Isosterisme

L'isosterisme és una propietat d'espècies químiques que presenten propietats físiques i químiques semblants, i per això hom suposa que tenen igualment disposats els electrons més externs. Els grups que presenten isosterisme s'anomenen grups isostèrics^[1] o isòsters.^[2]

• Estructures del metà <chem>CH4</chem> i del catió amoni <chem>NH4+</chem>
• 
• 

Història

El mot «isosterisme» és un mot compost del prefix grec ἰσο– iso–,^[3] que significa «igual», del prefix grec στερεο– stereo–,^[4] que significa «sòlid», «espacial», i del sufix llatí –ismus, i aquest del grec –ισμός –ismós, emprat per formar substantius que indiquen «actitud», «tendència» o «qualitat».^[5]

Comparació de propietats de dues parelles isostèriques^[6][7]

	${\displaystyle {\ce {N2}}}$	${\displaystyle {\ce {CO}}}$	${\displaystyle {\ce {N2O}}}$	${\displaystyle {\ce {CO2}}}$
Temperatura crítica (°C)	–127	–122	35,4	31,9
Pressió crítica (atm)	33	35	75	77
Densitat del líquid a 10 °C (g/cm³)	0,796	0,793	0,856	0,858
Viscositat (× 106)	166	163	148	148
Índex de refracció a 16 °C (línia D)			1,193	1,190
Fórmula de l'hidrat			${\displaystyle {\ce {N2O\!\cdot \!6H2O}}}$	${\displaystyle {\ce {CO2\!\cdot \!6H2O}}}$
Entalpia de formació de l'hidrat (cal/mol)			–14,90	–15,00

El terme «isosterisme» fou introduït el 1919 pel químic estatunidenc Irving Langmuir (1881–1957) en referència a espècies químiques que tenen el mateix nombre d'electrons i distribuïts de la mateixa manera. Per exemple les espècies:

• ${\displaystyle {\ce {H-}}}$, ${\displaystyle {\ce {He}}}$ i ${\displaystyle {\ce {Li+}}}$ són espècies químiques que tenen la mateixa configuració electrònica 1s²;
• ${\displaystyle {\ce {CH4}}}$ i ${\displaystyle {\ce {NH4+}}}$ són espècies químiques amb la mateixa geometria tetraèdrica amb quatre enllaços σ (vuit electrons d'enllaç);
• ${\displaystyle {\ce {N2}}}$, ${\displaystyle {\ce {CO}}}$ i ${\displaystyle {\ce {CN-}}}$ totes presenten un enllaç triple entre els seus àtoms;
• ${\displaystyle {\ce {NO2-}}}$ i ${\displaystyle {\ce {O3}}}$ ambdues amb un enllaç σ i un enllaç π;
• ${\displaystyle {\ce {NO3-}}}$ i ${\displaystyle {\ce {CO3^2-}}}$ambdós ions amb un enllaç doble C=O i dos σ N-O;
• ${\displaystyle {\ce {CO2}}}$, ${\displaystyle {\ce {N2O}}}$, ${\displaystyle {\ce {N3-}}}$ i ${\displaystyle {\ce {CNO-}}}$ presenten dos enllaços dobles.

També observà que quan els isòsters tenen la mateixa càrrega total (isoelèctrics), com ara la parella ${\displaystyle {\ce {CO2}}}$ i ${\displaystyle {\ce {N2O}}}$ o la parella ${\displaystyle {\ce {N2}}}$ i ${\displaystyle {\ce {CO}}}$ llavors posseeixen propietats físiques sorprenentment semblants.^[6]

Llei de desplaçament de Grimm^[8]

Electrons	6	7	8	9	10	11
Àtoms	C	N	O	F	Ne	Na
Pseudoàtoms		CH	NH	OH	FH	—
			CH₂	NH₂	OH₂	FH₂+
				CH₃	NH₃	OH₃+
					CH4	NH4+

En el seu intent força infructuós d'explicar l'isomorfisme, el químic alemany Hans G. Grimm (1887–1958) el 1925^[9] amplià el concepte d'isosterisme per incloure molècules o grups que posseïssin el mateix nombre d'electrons de valència estiguin implicats o no el mateix nombre d'àtoms. Grimm observà que en afegir hidrògens el grup format té propietats semblants a les del següent element dins d'un període de la taula periòdica (llei de desplaçament de Grimm). Segons la definició de Grimm, són grups isostèrics: fluorur, grup hidroxi, grup amino i metil (${\displaystyle {\ce {-F}}}$, ${\displaystyle {\ce {-OH}}}$, ${\displaystyle {\ce {-NH2}}}$ i ${\displaystyle {\ce {-CH3}}}$).^[7]

Poc després de l'aparició del treball de Grimm, el químic alemany-suís Hans Erlenmeyer (1900–1967) començà una àmplia sèrie d'investigacions sobre l'aplicació de la interpretació de Grimm de l'isosterisme a la química orgànica. Observà el fet que el benzè i el tiofè posseeixen propietats físiques molt semblants, com ara el punt d'ebullició, la refracció molecular, el paracor, certes constants cristal·logràfiques, i la mida i la forma de les molècules en estat líquid. Amb el seu grup de recerca trobà que fins i tot que en les reaccions antigen-anticòs molt específiques, certs derivats corresponents del benzè i el tiofè van resultar indistingibles.^[7]