Dos compuestos son isómeros1 entre sí si tienen el mismo número y tipo de átomos, es decir, si tienen la misma fórmula molecular. Dos compuestos isómeros tienen el mismo número de insaturaciones.
Isomería constitucional
Se debe a diferencias en la estructura de los compuestos, es decir, cambia cómo están unidos los átomos (tienen diferente conectividad). Dentro de este tipo, hay tres subtipos de isomería:
Isomería de cadena
Se presenta en compuestos que difieren en el esqueleto de la cadena carbonada:
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Butano
Metilpropano (isobutano)
En la siguiente tabla puedes ver el número de isómeros que presentan los hidrocarburos lineales saturados:
nº C
Nombre
Isómeros
1
Metano
1
2
Etano
1
3
Propano
1
4
Butano
2
5
Pentano
3
6
Hexano
5
7
Heptano
9
8
Octano
18
9
Nonano
35
10
Decano
75
Isomería de posición
Se presenta en compuestos que difieren en la posición de su grupo funcional:
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But–2–eno
But–1–eno
Butan–2–ol
Butan–1–ol
Isomería de función
Se presenta en compuestos que tienen grupos funcionales distintos. Suelen ser isómeros de función entre sí:
alcoholes-éteres,
aldehídos-cetonas,
y ácidos carboxílicos-ésteres,
aunque existen otras muchas posibilidades.
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Metil propil éter (metoxipropano)
Butan–1–ol
Propanal
Propanona (acetona)
Ácido propanoico
Etanoato/acetato de metilo
Estereoisomería
En este caso, la estructura de las sustancias es la misma (igual conectividad entre átomos) pero se diferencian en su orientación espacial.
Isomería geométrica (cis-trans)
La isomería cis-trans se presenta en algunos alquenos, debido a la incapacidad de rotación del doble enlace. Para que un doble enlace presente isomería cis-trans, no puede haber sobre cualquiera de los dos carbonos del doble enlace dos sustituyentes iguales. Dos compuestos con este tipo de isomería geométrica son diastereoisómeros, siendo sus propiedades físicas diferentes.
Los isómeros cis tienen ambos sustituyentes del doble enlace hacia un lado, los trans hacia lados opuestos:
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cis–1,2–dicloroeteno
trans–1,2–dicloroeteno
El 1,1–dicloroeteno no puede presentar isomería cis-trans:
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Este tipo de isomería se da también en compuestos con un plano de simetría, debido a la imposibilidad de rotación:
Notación E-Z
Cuando existen varios sustituyentes distintos, la nomenclatura cis-trans en alquenos puede resultar ambigua. En estos casos se adopta la nomenclatura E-Z. En alemán:
E de entgegen (separados).
Z de zusammen (juntos).
En cada carbono del doble enlace, el sustituyente de mayor número atómico tiene mayor jerarquía. En caso de empate, se sigue el mismo criterio con los átomos unidos a ellos, hasta desempatar. El isómero Z será el que tenga los dos sustituyentes de mayor jerarquía del mismo lado del doble enlace y el isómero E será el que los tenga a distinto lado:
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(Z)–1–bromo–1–cloro–2–metilbut–1–eno
(E)–1–bromo–1–cloro–2–metilbut–1–eno
Un ejemplo de lo diferentes que pueden llegar a ser dos isómeros cis-trans lo tenemos con los ácidos fumárico y maleico:
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Ácido fumárico
Ácido maleico
Siendo el primero fundamental en varias rutas del metabolismo celular, destacando su participación en el ciclo de Krebs; y el segundo tóxico. Sus propiedades físicas son muy diferentes.
Los alquenos con dobles enlaces conjugados pueden adoptar dos diferentes conformaciones. Por ejemplo, en el buta–1,3–dieno los dobles enlaces pueden estar hacia el mismo lado del enlace simple o en lados opuestos. Sería incorrecto referirnos a las dos posibilidades como cis y trans ya que son conformaciones (¡dinámico!) y no configuraciones (estático). Es decir, la molécula puede rotar en torno al enlace sencillo e interconvertirse de una conformación a otra, cosa que no puede ocurrir con los isómeros cis y trans debido a la rigidez del doble enlace o del ciclo.
Estos confórmeros se nombran con el prefijo “s” (de “sigma”, o de “simple” si prefieres).
La isomería óptica se presenta cuando un compuesto no es superponible con su imagen especular, en cuyo caso se dice que son enantiómeros. Para que esto ocurra, la molécula tiene que poseer al menos un carbono con hibridación sp3 y quiral. Un carbono quiral es un carbono que tiene 4 sustituyentes distintos:
El átomo de carbono negro es un centro quiral porque tiene cuatro sustituyentes diferentes, un átomo de cloro (Cl), un átomo de hidrógeno (H), un átomo de flúor (F) y un átomo de bromo (Br). Las dos estructuras son imágenes especulares la una de la otra que no pueden superponerse. Adaptada de https://www.coursehero.com/sg/general-chemistry/chirality/.
Cuidado porque puede ocurrir que un compuesto tenga dos centros quirales y que no presente isomería óptica.
Este es el tipo de esteroisomería que presentan moléculas esenciales para la vida, como los aminoácidos y los monosacáridos. Los enantiómeros tienen propiedades físicas idénticas2, diferenciándose únicamente en su comportamiento frente a la luz polarizada, pues la desvían de manera distinta. Si el plano de la luz polarizada se desvía a la derecha son sustancias dextrógiras y si se desvía a la izquierda, levógiras:
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d-Alanina
l-Alanina
Proyecciones de Fischer
Con el fin de facilitar la representación en el plano, se utilizan las proyecciones de Fischer, ideadas por el químico alemán Hermann Emil Fischer3 en 1891, para representar la disposición espacial de moléculas en las que uno o más átomos de carbono son quirales:
Reactividad
Reacciones de sustitución
En este tipo de reacciones un átomo o grupo de átomos de una molécula es sustituido por otro átomo o grupo de átomos de otra molécula:
Halogenación de alcanos
Los alcanos experimentan reacciones de sustitución radicalarias4. Así, se puede conseguir la sustitución de un enlace –C–H por un enlace –C–X por medio de una radiación luminosa.
Se llama sustitución fotoquímica y es una reacción en la que la luz rompe la molécula de halógeno X2 (F2, Cl2, Br2 o I2) dando una reacción en cadena con fórmula general:
La reacción puede continuar precisando en cada etapa luz o calor. En cada etapa se forma HX como producto. La siguiente reacción está particularizada para (X = Cl). En cada etapa, además del producto de sustitución, se forma HCl:
Sustitución de un halógeno por otro
Transformación de un derivado halogenado en un alcohol
La hidrólisis de un haloalcano se lleva a cabo con NaOH que da la sustitución del halógeno por el grupo –OH, dando el alcohol:
Transformación de un derivado halogenado en un éter
Transformación de un derivado halogenado en una amina primaria
Transformación de un derivado halogenado en una amina secundaria (o terciaria)
Reacciones de adición
Una molécula incorpora a su estructura otra molécula. Ocurren con sustratos con dobles o triples enlaces originando un producto con un mayor grado de saturación.
La adición en alquenos asimétricos ocurre según la regla de Markovnikov, que establece que la adición de un reactivo de tipo HX (H2O, HCl, …) a un doble enlace da lugar a un producto mayoritario en el que el hidrógeno se une al carbono menos sustituido (con más H). El otro producto posible también se forma, pero en menor proporción.
Hidrogenación catalítica de alquenos
Se realiza con hidrógeno molecular en presencia de un catalizador, normalmente platino. Es un proceso exotérmico. La reacción transcurre de manera que cada átomo de hidrógeno de la molécula H2 se añade a uno de los dos carbonos que forman el enlace múltiple en el reactivo, saturando la molécula:
Hidrogenación de un alquino
Halogenación de alquenos
De manera análoga a la hidrogenación, el halógeno X2 añade un átomo de halógeno a cada carbono que forma el enlace múltiple formando un dihalógeno vecinal:
Halogenación de un alqueno
Halogenación de un alquino
Hidrohalogenación de alquenos
El haluro de hidrógeno HX se añade al enlace múltiple siguiendo la regla de Markovnikov:
Hidrohalogenación de un alqueno
Hidrohalogenación de un alquino
Hidratación de alquenos
La reacción sucede en el tratamiento del alqueno con agua y un catalizador ácido fuerte, como el H2SO4, por un mecanismo similar al de la adición de HX. El agua H2O también se añade al enlace múltiple siguiendo la regla de Markovnikov:
Hidratación de un alqueno
Hidratación de un alquino
Ya que los alquinos no reaccionan directamente con ácidos acuosos, uno de los métodos utilizados para la hidratación de alquinos utiliza ion mercurio(2+) como catalizador:
La hidratación de un alquino da un enol5. Es interesante que el producto real que se aísla de la hidratación de un alquino no es el alcohol vinílico, o enol, sino que en su lugar es una cetona. Aunque el enol es un intermediario en la reacción, se rearregla inmediatamente a una cetona a través de un proceso llamado tautomería cetoenólica. El equilibrio está muy desplazado a la derecha.
Reacciones de eliminación
Una molécula pierde átomos en posiciones adyacentes y origina una molécula con un enlace doble o triple. Las reacciones de eliminación son las reacciones inversas a las de adición a un doble enlace.
En las reacciones de eliminación se pierden átomos de dos carbonos vecinales produciéndose mayoritariamente el doble enlace más sustituido, según lo que se conoce como regla de Záitsev.
Deshidrogenación
Es la reacción inversa a la hidrogenación, y se da con un catalizador y calor, dando el alqueno:
Deshidrohalogenación de haluros de alquilo
Es la reacción inversa a la hidrohalogenación, se produce en presencia de KOH y alcohol en la que se elimina KX y H2O, originando un doble enlace. La deshidrohalogenación produce mayoritariamente el producto con el doble enlace más sustituido según la regla de Záitsev:
Deshidrohalogenación de dihaluros vecinales
Como en el caso anterior, se eliminan moléculas de HX, en este caso 2 moléculas HX, originando un enlace triple. Esta reacción se produce en presencia de un catalizador:
Deshidratación de alcoholes
Es la reacción inversa a la hidratación de alcoholes. Se produce en medio ácido, generalmente H2SO4, y calor. La deshidratación (pérdida de una molécula de agua) produce, mayoritariamente, el doble enlace más sustituido siguiendo la regla de Záitsev:
Eliminación vs. sustitución
Un mismo sustrato puede dar reacción de sustitución o una eliminación:
Eliminación
Sustitución
Que se dé una u otra depende de las características del sustrato y de las condiciones de reacción.
Sustrato
Si el sustrato es un derivado halogenado primario se da favorablemente la sustitución. Si el sustrato es un derivado halogenado secundario o terciario se ve favorecida la eliminación.
Condiciones
Si el reactivo es una base fuerte (NaOH, NaOCH2CH3) y el disolvente es muy polar (H2O), se produce la sustitución. Si el reactivo es una base débil (H2O) y el disolvente es apolar se da la eliminación.
Reacciones de oxidación-reducción (rédox)
En las reacciones de oxidación, el carbono que tiene unido un hidroxilo (–OH) se oxida. Esta oxidación tiene lugar por pérdida de un hidrógeno unido al C y del hidrógeno del grupo –OH, formándose un doble enlace C=O conocido como grupo carbonilo. Como sustancia oxidante [Ox] puede usarse dicromato de potasio K2Cr2O7 o permanganato de potasio KMnO4 en medio ácido.
La reacción inversa a la oxidación es la reducción. Como sustancia reductora [Red] suele usarse tetrahidruro de aluminio-litio, LiAlH4.
Alcoholes primarios
Como en los alcoholes primarios el grupo –OH está unido a un carbono terminal, al oxidarse produce un carbonilo terminal dando lugar a un aldehído, –CHO. Si la oxidación continúa el aldehído se oxida a ácido carboxílico:
Alcoholes secundarios
En el caso de los alcoholes secundarios, la oxidación del carbono produce un carbonilo no terminal, conocido como grupo cetona. La cetona no puede seguir oxidándose:
Alcoholes terciarios
La oxidación tiene que darse lugar por pérdida de un hidrógeno unido al carbono que va a oxidarse, por lo que éste debe tener disponible al menos uno. Por este motivo, los alcoholes terciarios no dan reacciones de oxidación:
Reacciones de combustión
La reacción de combustión de un compuesto orgánico en atmósfera rica en oxígeno da lugar a los óxidos de sus elementos. Si el compuesto es un hidrocarburo, oxigenado o no, los productos de la reacción son dióxido de carbono y agua, que son los óxidos del carbono y del hidrógeno:
C3H8O + 9/2 O2 ⟶ 3 CO3 + 4 H2O
Las reacciones de combustión son reacciones exotérmicas. Si el compuesto tiene otros elementos, como N o S, también habituales en química orgánica, se obtienen los óxidos de éstos.
Reacciones de condensación e hidrólisis
Reacción de esterificación y saponificación
La esterificación es la reacción de condensación entre un ácido carboxílico y un alcohol, por pérdida de agua, produciéndose un éster:
La saponificación es la reacción inversa a la esterificación. La hidrólisis del éster da el ácido carboxílico y el alcohol. Se entiende por saponificación la reacción que produce la formación de jabones. La principal causa es la disociación de las grasas en un medio alcalino, separándose glicerina y ácidos grasos. Estos últimos se asocian inmediatamente con los álcalis constituyendo las sales sódicas de los ácidos grasos: el jabón.
Reacción de condensación de alcoholes
La formación del éter compite con la eliminación de agua para dar el alqueno. Las condiciones de reacción determinarán cuál es la reacción mayoritaria:
Reacción de condensación para dar amidas
El amoniaco, las aminas primarias y las aminas secundarias reaccionan con los ácidos carboxílicos para dar amidas. Es una reacción de condensación en la que se libera agua. Su inversa, la reacción de hidrólisis, permite obtener la amina y el ácido correspondiente:
Polímeros
Los polímeros (también llamados macromoléculas) son moléculas muy grandes formadas a partir de la repetición de unidades más pequeñas llamadas monómeros.
Existen polímeros naturales como los polisacáridos, las proteínas o el caucho (natural) y otros sintéticos: polietileno (PE), nylon, poliéster, PVC, PET…
Con respecto al comportamiento a temperaturas elevadas, los polímeros se clasifican como termoplásticos o termoestables. Los termoplásticos (PET, PE, PVC, PP, PS…) se ablandan cuando se calientan y se endurecen cuando se enfrían. Los termoestables (Poliuretano (PUR)) una vez se han endurecido no se reblandecen por calentamiento.
Con respecto a los tipos de unidades repetitivas, si todas son del mismo tipo es un homopolímero y si contiene dos o más tipos de unidades repetitivas es un copolímero.
Síntesis de polímeros
Los polímeros se pueden sintetizar por dos rutas: reacción en cadena (polimerización por adición) o reacción por etapas (polimerización por condensación).
Polímeros por crecimiento en cadena o polímeros de adición
Se obtienen a partir de la formación de largas cadenas de monómeros que se unen unas a otras sin que exista pérdida de ninguna molécula en el proceso:
Iniciación
Crecimiento
Terminación
La reacción global quedaría como:
Polímeros por crecimiento por etapas o polímeros de condensación
Se obtienen por reacción entre dos monómeros, cada uno de los cuales tiene, al menos, dos grupos funcionales, con eliminación de alguna molécula (por ejemplo agua). Los poliésteres son polímeros de condensación que se obtienen a partir de dioles y ácidos dicarboxílicos, que dan lugar a los grupos éster característicos del polímero:
La palabra isómero es un neologismo acuñado por el químico sueco Jöns Jacob Berzelius (1779–1848), formada del griego ισo (isos = igual) y μ𝜀ρo𝜍 (meros = parte, porción). ↩︎
Lo cual no significa que su reactividad sea igual. Especialmente sonada fue la llamada catástrofe de la talidomida. ↩︎
Las reacciones radicalarias son las responsables de la formación y destrucción de la capa de ozono. La formación ocurre a través de la reacción en cadena siguiente:
Reacción global:
La destrucción de ozono (O3) ocurre a través de una reacción en cadena que necesita un catalizador X:
Se dice que las formas ceto y enol individuales son tautómeros, una palabra utilizada para describir dos isómeros constitucionales que rápidamente se interconvierten acompañados por el cambio de posición de un hidrógeno. ↩︎
Profesora de Física y Química de ESO y Bach con alma de adolescente.
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