
Aquí tenemos dos conformaciones del ciclohexano, una más estable que la otra. La conformación más estable es la forma de silla, un ordenamiento en el que todos los ángulos de enlaces carbono-carbono miden aproximadamente 109,5 grados y todos los hidrógenos unidos sobre carbonos adyacentes se encuentran perfectamente escalonados. La silla está casi libre de tensión angular. Posee dos tipos de hidrógenos: axiales y ecuatoriales. En esta conformación de silla, sobre el plano constituido por los átomos de carbono, hay tres hidrógenos axiales hacia arriba y otros tres hidrógenos axiales hacia abajo. Los enlaces ecuatoriales se encuentran prácticamente en el mismo plano. El equilibrio conformacional del ciclohexano interconvierte los hidrógenos axiales y ecuatoriales, lo cual ocurre con mucha rapidez a temperatura ambiente.
La segunda conformación del ciclohexano, mucho menos estable, es la de bote. En esta conformación, si bien los ángulos son próximos a los 109,5 grados, la tensión angular elimina el bote. El bote está desestabilizado por la repulsión entre los hidrógenos que se sitúan hacia el interior del bote.
Antes de los estereoisómeros, tenemos los isómeros conformacionales que aparecen por giros o plegamientos de las moléculas. Vamos ahora a ver la isomería configuracional, en la cual los isómeros no se interconvierten entre sí por giro de enlaces, sino que para convertir un modelo debemos romper un enlace y volver a formar otro. Dentro de esta isomería configuracional tenemos la isomería geométrica o cis-trans y la isomería óptica.
Dentro de la isomería geométrica, vamos a ver isomería geométrica en cicloalcanos e isomería geométrica en moléculas con dobles enlaces, es decir, en alquenos.
Consideremos, por ejemplo, las estructuras posibles para el 1,2-dimetilciclohexano. Si lo pensamos para simplificar, no tomaremos en cuenta el ligero plegamiento del anillo y los dibujaremos como si fuera plano. Los dos grupos metilo pueden estar hacia el mismo lado del plano del anillo, y entonces hablaremos de isómeros cis, o hacia lados contrarios, en este caso el isómero se denominará trans. Cis viene del latín "cui", que significa "del mismo lado", y trans, del latín "trans", que significa "del otro lado". Los isómeros cis y trans difieren uno del otro solamente en la forma como están acomodados en el espacio los átomos o grupos de átomos. Esta diferencia es suficiente para darles distintas propiedades físicas y químicas. A diferencia de los conformeros, no pueden interconvertirse por rotación en torno a enlaces carbono-carbono. Los isómeros cis y trans se pueden separar uno del otro sin que haya interconversión entre ellos.
La isomería cis-trans es muy importante en la determinación de las propiedades biológicas de las moléculas. Por ejemplo, una molécula en la cual dos grupos reactivos son cis tendrá una interacción diferente con una enzima o un receptor biológico que no tendría su isómero en la cual los dos grupos son trans.
En esta pantalla vemos otros ejemplos de isómeros cis-trans en cicloalcanos. Aquí vemos los isómeros cis de un 1,2-dibromociclopropano. Podemos ver que no necesariamente los sustituyentes deben ser iguales como en el ejemplo anterior, pueden ser diferentes. La condición es que sean dos y que se encuentren enlazados a átomos de carbono diferentes del anillo.
Aquí vemos las representaciones del cis y trans-1,4-ciclohexanodiol. Considerando el ligero plegamiento del anillo con conformaciones silla, podemos ver el grupo hidroxilo en esta representación trans dispuestos uno hacia abajo y otro hacia arriba del plano formado por el esqueleto carbonado, mientras que en el isómero cis ambos constituyentes hidroxilo se están ubicados hacia el mismo lado del plano, en este caso hacia arriba.
También los alquenos presentan isomería geométrica o isomería cis-trans. Para que haya isomería cis-trans, los átomos de carbono del doble enlace deben tener dos átomos o grupos de átomos diferentes unidos a ellos. Si no, no presentará isomería cis-trans.
El propeno no presenta isomería geométrica, ya que el carbono 1 tiene dos sustituyentes idénticos, dos átomos de hidrógeno. Por lo tanto, hay una única representación, el 1-propeno.
El 2-buteno sí se presenta como isómero cis y trans, dado que cada carbono del doble enlace extiende dos sustituyentes diferentes entre sí. Este es el isómero cis cuando los dos hidrógenos están del mismo lado del doble enlace, y este es el isómero trans cuando los dos hidrógenos están en lados opuestos del doble enlace.
Estos isómeros configuracionales tienen diferentes propiedades físicas, por ejemplo, diferentes puntos de fusión y de ebullición. Por esta razón, una mezcla de isómeros cis y trans de un alqueno puede separarse por destilación por tener diferentes puntos de ebullición.
En algunas ocasiones, la denominación cis-trans es ambigua. Por ejemplo, en el caso del 1-bromo-2-cloropropeno, cuando hablamos del isómero cis, no queda claro cuáles grupos se encuentran del mismo lado del plano de referencia y cuáles de diferente lado. En este caso, se utiliza el convenio E/Z.
La diapositiva anterior explica cómo se aplica este convenio, que lo vamos a aplicar directamente. Lo vamos a explicar el convenio aplicándolo directamente a este ejemplo para asignar la configuración Z o E. Debemos asignar una prioridad a cada uno de los sustituyentes de cada carbono del doble enlace. Nuestra prioridad se determina según el número atómico de los átomos directamente unidos a cada uno de los carbonos que participan del doble enlace. El átomo de mayor número atómico tiene la mayor prioridad. En este caso, el bromo (número atómico 35) tiene prioridad respecto del cloro (número atómico 17). Analizando los grupos unidos al otro carbono del doble enlace, el metilo (número atómico 6) tiene prioridad respecto del hidrógeno (número atómico 1). Los dos grupos prioritarios se encuentran del mismo lado del plano de referencia, por lo tanto, se le asigna la configuración Z. En el caso del 1-bromo-2-cloro-1-propeno, el doble enlace presenta los dos grupos de mayor prioridad en lados opuestos, como es en el caso del isómero trans, se le asigna la configuración E.
Y vamos a ver el último tipo de estereoisómeros: los isómeros ópticos. Un isómero óptico es aquel que tiene la propiedad de hacer girar el plano de la luz polarizada hacia la derecha o hacia la izquierda. Esta propiedad se mide en un aparato llamado polarímetro y se denomina actividad óptica. Si gira la luz hacia la derecha, se denomina dextrógiro, y si lo hace girar hacia la izquierda, se denomina levorrotatorio.
Aquí vemos el esquema de un polarímetro. Los rayos de luz común consisten en ondas que vibran en todos los planos posibles perpendiculares a la dirección de propagación. Vemos aquí una fuente de luz y la dirección de propagación, y la luz se propaga vibrando en todos los planos perpendiculares a esta dirección de propagación. Cuando la luz se hace pasar a través de ciertos materiales, el haz de luz emerge de ese material vibrando en un único plano, y se dice que esta es luz polarizada en un plano.
¿Cómo se polariza la luz? Una forma común de polarizar la luz es pasarla a través de un mecanismo formado por dos láminas de islandia, que es carbonato de calcio cristalino. Se llama prisma de Nicol, que fue descubierta en 1828 por el físico británico William Nicol. El estadounidense Edwin Land desarrolló después un material polarizador llamado Polaroid, que contiene un compuesto orgánico cristalino orientado apropiadamente y fijado en un plástico transparente. Las lentes de sol de calidad tienen a menudo cristales que se fabrican con Polaroid.
¿Cómo funciona el polarímetro? En primer lugar, se coloca un tubo de la muestra vacío. Se hace pasar un rayo de luz. Para bloquear el paso de la luz, la persona, el observador, debe alinear esta lente analizadora, que es móvil, de manera que los ejes de ambas sean perpendiculares. De esta manera, el haz de luz no llegará al detector, el cual observará un campo oscuro. A continuación, se coloca una sustancia en el tubo para la muestra. Las sustancias se suelen colocar de forma líquida, y si no, en solución. Si esta sustancia es ópticamente inactiva, no ocurre cambio alguno, el campo visual permanece oscuro. Pero si la sustancia que se expuso en el tubo es prácticamente activa, rota el plano de polarización y una parte de la luz puede pasar a través del analizador hasta el observador. El observador puede girar esta lente móvil en el sentido de las manecillas del reloj o en sentido contrario para bloquear nuevamente el rayo de luz y recuperar el campo oscuro. El ángulo de rotación del analizador en este experimento se designa como alfa y se denomina rotación observada.
Esa rotación observada alfa será igual al número de grados que la sustancia ópticamente activa hizo rotar el plano del rayo de luz polarizada. Si el analizador se gira hacia la derecha, en el sentido de las manecillas del reloj, se dice que la sustancia ópticamente activa es dextrógira. Si se gira hacia la izquierda, en el sentido contrario a las manecillas del reloj, las sustancias levógiras se indican con un signo menos.
La rotación observada alfa en una muestra de una sustancia ópticamente activa depende de su estructura molecular y también del número de moléculas en el tubo de la muestra, de la longitud del tubo, de la longitud de onda de la luz polarizada y de la temperatura. Para poder comparar la actividad de estas sustancias diferentes, se deben estandarizar estos factores.
La rotación específica, que se indica con [alfa] entre corchetes, de una sustancia se define mediante esta expresión. Aquí, alfa es la rotación observada. La rotación específica se calcula dividiendo la rotación observada entre la concentración de la solución en gramos por mililitro, multiplicada por la longitud del tubo que contiene la muestra, que debe darse en decímetros, y por la temperatura de la solución. La longitud de onda de la luz polarizada. La fuente de luz más común es la correspondiente a la línea D de una lámpara de vapor de sodio, que tiene una longitud de onda de 589,3 nanómetros. Entonces, la rotación alfa será positiva para sustancias dextrógiras y negativa para sustancias levógiras.
Vamos a definir qué se entiende por quiralidad. La quiralidad es una propiedad según la cual un objeto, no necesariamente una molécula, no es superponible con su imagen especular. La palabra quiral proviene del griego "cheir", que significa "mano". Una molécula u objeto quiral es aquel que presenta la propiedad de ser como una mano. La imagen especular de una mano izquierda no es otra mano izquierda, sino la mano derecha. Una mano y su imagen especular no se pueden superponer. Se dice que una mano es quiral. Cuando un objeto es quiral, se dice que él y su imagen especular son enantiómeros.
En el caso de tener un objeto como una pelota esférica, también su imagen especular es una pelota esférica. En este caso, el objeto y su imagen especular son superponibles. Así, una pelota es aquiral.
La quiralidad es una propiedad importante de la naturaleza, ya que la mayoría de los compuestos biológicos son quirales. Una molécula u objeto es quiral cuando no presenta ningún elemento de simetría, ya sea un plano, un eje o un centro de simetría. Ejemplos de objetos quirales (no contienen plano de simetría): una mano, un pie, un zapato, una oreja. Ejemplos de objetos aquirales (presentan plano de simetría): una escalera, un tenedor, una iglesia.
Aquí también podemos ver por qué estamos diciendo en el caso de las hélices. En este caso, podemos observar que, desde la vista de frente, presenta un plano de simetría, por lo tanto, la molécula y su imagen especular B son superponibles. Se trata de la misma molécula, es decir, A y B no son isómeros, son moléculas idénticas. Cuando una molécula es superponible con su imagen especular, se dice que no es ópticamente activa y, por tanto, es incapaz de hacer girar el plano de la luz polarizada.
Como por ejemplo, la molécula A no tiene ningún plano de simetría. Su imagen especular B no es superponible con A. A y B son enantiómeros. Este par de enantiómeros desvía el plano de la luz polarizada en la misma magnitud, pero en sentido opuesto.
¿Cómo identificamos un centro quiral? A partir de la fórmula estructural de una molécula, podemos decir que los estereoisómeros ópticos tienen por lo menos un carbono quiral. A este carbono también se lo suele llamar carbono asimétrico o centro estereogénico, porque es generador de estereoisomería. Un carbono es quiral o asimétrico cuando está unido a cuatro sustituyentes diferentes. Una molécula quiral no es lo mismo que un carbono quiral. Una molécula es quiral cuando no presenta ningún elemento de simetría. Las moléculas quirales presentan actividad óptica.
Aquí vemos una molécula y su imagen especular. Ahora lo que vamos a hacer es formar la molécula para tratar de superponer la molécula con su imagen especular. Vemos que la molécula rosada no puede superponerse a su imagen especular. Se trata de una molécula quiral. Por ejemplo, tenemos la molécula original y su imagen especular. Si superponemos la molécula original y vemos que es superponible con su imagen especular, se trata de una molécula aquiral.
Aquí podemos ver en este caso. Este carbono es un centro quiral, dado que está unido a cuatro sustituyentes diferentes. En este otro caso, el hecho de que este centro esté unido a dos grupos idénticos no lo hace un centro quiral.
Vemos el caso del 2-butanol. Tiene un centro quiral localizado en el carbono 2, el cual está marcado con un asterisco (centro quiral) porque tiene cuatro sustituyentes diferentes: el hidroxilo, el etilo, el metilo y el hidrógeno. La molécula y su imagen especular no son superponibles. La molécula original y su imagen especular son enantiómeros.
Los enantiómeros poseen las mismas propiedades físicas (como punto de fusión, punto de ebullición, densidad), pero hacen girar el plano de luz polarizada a la misma cantidad de grados, es decir, igual magnitud en sentido contrario. Son importantes porque presentan diferentes interacciones con compuestos diferentes y con enzimas. En reacciones biológicas, un enantiómero puede ser un fármaco, mientras que el otro puede no tener actividad. Por ejemplo, el S-adrenalina es un estimulante cardíaco, la R-adrenalina no tiene actividad. Uno de los enantiómeros puede ser tóxico y el otro inofensivo. Uno puede ser un antibiótico y el otro no tener actividad.
Dijimos que la isomería óptica es muy importante en el campo de la biología, dado que los organismos vivos conservan y sintetizan compuestos quirales. Sólo los L-aminoácidos son muy usados en la síntesis de las proteínas. Cuando realizamos una proteína, los aminoácidos producto de esa hidrólisis son L-aminoácidos. El ADN contiene solamente D-azúcares.
Los enantiómeros tienen diferentes propiedades biológicas debido a que estas generalmente implican la reacción con otra molécula quiral. Por ejemplo, la enzima deshidrogenasa del ácido láctico oxida el ácido láctico dextrógiro hasta ácido pirúvico, pero no oxida al ácido láctico levógiro.
Y para terminar, vamos a definir qué se entiende por racemato. Un racemato es aquella mezcla que contiene un par de enantiómeros en una proporción del 50% de cada uno. Uno de los enantiómeros de la mezcla desvía el plano de polarización de la luz en un ángulo, pero en sentido contrario que el otro enantiómero. Esta mezcla no produce desviación de la luz polarizada, es decir, no tiene actividad óptica.