tautómero

Isómeros estructurales de compuestos químicos que se interconvierten fácilmente.

Los dos tautómeros de un aminoácido: (1) formas neutra y (2) zwitteriónica .

Los tautómeros ( / ˈ t ɔː t ə m ər / ) ^[1] son ​​isómeros estructurales (isómeros constitucionales) de compuestos químicos que se interconvierten fácilmente. ^{[2] [3] [4] [5]} La reacción química que interconvierte los dos se llama tautomerización . Esta conversión comúnmente resulta de la reubicación de un átomo de hidrógeno dentro del compuesto. El fenómeno de la tautomerización se denomina tautomerismo , también llamado desmotropismo . La tautomería es, por ejemplo, relevante para el comportamiento de los aminoácidos y los ácidos nucleicos, dos de los componentes fundamentales de la vida.

Se debe tener cuidado de no confundir los tautómeros con representaciones de "estructuras contribuyentes" en resonancia química . Los tautómeros son especies químicas distintas que pueden distinguirse por sus diferentes conectividades atómicas, geometrías moleculares y propiedades fisicoquímicas y espectroscópicas, ^[6] mientras que las formas de resonancia son simplemente representaciones alternativas de la estructura de Lewis ( teoría del enlace de valencia ) de una sola especie química, cuya verdadera estructura Es una superposición cuántica , esencialmente el "promedio" de las geometrías hipotéticas e idealizadas implícitas en estas formas de resonancia.

Ejemplos

Algunos ejemplos de tautómeros

La tautomerización ceto-enol normalmente favorece fuertemente al ceto-tautómero, pero una excepción importante es el caso de las 1,3-dicetonas como la acetilacetona . ^[6]

La tautomerización es omnipresente en la química orgánica . ^{[2] [7]} Por lo general, se asocia con moléculas polares e iones que contienen grupos funcionales que son al menos débilmente ácidos. Los tautómeros más comunes existen en pares, lo que significa que el hidrógeno se encuentra en una de dos posiciones, y aún más específicamente, la forma más común involucra un hidrógeno que cambia de lugar con un doble enlace: H−X−Y=Z ⇌ X=Y− Z-H . Los pares tautoméricos comunes incluyen: ^{[3] [4]}

• cetona – enol : H−O−C=C ⇌ O=C−C−H , ver tautomerismo ceto-enol
• enamina – imina : H−N−C=C ⇌ N=C−C−H
  • cianamida – carbodiimida
  • guanidina – guanidina – guanidina: Con un carbono central rodeado por tres nitrógenos , un grupo guanidina permite esta transformación en tres orientaciones posibles
• amida – ácido imídico : H−N−C=O ⇌ N=C−O−H (p. ej., este último se encuentra durante las reacciones de hidrólisis del nitrilo )
  • lactama – lactim , una forma cíclica de tautomerismo amida-ácido imídico en 2-piridona y estructuras derivadas como las nucleobases guanina , timina y citosina ^[5]
• imina - imina, por ejemplo, durante reacciones enzimáticas catalizadas por fosfato de piridoxal
  • R ¹ R ² C(=NCHR ³ R ⁴ ) ⇌ (R ¹ R ² CHN=)CR ³ R ⁴
• nitro – aci -nitro (ácido nitrónico): RR'HC ⁻ N ⁺ (=O)(O ⁻ ) ⇌ RR'C=N ⁺ (O ⁻ )(OH)
• nitroso – oxima : H−C−N=O ⇌ C=N−O−H
• cetena – ynol , que implica un triple enlace: H−C=C=O ⇌ C≡C−O−H
• aminoácido – carboxilato de amonio, que se aplica a los componentes básicos de las proteínas. Esto desplaza el protón a más de dos átomos, produciendo un zwitterión en lugar de desplazar un doble enlace: H ₂ N−CH ₂ −COOH ⇌ H ₃ N ⁺ −CH ₂ −CO−2
• fosfito – fosfonato : P(OR) ₂ (OH) ⇌ HP(OR) ₂ (=O) entre fósforo trivalente y pentavalente.

Prototropía

La prototropía es la forma más común de tautomerismo y se refiere a la reubicación de un átomo de hidrógeno. ^[7] La ​​tautomería prototrópica puede considerarse un subconjunto del comportamiento ácido-base . Los tautómeros prototrópicos son conjuntos de estados de protonación isoméricos con la misma fórmula empírica y carga total . Las tautomerizaciones son catalizadas por: ^[4]

• bases , que implican una serie de pasos: desprotonación, formación de un anión deslocalizado (p. ej., un enolato ) y protonación en una posición diferente del anión; y
• ácidos , que implica una serie de pasos: protonación, formación de un catión deslocalizado y desprotonación en una posición diferente adyacente al catión).

La glucosa puede existir tanto en forma de cadena lineal como de anillo.

Otras dos subcategorías específicas de tautomerizaciones:

• La tautomería anular es un tipo de tautomería prototrópica en la que un protón puede ocupar dos o más posiciones de los sistemas heterocíclicos que se encuentran en muchos fármacos, por ejemplo, 1 H - y 3 H - imidazol ; 1 H -, 2 H - y 4 H - 1,2,4-triazol ; 1 H- y 2 H - isoindol . ^[8]
• Los tautómeros de cadena de anillo ocurren cuando el movimiento del protón va acompañado de un cambio de una estructura abierta a un anillo, como el hemiacetal cíclico y de cadena abierta (típicamente formas de piranosa o furanosa ) de muchos azúcares. ^{[4] : 102} (Ver Carbohidrato § Isomería de cadena recta de anillo ). El cambio tautomérico se puede describir como H−O ⋅ C=O ⇌ O−C−O−H, donde "⋅" indica la ausencia inicial de un vínculo.

Tautomerismo de valencia

La tautomería de valencia es un tipo de tautomería en la que se forman y rompen rápidamente enlaces simples y/o dobles, sin migración de átomos o grupos. ^[9] Es distinto del tautomerismo prototrópico e implica procesos con una rápida reorganización de los electrones de enlace.

Equilibrio oxepina – óxido de benceno

Un par de tautómeros de valencia con fórmula C ₆ H ₆ O son óxido de benceno y oxepina . ^{[9] [10]}

Otros ejemplos de este tipo de tautomerismo se pueden encontrar en el bullvaleno , y en formas abiertas y cerradas de ciertos heterociclos , como las azidas y tetrazoles orgánicos , ^[11] o la münchnona mesoiónica y la acilaminocetena.

La tautomería de valencia requiere un cambio en la geometría molecular y no debe confundirse con estructuras de resonancia canónica o mesomeros.

Materiales inorgánicos

En sólidos extendidos inorgánicos, la tautomería de valencia puede manifestarse en el cambio de los estados de oxidación y su distribución espacial ante el cambio de las condiciones termodinámicas macroscópicas. Estos efectos se han denominado ordenamiento de cargas o mezcla de valencias para describir el comportamiento en los óxidos inorgánicos. ^[12]

Consecuencias para las bases de datos químicas

La existencia de múltiples tautómeros posibles para sustancias químicas individuales puede generar confusión. Por ejemplo, las muestras de 2-piridona y 2-hidroxipiridina no existen como materiales aislables separados: las dos formas tautoméricas son interconvertibles y la proporción de cada una depende de factores como la temperatura, el disolvente y los sustituyentes adicionales unidos al anillo principal. ^{[8] [13]}

Históricamente, cada forma de la sustancia se ingresaba en bases de datos como las mantenidas por el Chemical Abstracts Service y se les asignaban números de registro CAS separados . ^[14] Se asignó 2-piridona [142-08-5] ^[15] y 2-hidroxipiridina [109-10-4]. ^[16] Este último es ahora un número de registro "reemplazado" de modo que la búsqueda por cualquiera de los identificadores llegue a la misma entrada. La posibilidad de reconocer automáticamente tal tautomerismo potencial y garantizar que todos los tautómeros estén indexados juntos se ha visto facilitada en gran medida por la creación del Identificador Químico Internacional (InChI) y el software asociado. ^{[17] [18] [19]} Por lo tanto, el InChI estándar para cualquiera de los tautómeros es InChI=1S/C5H5NO/c7-5-3-1-2-4-6-5/h1-4H,(H,6,7). ^[20]

Ver también

• Molécula fluxional

Referencias

1. "tautómero". Diccionarios de Oxford - Inglés . Archivado desde el original el 19 de febrero de 2018.
2. Antonov L (2013). Tautomerismo: métodos y teorías (1ª ed.). Weinheim, Alemania: Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-33294-6.
3. Antonov L (2016). Tautomerismo: conceptos y aplicaciones en ciencia y tecnología (1ª ed.). Weinheim, Alemania: Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-33995-2.
4. Smith, Michael B. (19 de febrero de 2020). Química orgánica avanzada de marzo: reacciones, mecanismos y estructura. Wiley. págs. 96-103. ISBN 9781119371809.
5. Katritzky AR , Elguero J, et al. (1976). La tautomería de los heterociclos . Nueva York: Prensa académica . ISBN 978-0-12-020651-3.
6. Smith, Kyle T.; Joven, Sherri C.; DeBlasio, James W.; Hamann, Christian S. (27 de enero de 2016). "Medición de los efectos estructurales y electrónicos sobre el equilibrio ceto-enol en compuestos 1,3-dicarbonilo". Revista de Educación Química . 93 (4): 790–794. Código Bib :2016JChEd..93..790S. doi :10.1021/acs.jchemed.5b00170.
7. IUPAC , Compendio de terminología química , 2ª ed. (el "Libro de Oro") (1997). Versión corregida en línea: (2006–) "Tautomerismo". doi :10.1351/librooro.T06252
8. Katritzky, Alan R.; Salón, C. Dennis; El-Gendy, Bahaa El-Dien M.; Draghici, Bogdan (2010). "Tautomerismo en el descubrimiento de fármacos". Revista de diseño molecular asistido por computadora . 24 (6–7): 475–484. Código Bib : 2010JCAMD..24..475K. doi :10.1007/s10822-010-9359-z. PMID  20490619. S2CID  1811678.
9. IUPAC , Compendio de terminología química , 2ª ed. (el "Libro de Oro") (1997). Versión corregida en línea: (2006–) "tautomerización de valencia". doi : 10.1351/goldbook.V06591.html
10. E. Vogel y H. Günther (1967). "Tautomerismo de valencia de óxido de benceno-oxepina". Angewandte Chemie Edición Internacional en inglés . 6 (5): 385–401. doi :10.1002/anie.196703851.
11. Lakshman Mahesh K., Singh Manish K., Parrish Damon, Balachandran Raghavan, Day Billy W. (2010). "Equilibrio azida-tetrazol de nucleósidos de azidopurina C-6 y sus reacciones de ligadura con alquinos". La Revista de Química Orgánica . 75 (8): 2461–2473. doi :10.1021/jo902342z. PMC 2877261 . PMID  20297785. {{cite journal}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace )
12. Karen, Pavel; McArdle, Patricio; Takats, Josef (18 de junio de 2014). "Hacia una definición integral de estado de oxidación (Informe técnico IUPAC)". Química Pura y Aplicada . 86 (6): 1017–1081. doi : 10.1515/pac-2013-0505 . ISSN  1365-3075. S2CID  95381734.
13. Forlani, Luciano; Cristoni, Giampiero; Boga, Carla; Todesco, Paolo E.; Vecchio, Erminia Del; Selva, Simona; Monari, Magda (2002). "Reinvestigación de la tautomería de algunas 2-hidroxipiridinas sustituidas". Arkivoc . 2002 (11): 198–215. doi : 10.3998/ark.5550190.0003.b18 . hdl : 2027/spo.5550190.0003.b18 .
14. "Preguntas frecuentes sobre el REGISTRO CAS y el número de registro CAS". CAS, una división de la Sociedad Química Estadounidense . Consultado el 10 de agosto de 2022 .
15. "2-piridona". Química común de CAS . Consultado el 10 de agosto de 2022 .
16. "2-piridona ("otro nombre")". Química común de CAS . Consultado el 10 de agosto de 2022 .
17. Heller, Stephen; McNaught, Alan; Stein, Esteban; Tchekhovskoi, Dmitrii; Pletnev, Igor (2013). "InChI: el estándar mundial de identificación de estructuras químicas". Revista de quimioinformática . 5 (1): 7. doi : 10.1186/1758-2946-5-7 . PMC 3599061 . PMID  23343401. 
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19. David, Laurianne; Thakkar, Amol; Mercado, Rocío; Engkvist, Ola (2020). "Representaciones moleculares en el descubrimiento de fármacos impulsado por IA: una revisión y una guía práctica" (PDF) . Revista de quimioinformática . 12 (1): 56. doi : 10.1186/s13321-020-00460-5 . PMC 7495975 . PMID  33431035. 
20. "2-piridona". ChemSpider . Consultado el 10 de agosto de 2022 .

enlaces externos

• Medios relacionados con la tautomería en Wikimedia Commons