13.3: La estructura de los alquenos- isomería cis-trans

Objetivos de aprendizaje

• Reconocer que los alquenos pueden existir como isómeros cis-trans.
• Clasificar los isómeros como cis o trans.
• Dibujar estructuras para isómeros cis-trans dados sus nombres.

Hay rotación libre sobre los enlaces simples carbono-carbono (C—C) en alcanos. En contraste, la estructura de los alquenos requiere que los átomos de carbono de un doble enlace y los dos átomos unidos a cada átomo de carbono se encuentren todos en un solo plano, y que cada átomo de carbono doblemente unido se encuentre en el centro de un triángulo. Esta parte de la estructura de la molécula es rígida; la rotación alrededor de átomos de carbono doblemente unidos no es posible sin romper el enlace. Observe los dos hidrocarburos clorados en la Figura\(\PageIndex{1}\).

Figura \(\PageIndex{1}\): Rotación sobre los Bonos. En 1,2-dicloroetano (a), la rotación libre alrededor del enlace C-C permite que las dos estructuras se interconviertan por una torsión de un extremo con relación al otro. En 1,2-dicloroeteno (b), la rotación restringida alrededor del doble enlace significa que las posiciones relativas de los grupos sustituyentes por encima o por debajo del doble enlace son significativas.

En 1,2-dicloroetano (parte (a) de la Figura\(\PageIndex{1}\)), hay rotación libre alrededor del enlace C-C. Los dos modelos mostrados representan exactamente la misma molécula; no son isómeros. Puedes dibujar fórmulas estructurales que se vean diferentes, pero si tienes en cuenta la posibilidad de esta rotación libre sobre enlaces simples, debes reconocer que estas dos estructuras representan la misma molécula:

En 1,2-dicloroeteno (Figura\(\PageIndex{1b}\)), sin embargo, la rotación restringida alrededor del doble enlace significa que las posiciones relativas de los grupos sustituyentes por encima o por debajo del doble enlace se vuelven significativas. Esto lleva a un tipo especial de isomería. El isómero en el que los dos átomos de cloro (Cl) se encuentran en el mismo lado de la molécula se llama isómero cis (latín cis, que significa “en este lado”) y se denomina cis-1,2-dicloroeteno. El isómero con los dos átomos de Cl en lados opuestos de la molécula es el isómero trans (latín trans, que significa “a través”) y se denomina trans-1,2-dicloroeteno. Estos dos compuestos son isómeros cis-trans (o isómeros geométricos), compuestos que tienen diferentes configuraciones (grupos permanentemente en diferentes lugares en el espacio) debido a la presencia de una estructura rígida en su molécula.

Considere el alqueno con la fórmula estructural condensada CH ₃ CH=CHCH ₃. Podríamos llamarlo 2-buteno, pero en realidad hay dos compuestos de este tipo; el doble enlace da como resultado isomería cis-trans (Figura\(\PageIndex{2}\)).

Figura\(\PageIndex{2}\): Modelos de bola y resorte de (a) Cis-2-Buteno y (b) Trans-2-Buteno. Los isómeros cis-trans tienen diferentes propiedades físicas, químicas y fisiológicas.

El cis -2-buteno tiene ambos grupos metilo en el mismo lado de la molécula. El trans -2-buteno tiene los grupos metilo en lados opuestos de la molécula. Sus fórmulas estructurales son las siguientes:

Figura \(\PageIndex{3}\): Modelos de Cis-2-Buteno (izquierda) y Trans-2-Buteno (derecha).

Obsérvese, sin embargo, que la presencia de un doble enlace no necesariamente conduce al isomerismo cis-trans (Figura\(\PageIndex{4}\)). Podemos dibujar dos propenos aparentemente diferentes:

Figura \(\PageIndex{4}\): Diferentes vistas de la molécula de propeno (voltear verticalmente). Estos no son isómeros.

Sin embargo, estas dos estructuras no son realmente diferentes entre sí. Si pudieras recoger cualquiera de las moléculas de la página y voltearla de arriba a abajo, verías que las dos fórmulas son idénticas. Por lo tanto, existen dos requisitos para el isomerismo cis-trans:

1. La rotación debe estar restringida en la molécula.
2. Debe haber dos grupos no idénticos en cada átomo de carbono doblemente unido.

En estas estructuras de propeno no se cumple el segundo requisito de isomería cis-trans. Uno de los átomos de carbono doblemente unidos tiene dos grupos diferentes unidos, pero las reglas requieren que ambos átomos de carbono tengan dos grupos diferentes. En general, las siguientes afirmaciones son ciertas en el isomerismo cis-trans:

• Los alquenos con una unidad C=CH ₂ no existen como isómeros cis-trans.
• Los alquenos con una unidad C=CR ₂, donde los dos grupos R son iguales, no existen como isómeros cis-trans.
• Los alquenos del tipo R—CH=CH—R pueden existir como isómeros cis y trans; cis si los dos grupos R están en el mismo lado del doble enlace carbono-carbono, y trans si los dos grupos R están en lados opuestos del doble enlace carbono-carbono.

Nota Avanzada: Isomerización E/Z

Si una molécula tiene un enlace C=C con un grupo no hidrógeno unido a cada uno de los carbonos, la nomenclatura cis/trans descrita anteriormente es suficiente para describirla. Sin embargo, si tienes tres grupos diferentes (o cuatro), entonces el enfoque cis/trans es insuficiente para describir los diferentes isómeros, ya que no sabemos cuáles dos de los tres grupos se están describiendo. Por ejemplo, si tienes un enlace C=C, con un grupo metilo y un bromo en un carbono, y un grupo etilo en el otro, no es ni trans ni cis, ya que no está claro si el grupo etilo es trans al bromo o al metilo. Esto se aborda con una nomenclatura E/Z más avanzada discutida en otra parte.

El isomerismo cis-trans también ocurre en compuestos cíclicos. En las estructuras de anillo, los grupos no pueden rotar alrededor de ninguno de los enlaces carbono-carbono del anillo. Por lo tanto, los grupos pueden estar en el mismo lado del anillo (cis) o en lados opuestos del anillo (trans). Para nuestros propósitos aquí, representamos todos los cicloalcanos como estructuras planas, e indicamos las posiciones de los grupos, ya sea por encima o por debajo del plano del anillo.

Ejemplo\(\PageIndex{1}\)

¿Qué compuestos pueden existir como isómeros cis-trans (geométricos)? Dibujarlos.

1. CHCL=CHBR
2. CH ₂ =CBRCH ₃
3. (CH ₃) ₂ C=CHCH ₂ CH ₃
4. CH ₃ CH=CHCH ₂ CH ₃

Solución

Las cuatro estructuras tienen un doble enlace y, por lo tanto, cumplen con la regla 1 para el isomerismo cis-trans.

1. Este compuesto cumple con la regla 2; tiene dos grupos no idénticos en cada átomo de carbono (H y Cl en uno y H y Br en el otro). Existe como isómeros cis y trans:
   

Este compuesto tiene dos átomos de hidrógeno en uno de sus átomos de carbono doblemente unidos; falla la regla 2 y no existe como isómeros cis y trans.

Este compuesto tiene dos grupos metilo (CH ₃) en uno de sus átomos de carbono doblemente unidos. Fracasa la regla 2 y no existe como isómeros cis y trans.

Este compuesto cumple con la regla 2; tiene dos grupos no idénticos en cada átomo de carbono y existe como isómeros cis y trans:

Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

¿Qué compuestos pueden existir como isómeros cis-trans? Dibujarlos.

1. CH ₂ =CHCH ₂ CH ₂ CH ₃
2. CH ₃ CH=CHCH ₂ CH ₃
3. CH ₃ CH ₂ CH=CHCH ₂ CH ₃
4. 

Ejercicios de Revisión de Conceptos

1. ¿Qué son los isómeros cis-trans (geométricos)? ¿Qué dos tipos de compuestos pueden exhibir isomería cis-trans?

2. Clasificar cada compuesto como un isómero cis, un isómero trans, o ninguno de los dos.

   1. 
   2. 
   3. 
   4. 

RESPUESTAS

1. Los isómeros cis-trans son compuestos que tienen diferentes configuraciones (grupos permanentemente en diferentes lugares en el espacio) debido a la presencia de una estructura rígida en su molécula. Los alquenos y los compuestos cíclicos pueden exhibir isomería cis-trans.

2. 1. trans (los dos átomos de hidrógeno están en lados opuestos)
   2. cis (los dos átomos de hidrógeno están en el mismo lado, al igual que los dos grupos etilo)
   3. cis (los dos grupos etilo están en el mismo lado)
   4. tampoco (voltear el enlace no cambia la molécula. No hay isómeros para esta molécula)