Isômero estrutural - Structural isomer

Em química , um isômero estrutural (ou isômero constitucional na nomenclatura IUPAC ) de um composto é outro composto cuja molécula possui o mesmo número de átomos de cada elemento, mas com ligações logicamente distintas entre eles. O termo metamer era usado anteriormente para o mesmo conceito.

Por exemplo, butanol H
3
C
- (CH
2
)
3
–OH, éter metilpropílico H
3
C
- (CH
2
)
2
–O– CH
3
, e éter dietílico ( H
3
C
- CH
2
-) 2 O têm a mesma fórmula molecular C
4
H
10
O,
mas são três isômeros estruturais distintos.

O conceito se aplica também a íons poliatômicos com a mesma carga total. Um exemplo clássico é o íon cianato O = C = N - e o íon fulminato C - ≡N + O - . É também estendido a compostos iônicos, de modo que (por exemplo) cianato de amônio [ NH
4
] + [O = C = N] - e ureia ( H
2
N-
) 2 C = O são considerados isômeros estruturais, assim como o formato de metilamônio [ H
3
C
- NH
3
] + [ HCO
2
] - e acetato de amônio [ NH
4
] + [ H
3
C
- CO
2
] - .

Isomeria estrutural é o tipo mais radical de isomeria . Opõe-se ao estereoisomeria , em que os átomos e o esquema de ligação são os mesmos, mas apenas o arranjo espacial relativo dos átomos é diferente. Exemplos deste último são os enantiômeros , cujas moléculas são imagens espelhadas umas das outras, e as versões cis e trans do 2-buteno .

Entre os isômeros estruturais, pode-se distinguir várias classes, incluindo isômeros esqueléticos , isômeros posicionais (ou regioisômeros ), isômeros funcionais , tautômeros e topoisômeros estruturais .

Isomeria esquelética

Um isômero esquelético de um composto é um isômero estrutural que difere dele nos átomos e ligações que são consideradas como constituindo o "esqueleto" da molécula. Para compostos orgânicos , como alcanos , isso geralmente significa os átomos de carbono e as ligações entre eles.

Por exemplo, existem três isômeros esqueléticos de pentano : n- pentano (freqüentemente chamado simplesmente de "pentano"), isopentano (2-metilbutano) e neopentano (dimetilpropano).

Isômeros esqueléticos de pentano
Pentano-2D-Skeletal.svg 2-metilbutano-2D-skeletal.svg Neopentane-2D-skeletal.png
n - pentano Isopentano Neopentano

Se o esqueleto for acíclico , como no exemplo acima, pode-se usar o termo isomeria de cadeia .

Isomeria de posição (regioisomerismo)

Isômeros de posição (também isômeros posicionais ou regioisômeros ) são isômeros estruturais que podem ser vistos como diferindo apenas na posição de um grupo funcional , substituinte ou alguma outra característica em uma estrutura "parental".

Por exemplo, a substituição de um dos 12 átomos de hidrogênio –H por um grupo hidroxila –OH na molécula-mãe n- pentano pode dar qualquer um dos três isômeros de posição diferentes:

Pentan-1-ol-pos.png Pentan-2-ol-pos.png Pentan-3-ol-pos.png
Pentan-1-ol Pentan-2-ol Pentan-3-ol

Isomeria funcional

Isômeros funcionais são isômeros estruturais que têm diferentes grupos funcionais , resultando em propriedades físicas e químicas significativamente diferentes.

Um exemplo é o par propanal H 3 C – CH 2 –C (= O) -H e acetona H 3 C – C (= O) –CH 3 : o primeiro tem um grupo funcional –C (= O) H, que o torna um aldeído , enquanto o segundo tem um grupo C – C (= O) –C, que o torna uma cetona .

Outro exemplo é o par etanol H 3 C – CH 2 –OH (um álcool ) e éter dimetílico H 3 C – O – CH 2 H (um éter ). Em contraste, 1-propanol e 2-propanol são isômeros estruturais, mas não isômeros funcionais, uma vez que eles têm o mesmo grupo funcional significativo (o hidroxil- OH) e são ambos álcoois.

Além da química diferente, os isômeros funcionais normalmente têm espectros infravermelhos muito diferentes . O espectro infravermelho é amplamente determinado pelos modos de vibração da molécula, e grupos funcionais como hidroxila e ésteres têm modos de vibração muito diferentes. Assim, o 1-propanol e o 2-propanol têm espectros infravermelhos relativamente semelhantes devido ao grupo hidroxila, que é bastante diferente daquele do éter metil etílico.

Isotopômeros estruturais

Na química, geralmente ignoramos as distinções entre os isótopos do mesmo elemento. No entanto, em algumas situações (por exemplo, em Raman , NMR ou espectroscopia de microondas ) pode-se tratar diferentes isótopos do mesmo elemento como diferentes elementos. No segundo caso, duas moléculas com o mesmo número de átomos de cada isótopo, mas com esquemas de ligação distintos, são consideradas isotopômeros estruturais .

Assim, por exemplo, eteno não teria isômeros estruturais sob a primeira interpretação; mas a substituição de dois dos átomos de hidrogênio ( 1 H) por átomos de deutério ( 2 H) pode render qualquer um dos dois isotopômeros estruturais (1,1-didesuteroeteno e 1,2-didesuteroeteno), se ambos os átomos de carbono forem o mesmo isótopo. Se, além disso, os dois carbonos são isótopos diferentes (digamos, 12 C e 13 C), haveria três isotopômeros estruturais distintos, uma vez que 1-13 C-1,1-dideruteroeteno seria diferente de 1-13 C-2 , 2-dideuteroeteno.) E, em ambos os casos, o isotopômero estrutural 1,2-dideutero ocorreria como dois estereoisotopômeros, cis e trans .

Equivalência estrutural e simetria

Equivalência estrutural

Diz-se que duas moléculas (incluindo íons poliatômicos) A e B têm a mesma estrutura se cada átomo de A pode ser emparelhado com um átomo de B do mesmo elemento, de forma um-para-um, de modo que para cada ligação em A existe uma ligação em B, do mesmo tipo, entre átomos correspondentes; e vice versa. Este requisito também se aplica a ligações complexas que envolvem três ou mais átomos, como a ligação deslocalizada na molécula de benzeno e outros compostos aromáticos.

Dependendo do contexto, pode-se exigir que cada átomo seja emparelhado com um átomo do mesmo isótopo, não apenas do mesmo elemento.

Duas moléculas, então, podem ser chamadas de isômeros estruturais (ou, se os isótopos importam, isotopômeros estruturais) se tiverem a mesma fórmula molecular, mas não tiverem a mesma estrutura.

Simetria estrutural e átomos equivalentes

A simetria estrutural de uma molécula pode ser definida matematicamente como uma permutação dos átomos que troca pelo menos dois átomos, mas não altera a estrutura da molécula. Dois átomos, então, podem ser considerados estruturalmente equivalentes se houver uma simetria estrutural que leva um ao outro.

Assim, por exemplo, todos os quatro átomos de hidrogênio do metano são estruturalmente equivalentes, porque qualquer permutação deles preservará todas as ligações da molécula.

Da mesma forma, todos os seis hidrogênios de etano ( C
2
H
6
) são estruturalmente equivalentes entre si, assim como os dois carbonos; porque qualquer hidrogênio pode ser trocado por qualquer outro, seja por uma permutação que troca apenas aqueles dois átomos, ou por uma permutação que troca os dois carbonos e cada hidrogênio em um grupo metil com um hidrogênio diferente no outro metil. Qualquer operação preserva a estrutura da molécula. Esse é o caso também para os átomos de hidrogênio ciclopentano , aleno , 2-butino , hexametilenotetramina , prismane , cubano , dodecaedrano , etc.

Por outro lado, os átomos de hidrogênio do propano não são todos estruturalmente equivalentes. Os seis hidrogênios ligados ao primeiro e terceiro carbonos são equivalentes, como no etano, e os dois ligados ao carbono do meio são equivalentes um ao outro; mas não há equivalência entre essas duas classes de equivalência .

Simetria e isomerismo posicional

Equivalências estruturais entre átomos de uma molécula parental reduzem o número de isômeros posicionais que podem ser obtidos substituindo esses átomos por um elemento ou grupo diferente. Assim, por exemplo, a equivalência estrutural entre os seis hidrogênios de etano C
2
H
6
significa que há apenas um isômero estrutural de etanol CH
5
OH
, não 6. Os oito hidrogênios de propano C
3
H
8
são divididos em duas classes de equivalência estrutural (as seis nos grupos metila e as duas no carbono central); portanto, existem apenas dois isômeros posicionais de propanol ( 1-propanol e 2-propanol ). Da mesma forma, existem apenas dois isômeros posicionais de butanol e três de pentanol ou hexanol .

Quebra de simetria por substituições

Uma vez que uma substituição é feita em uma molécula parental, sua simetria estrutural é geralmente reduzida, o que significa que os átomos que eram anteriormente equivalentes podem não ser mais. Assim, a substituição de dois ou mais átomos equivalentes pelo mesmo elemento pode gerar mais de um isômero posicional.

O exemplo clássico são os derivados do benzeno . Seus seis hidrogênios são todos estruturalmente equivalentes, assim como os seis carbonos; porque a estrutura não é alterada se os átomos são permutados de maneiras que correspondem a inverter ou girar a molécula em múltiplos de 60 graus. Portanto, a substituição de qualquer hidrogênio por cloro produz apenas um clorobenzeno . No entanto, com essa substituição, as permutações de átomos que moviam esse hidrogênio não são mais válidas. Resta apenas uma permutação, que corresponde a inverter a molécula enquanto mantém o cloro fixo. Os cinco hidrogênios restantes então caem em três classes de equivalência diferentes: o oposto ao cloro é uma classe por si só (chamada de posição para ), os dois mais próximos do cloro formam outra classe ( orto ), e os dois restantes são a terceira classe ( meta ). Assim, uma segunda substituição de hidrogénio por cloro pode produzir três isómeros posicionais: 1,2- ou orto - , 1,3- ou meta - , e 1,4- ou para -diclorobenzeno .

O-Dichlorobenzene-3D-balls.png M-Dichlorobenzene-3D-balls.png P-Diclorobenzeno-3D-balls.png
orto- diclorobenzeno meta- diclorobenzeno para- diclorobenzeno
1,2-diclorobenzeno 1,3-diclorobenzeno 1,4-diclorobenzeno

Pelo mesmo motivo, existe apenas um fenol (hidroxibenzeno), mas três benzenodióis ; e um tolueno (metilbenzeno), mas três toluóis e três xilenos .

Por outro lado, a segunda substituição (pelo mesmo substituinte) pode preservar ou mesmo aumentar a simetria da molécula, podendo assim preservar ou reduzir o número de classes de equivalência para a próxima substituição. Assim, os quatro hidrogênios restantes no meta- diclorobenzeno ainda caem em três classes, enquanto os do orto - caem em duas, e os do para - são todos equivalentes novamente. Ainda assim, algumas dessas substituições 3 + 2 + 1 = 6 acabam produzindo a mesma estrutura, de modo que existem apenas três triclorobenzenos estruturalmente distintos : 1,2,3- , 1,2,4- e 1,3,5- .

1,2,3-triclorobenzeno.svg 1,2,4-triclorobenzeno.svg 1,3,5-Triclorobenzeno.svg
1,2,3-Triclorobenzeno 1,2,4-Triclorobenzeno 1,3,5-Triclorobenzeno

Se os substituintes em cada etapa forem diferentes, geralmente haverá mais isômeros estruturais. O xilenol , que é benzeno com um substituinte hidroxil e dois substituintes metil, tem um total de 6 isômeros:

2,3-xilenol.svg 2,4-Xilenol.svg 2,5-dimetilfenol.png
2,3-xilenol 2,4-xilenol 2,5-xilenol
2,6-dimetilfenol.png 3,4-xilenol.svg 3,5-xilenol.svg
2,6-xilenol 3,4-xilenol 3,5-xilenol

Enumeração e contagem de isômeros

Enumerar ou contar isômeros estruturais em geral é um problema difícil, uma vez que deve-se levar em consideração vários tipos de ligação (incluindo os deslocalizados), estruturas cíclicas e estruturas que não podem ser realizadas devido à valência ou restrições geométricas e tautômeros indissociáveis.

Por exemplo, existem nove isômeros estruturais com a fórmula molecular C 3 H 6 O tendo diferentes conectividades de ligação. Sete deles são estáveis ​​ao ar à temperatura ambiente e são apresentados na tabela abaixo.

Composto químico Estrutura molecular
Ponto de fusão
(° C)

Ponto de ebulição
(° C)
Comente
Álcool alílico Allyl-alcohol.png –129 97
Ciclopropanol Cyclopropanol.svg 101-102
Propionaldeído Propanal-skeletal.png –81 48 Tautomérico com prop-1-en-1-ol, que possui formas estereoisoméricas cis e trans
Acetona Acetone-2D-skeletal.svg –94,9 56,53 Tautomérico com propen-2-ol
Oxetano Oxetane.png –97 48
Óxido de propileno PropyleneOxide.png -112 34 Tem duas formas enantioméricas
Éter metil vinílico Methylvinylether.png –122 6

Dois isômeros estruturais são os tautômeros enol dos isômeros de carbonila (propionaldeído e acetona), mas estes não são estáveis.

Veja também

Referências

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