5a Nomenclatura E Isomeria Estreuctural

COMPUESTOS DE CARBONO NOMENCLATURA E ISOMERÍA ESTRUCTURAL Lic. Lidia Iñigo

La química orgánica se define hoy como la química de los compuestos de carbono. La denominación de química orgánica se debió a que originalmente estudiaba los compuestos encontrados en los seres vivos. Hoy existen muchos compuestos orgánicos sintetizados por el hombre que no se encuentran en los seres vivos, el ejemplo más concreto son todos los polímeros sintéticos (comúnmente llamados plásticos). Se debe puntualizar que rigen las mismas leyes tanto para los compuestos inorgánicos como para los orgánicos. A diferencia de los compuestos inorgánicos, que son relativamente pocos pero en ellos intervienen todos los elementos de la tabla periódica, existen millones de compuestos orgánicos, pero están formados por muy pocos elementos. Los compuestos orgánicos están formados esencialmente por cuatro elementos: carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. Se encuentran en menor cantidad los halógenos, fósforo y azufre y en mucha menor cantidad algunos metales. La razón para exista esta gran diversidad de compuestos se encuentra en la característica que tiene el carbono, de formar uniones covalentes consigo mismo, creando cadenas tanto abiertas (lineales o ramificadas) como cerradas (formando ciclos). Como consecuencia de esto una misma fórmula molecular puede corresponder a muchos compuestos distintos. Los compuestos que siendo distintos tienen una misma fórmula molecular se denominan isómeros. Debido a la gran cantidad de compuestos orgánicos existente, la IUPAC propone una nomenclatura sistemática, con reglas estrictas para poder nombrar correctamente un compuesto. De no seguir estas reglas se corre el riesgo de que el nombre pueda corresponder a más de una estructura, con lo cual la persona que escucha dicho nombre o lo ve escrito no sabe a cual corresponde.

Un compuesto puede tener más de un nombre, y de hecho vas a ver que así es en muchos casos, pero un nombre no puede corresponder a más de un compuesto. No tiene sentido que repitamos aquí todas las reglas de la IUPAC, los distintos grupos funcionales, y como se nombran, se encuentran en los textos recomendados. Nos enfocaremos en las cuestiones que pueden traer dificultades y en la forma en que se debe estudiar. La recomendación es:

Primero estudiá y asegurate de saber las reglas de nomenclatura de la IUPAC. Nomenclatura, sobre todo en química orgánica, no se estudia memorizando ejemplos. Recordá que existen millones de compuestos, y por eso debe ser tan estricta la sistematización. Nomenclatura se estudia conociendo las reglas, así podrás nombrar cualquier compuesto, aunque no lo conozcas. Los compuestos formados solamente por carbono e hidrógeno se denominan Hidrocarburos, éstos, a su vez, los podemos clasificar en Alcanos, si tienen solamente enlaces simples, Alquenos, si tienen algún doble enlace y Alquinos, si poseen al menos un enlace triple.

1

Recordando lo estudiado en Geometría Molecular: ¿Qué geometría se observa cuando un átomo de carbono posee sólo uniones covalentes simples? ¿Y cuando presenta una unión doble? ¿Y si forma una unión triple?

En los alcanos lineales la cadena está formada por una sucesión de carbonos tetraédricos unidos entre sí. Por ejemplo el butano.

Ver animación

En química orgánica existen distintos tipos de fórmulas: La fórmula molecular, que para el butano es C4H10. La fórmula desarrollada, donde se explicitan todas las uniones con los hidrógenos (u otros átomos). H

H H H H

H

H C C C C H H H H H

H

H

H H

H

H

H H

Las fórmulas semidesarrolladas, cuando se omiten algunas de las uniones (comúnmente con los hidrógenos). Aunque no se escriban todas las uniones, en estas fórmulas queda claro cual es la estructura de la molécula (de que manera están unidos los átomos). Por ejemplo:

CH3−(CH2)2−CH3 a

CH3−CH2−CH2−CH3 b

CH3 H3C

c

d

Las fórmulas c y d son fórmulas esquemáticas, donde se representan solamente las uniones entre los carbonos. Cuando existen hasta tres átomos de carbono la única posibilidad es que la cadena sea lineal. Pero con cuatro átomos de carbono, existe la posibilidad de una ramificación. Es el primer caso en el que aparece la isomería en los alcanos. Los compuestos butano y metilpropano son isómeros porque poseen la misma fórmula molecular, C4H10, pero distinta fórmula desarrollada. La fórmula del metilpropano es:

a CH3−CH(CH3)−CH3 b

CH3 CH CH3 CH3 Ver animación

CH3

c H3C

CH3

Notá que las fórmulas con las que se representa un compuesto, no tienen relación con la geometría y la disposición espacial de la molécula.

Es importante que te familiarices con las fórmulas que están expresadas como la ¨a¨ en ambos casos (con los paréntesis) ya que así las vas a encontrar muchas veces en la guía de ejercitación y en los textos.

2

La interpretación del paréntesis es diferente en las fórmulas del butano y de metil propano. ¿Qué significa en cada caso?

Cuando escribas una fórmula asegurate de que cada carbono comparta cuatro pares de electrones, debe tener cuatro uniones simples, o una doble y dos simples, o dos dobles, o una triple y una simple. De lo contrario podés poner mal el número de átomos que se unen al carbono (usualmente sucede con los hidrógenos) y la fórmula está mal. Existen dos tipos de isomería, la isomería estructural o plana y la isomería espacial o estereoisomería.

Los isómeros estructurales son compuestos que tienen la misma formula molecular pero distinta fórmula desarrollada. Es decir, tienen la misma cantidad de átomos de cada elemento pero esos átomos están unidos entre sí de manera diferente. La isomería estructural se puede clasificar en tres tipos: de cadena, de posición y de función.

Isomería Estructural

de cadena de posición de función

Los isómeros de cadena se diferencian en las ramificaciones (o estructura) de la cadena hidrocarbonada. El butano y el metilpropano son isómeros de cadena. En los alcanos solamente pueden existir isómeros de cadena. Luego veremos la isomería de posición y de función. La primera regla de la IUPAC es que se debe buscar la cadena más larga, la cual se toma como cadena principal. Las ramificaciones se nombran con la raíz correspondiente al número de carbonos pero cambiando la terminación por il en el nombre. Cuando se nombra una cadena hidrocarbonada con enlaces simples que está unida a otra cadena o grupo, se utiliza la terminación ilo. Esto es lo que se denomina un radical, en general se denomina radical alquilo y se simboliza con la letra R. Observá que cuando se llega a tres átomos de carbono ya hay dos posibilidades, que se una por el carbono de la punta (cadena lineal) o que se una por el carbono del centro, en cuyo caso se denomina isopropilo.

Alcano

Ramificación

CH4 Metano

CH3−

metil

metilo

CH3−CH3 etano

CH3−CH2−

etil

etilo

CH3−CH2−CH2−

propil

propilo

CH3−CH(CH3)−

isopropil

isopropilo

R−

alquil

alquilo

CH3−CH2−CH3 propano Genéricamente

En el nombre Como radical

La dificultad aparece en la correlación entre la representación de la fórmula y lo que es la molécula en la realidad. La fórmula no dice nada sobre la disposición espacial, por eso el que una cadena se escriba para la derecha, para la izquierda, para arriba, para abajo o retorcida es lo mismo y la sustancia no es diferente. Por lo tanto se debe buscar la cadena más larga, no importa de qué manera esté escrita. En el siguiente ejemplo la cadena más larga no es la que está escrita en forma horizontal, sino cualquiera de las dos que están marcadas con color. CH3 CH3 CH3−CH2−C−CH2−CH−CH3 CH2−CH2−CH3

CH3 CH3 CH3−CH2−C−CH2−CH−CH3 CH2−CH2−CH3

Una vez encontrada la cadena principal, se debe dar número a la posición de las ramificaciones, comenzando por el extremo que dé los números más bajos. En este caso es el extremo de arriba y como la cadena más larga es de 7 carbonos se nombra como: 4-etil-2,4-dimetilheptano. En estructuras complicadas a veces es difícil poder decir si se trata del mismo compuesto, si se trata de isómeros o si son compuestos diferentes, y en ese caso ayuda mucho el nombrar correctamente el compuesto.

Dadas las siguientes fórmulas decidí si se trata de un mismo compuesto, de isómeros o de compuestos diferentes. Escribí su/sus nombres.

3

CH3 CH3

CH3

CH 2 CH CH CH 2 CH CH3 CH 2 CH3

CH3 CH CH3

CH 2 CH CH 2 CH3 CH3 CH CH 2 CH3

Se denomina grupo funcional al átomo o grupo de átomos que caracterizan una clase de compuestos orgánicos y determinan sus propiedades. Generalmente los grupos funcionales están constituidos por átomos distintos de carbono e hidrógeno, pero los dobles o triples enlaces también se consideran grupos funcionales.

Las reglas de nomenclatura que deben seguirse son las mismas, solo que se debe buscar la cadena más larga pero que contenga al grupo funcional (aunque puede haber alguna de mayor longitud que no lo contenga) y se debe dar el número más bajo a la posición grupo funcional (aunque pueda haber ramificaciones de la cadena que den números más bajos).

Primero debés aprender a reconocer los distintos grupos funcionales y como se nombran los compuestos que los poseen. Y después seguir las reglas de nomenclatura.

A manera de resumen te presentamos el siguiente cuadro:

* Cuando existe un grupo funcional con mayor prioridad ** En el caso que el doble o triple enlace forme parte de la cadena principal. En el caso de que el mismo esté en una ramificación, no entra dentro del alcance de este curso. *** Se nombran como derivados del alcano (el halógeno como sustituyente) 1 No entra dentro del alcance de este curso.

Los halogenuros de alquilo y los alcoholes se clasifican en primarios, secundarios y terciarios. Pero debés notar que esta clasificación es distinta en el caso de las aminas o amidas, donde según la cantidad de grupos alquilo unidos al nitrógeno se denominan primarias, secundarias o terciarias. Los halogenuros de alquilo y alcoholes se nombran como primarios,

secundarios o terciarios si el grupo funcional está unido respectivamente a un carbono primario, secundario o terciario. Un carbono primario es un átomo de carbono que está unido a un solo carbono, si a él está unido un grupo funcional tendrá además unidos dos átomos de hidrógeno. Es también el caso de un metilo, cuando el átomo de carbono sólo está unido al grupo funcional y a tres átomos de hidrógeno. Un carbono secundario es un átomo de carbono que está unido a dos átomos de carbono. Un carbono terciario es un átomo de carbono que está unido a tres átomos de carbono. Un carbono cuaternario está unido a cuatro átomos de carbono y no puede tener un grupo funcional unido al mismo. El benceno es el más importante de una familia de hidrocarburos denominada hidrocarburos aromáticos. Estos se caracterizan por ser compuestos de estructura cíclica de gran estabilidad química. Durante mucho tiempo la estructura del benceno fue un problema insoluble, hasta que en 1865 el químico alemán August Kekulé von Stradonitz (1829 – 1896) sugirió una estructura cíclica con tres dobles enlaces, o sea un cilcohexatrieno. Pero no se explicaba que el benceno no tuviera las propiedades químicas de los alquenos, y tampoco que existieran solamente tres isómeros con dos sustituyentes. Hoy sabemos que esos dobles enlaces están deslocalizados y que no se puede representar al benceno ni por la estructura 1 ni por la 2 de la siguiente figura, sino que es “una mezcla intermedia” entre las dos. Todos los enlaces del benceno son iguales (su longitud es intermedia entre un enlace simple y uno doble), por eso se representa como la estructura 3.

1

2

3

Los compuestos derivados del benceno tienen nombres comunes aceptados por la IUPAC: Cl

clorobenceno

fenol o hidroxibenceno

O C

NH 2

OH

anilina o aminobenceno O

O OH

ácido benzoico

C

benzaldehído

H

C

benzamida

NH 2

Al ser el benceno totalmente plano, cuando hay dos sustituyentes sólo existen tres posibilidades de isómeros: 1,2 u orto; 1,3 o meta y 1,4 o para. La que sería 1,5 es en realidad la 1,3 o meta con la molécula girada 180º y la que sería 1,6 es en realidad 1,2 u orto.

1,2 u orto

1,3 o meta

1,4 o para

Te habrás dado cuenta que al ser la nomenclatura orgánica tan sistemática es mucho más fácil escribir la fórmula a partir de su nombre que escribir el nombre a partir de la fórmula. Cuando un compuesto posee el máximo número de hidrógenos posible se dice que es saturado. Si hay menor número de hidrógenos debido a dobles enlaces, triples enlaces o ciclos se dice que es insaturado. Los alcanos de cadena abierta son saturados, pero un ciclo representa una instauración, por ejemplo el ciclopentano tiene una instauración (hay dos hidrógenos menos). Un doble enlace también es una instauración, pero un enlace triple son dos instauraciones (hay 4 hidrógenos menos). El benceno posee cuatro insaturaciones, tres de los dobles enlaces y una del cilclo. En el alqueno de menor número de átomos de carbono, que es el eteno (IUPAC) o etileno (vulgar), y en el propeno hay una única posibilidad para la posición del doble enlace. Cuando hay cuatro átomos de carbono tenemos dos posibilidades CH2=CH−CH2−CH3 y CH3−CH=CH−CH3 Los dos son butenos, porque tienen cuatro átomos de carbono, pero no se pueden nombrar simplemente como buteno porque quedaría indeterminado de cual se trata. Se debe dar entonces la posición del grupo funcional y el primer compuesto se nombra como 1-buteno y el segundo como 2-buteno. Son isómeros de posición.

En los isómeros de posición la diferencia está en la posición de un grupo funcional.

4

¿Por qué CH3−CH2−CH=CH2 no es el 3-buteno?

Observá que aldehídos ácidos y nitrilos son grupos funcionales terminales, por lo tanto el átomo de carbono del grupo funcional es siempre el carbono 1 de la cadena principal (forma parte de la misma) y no tienen isómeros de posición. Lo mismo sucede en los ésteres y en las amidas donde el carbono 1 es el átomo de carbono que posee el grupo funcional. A veces suele utilizarse la letra n minúscula para significar que se trata de la cadena lineal, ya sea en un compuesto en el que un grupo funcional está en posición uno, o como ramificación en una cadena de mayor longitud (para que no quede duda de que se trata de la cadena lineal). Por ejemplo decir n-butanol en lugar de 1-butanol, n-pentilamina en lugar de pentilamina, cloruro

de n-butilo ó 5-n-butil nonano. Esto no se utiliza en 1-alquenos, 1-alquinos o en grupos funcionales terminales.

Los isómeros de función se diferencian en que tienen un grupo funcional diferente, por lo tanto pertenecen a una familia de compuestos distinta. Pueden ser isómeros de función, por ej.:

un un un un un

cicloalcano con un alqueno cicloalqueno con un dieno o con un alquino alcohol con un éter aldehído con una cetona ácido con un éster

En un mismo compuesto puede existir simultáneamente más de un tipo de isomería, aunque en el caso de existir isomería de función, como ésta es mucho más importante porque determina la familia de compuestos y sus propiedades, muchas veces se pasa por alto otro tipo de isomería. Por ejemplo el pentanal y la metilbutanona son isómeros de función, aunque también lo son de cadena y esto último muchas veces no se menciona. En otros casos, como éteres, ésteres y aminas, no se puede distinguir de que tipo de isomería se trata, porque no se puede decir que sea de cadena o de posición, y se nombran simplemente como isómeros estructurales. Por ejemplo entre metil-propiléter y dietiléter o entre etil-metilamina y trimetilamima.

5

Practicá escribiendo las fórmulas semidesarrolladas de los compuestos nombrados: a) pentanal b) metilbutanona c) metil-propiléter d) dietiléter e) etil-metilamina f) trimetilamima.

6

Escribí la fórmula semidesarrollada y el nombre de los 7 isómeros de fórmula C4H10O. Indicá que tipo de isomería existe entre cada uno de ellos.

Nombrá los siguientes compuestos: 1)

2)

3)

CH3 CH3 C

CH3

O C

C CH2 C CH3

O CH2 CH3

CH3 CH2 CH CH CH2 CH3 CH2 Br

CH3

4)

7

5)

6) O

O

CH3

CH2 CH CH2 C

C

NH CH2 CH3

NH CH3

CH3 CH2 CH3

7)

8) O

CH3 CH C CH2 CH3

CH3

CH3 CH NH CH3

9) OH

CH3

En los compuestos polifuncionales, donde existe más de un grupo funcional, se debe tener en cuenta el orden de prioridad de los grupos funcionales. Por lo tanto debés conocer este orden. El orden de prioridad de mayor a menor es: ácido – éster – amida – nitrilo – aldehído cetona – alcohol – amina – éter – alqueno – alquino – halógeno – alquilo (ramificación) El grupo funcional con mayor prioridad es el grupo funcional principal y es el que va a determinar el nombre, los demás grupos funcionales se nombrarán como sustituyentes (ver cuadro). La cadena principal será la cadena más larga que contenga al grupo funcional principal y se debe numerar de manera de dar el número más bajo al mismo. En caso de igual longitud se debe elegir la cadena que contenga el mayor número de grupos funcionales.

8

Practicá ahora nombrando los siguientes compuestos: 1) Br−CH2−CH2−C≡CH 2) CH3−CH(OH)−CH(CH3)−CH2−COOH 3) CH3−CH2−CH(Cl)−CH2−CH(NH2)−CHO 4) CH3−CH=C(CH3)−CH(OH)−CH2−Cl 5) CH3−CH2−CH(CH2−CH3)−CO− CH2−COO−CH3

9

Escribir la fórmula y nombrar un isómero de cadena, uno de posición y uno de función de los siguientes compuestos: a) 3–hexanona b) 1–pentino c) metil–1–propanol.

10

Escribir la fórmula y nombrar un isómero de cada uno de los siguientes compuestos que tenga un solo grupo funcional. a) 4–amino–2–pentanona b) 4–hidroxihexanal c) 3–buten–1–ol o 3-en-1-butanol

Respuestas

1 Un átomo de carbono que sólo forma uniones simples forma cuatro enlaces orientados hacia los vértices de un tetraedro regular, con ángulos de 109,5 º, esa geometría se denomina tetraédrica. Si el átomo de carbono forma un doble enlace y dos enlaces simples la geometría es triangular plana, con ángulos de 120 º. Si tiene un enlace triple y uno simple la geometría es lineal, con un ángulo de 180 º.

2 En el caso del butano el paréntesis indica que se repite dos veces el metileno (−CH2−), en cambio en el caso del metilpropano significa que hay una ramificación en el átomo de carbono anterior, observá que el mismo está unido a un átomo de hidrógeno, a los dos metilos de las puntas (−CH3) y al metilo que está entre paréntesis.

3 Lo primero que se debe hacer es contar carbonos e hidrógenos y ver su fórmula molecular. Como la fórmula molecular es C11H24 para los dos, no se trata de compuestos distintos. Pueden ser isómeros o puede tratarse del mismo compuesto. Para saberlo ayuda mucho el nombrarlo correctamente. Si se nombran siguiendo las reglas de la IUPAC vemos que los dos responden al mismo nombre, 4-etil-2,5-dimetilheptano. No se trata de isómeros sino del mismo compuesto, lo único que se hizo es escribir su fórmula de manera diferente en el papel. Este compuesto es isómero del ejemplo anterior, el 4-etil-2,4-dimetilheptano.

4

No existe el 3-buteno, sino que es el 1-buteno. Fijate que la numeración debe hacerse de manera de dar el número menor al grupo funcional (doble enlace).

5

a) CH3−CH2−CH2−CH2−CHO b) CH3−CH(CH3)−CO−CH3 d) CH3−CH2−O−CH2−CH3 e) CH3−CH2−NH−CH3

c) CH3−O−CH2−CH2−CH3 f) (CH3)3−N

6 1) CH3−(CH2)2− CH2−OH 1-butanol 2) CH3−CH2−CH(OH)−CH3 2-butanol 3) CH3−CH(CH3)−CH2−OH metil-1-propanol 4) CH3−C(CH3)2−OH metil-2-propanol 5) CH3−CH2−O−CH2−CH3 dietiléter 6) CH3−O−CH2−CH2−CH3 metil-propiléter 7) CH3−O−CH(CH3)−CH3 isopropil-metiléter 1) con 2) son isómeros de posición 1) con 3) son isómeros de cadena 1) con 4) y 2) con 3) son isómeros de posición y de cadena 2) con 4) son isómeros de cadena y 3) con 4) son isómeros de posición. Los éteres son isómeros estructurales entre sí. 6) y 7) son isómeros de cadena. Cualquiera de los éteres son isómeros de función con cualquiera de los alcoholes.

7 1) 4) 6) 8)

5,5-dimetil-2-hexino 2) benzoato de etilo 3) 1-bromo-2-etil-3-metilpentano 3-metilciclohexeno 5) N-etil-3-metilbutanoamida m-etil-N-metilbenzamida ó 3-etil-N-metilbenzamida 7) 3-metil-2-pentanona isopropil-metil-amina 9) ciclopentanol

8 1) 4-bromo-1-butino 2) ácido 4-hidroxi-3-metilpentanoico 3) 2-amino-4-cloro-hexanal 4) 1-cloro-3-en-3-metil-2-pentanol ó 1-cloro-3-metil-3-penten-2-ol 5) 3-ceto-4-etil-hexanoato de metilo ó 4-etil-3-oxo-hexanoato de metilo

9 a) isómero de cadena CH3−CH2−CO−CH(CH3)−CH3 2-metil-3-pentanona ó metil-3-pentanona isómero de posición CH3−CO−CH2−CH2−CH2−CH3 2-hexanona isómeros de función CH3−CH2−CH2−CH2−CH2−CHO hexanal (o cualquier isómero de cadena del mismo: 2, 3, ó 4-metilpentanal, 2-etilbutanal ó 2,2 ó 2,3-dimetilbutanal) b) isómero de cadena H−C≡C−CH(CH3)−CH3 metil-1-butino isómero de posición CH3−C≡C−CH2−CH3 2-pentino isómeros de función CH2=CH−CH=CH−CH3 1,3-pentadieno ó CH2=CH−CH2−CH=CH2 1,4 pentadieno

ó

Ciclopenteno

c) isómero de cadena CH3−CH2−CH2−CH2−OH 1-butanol isómero de posición CH3−C(CH3)(OH)−CH3 metil-2-propanol isómeros de función CH3−CH2−O−CH2−CH3 dietiléter ó CH3−O−CH2−CH2−CH3 metil-propiléter ó CH3−O−CH(CH3)−CH3 isopropil-metiléter

10 a) CH3−CH2−CH2−CH2−CO−NH2 pentanoamida o cualquier amida isómera como N-metil-butanoamida, 2-metil-butanoamida etc. b) CH3−CH2−CH2−CH2−CH2−COOH ácido hexanoico o cualquier isómero de cadena del mismo. CH3−CH2−CH2−CH2−COO−CH3 pentanoato de metilo o cualquier éster isómero. c) CH3−CH2−CH2−CHO butanal ó CH3−C(CH3)−CHO metilpropanal ó CH3−CO−CH2−CH3 butanona.