Isomería y análisis conformacional en química orgánica

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APUNTES QUÍMICA GENERAL Y ORGÁNICA Grado en Biotecnología Universidad de Lleida AprenAI 2026-2027 Resumen de isomería constitucional y estereoisomería, proyecciones de Newman, estabilidad torsional del butano y conformaciones en silla de cicloalcanos.

APREN.AI Índice 1 Clasificación general de la isomería Isómeros constitucionales Estereoisómeros 2 Análisis conformacional de cadenas acíclicas Proyección de Newman y ángulo torsional Estabilidad energética y rotación del butano 3 Conformaciones en cicloalcanos y anillo de ciclohexano Distorsión de la planaridad en ciclobutano y ciclopentano Conformación de silla del ciclohexano 4 Resumen para repasar Tipos de isomería Análisis conformacional de cadenas abiertas Tensión en cicloalcanos y ciclohexano Soluciones de las preguntas de repaso Estos apuntes pueden contener errores u omisiones.

Son un material de apoyo y no sustituyen al temario oficial ni al profesorado: contrasta la información importante. Isomería y análisis conformacional en química orgánica 1 1 Clasificación general de la isomería AL ACABAR SABRÁS Diferenciar isomería constitucional de estereoisomería según la conectividad atómica. Clasificar los tipos de isómeros constitucionales y estereoisómeros. PIÉNSALO ANTES DE LEER 1 ¿Dos moléculas con los mismos átomos y los mismos enlaces pueden comportarse como compuestos distintos? En química orgánica, los isómeros son compuestos distintos con idéntica fórmula molecular.

La diferencia entre ellos radica en cómo se unen sus átomos o en su disposición tridimensional en el espacio. Isómeros constitucionales Presentan una conectividad diferente entre sus enlaces. Se dividen en tres categorías principales: Isómeros de esqueleto (o cadena): se diferencian en la distribución y ramificación de los átomos de carbono que forman la cadena. Isómeros de posición: comparten el mismo esqueleto carbonado, pero cambia la localización del grupo funcional a lo largo de la estructura. Isómeros de función: presentan agrupaciones atómicas diferentes, lo que da lugar a distintos grupos funcionales compartiendo la misma fórmula molecular.

Estereoisómeros Tienen exactamente la misma conectividad átomo a átomo, pero difieren en su orientación espacial. Se subdividen según la posibilidad de interconversión: Isómeros configuracionales: corresponden a moléculas totalmente independientes que no pueden interconvertirse mediante el simple giro de un enlace sencillo. Dentro de ellos encontramos: Enantiómeros: estereoisómeros que son imágenes especulares no superponibles. Diastereómeros: estereoisómeros que no son imágenes especulares entre sí, como los isómeros geométricos cis-trans.

Isómeros conformacionales (confórmeros): estructuras que representan diferentes disposiciones espaciales de una misma molécula, generadas exclusivamente por la libre rotación alrededor de enlaces simples carbono-carbono. Isomería y análisis conformacional en química orgánica 2 ESQUEMA Clasificación de los isómeros ERROR FRECUENTE Confundir un isómero conformacional con uno configuracional. Los confórmeros son formas dinámicas de la misma molécula que rotan libremente por un enlace sencillo. Los configuracionales (enantiómeros y diastereómeros) requieren romper y formar enlaces químicos para transformarse unos en otros.

COMPRUEBA 2 ¿En qué se diferencian fundamentalmente los isómeros constitucionales de los estereoisómeros? IDEAS CLAVE Los isómeros comparten fórmula molecular pero difieren en estructura o geometría. La isomería constitucional varía la conectividad (cadena, posición o función). Los estereoisómeros mantienen la conectividad y cambian su ordenación espacial. Los confórmeros proceden de la rotación sobre enlaces simples; los configuracionales no se interconvierten por rotación.

Isómeros constitucionales Distinta conectividad entre átomos Isómeros de esqueleto Diferente distribución de carbonos Isómeros de posición Distinto lugar del grupo funcional Isómeros de función Grupos funcionales distintos Estereoisómeros Misma conectividad, distinta disposición espacial Configuracionales No interconvertibles por rotación Enantiómeros Especulares no superponibles Diastereómeros No especulares, ej. cis-trans Conformacionales Interconversión por enlace simple Isomería y análisis conformacional en química orgánica 3 COMPRUEBA LO QUE HAS APRENDIDO 3. ¿Cuáles son las dos categorías principales de isómeros configuracionales? 4.

¿Qué distingue a los isómeros de posición de los de esqueleto? Test Rodea la respuesta correcta. Las soluciones están al final. 5. ¿Qué característica define a los isómeros constitucionales? 6. ¿Qué relación guardan los enantiómeros entre sí? 7. ¿Cómo se interconvierten los isómeros conformacionales? 8. ¿Qué tipo de isomería presenta un cambio en el esqueleto carbonado? 2 Análisis conformacional de cadenas acíclicas AL ACABAR SABRÁS Interpretar proyecciones de Newman en conformaciones alternadas y eclipsadas. Relacionar el ángulo torsional con el perfil de energía potencial.

Tienen fórmulas moleculares distintas a) Son imágenes especulares no superponibles b) Tienen diferente conectividad entre átomos c) Rotan libremente sobre enlaces simples d) Son imágenes especulares superponibles a) Son imágenes especulares no superponibles b) Difieren en la posición del grupo c) Se interconvierten rotando un enlace d) Por rotación alrededor de enlaces sencillos a) No se pueden interconvertir espontáneamente b) Cambiando de posición un grupo funcional c) Rompiendo dobles enlaces carbono-carbono d) Conformacional a) Isomería de esqueleto b) Diastereomería cis-trans c) Isomería de función d) Isomería y análisis conformacional en química orgánica 4 PIÉNSALO ANTES DE LEER 9 ¿Por qué las moléculas en cadena abierta no rotan de manera continua a una velocidad constante?

El análisis conformacional estudia las distintas disposiciones espaciales originadas por la rotación en torno a enlaces sencillos carbono-carbono. Esquema de rotación conformacional alrededor del enlace C1-C2. Proyección de Newman y ángulo torsional La proyección de Newman es un método gráfico diseñado para visualizar estas orientaciones mirando directamente a lo largo del eje del enlace rotatorio. Esquema de proyecciones de Newman eclipsada y alternada. El ángulo torsional es el ángulo diedro formado entre los enlaces del carbono frontal y los enlaces del carbono posterior.

Según la magnitud de este ángulo y la proximidad de los grupos más voluminosos, se definen distintas disposiciones: Relación syn: ángulo de entre los grupos o sustituyentes. Relación gauche: ángulo torsional de entre grupos voluminosos. Relación anti: ángulo torsional de entre los dos grupos más pesados. Estabilidad energética y rotación del butano Las interacciones espaciales determinan el contenido energético de cada confórmero: Conformación eclipsada: presenta el máximo solapamiento entre enlaces adyacentes. Es la de mayor energía y menor estabilidad debido a que la repulsión electrónica entre nubes de enlace es máxima.

Cuando los grupos más voluminosos se eclipsan directamente entre sí, surge un fuerte impedimento estérico. 0 60 180 Isomería y análisis conformacional en química orgánica 5 Conformación alternada: los enlaces están lo más alejados posible. Presenta repulsión mínima, siendo la conformación de menor energía y mayor estabilidad.

Conformación Ángulo torsional principal Estabilidad Interacción predominante Alternada anti Máxima (mínimo absoluto) Grupos voluminosos alejados Eclipsada parcial / Baja (máximo relativo) Eclipsamiento grupo-H Alternada gauche / Media-alta (mínimo relativo) Torsión separada a 60° Eclipsada syn / Mínima (máximo absoluto) Tensión torsional e impedimento estérico Gráfica de energía potencial frente al ángulo torsional. ERROR FRECUENTE Suponer que todas las conformaciones alternadas tienen idéntica energía. La disposición anti ( ) es más estable que las disposiciones gauche ( ), ya que en gauche persiste una repulsión estérica entre grupos voluminosos.

COMPRUEBA 10 ¿Por qué la conformación eclipsada syn presenta la máxima inestabilidad en el butano? 180 120 240 60 300 0 360 180 60 Isomería y análisis conformacional en química orgánica 6 PROCESO Ciclo de rotación conformacional de 0° a 180° 1 Syn eclip sada (0°) Máxima energía por tensión estérica y torsional 2 Gauche al ternada (60°) Mínimo relativo de energía con ligera interacción 3 Eclipsada parcial (120°) Máximo relativo por enfrentamiento grupo-H 4 Anti alter nada (180°) Mínimo absoluto de energía y máxima estabilidad IDEAS CLAVE La proyección de Newman visualiza la rotación a lo largo del enlace carbono-carbono.

El ángulo torsional define relaciones espaciales: syn (0°), gauche (60°) y anti (180°). Las conformaciones alternadas son más estables por minimizar la repulsión electrónica. Las conformaciones eclipsadas son inestables por tensión torsional y repulsión estérica. COMPRUEBA LO QUE HAS APRENDIDO 11. ¿Cuál es el valor del ángulo torsional en una disposición anti? 12. ¿Qué efecto provoca el impedimento estérico en las conformaciones eclipsadas? Test Rodea la respuesta correcta. Las soluciones están al final. 13. ¿Qué ángulo torsional define la relación gauche entre dos grupos? 14. ¿Cuál es la conformación más estable del butano? 15. ¿Qué genera la inestabilidad en las conformaciones eclipsadas?

16. ¿Para qué sirve la proyección de Newman? 120 grados a) 180 grados b) 60 grados c) 0 grados d) Eclipsada syn a) Eclipsada parcial b) Alternada anti c) Alternada gauche d) Ruptura de enlaces simples a) Máxima repulsión electrónica b) Falta de hidrógenos c) Geometría plana del carbono d) Visualizar enlaces a lo largo de un eje rotatorio a) Calcular el rendimiento de una reacción b) Determinar la masa molecular exacta c) Mostrar únicamente moléculas cíclicas d) Isomería y análisis conformacional en química orgánica 7 3 Conformaciones en cicloalcanos y anillo de ciclohexano AL ACABAR SABRÁS Analizar las fuentes de tensión angular y torsional en anillos alifáticos.

Describir la orientación de posiciones axiales y ecuatoriales en la silla del ciclohexano. PIÉNSALO ANTES DE LEER 17 ¿Por qué el ciclohexano es energéticamente más estable que el ciclopentano si el pentágono plano tiene ángulos más próximos a 109,5°? En los anillos alifáticos cerrados existen dos caras diferenciadas: la cara superior y la inferior. La estabilidad de estos anillos depende de dos factores críticos: Tensión angular: se origina cuando los ángulos de enlace internos del ciclo se desvían del ángulo tetraédrico óptimo de . Por ejemplo, el ciclopropano posee ángulos forzados de (tensión de ), mientras que el ciclopentano plano tendría ángulos de (tensión de solo ).

Tensión torsional: surge cuando los enlaces carbono-hidrógeno de carbonos vecinos quedan enfrentados o eclipsados. La tensión torsional es más pronunciada en el ciclopropano que en el ciclobutano. Esquema de tensión angular en geometrías planas de cicloalcanos. Distorsión de la planaridad en ciclobutano y ciclopentano Para minimizar la tensión total, los anillos no adoptan geometrías planas rígidas: 109,5 60 49,5 108 1,5 Isomería y análisis conformacional en química orgánica 8 Ciclobutano: adopta una conformación ligeramente plegada o elevada que se interconvierte rápidamente.

Esta distorsión alivia la tensión torsional de los 8 hidrógenos eclipsados, a pesar de provocar un leve aumento en la tensión angular. Ciclopentano: si fuese plano, todos sus enlaces C-H estarían eclipsados. Por ello adopta una conformación no plana que suprime la tensión torsional; sus ángulos quedan próximos al valor ideal, minimizando casi por completo la tensión angular. Conformación de silla del ciclohexano El ciclohexano adopta una forma extraordinariamente estable conocida como conformación de silla.

En esta geometría, los ángulos de enlace son de (prácticamente tetraédricos) y todos los enlaces adyacentes se encuentran totalmente alternados, eliminando por completo la tensión torsional y angular. Diagrama de interconversión de silla con hidrógenos axiales y ecuatoriales. En la conformación de silla, las posiciones de los doce hidrógenos se dividen en dos tipos espaciales: Posiciones axiales: enlaces dirigidos perpendicularmente hacia arriba o hacia abajo respecto al plano medio del anillo. Posiciones ecuatoriales: enlaces orientados hacia la periferia en el plano medio aproximado del ciclo.

PARA RECORDARLO En el ciclohexano en silla, cada carbono posee exactamente un enlace axial (vertical) y uno ecuatorial (lateral). Cuando el anillo sufre una interconversión de silla, todas las posiciones axiales pasan a ser ecuatoriales y viceversa. ERROR FRECUENTE Creer que el ciclopentano o el ciclohexano son anillos completamente planos. La planaridad forzaría el solapamiento total de los enlaces C-H contiguos (tensión torsional extrema). Ambos ciclos se pliegan en tres dimensiones para alternar sus enlaces. COMPRUEBA 18 ¿Por qué la conformación de silla del ciclohexano carece prácticamente de tensión molecular?

111 Isomería y análisis conformacional en química orgánica 9 CAUSAS Y CONSECUENCIAS Eclipsamiento de enlaces C-H En anillos planos genera fuerte tensión torsional Desviación del ángulo tetraédrico Ángulos forzados generan tensión angular interna Plegamiento en anillos de cicloalcanos Conformaciones no planas Plegamiento tridimensional de ciclobutano y ciclopentano Silla sin tensión torsional Disposición totalmente alternada en ciclohexano IDEAS CLAVE La tensión del anillo combina la desviación angular y el eclipsamiento torsional. El ciclobutano y el ciclopentano se pliegan fuera del plano para reducir eclipsamientos.

La conformación de silla del ciclohexano tiene tensión nula y enlaces alternados. El ciclohexano reparte sus sustituyentes entre posiciones axiales y ecuatoriales. COMPRUEBA LO QUE HAS APRENDIDO 19. ¿Qué dos tensiones determinan la estabilidad energética de un cicloalcano? 20. ¿Hacia dónde apuntan los enlaces axiales en la conformación de silla? Test Rodea la respuesta correcta. Las soluciones están al final. 21. ¿Cuál es el valor del ángulo de enlace en la conformación de silla del ciclohexano? 22. ¿Por qué el ciclobutano adopta una forma no plana? 23. ¿Qué nombre reciben los enlaces perpendiculares al plano medio del ciclohexano?

90 grados a) 60 grados b) 108 grados c) 111 grados d) Para hacer los ángulos de 180° a) Para aumentar la reactividad b) Para reducir el eclipsamiento de hidrógenos c) Para formar dobles enlaces d) Torsionales a) Ecuatoriales b) Gauche c) Axiales d) Isomería y análisis conformacional en química orgánica 10 24. ¿Qué cicloalcano presenta mayor tensión angular según su ángulo plano? 4 Resumen para repasar Tipos de isomería Concepto Definición clave Isómeros Compuestos distintos que poseen la misma fórmula molecular. Isómeros constitucionales Presentan diferente conectividad y orden de enlace entre sus átomos.

Isómeros de esqueleto Difieren en la disposición y ramificación de los átomos de carbono. Isómeros de posición Mismo esqueleto pero distinta ubicación de un mismo grupo funcional. Isómeros de función Misma fórmula molecular pero contienen grupos funcionales distintos. Estereoisómeros Misma conectividad pero diferente disposición espacial de sus átomos. Isómeros configuracionales Estereoisómeros independientes que no se interconvierten por rotación; incluye enantiómeros (especulares no superponibles) y diastereómeros (como los cis-trans). Isómeros conformacionales Misma molécula en distintas orientaciones generadas por rotación sobre enlaces simples C-C.

Análisis conformacional de cadenas abiertas Concepto Definición clave Proyección de Newman Representación gráfica que observa la molécula a lo largo del eje del enlace C- C rotatorio. Ángulo torsional Ángulo diedro formado entre enlaces de carbonos adyacentes al mirar sobre el eje. Relación syn Grupos con un ángulo torsional de . Relación gauche Grupos voluminosos situados con un ángulo torsional de . Relación anti Grupos principales situados a , minimizando la repulsión estérica.

Ciclobutano a) Ciclohexano b) Ciclopropano c) Ciclopentano d) 0 60 180 Isomería y análisis conformacional en química orgánica 11 Concepto Definición clave Conformación alternada Disposición de menor energía y máxima estabilidad por repulsión electrónica mínima. Conformación eclipsada Disposición de mayor energía e inestable por repulsión electrónica e impedimento estérico máximos. Tensión en cicloalcanos y ciclohexano Concepto Definición clave Tensión angular Inestabilidad por desviación de los ángulos internos respecto al óptimo tetraédrico de . Tensión torsional Resistencia debida al enfrentamiento de enlaces C-H eclipsados en carbonos contiguos.

Plegamiento anular Distorsión tridimensional no plana (en ciclobutano y ciclopentano) para aliviar eclipsamientos. Conformación de silla Forma más estable del ciclohexano con ángulos de y enlaces totalmente alternados (sin tensión). Posiciones axiales Enlaces perpendiculares dirigidos verticalmente hacia arriba o abajo del anillo. Posiciones ecuatoriales Enlaces orientados lateralmente en la periferia del plano medio anular. 109,5 111 Isomería y análisis conformacional en química orgánica 12 Soluciones de las preguntas de repaso 1.

Sí, si sus enlaces están orientados de forma distinta en el espacio tridimensional y no pueden interconvertirse sin romper enlaces, constituyendo estereoisómeros configuracionales. 2. Los isómeros constitucionales presentan distinta conectividad en sus enlaces atómicos, mientras que los estereoisómeros poseen idéntica conectividad y solo se diferencian en su orientación tridimensional. 3. Los enantiómeros (imágenes especulares no superponibles) y los diastereómeros (como los isómeros cis-trans). 4. Los de esqueleto difieren en la distribución de la cadena de carbonos, mientras que los de posición varían únicamente el lugar del grupo funcional. 5. c) Tienen diferente conectividad entre átomos.

Los isómeros constitucionales se caracterizan específicamente por una conectividad distinta entre sus átomos constituyentes. 6. b) Son imágenes especulares no superponibles. Los enantiómeros son estereoisómeros configuracionales cuya estructura es una imagen especular no superponible. 7. a) Por rotación alrededor de enlaces sencillos. Los confórmeros son estados energéticos de una misma molécula producidos por giro sobre enlaces sencillos. 8. b) Isomería de esqueleto. La isomería de esqueleto o cadena implica una distribución diferente en el ordenamiento de los carbonos. 9.

Porque durante el giro atraviesan barreras energéticas producidas por la repulsión electrónica de enlaces enfrentados e impedimentos estéricos. 10. Porque suma la repulsión electrónica de los enlaces enfrentados (tensión torsional) con el impedimento estérico originado por la cercanía forzada de los dos grupos metilo a 0°. 11. El ángulo torsional entre los grupos más pesados es de . 12. Genera una fuerte repulsión repulsiva por choque de volumen que eleva la energía molecular al máximo. 13. c) 60 grados. La disposición gauche se caracteriza por un ángulo diedro de 60 grados entre los grupos sustituyentes. 14. c) Alternada anti.

La conformación alternada anti minimiza tanto la tensión torsional como el impedimento estérico al separar los metilos a 180°. 15. b) Máxima repulsión electrónica. El alineamiento de enlaces enfrentados causa una repulsión electrónica máxima entre nubes de electrones. 16. a) Visualizar enlaces a lo largo de un eje rotatorio. Permite observar la molécula a lo largo del eje del enlace C-C para estudiar sus ángulos de torsión. 17. Porque el ciclohexano se pliega en forma de silla tridimensional, logrando alternar todos sus enlaces y alcanzar ángulos de 111° con tensión torsional nula. 18.

Porque sus ángulos de enlace ( ) son casi idénticos al ángulo tetraédrico ( ) y todos los enlaces C-H se encuentran perfectamente alternados, anulando la tensión torsional. 19. La tensión angular (desviación de ) y la tensión torsional (eclipsamiento de enlaces vecinos). 20. Se orientan perpendicularmente verticales, alternándose hacia arriba y hacia abajo a lo largo del anillo. 180 111 109,5 109,5 Isomería y análisis conformacional en química orgánica 13 21. d) 111 grados. El ciclohexano en forma de silla presenta ángulos de enlace de 111°, muy próximos a la geometría tetraédrica perfecta. 22. c) Para reducir el eclipsamiento de hidrógenos.

El plegamiento alivia la tensión torsional originada por los enlaces C-H eclipsados del ciclobutano plano. 23. d) Axiales. Los enlaces axiales se orientan de forma vertical y paralela al eje central del anillo de ciclohexano. 24. c) Ciclopropano. El ciclopropano tiene un ángulo interno de 60°, lo que supone una desviación de 49,5° respecto al ángulo tetraédrico. Isomería y análisis conformacional en química orgánica 14