Isomerismo estructural (isomerismo constitucional): qué es y tipos
Descubre qué es el isomerismo estructural (isomerismo constitucional), sus tipos: esqueléticos, posicionales (regioisómeros) y funcionales, y cómo influyen en la química orgánica.
El isomerismo estructural (la IUPAC lo llama isomerismo constitucional) es un tipo de isomerismo en el que dos sustancias químicas tienen la misma fórmula molecular pero las moléculas se han enlazado en órdenes distintos, es decir, los átomos están conectados entre sí de diferente manera. Lo contrario del isomerismo estructural es el estereoisomerismo, donde la conectividad es la misma pero difiere la disposición espacial. El isomerismo estructural da lugar a compuestos con propiedades físicas y químicas notablemente diferentes (punto de ebullición, solubilidad, reactividad, etc.).
Tipos principales de isomerismo estructural
- Isómeros esqueléticos (o de cadena): cambian la disposición del esqueleto carbonado. Ejemplo clásico: C4H10 tiene dos isómeros esqueléticos, n-butano y 2-metilpropano (isobutano). También se incluyen los casos de cadena lineal frente a cadena ramificada.
- Isómeros posicionales (regioisómeros): los mismos átomos y el mismo grupo funcional, pero con la posición del grupo funcional o de un sustituyente diferente en la cadena. Por ejemplo, C4H10O incluye 1-butanol (butan-1-ol) y 2-butanol (butan-2-ol) como isómeros posicionales; cambian propiedades como el punto de ebullición y la reactividad.
- Isómeros funcionales: los isómeros presentan diferente grupo funcional a pesar de tener la misma fórmula molecular. Un ejemplo típico es C2H6O, que puede ser etanol (un alcohol) o dimetil éter (un éter). Dentro de este grupo se consideran los tautómeros, que son casos especiales donde hay un equilibrio dinámico entre dos estructuras que difieren en la posición de un protón y de un doble enlace (por ejemplo, las formas keto-enol).
- Isomerismo anillo-cadena: cuando un compuesto puede existir en forma cíclica o en cadena abierta con la misma fórmula. Un ejemplo simple es C6H12, que puede presentarse como ciclohexano (compuesto cíclico) o como hexenos (compuestos con una doble enlace en cadena).
Sobre los tautómeros
Los tautómeros son un caso particular de isómeros funcionales en el cual las formas se interconvierten mediante transferencia de un protón (H+) y reacomodo de enlaces π. El ejemplo más citado es la tautomería keto-enol: una cetona o aldehído puede presentar una forma enol, con distinta reactividad y propiedades espectroscópicas. Esta interconversión suele estar en equilibrio y depende del disolvente, pH y temperatura. En bioquímica, la tautomería puede afectar la apareamiento de bases y, por tanto, la genética.
Cómo distinguir isómeros constitucionales
- Propiedades físicas: puntos de fusión y ebullición, densidad y solubilidad pueden diferir sensiblemente entre isómeros.
- Reactividad química: distintos grupos funcionales o posiciones funcionales reaccionan de manera diferente con reactivos específicos.
- Técnicas espectroscópicas: espectros de RMN, IR, espectrometría de masas (MS) y espectros UV/Vis permiten identificar la conectividad y los grupos funcionales.
- Cromatografía (GC, HPLC) para separar y caracterizar mezclas de isómeros.
Importancia y aplicaciones
El isomerismo constitucional es crucial en química orgánica, farmacología y diseño de materiales. Isómeros con la misma fórmula pueden tener toxicidades, niveles de actividad farmacológica o propiedades físicas muy distintas; por eso la identificación y la síntesis selectiva de un isómero concreto son tareas fundamentales en investigación y desarrollo industrial.
En resumen, el isomerismo estructural (o constitucional) agrupa varios modos en los que la conectividad atómica cambia sin alterar la fórmula molecular: isómeros de cadena, posicionales (regioisómeros), funcionales (incluidos tautómeros) y anillo-cadena. Cada tipo modifica las propiedades del compuesto y requiere técnicas analíticas específicas para su identificación y separación.
Isomería esquelética
En la isomería del esqueleto, o isomería de la cadena, los componentes del esqueleto (normalmente el carbono) se reordenan para formar estructuras diferentes. El pentano tiene tres isómeros. Son el n-pentano (a menudo llamado simplemente "pentano"), el isopentano (metilbutano) y el neopentano (dimetilpropano).
| Isomería esquelética del pentano | ||
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| n-Pentano | Isopentano | Neopentano |
Isomería de posición
En el isomerismo de posición, un grupo funcional u otro sustituyente cambia su posición en una estructura madre. En la siguiente tabla, el grupo hidroxilo puede permanecer en tres posiciones diferentes en una cadena de n-pentano para hacer tres compuestos diferentes.
| Ejemplo de isomería de posición | ||
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| 1-Pentanol | 2-Pentanol | 3-Pentanol |
Existen muchos isómeros aromáticos porque los sustituyentes pueden situarse en diferentes partes del anillo bencénico. Sólo existe un isómero de fenol o hidroxibenceno, pero el cresol o metilfenol tiene tres isómeros en los que el grupo metilo adicional puede colocarse en tres posiciones diferentes del anillo. El xilenol tiene un grupo hidroxilo y dos grupos metilo y existen un total de 6 isómeros.
| Isómeros posicionales del xilenol | ||
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| 2,3-Xilenol | 2,4-Xilenol | 2,5-Xilenol |
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| 2,6-Xilenol | 3,4-Xilenol | 3,5-xilenol |
Isomería de grupos funcionales
Los isómeros funcionales son uno de los isómeros estructurales. Dos compuestos en isomería funcional tienen la misma fórmula molecular (el número de cada átomo es el mismo, como el ciclohexano:C
6H
12 y el 1-hexeno:C
6H
12). Pero los átomos están conectados de otras maneras, de modo que las agrupaciones son diferentes. A estos grupos de átomos los llamamos grupos funcionales, funcionalidades o moieties. Otra forma de decir esto es que dos compuestos que tienen la misma fórmula molecular, pero que tienen diferentes grupos funcionales, son isómeros funcionales.
Por ejemplo, la fórmula química del ciclohexano y del 1-hexeno es C6 H12 . Los llamamos isómeros del grupo funcional porque el ciclohexano es un cicloalcano y el hex-1-eno es un alqueno.
| Ejemplo de isomería de grupos funcionales | |
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| 1-hexeno | |
Para que dos moléculas sean isómeros funcionales, deben contener grupos clave de átomos dispuestos de formas particulares. Algunos de los mejores ejemplos provienen de la química orgánica. C 2H 6O es una fórmula molecular. Dependiendo de la disposición de los átomos, puede representar dos compuestos diferentes: éter dimetílico CH 3-O-CH 3o etanol CH 3CH 2-O-H. El éter dimetílico y el etanol son isómeros funcionales. El primero es un éter. La funcionalidad cadena de carbono-oxígeno-cadena de carbono se denomina éter. El segundo es un alcohol. La funcionalidad cadena de carbono-oxígeno-hidrógeno se denomina alcohol.
Si las funcionalidades permanecen iguales, pero su ubicación cambia, los isómeros estructurales no son isómeros funcionales. El 1-propanol y el 2-propanol son isómeros estructurales, pero no son isómeros funcionales. Ambos son alcoholes. El grupo funcional (cadena de carbono-O-H) está presente en ambos compuestos, pero no son iguales.
Aunque algunos químicos utilizan indistintamente los términos isómero estructural e isómero funcional, no todos los isómeros estructurales son isómeros funcionales.
Los isómeros funcionales se identifican con mayor frecuencia en química mediante la espectroscopia de infrarrojos. La radiación infrarroja corresponde a las energías asociadas principalmente a la vibración molecular. La funcionalidad de los alcoholes tiene una vibración muy marcada, llamada estiramiento OH, que se debe al enlace de hidrógeno. Todos los alcoholes en forma líquida y sólida absorben la radiación infrarroja a determinadas longitudes de onda.
Todos los compuestos con los mismos grupos funcionales absorben determinadas longitudes de onda de la luz infrarroja debido a las vibraciones asociadas a esos grupos. De hecho, el espectro infrarrojo se divide en dos regiones. La primera se denomina región de los grupos funcionales. El éter dimetílico y el etanol tendrían espectros infrarrojos distintos en la región de los grupos funcionales.
La segunda parte del espectro infrarrojo se denomina región de la huella dactilar; está asociada a los tipos de movimiento permitidos por la simetría de la molécula e influidos por las energías de los enlaces. La región de la huella dactilar es más específica de un compuesto individual. Aunque el 1-propanol y el 2-propanol tienen espectros infrarrojos similares en la región del grupo funcional, difieren en la región de la huella digital.
En términos simples, los isómeros funcionales son isómeros estructurales que tienen diferentes grupos funcionales como el alcohol y el éter.
Recuento de isómeros
Como ejemplo de recuento de isómeros, existen 7 isómeros estructurales con fórmula molecular C 3H6 O, cada uno con diferentes conectividades de enlace y estables en el aire a temperatura ambiente. Otros dos isómeros estructurales son los tautómeros de enol de los isómeros de carbonilo, pero éstos no son estables.
| Estructura molecular | Punto de fusión (°C) | Punto de ebullición (°C) | Comentario | |
| Alcohol alílico |
| -129 | 97 | |
| Ciclopropanol |
| 101-102 | ||
| Propanal |
| - 81 | 48 | Tautomérico con (E)-1-propenol y (Z)-1-propenol |
| Acetona |
| - 94.9 | 56.53 | Tautomérico con 2-propenol |
| Oxetano |
| - 97 | 48 | |
| Óxido de propileno |
| - 112 | 34 | Puede resolverse en dos enantiómeros |
| Éter vinílico de metilo |
| - 122 | 6 |
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