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L’isomeria degli alcheni

Gli idrocarburi alifatici insaturi possono presentare vari tipi di isomeria, per cui composti aventi la stessa formula grezza hanno struttura e proprietà totalmente diverse.
Oltre all’isomeria di struttura comune agli alcani, gli alcheni presentano altri due tipi di isomeria: l’isomeria di posizione e l’isomeria geometrica:

1) isomeria di struttura: si manifesta, come per gli alcani, quando un idrocarburo ha catena aperta o catena ramificata;

2) isomeria di posizione: si ha quando due alcheni hanno la stessa formula molecolare e la stessa formula di struttura, ma differiscono soltanto per la posizione del doppio legame.

Ad esempio, sono isomeri di posizione 1-butene e 2-butene a catena lineare:

CH2 = CH ― CH2 ― CH3                          CH3 ― CH = CH ― CH3
1-butene                                                  2-butene
Con l’allungarsi della catena, il numero dei possibili isomeri di posizione aumenta; ad esempio, l’esene  ha tre isomeri:

1-esene CH2 = CH ― CH2 ― CH2 ― CH2 ― CH3
1

2-esene CH3 ― CH = CH ― CH2 ― CH2 ― CH3
1          2

3-esene CH3 ― CH2 ― CH = CH ― CH2 ― CH3
1            2          3

Il 4-esene e il 5-esene non esistono, perché corrispondono rispettivamente al 2-esene e al 1-esene in quanto la numerazione degli atomi di carbonio della catena comincia sempre dall’estremità più vicina al doppio legame:

CH3 ― CH2 ― CH2 ― CH = CH ― CH3   2-esene
2        1

CH3 ― CH2 ― CH2 ― CH2 ― CH = CH2   1-esene
1

Nel caso si abbia una catena ramificata, bisogna tener conto anche della posizione reciproca della ramificazione e del doppio legame; così ad esempio, il 4-metil-2-pentene può avere altri tre isomeri di posizione, a seconda della posizione occupata dal doppio legame. In questo caso, nella numerazione degli atomi di carbonio, si privilegia il valore numerico piccolo per il doppio legame invece che il radicale metilico.

L’isomeria di posizione acquista particolare importanza nei dieni che differiscono per la posizione relativa dei doppi legami, in base alla quale gli idrocarburi presentano proprietà chimiche diverse. Si possono avere:

– dieni con doppi legami cumulati, detti alleni;
– dieni con doppi legami coniugati;
– dieni con doppi legami isolati.

Se si analizza la molecola del 2-butene ci si accorge che essa può essere rappresentata da due configurazioni diverse che, analogamente a quelle dei cicloalcani bisostituiti, vengono denominate cis- e trans- .
Il prefisso cis- viene assegnato all’isomero nel quale i sostituenti uguali si trovano dallo stesso lato rispetto agli atomi di carbonio che portano il doppio legame, mentre il prefisso trans- viene assegnato all’isomero nel quale i sostituenti uguali sono situati su lati opposti.
Questo tipo di isomeria è detta isomeria geometrica cis- e trans- e dipende dalla rigidità della molecola le cui parti, a causa del doppio legame, non possono ruotare l’una rispetto all’altra come accade negli alcani. Mentre nei cicloalcani la posizione cis- o trans- è determinata nello spazio rispetto al piano dell’anello molecolare, negli alcheni è determinata sul piano, rispetto alla retta cui appartiene il doppio legame.
Presentano isomeria geometrica anche i derivati degli acheni, ma solo quelli nei quali ciascun atomo di carbonio è legato a due atomi o gruppi atomici diversi. Ad esempio, ha isomeria cis- e trans- il dicloroetene.
Non hanno invece isomeria geometrica il tricloro-etene e il tetracloro-etene, perché le due forme apparentemente cis- e trans- sono in realtà la stessa molecola.

Quindi, si può dire che l’isomeria geometrica non può aver luogo quando uno dei due atomi di carbonio impegnati nel doppio legame porta legati atomi o gruppi uguali.
L’isomeria geometrica dipende dalla presenza del doppio legame. Gli atomi di carbonio coinvolti nel doppio legame utilizzano orbitali ibridi sp2 per il legame σ e gli orbitali p non ibridati per il legame π. Il secondo legame è meno forte del primo e da ciò deriva la reattività degli alcheni. D’altra parte, il secondo legame, localizzandosi sopra e sotto l’asse di legame, impedisce la libera rotazione degli atomi. Il secondo legame segnala, allo stesso tempo, un’instabilità chimica della molecola e la sua rigidità fisica. Rispetto al doppio legame, gli atomi o gruppi di atomi possono posizionarsi o dallo stesso lato (forma cis-) o da lati opposti (forma trans-).
Per esprimere questo tipo di isomeria è necessario scrivere le formule di struttura in maniera tale da rispettare non solo il collegamento degli atomi fra loro ma anche la posizione spaziale reciproca assunta nella molecola.
Le formule di struttura, cioè, devono simulare dei modelli tridimensionali. L’isomeria geometrica è, a tutti gli effetti, un particolare tipo di stereoisomeria (isomeria che si realizza nello spazio tridimensionale);

3) isomeria ottica: può verificarsi solo quando nella molecola c’è un atomo di carbonio asimmetrico.

 

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13 maggio 2009 Pubblicato da Francesca Brigida 0

Il carbonio asimmetrico: la configurazione assoluta e le proiezioni di Fischer

Per identificare due enantiomeri bisogna definire la loro configurazione assoluta, cioè stabilire la posizione spaziale dei gruppi legati al carbonio asimmetrico.
Convenzionalmente, le configurazioni rispettive vengono indicate con le lettere R (rectus) e S (sinister).
Per identificare la configurazione assoluta di un isomero bisogna:

– determinare, secondo le regole già note, le priorità dei quattro gruppi legati al carbonio asimmetrico che vengono numerati secondo l’ordine;
– osservare il centro asimmetrico della parte opposta del gruppo a priorità più bassa (4°), si verifica se, per passare dal 1° al 3° attraverso il 2°, bisogna procedere in senso orario o antiorario. Se bisogna procedere in senso orario vuol dire che ci si trova davanti a un isomero R, se, al contrario, bisogna procedere in senso antiorario vuol dire che ci si trova davanti a un isomero S.
Per evitare di rappresentare le formule con la struttura tridimensionale, si può fare uso della rappresentazione bidimensionale, la quale risulta essere più semplice e schematica, messa a punto da E. Fischer.
Per scrivere la formula si traccia una croce il cui centro rappresenta l’atomo di C*, e si dispongono all’estremità delle braccia i quattro gruppi. In questo modo si ottiene la proiezione sul piano della carta di una struttura tridimensionale.
Convenzionalmente, le linee orizzontali rappresentano i legami che escono dal piano del foglio verso chi li guarda, mentre le linee verticali rappresentano i legami che si allontanano dall’osservatore, cioè i legami sono il piano del foglio.
Una qualsiasi proiezione di Fischer può essere ruotata se vengono rispettate determinate regole. Ad esempio, la proiezione dell’acido R-lattico può essere ruotata di 180° e rappresenta ancora la molecola iniziale; se invece è ruotata di 90° non rappresenta più la molecola iniziale ma il suo enantiomero.
Se un gruppo viene mantenuto in posizione immobile e vengono invece ruotati gli altri tre, la proiezione che si ottiene rappresenta ancora la molecola iniziale.
Per stabilire le configurazioni R ed S con le formule di Fischer è necessario porre il gruppo  a minore priorità in basso o in alto, e poi determinare il senso orario o antiorario secondo cui si succedono i tre gruppi restanti in base alle regole di priorità.

12 dicembre 2008 Pubblicato da Francesca Brigida 0

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