En química , un isómero estructural (o isómero constitucional en la nomenclatura IUPAC [1] ) de un compuesto es otro compuesto cuya molécula tiene el mismo número de átomos de cada elemento, pero con enlaces lógicamente distintos entre ellos. [2] [3] El término metámero se utilizaba antiguamente para el mismo concepto. [4]
Por ejemplo, el butanol H 3 C−(CH 2 ) 3 −OH , el metil propil éter H 3 C − (CH 2 ) 2 −O−CH 3 y el dietil éter (H 3 CCH 2 −) 2 O tienen el mismo valor molecular. fórmula C 4 H 10 O pero son tres isómeros estructurales distintos.
El concepto se aplica también a iones poliatómicos con la misma carga total. Un ejemplo clásico es el ion cianato O=C=N − y el ion fulminato C − ≡N + −O − . También se extiende a los compuestos iónicos, de modo que (por ejemplo) el cianato de amonio [NH 4 ] + [O=C=N] − y la urea (H 2 N−) 2 C=O se consideran isómeros estructurales, [4] y también lo son el formiato de metilamonio [H 3 C−NH 3 ] + [HCO 2 ] − y el acetato de amonio [NH 4 ] + [H 3 C−CO 2 ] − .
La isomería estructural es el tipo más radical de isomería . Se opone a la estereoisomería , en la que los átomos y el esquema de enlace son los mismos, pero sólo la disposición espacial relativa de los átomos es diferente. [5] [6] Ejemplos de estos últimos son los enantiómeros , cuyas moléculas son imágenes especulares entre sí, y las versiones cis y trans del 2-buteno .
Entre los isómeros estructurales, se pueden distinguir varias clases que incluyen isómeros esqueléticos , isómeros posicionales (o regioisómeros ), isómeros funcionales , tautómeros y topoisómeros estructurales . [7]
Un isómero esquelético de un compuesto es un isómero estructural que se diferencia de él en los átomos y enlaces que se considera que componen el "esqueleto" de la molécula. Para compuestos orgánicos , como los alcanos , eso generalmente significa los átomos de carbono y los enlaces entre ellos.
Por ejemplo, hay tres isómeros esqueléticos del pentano : n -pentano (a menudo llamado simplemente "pentano"), isopentano (2-metilbutano) y neopentano (dimetilpropano). [8]
Si el esqueleto es acíclico , como en el ejemplo anterior, se puede utilizar el término isomería de cadena .
Los isómeros de posición (también isómeros posicionales o regioisómeros ) son isómeros estructurales que pueden considerarse que difieren sólo en la posición de un grupo funcional , sustituyente o alguna otra característica en la misma estructura "principal". [9]
Por ejemplo, reemplazar uno de los 12 átomos de hidrógeno –H por un grupo hidroxilo –OH en la molécula original de n -pentano puede dar cualquiera de tres isómeros de posición diferentes:
Otro ejemplo de regioisómeros son los ácidos α-linolénico y γ-linolénico , ambos ácidos octadecatrienoicos , cada uno de los cuales tiene tres dobles enlaces, pero en diferentes posiciones a lo largo de la cadena.
Los isómeros funcionales son isómeros estructurales que tienen diferentes grupos funcionales , lo que da como resultado propiedades químicas y físicas significativamente diferentes. [10]
Un ejemplo es el par propanal H 3 C–CH 2 –C(=O)-H y acetona H 3 C–C(=O)–CH 3 : el primero tiene un grupo funcional –C(=O)H, que lo convierte en un aldehído , mientras que el segundo tiene un grupo C–C(=O)–C, que lo convierte en una cetona .
Otro ejemplo es el par etanol H 3 C –CH 2 –OH (un alcohol ) y dimetil éter H 3 C –O–CH 2 H (un éter ). Por el contrario, el 1-propanol y el 2-propanol son isómeros estructurales, pero no isómeros funcionales, ya que tienen el mismo grupo funcional significativo (el hidroxilo –OH) y ambos son alcoholes.
Además de la química diferente, los isómeros funcionales suelen tener espectros infrarrojos muy diferentes . El espectro infrarrojo está determinado en gran medida por los modos de vibración de la molécula, y los grupos funcionales como el hidroxilo y los ésteres tienen modos de vibración muy diferentes. Así, el 1-propanol y el 2-propanol tienen espectros infrarrojos relativamente similares debido al grupo hidroxilo, que es bastante diferente del del metil etil éter. [ cita necesaria ]
En química, normalmente se ignoran las distinciones entre isótopos del mismo elemento. Sin embargo, en algunas situaciones (por ejemplo, en espectroscopia Raman , RMN o microondas ) se pueden tratar diferentes isótopos del mismo elemento como elementos diferentes. En el segundo caso, se dice que dos moléculas con el mismo número de átomos de cada isótopo pero esquemas de enlace distintos son isotopómeros estructurales .
Así, por ejemplo, el eteno no tendría isómeros estructurales según la primera interpretación; pero reemplazar dos de los átomos de hidrógeno ( 1 H) por átomos de deuterio ( 2 H) puede producir cualquiera de los dos isotopómeros estructurales (1,1-dideuteroeteno y 1,2-dideuteroeteno), si ambos átomos de carbono son el mismo isótopo. Si, además, los dos carbonos son isótopos diferentes (digamos, 12 C y 13 C), habría tres isotopómeros estructurales distintos, ya que el 1-13 C -1,1-dideuteroeteno sería diferente del 1-13 C -2. ,2-dideuteroeteno.) Y, en ambos casos, el isotopómero estructural 1,2-dideutero se presentaría como dos estereoisotopómeros, cis y trans .
Dos moléculas (incluidos los iones poliatómicos) A y B tienen la misma estructura si cada átomo de A puede emparejarse con un átomo de B del mismo elemento, de forma uno a uno, de modo que para cada enlace en A hay un enlace en B, del mismo tipo, entre átomos correspondientes; y viceversa. [3] Este requisito se aplica también a los enlaces complejos que involucran tres o más átomos, como el enlace deslocalizado en la molécula de benceno y otros compuestos aromáticos.
Dependiendo del contexto, es posible que se requiera que cada átomo esté emparejado con un átomo del mismo isótopo, no sólo del mismo elemento.
Entonces se puede decir que dos moléculas son isómeros estructurales (o, si los isótopos importan, isotopómeros estructurales) si tienen la misma fórmula molecular pero no tienen la misma estructura.
La simetría estructural de una molécula se puede definir matemáticamente como una permutación de los átomos que intercambia al menos dos átomos pero no cambia la estructura de la molécula. Entonces se puede decir que dos átomos son estructuralmente equivalentes si existe una simetría estructural que los une al otro. [11]
Así, por ejemplo, los cuatro átomos de hidrógeno del metano son estructuralmente equivalentes, porque cualquier permutación de ellos preservará todos los enlaces de la molécula.
Asimismo, los seis hidrógenos del etano ( C
2h
6) son estructuralmente equivalentes entre sí, al igual que los dos carbonos; porque cualquier hidrógeno puede intercambiarse por cualquier otro, ya sea mediante una permutación que intercambie solo esos dos átomos, o mediante una permutación que intercambie los dos carbonos y cada hidrógeno en un grupo metilo con un hidrógeno diferente en el otro metilo. Cualquiera de las operaciones preserva la estructura de la molécula. Este es también el caso de los átomos de hidrógeno ciclopentano , aleno , 2-butino , hexametilentetramina , prismano , cubano , dodecaedrano , etc.
Por otro lado, no todos los átomos de hidrógeno del propano son estructuralmente equivalentes. Los seis hidrógenos unidos al primer y tercer carbono son equivalentes, como en el etano, y los dos unidos al carbono medio son equivalentes entre sí; pero no existe equivalencia entre estas dos clases de equivalencia .
Las equivalencias estructurales entre los átomos de una molécula original reducen el número de isómeros posicionales que se pueden obtener reemplazando esos átomos por un elemento o grupo diferente. Así, por ejemplo, la equivalencia estructural entre los seis hidrógenos del etano C
2h
6significa que hay solo un isómero estructural del etanol C
2h
5OH , no 6. Los ocho hidrógenos del propano C
3h
8se dividen en dos clases de equivalencia estructural (las seis en los grupos metilo y las dos en el carbono central); por lo tanto, sólo hay dos isómeros posicionales del propanol ( 1-propanol y 2-propanol ). Asimismo, existen sólo dos isómeros posicionales del butanol y tres del pentanol o hexanol .
Una vez que se realiza una sustitución en una molécula original, su simetría estructural generalmente se reduce, lo que significa que los átomos que antes eran equivalentes pueden dejar de serlo. Así, la sustitución de dos o más átomos equivalentes por el mismo elemento puede generar más de un isómero posicional.
El ejemplo clásico son los derivados del benceno . Sus seis hidrógenos son todos estructuralmente equivalentes, al igual que los seis carbonos; porque la estructura no cambia si los átomos se permutan de manera que corresponda a voltear la molécula o rotarla en múltiplos de 60 grados. Por lo tanto, reemplazar cualquier hidrógeno por cloro produce solo un clorobenceno . Sin embargo, con ese reemplazo, las permutaciones atómicas que movieron ese hidrógeno ya no son válidas. Sólo queda una permutación, que corresponde a voltear la molécula manteniendo el cloro fijo. Los cinco hidrógenos restantes se dividen entonces en tres clases de equivalencia diferentes: el opuesto al cloro es una clase en sí mismo (llamada posición para ), los dos más cercanos al cloro forman otra clase ( orto ) y los dos restantes son el tercero. clase ( meta ). Así, una segunda sustitución de hidrógeno por cloro puede producir tres isómeros posicionales: 1,2- u orto - , 1,3- o meta - y 1,4- o para -diclorobenceno .
Por la misma razón, no existe más que un fenol (hidroxibenceno), pero tres bencenodioles ; y un tolueno (metilbenceno), pero tres toluoles , y tres xilenos .
Por otro lado, el segundo reemplazo (por el mismo sustituyente) puede preservar o incluso aumentar la simetría de la molécula y, por tanto, puede preservar o reducir el número de clases de equivalencia para el siguiente reemplazo. Así, los cuatro hidrógenos restantes en el metadiclorobenceno todavía se dividen en tres clases, mientras que los de orto se dividen en dos y los de para son todos equivalentes nuevamente. Aún así, algunas de estas 3 + 2 + 1 = 6 sustituciones terminan produciendo la misma estructura, por lo que solo hay tres triclorobencenos estructuralmente distintos : 1,2,3- , 1,2,4- y 1,3,5-. .
Si los sustituyentes en cada paso son diferentes, normalmente habrá más isómeros estructurales. El xilenol , que es benceno con un sustituyente hidroxilo y dos sustituyentes metilo, tiene un total de 6 isómeros:
Enumerar o contar los isómeros estructurales en general es un problema difícil, ya que se deben tener en cuenta varios tipos de enlaces (incluidos los deslocalizados), estructuras cíclicas y estructuras que no pueden realizarse debido a restricciones geométricas o de valencia, y tautómeros no separables.
Por ejemplo, hay nueve isómeros estructurales con fórmula molecular C 3 H 6 O que tienen diferentes conectividades de enlace. Siete de ellos son estables al aire a temperatura ambiente y se muestran en la siguiente tabla.
Dos isómeros estructurales son los tautómeros enol de los isómeros carbonilo (propionaldehído y acetona), pero no son estables. [12]