Tipos de Isómeros: Isómeros Constitucionales, Estereoisómeros, Enantiómeros, Y Diastereoisómeros
¿Cómo saber si las moléculas están «relacionadas»? Y una vez que sabemos que lo son, ¿cómo averiguamos qué tipo de isómero son?, Son isómeros constitucionales (misma fórmula, conectividad diferente), estereoisómeros (misma conectividad, disposición diferente), enantiómeros (estereoisómeros que son imágenes espejo no superponibles) o diastereómeros (estereoisómeros que no son imágenes espejo no superponibles.
¿O son lo mismo? :- ) Responder a todas estas preguntas!y más!
Tabla de Contenidos
- «¿Cómo Estamos Relacionados, de Nuevo?»- Cómo los isómeros son como miembros de la familia
- Los tipos de relaciones entre moléculas
- Cómo distinguir un par de no isómeros vs., Un par de isómeros
- Tipos de isómeros: los isómeros Constitucionales tienen diferentes Conectivitas
- Tipos de isómeros: los estereoisómeros tienen la misma conectividad pero una disposición diferente de sus átomos en el espacio
- «Elementos» Estereogénicos en estereoisómeros
- Tipos de estereoisómeros: enantiómeros vs.No enantiómeros (también conocidos como diastereómeros)
- ¿Qué significa «imagen especular No superponible»??,
- Property Brothers Temporada 13, Episodio 13: «Lord Voldemort y la propiedad de quiralidad»
- Los enantiómeros tienen propiedades físicas idénticas a excepción de la rotación óptica
- «The Third Property Brother»: ácido Meso-tartárico
- solo las moléculas quirales pueden tener enantiómeros
- Los diastereómeros son estereoisómeros que no son enantiómeros
- Los diastereómeros tienen propiedades físicas diferentes
- Una forma rápida de saber si dos estereoisómeros son diastereómeros
- ¡cuidado con las preguntas engañosas!,
- Resumen: Tipos De Isómeros
- Notas
«¿Cómo Estamos Relacionados con el Nuevo?»- Cómo los isómeros son como miembros de la familia
hace unas semanas, en una reunión familiar en Ontario, presenté a mis familiares la alegría del helado de nitrógeno líquido. Mis primos estaban allí, al igual que muchos de sus hijos. Al igual que algunos primos de mis padres. Al ser una reunión familiar, invitaron a sus hijos (adultos), quienes a su vez trajeron a sus hijos. Mientras les servía helado, en la neblina del vapor del nitrógeno líquido me pregunté: «¿Son mis primos terceros? ¿O mis primos segundos una vez eliminados once?,»
mierda, lo olvido. ¿Cómo funciona esto del primo?
en química orgánica, también podemos encontrarnos desconcertados con preguntas como «¿cómo están relacionadas estas dos (o más) moléculas»? Y al igual que la terminología familiar, recordar las distinciones entre isómeros constitucionales, estereoisómeros, enantiómeros y similares puede ser una lucha al principio.
en este post, tratamos de mostrar cómo responder preguntas como:
- ¿Son estas dos moléculas isómeros? (¿y qué son los isómeros, de todos modos?,)
- Son estos dos isómeros isómeros constitucionales o estereoisómeros (y cuál es la diferencia?)
- Son estos dos estereoisómeros enantiómeros o diastereómeros (¿y qué significa eso?)
afortunadamente, la respuesta a cada una de estas preguntas es muy clara, y espero que encuentres que con la práctica (y algunos ejemplos vívidos) son más fáciles de recordar que todo el primo tercero versus el primo segundo, una vez eliminado.,
los tipos de relaciones entre moléculas
Una molécula puede ser varios tipos de isómeros al mismo tiempo, dependiendo de la molécula con la que la esté comparando.
para usar nuestra analogía familiar: los Términos «hermano», «hermana», «madre», «hija» son palabras que describen las relaciones entre (al menos) dos personas. Puedes ser una hija (de tu mamá), una hermana (de tu hermano), una prima (de tu tía & hijos de tíos), y «no relacionados» (conmigo) todo al mismo tiempo.,
preguntar si eres una hija o una hermana no tiene sentido sin el contexto de incluir a la persona «con quien» compartes esa relación.
Así es con las moléculas. Una molécula puede ser un isómero constitucional, diastereómero, enantiómero y más (¡o ninguno!), todo al mismo tiempo a diferentes moléculas, dependiendo de qué otra molécula(s)se está comparando con.
Hay tres distinciones importantes para aprender, y vamos a ir a través de cada uno a su vez.,
- Un par dado de moléculas puede ser isómeros o no isómeros
- Un par dado de isómeros puede ser isómeros constitucionales o estereoisómeros
- Un par dado de estereoisómeros puede ser enantiómeros o diastereómeros
(en los exámenes especialmente, siempre existe la posibilidad de que un «par dado de moléculas» sea en realidad la misma molécula, dibujada de manera diferente. Cubriremos esa posibilidad también).,
el diagrama de flujo mapea así:
una diferencia clave entre las familias y las moléculas:
a través de las circunstancias dejaré que el lector averigüe, es posible que alguien sea simultáneamente padre y hermano de la misma persona.
afortunadamente, no tenemos tales problemas en Química Orgánica.
dos moléculas pueden ser estereoisómeros el uno del otro, pero no pueden ser estereoisómeros e isómeros constitucionales el uno del otro. Las distinciones son claras.
Cómo Distinguir Un Par De No-Isómeros vs, Un par de isómeros
los isómeros son dos (o más) moléculas que comparten la misma fórmula molecular.
Para algunas fórmulas moleculares, no existen isómeros. Por ejemplo, solo hay un isómero posible para el CH4 (metano), el C2H6 (etano) y el propano (C3H8), y solo dos son posibles para el C4H10 (2-metilpropano y n-Butano).
a medida que el número de átomos de carbono aumenta, sin embargo, también lo hace el número de isómeros posibles. Para el dodecano (C12H26), son posibles 355 isómeros. ¡Y solo sube desde ahí!,
a pesar de compartir las mismas fórmulas moleculares, los isómeros pueden tener propiedades físicas muy diferentes, como el punto de ebullición, el punto de fusión y la reactividad química.
Tome ciclohexano (b.P. 63 ° C) y 1-hexeno (80 °C) que tienen la Fórmula molecular C6H12. No importa cuán diferentes sean sus propiedades físicas, o reactividades, su fórmula molecular común los hace isómeros unos de otros.,
del mismo modo, el ácido propiónico y la 1-hidroxi-2-propanona comparten la misma fórmula molecular, C3H6O2, haciéndolos isómeros entre sí (pero no isómeros de ciclohexano o 1-hexeno, por supuesto!).
Esto nos lleva a la siguiente pregunta. Digamos que dos moléculas dadas son isómeros. ¿Qué clase de isómero son?
los isómeros se dividen claramente en dos categorías: isómeros constitucionales (conectividad diferente) y estereoisómeros (misma conectividad, diferente disposición en el espacio). Entonces, ¿qué significa eso en realidad?
4., Tipos de isómeros: los isómeros Constitucionales tienen diferentes conectividades
los isómeros Constitucionales tienen la misma fórmula molecular, pero diferentes conectividades.
las mismas partes, pero dispuestas de diferentes maneras. Para tomar este ejemplo viejo pero bueno, cambia una cola y una pierna y haz isocats:
Eso es divertido, pero ¿hay una forma más rigurosa de pensar en la conectividad?
encuentro útil la siguiente regla empírica:
los isómeros Constitucionales tienen las mismas fórmulas empíricas pero sus nombres principales de la IUPAC son diferentes.,
a modo de ejemplo, estas 5 moléculas son todos isómeros constitucionales uno del otro. Tienen la misma fórmula empírica (C6H12) pero conectividad diferente. Observe cómo los nombres de la IUPAC también son completamente diferentes.
tipos de isómeros: los estereoisómeros tienen la misma conectividad pero una disposición diferente de sus átomos en el espacio
solo hay una forma de conectar C6H12 juntos para formar ciclohexano, y solo una forma de conectar los mismos átomos juntos para obtener 1-hexeno.,
pero hay dos maneras de conectar C6h12para dar moléculas con los nombres 2-hexeno, y 3-metil-1-penteno! ¡Y cuatro maneras de conectar C6H12 para dar 1-etil-2-metilciclopropano!
(forma rápida de identificar a un químico orgánico bien entrenado: pídales que dibujen 2-hexeno, y mida la rapidez con la que les lleva decir, «cuál»?).
por ejemplo: hay dos formas de organizar los hidrógenos en el doble enlace del 2-hexeno; cuando están en el mismo lado, nos referimos a él como cis (o Z); en el lado opuesto, trans (e). .,
dado que la rotación libre sobre el doble enlace no es posible, estas son moléculas completamente distintas. Se pueden separar, poner en diferentes frascos, dejar en el estante durante años y nunca interconvertir. Puede comprar cis-2-hexeno (95%) de Aldrich, dejarlo en el almacén durante dos décadas, y nunca tema que se haya convertido en la forma trans.
¿Qué tipo de isómeros son estos? No podemos llamarlos isómeros constitucionales, ya que tienen la misma conectividad (¡ambos son 2-hexeno! ). Necesitamos otro nombre., Dado que difieren en la disposición de sus grupos en el espacio sobre el doble enlace, los llamamos estereoisómeros.
Los estereoisómeros también pueden surgir de átomos de carbono tetraédricos que están unidos a cuatro sustituyentes diferentes (es decir, un carbono «quiral» o «asimétrico») como en el 3-metil-1-penteno. Hay 2 (y solo 2!) diferentes formas de organizar cuatro grupos diferentes alrededor de un centro tetraédrico, lo que da lugar a dos moléculas que comparten la misma conectividad pero difieren en la disposición de sus átomos en el espacio., Estas moléculas pueden tener el mismo aspecto, pero en realidad son imágenes especulares no superponibles (más sobre eso en unos pocos párrafos a continuación).
Estereogénico «Elementos» En Estereoisómeros
Un doble enlace capaz de cis/trans isomerismo así como un «asimétrica» átomo de carbono se denominan a veces «estereogénico elementos» desde cada uno de ellos dará lugar a un par de estereoisómeros (E o Z), o (R o S)
- Una molécula que tiene 2 estereogénico elementos puede dar lugar a tantos como (2 × 2) = 4 diferentes estereoisómeros. Ese es el caso de 1-etil-2-metil ciclopropano: (R,R), (S,S), (R,S) y (S,R).,
- Una molécula con 3 elementos estereogénicos puede dar lugar a tantos como (2 × 2 × 2) = 8 estereoisómeros diferentes.
- Generalmente, una molécula con N elementos estereogénicos puede tener hasta 2N estereoisómeros. (Probablemente el ejemplo más loco conocido en química es la palitoxina, que tiene 64 centros quirales, 8 enlaces dobles y alrededor de 1021 posibles estereoisómeros. )
Una forma rápida de saber si dos moléculas son estereoisómeros es si tienen el mismo nombre de núcleo IUPAC pero difieren en sus designaciones cis/trans, E/Z O (R)/(S).
7., Tipos de estereoisómeros: enantiómeros vs.No enantiómeros (también conocidos como diastereómeros)
no hemos terminado. Hay una distinción importante final que debe hacerse entre dos tipos diferentes de estereoisómeros.
¿por Qué?, Bueno, para llevar nuestra analogía familiar un poco más lejos talk hablemos de hermanos:
(sí, hay una tercera propiedad hermano)
Estos tres hombres son todos hermanos, pero claramente hay algo especial en la relación entre dos de los tres que merece su propia categoría:
esto no es diferente de la distinción entre diastereómeros (estereoisómeros que no son imágenes espejo no superponibles) y enantiómeros (estereoisómeros que no son imágenes espejo superponibles).,
¿Qué significa» imagen espejo no superponible»??
admitiré: el término «imágenes de espejo no superponibles» parece dar a la gente tantos problemas como la cosa de «primo segundo versus una vez eliminado». Así que vamos a abordar esto ahora mismo.
en nuestra analogía familiar (arriba) hicimos» hermanos que son gemelos idénticos » análogos a los enantiómeros, y «hermanos que no son gemelos idénticos» análogos a los diastereómeros.
necesitamos ajustar un poco esta analogía.
en Química Orgánica, dos moléculas que pueden superponerse entre sí, a través de la rotación de enlaces (i. e., los cambios conformacionales) o a través de la rotación de la molécula en sí, se consideran la misma molécula.
En otras palabras, en química orgánica, moléculas que son «gemelos idénticos» no son isómeros; se consideran copias idénticas de la misma molécula.
un mol, después de todo, es 6.02 × 1023 moléculas idénticas superponibles., Y al igual que los gemelos idénticos siguen siendo idénticos si uno está sentado en un escritorio en busca de bienes raíces disponibles que están en su rango de precio, mientras que el otro está de pie en una cocina de mierda gesticulando con las manos tratando de mostrarle cómo se puede remodelar completamente para adaptarse a su presupuesto, las moléculas todavía se consideran «idénticas» si resultan estar en diferentes conformaciones, siempre y cuando cada uno pase por al menos una conformación en la que son superponibles.,
Ahora, vamos a hacer una pequeña modificación a nuestros gemelos idénticos para que pasen de ser imágenes espejo superponibles (= lo mismo) a imágenes espejo no superponibles.
Property Brothers Temporada 13, Episodio 13:»Lord Voldemort And the Property of Quirality «
narrador: nuestro cliente,» Lord Voldemort «dijo que estaba buscando una nueva guarida malvada con» good bones», así que lo llevamos por la ciudad para ver algunas propiedades que se ajustaban a su lista de» imprescindibles » y presupuesto. Más tarde esa noche, después de unos tragos, las cosas se pusieron incómodas.,
LORD VOLDEMORT: Hey amigos, en realidad tengo una nueva propiedad que podría interesarles
DREW and JON: Jesus! ¿Qué demonios es ese thin –
LV: la propiedad de quiralidad! Racemundum suorum!
ZAP! (destello de luz)
DREW y JON: Aaarrrggh!!
Uno tiene una cicatriz sobre su ojo izquierdo y el otro tiene una cicatriz sobre su derecho. Ninguna cantidad de girar y girar en el suelo con dolor puede hacer que sean superponibles ahora.
se han convertido en» enantiómeros»: imágenes espejo no superponibles.,
dado que ya no son superponibles, en términos químicos ya no son lo mismo. Similar, sí! Pero no la misma molécula.
¿Qué ha cambiado?
El reactivo de Voldemort
antes de agregar el reactivo de Voldemort, cada gemelo tenía un plano de simetría a lo largo de la mitad de su cuerpo tal que las mitades izquierda y derecha eran idénticas. No más. Ahora la mitad izquierda de cada gemelo es diferente de la mitad derecha. Llamamos a esta propiedad «asimetría», o «quiralidad».
la introducción de la cicatriz «rompió la simetría» de cada gemelo e introdujo la quiralidad.,
con las moléculas, la forma más común de impartir quiralidad es con un carbono que contiene 4 grupos diferentes, como en 4-metil-1-penteno, arriba. Por esta razón, un carbono unido a 4 grupos diferentes se llama Centro quiral o «centro asimétrico».
Hay dos (y sólo dos!) formas de organizar 4 sustituyentes diferentes alrededor de un carbono tetraédrico. Así que una molécula con un solo centro asimétrico existirá como un par de estereoisómeros., Para ser más específico, existirá como un par de imágenes espejo no superponibles: enantiómeros.
los enantiómeros tienen propiedades físicas idénticas excepto por la rotación óptica
anteriormente describimos las aventuras de Louis Pasteur con el ácido tartárico donde descubrió que un compuesto entonces conocido como «ácido racémico» (del latín racemus = «un racimo de uvas») era de hecho una mezcla igual de dos formas de imagen especular del ácido tartárico.
separar estos dos isómeros fue un infierno sobre ruedas, ya que tienen solubilidades idénticas, puntos de fusión y otras propiedades físicas., Pasteur solo fue capaz de lograrlo a través de la observación de diferencias diminutas en las apariencias de sus sales, y las separó usando pinzas y una lupa.
la única Propiedad física que diferencia a estos dos isómeros es que giran el plano de la luz polarizada en direcciones iguales y opuestas.
en retrospectiva, ahora conocemos las estructuras de estos dos isómeros del ácido tartárico, y usando las reglas de Cahn-Ingold-Prelog, los hemos nombrado (R,R) y (S,S) ácido tartárico.
estos dos isómeros son imágenes espejo el uno del otro: imágenes espejo no superponibles.,
al igual que con la colocación de las cicatrices de Voldemort, ninguna cantidad de rotación de enlace puede convertir una configuración (R) en una configuración (S), o viceversa.
Esta es una pista importante para identificar enantiómeros (y una que discutiremos más adelante en un futuro post):
los enantiómeros siempre tendrán los mismos nombres IUPAC, y descriptores completamente opuestos (R / S).,
«La Tercera Propiedad Hermano»: meso-Tartárico
ácido Tartárico tiene dos asimétrica de los centros de carbono, y hemos dicho que una molécula con dos asimétrica centros pueden tener hasta 22 = 4 estereoisómeros. Si (2S, 3s) y (2R, 3R) son dos estereoisómeros del ácido tartárico, ¿qué pasa con el ácido tartárico (2R, 3s) y (2S, 3r)? Estos también deberían ser estereoisómeros, ¿verdad?
cuando dibujamos las estructuras de (2R,3S) y (2S, 3R) ácido tartárico, sin embargo, algo rápidamente se hace evidente.,
mientras que de hecho son imágenes espejo el uno del otro, son imágenes espejo el uno del otro de la misma manera que nuestros gemelos idénticos (pre-Voldemort) son imágenes espejo el uno del otro:
son imágenes espejo superponibles, y por lo tanto se consideran moléculas idénticas.
por lo Tanto (2R, 3S)-ácido tartárico y (2S, 3R)-ácido tartárico no son enantiómeros. En realidad, son dos formas diferentes de describir la misma molécula, y el ácido tartárico solo tiene tres estereoisómeros en general.
espera., ¿Cómo puede ser que una molécula pueda tener centros quirales pero no tener un enantiómero?
12. Solo las moléculas quirales pueden tener enantiómeros
de la misma manera que nuestro hermano de propiedad (pre-Voldemort) tenía orejas (quirales) izquierda y derecha, pero era aquiral en general debido al plano interno del espejo. Solo las moléculas quirales pueden tener enantiómeros.
Una molécula con un espejo plano – plano de simetría – es aquiral y no tiene un enantiómero.
del mismo modo, (2R, 3S)-ácido tartárico tiene centros quirales, pero posee un plano espejo interno., El centro quiral con la configuración S es la imagen especular del centro quiral con la configuración R, y los otros sustituyentes están dispuestos simétricamente.
Este estereoisómero del ácido tartárico era conocido por Pasteur, ya que podía separarse fácilmente del ácido tartárico «racémico» debido a sus diferentes propiedades físicas (solubilidad). Dado que su rotación específica (0°) estaba en «el medio» (meso = «medio» en griego) entre levo ( – ) y dextro ( + ) ácido tartárico, se le dio el nombre de ácido meso-tartárico.,
sabiendo lo que hacemos ahora, tiene sentido que el ácido meso-tartárico tenga una rotación específica de 0°, ya que solo las moléculas quirales rotan el plano de la luz polarizada, y el ácido meso-tartárico es aquiral.
el nombre «meso» ha sido adoptado de forma más general. Un «compuesto meso» es una molécula que tiene centros quirales, pero es aquiral en general debido a la presencia de un plano de espejo interno.
Esta es la razón por la cual se utilizó el calificador «hasta 22 estereoisómeros»., Una molécula con 2 estereocentros puede tener «hasta» 4 estereoisómeros, pero puede tener menos de 4 si una forma meso está presente.
El ácido meso-tartárico es como el hermano de la tercera propiedad: «el que no es un gemelo».
los diastereómeros son estereoisómeros que no son enantiómeros
así que si (2R, 3R)-ácido tartárico y (2s, 3s)-ácido tartárico son enantiómeros, ¿cómo describimos la relación entre cada una de estas moléculas y el ácido meso-tartárico?
en Química Orgánica, llamamos «estereoisómeros que no son enantiómeros», diastereómeros.,
meso-tartárico es un diastereoisómero de ambos (2R,3R)-ácido tartárico y (2S, 3S)-ácido tartárico:
Otros ejemplos de «diastereoisómeros» incluyen:
- enlace doble de isómeros E/Z)
- cis–isómeros trans
- estereoisómeros de moléculas con varios centros quirales que tienen la misma configuración en (al menos) uno de carbono
14., Los diastereómeros tienen diferentes propiedades físicas
Al igual que Pasteur encontró que el ácido meso-tartárico es relativamente fácil de separar del ácido «racémico»-tartárico, los diastereómeros tienen diferentes propiedades físicas (por ejemplo, punto de ebullición, punto de fusión, solubilidades, etc.).
15. Una Forma Rápida De saber Si Dos Estereoisómeros Son Diastereoisómeros
Una forma rápida de saber si dos estereoisómeros son diastereoisómeros:
- si dos estereoisómeros difieren en cis/trans o E/Z descriptores (por ejemplo,, cis-2-hexeno y trans-2-hexeno)
- Si tienen al menos un descriptor R/S idéntico (como en (2s, 3s)-ácido tartárico y (2R, 3S)-ácido tartárico (si todos los descriptores R/S son iguales, tienen que diferir de alguna manera en la orientación cis/trans o E/Z para ser diastereómeros; de lo contrario son la misma molécula!)
16. ¡Cuidado Con Las Preguntas Engañosas!
último ejemplo, lo prometo.
Tome las dos moléculas de abajo. Son isómeros? Si es así, ¿qué tipo de isómero son?,
la forma más rápida que conozco para responder a esta pregunta es tratar de nombrarlos a ambos.
Cuando hacemos esto, nos encontramos con que:
- la molécula de la izquierda es E-(2R, 5R)-5-cloro-hex-3-en-2-ol
- la molécula de la derecha es E-(2R, 5R)-5-cloro-hex-3-en-2-ol
Entonces, ¿cómo se relacionan?
- no son isómeros constitucionales(misma conectividad!)
- Pero tampoco son estereoisómeros (¡los mismos descriptores E/Z y R/S !)
por lo tanto they son lo mismo!, (En realidad, son diferentes conformaciones de la misma molécula, y hacemos la suposición de que todas las conformaciones de la misma molécula son interconvertibles, a menos que se diga lo contrario. ) véase la nota a pie de página.
17. Resumen: tipos de isómeros
Este ha sido un post largo, pero con suerte exhaustivo e iluminador sobre los tipos de isómeros.
en la próxima entrega aprenderemos una técnica que – con la práctica-te permitirá determinar rápidamente si las moléculas son enantiómeros, diastereómeros, o lo mismo.
Gracias de nuevo a Matt por ser coautor., Pregúntale a Matt sobre programar una sesión de tutoría en línea aquí.
Notes
Footnote – atropisómeros
generalmente asumimos que los isómeros conformacionales se interconverten rápidamente en la escala de tiempo necesaria para medir la rotación óptica.
por ejemplo, las dos formas de silla de cis-1,2-dimetilciclohexano son enantiómeros, pero dado que se interconverten tan rápidamente a temperatura ambiente, se tratan como si fueran lo mismo.,
esto generalmente está más allá del alcance de la química orgánica introductoria, pero hay ciertos casos en los que esta suposición no es válida.
un ejemplo destacado es el 1,1-bi-2-naftol (también conocido como BINOL).
el conformador A (extremo izquierdo) no puede convertirse en conformador B (Extremo derecho) sin pasar por una conformación donde los dos anillos son coplanares (medio) , y los dos hidrógenos en cada carbono (carbono 8) chocan entre sí., Esto presenta una barrera lo suficientemente grande para la rotación que cada una de estas dos conformaciones está «atrapada» en su propio estado a temperatura ambiente y no se interconverte.
estas dos conformaciones son imágenes espejo no superponibles entre sí de la misma manera que un tornillo zurdo y diestro son imágenes espejo no superponibles entre sí. Se dice que tienen un «eje de quiralidad».
la barrera entre los dos conformadores es lo suficientemente grande como para que el conformador A y el conformador B se puedan resolver (separar) y poner en botellas diferentes.,
este caso especial de conformadores aislables se llama «atropisomerismo».