Tautómero

Isómeros de compuestos químicos que se interconvierten

Los dos tautómeros de un aminoácido: (1) formas neutras y (2) zwitteriónicas

En química , los tautómeros ( / ˈtɔːtəmər / ) [ ^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 generalmente resulta de la reubicación de un átomo de hidrógeno dentro del compuesto. El fenómeno de tautomerización se llama tautomería , también llamado desmotropismo . La tautomería es, por ejemplo, relevante para el comportamiento de los aminoácidos y los ácidos nucleicos , dos de los bloques fundamentales de la vida. El término se deriva del griego antiguo ταὐτό (tautó)  'lo mismo' y μέρος (méros)  'parte'.

Se debe tener cuidado de no confundir los tautómeros con representaciones de "estructuras contribuyentes" en resonancia química . Los tautómeros son especies químicas distintas que se pueden distinguir 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 idealizadas e hipotéticas implicadas por estas formas de resonancia.

Ejemplos

Algunos ejemplos de tautómeros

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

La tautomerización es una práctica generalizada en la química orgánica . ^{[2] [7]} Se asocia típicamente 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, e incluso más específicamente, la forma más común implica 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 de tres nitrógenos , un grupo guanidina permite esta transformación en tres orientaciones posibles
• amida – ácido imídico : H−N−C=O ⇌ N=C−O−H (por ejemplo, este último se encuentra durante las reacciones de hidrólisis del nitrilo )
  • lactama – lactim , una forma cíclica del tautomería del ácido amida-imídico en 2-piridona y estructuras derivadas como las nucleobases guanina , timina y citosina ^[5]
• imina – imina, por ejemplo, durante las reacciones enzimáticas catalizadas por fosfato de piridoxal
  • R1R2C ( = ^{NCHR3R4 )} ⇌ ⁽ R1R2CHN ⁼ ) ^CR3R4​​^​​^​
• 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 más de dos átomos, lo que produce 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 tautomería 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 (por ejemplo, un enolato ) y protonación en una posición diferente del anión; y
• ácidos , que implican 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.

Dos subcategorías específicas adicionales de tautomerizaciones:

• El tautomería anular es un tipo de tautomería prototrópica en el 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 se producen cuando el movimiento del protón está acompañado por un cambio de una estructura abierta a un anillo, como la cadena abierta y el hemiacetal cíclico (normalmente 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 enlace.

Tautomería de valencia

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

Equilibrio entre óxido de benceno y oxepina

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

Otros ejemplos de este tipo de tautomería se pueden encontrar en el bullvaleno , y en formas abiertas y cerradas de ciertos heterociclos , como las azidas orgánicas y los tetrazoles , ^[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 mesómeros.

Materiales inorgánicos

En los sólidos inorgánicos extendidos, la tautomería de valencia puede manifestarse en el cambio de los estados de oxidación y su distribución espacial al cambiar las condiciones termodinámicas macroscópicas. Estos efectos se han denominado ordenamiento de carga o mezcla de valencia para describir el comportamiento en 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 solvente y los sustituyentes adicionales unidos al anillo principal. ^{[8] [13]}

Históricamente, cada forma de la sustancia se ingresaba en bases de datos como las que mantiene el Chemical Abstracts Service y se le asignaban números de registro CAS separados . ^[14] A la 2-piridona se le asignaba [142-08-5] ^[15] y a la 2-hidroxipiridina [109-10-4]. ^[16] Esta última es ahora un número de registro "reemplazado" de modo que la búsqueda por cualquiera de los identificadores llega a la misma entrada. La posibilidad de reconocer automáticamente dicho tautomería potencial y garantizar que todos los tautómeros estén indexados juntos se ha facilitado en gran medida con 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]

Véase también

• Molécula fluxional

Referencias

1. "tautómero". Diccionario 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). Tautomería: conceptos y aplicaciones en ciencia y tecnología (1.ª 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). El tautomería de los heterociclos . Nueva York: Academic Press . ISBN 978-0-12-020651-3.
6. Smith, Kyle T.; Young, Sherri C.; DeBlasio, James W.; Hamann, Christian S. (27 de enero de 2016). "Medición de los efectos estructurales y electrónicos en el equilibrio ceto-enólico en compuestos 1,3-dicarbonílicos". Journal of Chemical Education . 93 (4): 790–794. Bibcode :2016JChEd..93..790S. doi :10.1021/acs.jchemed.5b00170.
7. IUPAC , Compendio de terminología química , 2.ª ed. (el "Libro de oro") (1997). Versión corregida en línea: (2006–) "Tautomerismo". doi :10.1351/goldbook.T06252
8. Katritzky, Alan R.; Hall, C. Dennis; El-Gendy, Bahaa El-Dien M.; Draghici, Bogdan (2010). "Tautomería en el descubrimiento de fármacos". Revista de diseño molecular asistido por ordenador . 24 (6–7): 475–484. Bibcode :2010JCAMD..24..475K. doi :10.1007/s10822-010-9359-z. PMID  20490619. S2CID  1811678.
9. IUPAC , Compendio de terminología química , 2.ª 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 ligación con alquinos". The Journal of Organic Chemistry . 75 (8): 2461–2473. doi :10.1021/jo902342z. PMC 2877261 . PMID  20297785. 
12. Karen, Pavel; McArdle, Patrick; Takats, Josef (18 de junio de 2014). "Hacia una definición integral del estado de oxidación (Informe técnico de la 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 American Chemical Society . Consultado el 10 de agosto de 2022 .
15. "2-piridona". Química común CAS . Consultado el 10 de agosto de 2022 .
16. "2-piridona ("otro nombre")". CAS Common Chemistry . Consultado el 10 de agosto de 2022 .
17. Heller, Stephen; McNaught, Alan; Stein, Stephen; Tchekhovskoi, Dmitrii; Pletnev, Igor (2013). "InChI - el estándar mundial de identificadores de estructuras químicas". Journal of Cheminformatics . 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) . Journal of Cheminformatics . 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 Tautomería en Wikimedia Commons