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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

L’isomeria conformazionale: la rotazione del legame C—C

Gli alcani presentano una struttura tetraedrica di atomi di carbonio. Gli unici legami presenti in essi sono quelli σ, capaci di subire una libera rotazione, permettendo gli atomi diverse orientazioni spaziali corrispondenti alle varie conformazioni della molecola. Nonostante esista questa libertà di rotazione, si trovano certe orientazioni più favorite di altre.
Sono detti isomeri conformazionali o conformeri gli stereoisomeri che si ottengono quando gli atomi ruotano attorno a legami singoli, dando origine a conformazioni diverse della molecola.
Prendendo in esame la molecola dell’etano C2H6, ad esempio, si nota che essa può esistere in due diverse forme spaziali, una eclissata e una sfalsata decisamente più stabile.
Infatti, gli atomi di idrogeno della forma spaziale eclissata sono più vicini di quelli dell’altra forma, causando un impedimento sterico che provoca una repulsione tra gli atomi. La forma sfalsata è più stabile perché gli atomi, disposti alla massima distanza possibile, non provocano reciproche interferenze.
Il cicloesano può assumere una conformazione di particolare stabilità, detta a sedia, in cui l’anello non subisce tensioni perché tutti i legami sono sfalsati. La conformazione a sedia è rigida e risulta la più stabile; tutti i legami infatti sono disposti in modo tale da avere la minima repulsione possibile. Esaminando più attentamente gli atomi di idrogeno di tali conformazioni si osserva che essi possono essere suddivisi in due gruppi distinti: sei assiali e sei equatoriali. Gli atomi di idrogeno assiali sono quelli disposti perpendicolarmente al piano mediano della molecola, mentre gli equatoriali sono quelli disposti parallelamente a tale piano; questi ultimi risultano più stabili perché presentano minori interazioni. E’ possibile anche l’esistenza di un’altra conformazione, denominata a barca, meno stabile a causa della tensione dovuta alla presenza di due legami eclissati. La conformazione a barca, pur non presentando tensioni angolari, è meno stabile perché i legami C—H si trovano tutti in posizione eclissata. Ciò provoca un altro tipo di tensione detta tensione torsionale. La conformazione a barca è flessibile e per semplici torsioni può formare due conformazioni più stabili, dette conformazioni a treccia o conformazioni a twist che hanno il vantaggio di avere tutti i legami C—H in posizione sfalsata.

12 dicembre 2008 Pubblicato da Francesca Brigida 0

L’isomeria di struttura

I composti organici, compresi gli idrocarburi, presentano il fenomeno dell’isomeria.
Quando un idrocarburo è costituito da una catena con un numero di atomi di carbonio superiore a tre, si verifica tale fenomeno. Quindi, a volte due composti rappresentati dalla stessa formula bruta possono essere radicalmente diversi, come accade nel caso dell’alcol etilico e dell’etere etilico. La loro formula bruta è C2H6O.
Pertanto, gli atomi di carbonio possono legarsi tra loro per formare lunghe catene lineari (gli n-alcani), ma possono anche dare strutture più complesse e ramificate.
L’esempio più semplice di alcano ramificato che possiamo trovare in chimica organica è l’isobutano. L’isobutano e il butano sono isomeri di struttura. Il butano in condizioni standard è un gas e ha punto di ebollizione -0,6 °C. Invece l’isobutano è il suo isomero che, pur avendo la stessa formula molecolare, ha caratteristiche chimico-fisiche diverse da quelle del butano normale: il suo punto di ebollizione, ad esempio, è -10 °C.
Si definiscono isomeri (dal greco isos: uguale e meros: parte) i composti aventi la stessa formula molecolare (o bruta) ma diversa formula di struttura.
In pratica, due isomeri di struttura sono formati dagli stessi atomi, che però possono essere legati tra loro in diverse combinazioni. Questo fenomeno è piuttosto esteso in chimica organica: oltre al butano, il pentano (C5H12) possiede tre forme isomeriche; il esano (C6H14) possiede cinque forme isomeriche; possono essere calcolati fino a 75 isomeri per il decano (C10H22) e si possono prevedere 6,5 〮10(alla 13esima).
La diversa struttura che caratterizza gli isomeri spesso conferisce loro proprietà fisiche e chimiche diverse.
Esistono diversi tipi di isomeria che si possono distinguere in due categorie fondamentali:
isomeria di posizione o di catena: in tali isomeri gli atomi occupano nella molecola posizioni diverse;
stereoisomeria: in questo caso gli isomeri, generalmente chiamati stereoisomeri, differiscono perché gli atomi delle loro molecole sono legati nella stessa sequenza, ma diversamente orientati nello spazio.
La stereoisomeria comprende gli isomeri conformazionali e gli isomeri configurazionali. Questi ultimi, a loro volta, possono essere distinti in isomeri geometrici e isomeri ottici.
Gli atomi di carbonio che sono legati a un solo altro atomo di carbonio, come quelli posti agli estremi di una catena lineare, sono detti atomi primari; mentre quelli intermedi, che sono cioè legati ad altri atomi due atomi di carbonio, sono detti atomi secondari e, infine, quelli che, in una catena ramificata, sono legati ad altri tre oppure quattro atomi di carbonio, sono detti rispettivamente atomi terziari o quaternari.
Il butano normale presenta due atomi di carbonio primari e due secondari.
L’iso-butano ha tre atomi di carbonio primari e un atomo di carbonio terziario.
Il tipo di isomeria che si instaura quando la catena di atomi di carbonio di un composto passa dalla forma lineare alla forma ramificata, è detta isomeria di struttura.
Per rappresentare i diversi isomeri tornano utili le formule condensate, dette anche formule razionali. Prima di utilizzare tali formule è opportuno sapere che le formule di struttura ordinarie rappresentano solo in modo approssimato le strutture reali delle molecole. Le molecole sviluppano le loro strutture nello spazio tridimensionale rispettando canoni geometrici piuttosto rigorosi, mentre le formule di struttura ordinarie utilizzano uno spazio bidimensionale e solitamente rappresentano soltanto il legame fra gli atomi ma non il modo con cui gli atomi si legano. Nel caso degli alcani, ad esempio, gli angoli di legame, determinati dall’utilizzo di orbitali ibridi sp3, sono di 109°28’ e la geometria delle loro molecole è basata sul modulo del tetraedro. Le formule di struttura, invece, non forniscono queste informazioni.
Le formule di struttura condensate o razionali non consentono di osservare le molecole nello spazio, ma possono qualificare la natura del composto e di distinguere fra loro i diversi isomeri.

12 dicembre 2008 Pubblicato da Francesca Brigida 0

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