Chimica organica - Isomeria

ISOMERIA.

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.

* Isomeri: molecole organiche con una stessa formula bruta, ma diversa disposizione. Sostanze che hanno la stessa

formula, ma differiscono per geometria e proprietà. Quindi hanno la medesima massa molecolare ma differenti

Caratteristiche fisiche e/o chimiche.

Due tipi di isomeria:

1-Isomeria strutturale( costituzionale ): suddivisa a sua volta in, isomeria di catena, di posizione e funzionale

In tale categoria di isomeria, gli isomeri si differiscono nella struttura fondamentale o nel tipo di legame. Hanno

formule molecolari brute identiche ma differiscono gli uni dagli altri poiché i loro atomi sono uniti fra loro in un

differente ordine. Gli isomeri presentano diverse connessioni. Esempio il n-butano e l’isobutano. Gli isomeri

presentano diversa formula di struttura

2- stereoisomeria: suddivisa a sua volta in, isomeria conformazionale e di configurazione( geometrica e ottica)

in questo tipo di isomeria, i composti pur avendo ugual numero e tipo di leganti, nonché ugual modo di legarli

essi si differiscono per la posizione spaziale dei leganti. Gli isomeri presentano diversa formula spaziali.

* Un'altra differenza tra l’isomeria strutturale e stereoisomeria, è che nella prima , definita anche isomeria piana

o metameria, gli isomeri posso essere rappresentate su un foglio senza tenere conto della loro struttura

geometrica. Per gli stereoisomeri, invece, bisogna ricorrere alla struttura tridimensionale.

n

*Numeri di stereoisomeri massimi = 2 dove n è il numero di C*

Isomeria strutturale

Due isomeri possono essere anche molecole molto diverse fra loro, con caratteristiche chimico-fisiche ben distinte: per

esempio la molecola con formula bruta C H O può essere considerata come un alcol (anzi due alcoli diversi) o anche

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come un etere, a seconda di come i suoi atomi si dispongono.

1. Isomeria di catena: le differenze tra le molecole dei composti riguardano lo scheletro della molecola, vale a dire i

legami tra gli atomi di carbonio; ad esempio, tali atomi possono formare una catena lineare oppure ramificata. Questi

composti differiscono tra loro nella disposizione degli atomi legati tra loro in catena(proprietà chimiche e fisiche

simili). [stesso numero di atomi di C disposti in modo diverso]

Nell’isomeria di catena cambia principalmente la forma della catena di atomi di carbonio. Per esempio l’esano (C H )

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possiede molti isomeri, i quali a seconda della disposizione che presentano, prendono nomi diversi.

2.Isomeria di posizione: tra i diversi isomeri non cambiano i legami tra gli atomi di carbonio, ma solo la disposizione

dei sostituenti – gli atomi o i gruppi funzionali a essi legati. I composti differiscono tra loro per la diversa posizione di

almeno un gruppo funzionale. Isomeri con proprietà fisiche diverse e proprietà chimiche uguali.( se appartenenti alla

stessa classe funzionale)

L’isomeria di posizione, quindi, consiste nella diversa disposizione di uno o più parti della molecola, rispetto alla

catena carboniosa che funge da scheletro centrale. Per esempio in alcuni alcoli, è necessario indicare il numero

dell’atomo di carbonio al quale il gruppo ossidrilico (-OH) è legato, proprio in modo da distinguere i vari isomeri, come

nel caso del pentanolo (C H ). [ stessa catena ma diversa posizione di atomi sostituenti o gruppi funzionali o di un

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legame multiplo]

In maniera simile, due isomeri di posizione possono anche distinguersi per la posizione del doppio legame tra gli atomi

di carbonio (idrocarburi insaturi)

3. Isomeria funzionale: la ridistribuzione dei legami interessa i gruppi funzionali. I composti si differiscono perché a

secondo della posizione dei sostituenti essi risultano essere dei Gruppi funzionali diversi. Gli isomeri hanno

caratteristiche chimiche e fisiche diverse. Esempio: C2H6O corrisponde sia ad un alcol ( etanolo), sia a un etere ( etere

di metilico) nell’isomeria di posizione, i gruppi funzionali che variano di posizione sono uguali. Mentre nell’isomeria

funzionale essi sono diversi. [la diversa posizione degli atomi determina gruppi funzionali diversi]

Stereoisomeria

1. L’isomeria conformazionale

I composti differiscono gli uni dagli altri per la diversa posizione degli atomi intorno a un legame singolo tra due atomi

di carbonio. Più precisamente, nei diversi isomeri tali atomi risultano ruotati rispetto all’asse centrale C-C. Ne risultano,

ad esempio, i composti aliciclici detti rispettivamente a sedia o a tino.

E’ una forma di isomeria che deriva dalla possibilità di rotazione intramolecolare attorno ai legami semplici

carbonio-carbonio di una molecola e alle disposizioni spaziali che gli atomi possono assumere.

Esso è una conseguenza della simmetria di un legame semplice. Le molecole sono interconvertibili per rotazione

attorno a uno o più legami singoli. Non c’è una rottura di legame c’è solo una rotazione attorno alle legame semplice

C-C. Gli isomeri configurazionali sono presenti in miscele e non sono fisicamente separabili . Gli stereoisomeri, derivati

sono chiamati conformeri o rotameri.

H H

H C C H

H H

esempio se ruotiamo, attorno all’asse di legame. . A causa di tale rotazione gli atomi di

idrogeno legati ad uno dei carboni possono assumere diverse posizioni spaziali relativamente agli atomi di idrogeno

legati all’altro carbonio. Tali diverse posizioni relative vengono chiamate conformazioni. Ogni conformazione ha un

ben preciso contenuto energetico e quindi una precisa stabilità. le conformazioni sono strutture diverse ma

interconvertibili. Gli isomeri non presentano diversità di comportamento chimico e fisico ( due confomeri sono strutture

di una stessa molecola), se non nei casi di molecole ad altissimo numero di C (vedi proteine e acidi nucleici)

Per gli alcani si distinguono due conformeri, con le posizioni sfalsata ed eclissata, per i ciclo-alcani le due

conformazioni a sedia e a barca.

2.Isomeria di configurazione

* le molecole di questi isomeri possiedono elementi stereogenici: il doppio legame ( C=C) o anello per l’isomeria

geometrica e il carbonio chirale per l’isomeria ottica.

I composti si differiscono per la diversa posizione dei costituenti.

Gli isomeri, pur mantenendo la stessa sequenza con cui gli atomi sono legati, possono essere trasformati gli uni negli

altri solo attraverso uno scambio di posizione dei gruppi legati ad un medesimo atomo. Gli isomeri possono essere

trasformati l’uno nell’altro, solo rompendo legami chimici e scambiando di posizione i gruppi legati ad un atomo di

carbonio e non per semplice rotazione attorno a legami singoli. Gli isomeri configurazionali, sono fisicamente separabili

e si suddividono in:

A. Isomeria ottica:

è una Dissimmetria molecolare dovuto a un o piu atomi di C assimetrici. le molecole si distinguono per come i

sostituenti legati a un atomo di carbonio sono disposti nello spazio, nel caso in cui ci siano 4 sostituenti diversi. Il

carbonio che lega i quattro sostituenti viene definito comunemente chirale, o anche elemento stereogenico. . isomeria

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ottica può verificarsi solo quando nella molecola c’è un atomo di carbonio asimmetrico o chirale (determina il

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comportamento ottico di questi isomeri, cioè la capacità di far ruotare il piano di una luce polarizzata )

Un carbonio assi metrico è quindi ibridato sp3. Anche N. P possono essere dei centri chirali.

1 Un atomo è così denominato quando è legato a quattro atomi o gruppi di atomi diversi e viene indicato con C*( non

forma legami multipli)

gli isomeri ottici hanno diversa proprietà fisiche e chimiche e diversa attività ottica ( sono composti otticamente attivi)

2 distinguiamo due tipi di luce:

luce ordinaria, che consiste di onde che vibrano in tutti i piani perpendicolari alla direzione di propagazione.

E luce piano polarizzata, che consiste di onde che vibrano in un solo piano.

L’attività ottica di una sostanza consiste nella sua capacità di ruotare il piano della luce polarizzata.

Quindi sono definiti otticamente attive quelle sostanze che, se sottoposte a un fascio di luce polarizzata, cioè a un

fascio di luce che vibra in un’unica direzione dello spazio, provocano una rotazione del piano di luce( dovuto

all’interazione tra il fascio di luce polarizzata e gli elettroni) in senso orario (destrogiro) o in senso antiorario (levo-

giro), a seconda della disposizione dei sostituenti legati al carbonio asimmetrico presente nella molecola. Queste

molecole influiscono sulla luce polarizzata planarmente.

Le molecole che dimostrano attività ottica si distinguono con un segno + (anche con R o con d) se destrogire o con un

segno – (anche con S o con l) se levogire.

Enantiomeri e Diastereoisomeri

- Enantiomeri: stereoisomeri che sono immagini speculari non sovrapponibili

Sono detti enantiomeri o antipodi ottici gli stereoisomeri che presentano la capacità di ruotare il piano della luce

polarizzata. Questa proprietà, detta potere rotatorio o attività ottica, è collegata all’esistenza di atomi di carbonio

asimmetrici.

Gli enantiomeri presentano le stesse proprietà fisiche e potere rotatorio dello stesso valore, ma di segno opposto.

( diversa attività ottica). Essi inoltre manifestano lo stesso comportamento chimico, tranne nei riguardi di altre sostanze

otticamente attive

In base al senso in cui viene ruotato dagli enantiomeri il piano della luce polarizzata, essi vengono indicati con il segno

(+), se questo viene ruotato verso destra (destro-giro), e con il segno (-), se viene ruotato verso sinistra (levogiro).

La miscela costituita dal 50% di ciascuno dei due enantiomeri non presenta attività ottica e viene detta racemo.

( numero uguale di molecole dei due enantiomeri: una miscela equimolecolare). Una miscela racemica non ruota il

piano della luce polarizzata né a destra né a sinistra. I diastereoisomeri

- Diastereoisomeri : stereoisomeri non sovrapponibili ma che non sono immagini speculari.

( anche isomeri cis/trans) al contrario degli enantiomeri essi presentano proprietà fisiche e chimiche diverse.

molecole che non sono sovrapponibili alle loro immagine speculari sono detti chirali.

E molecole che mancano di chiralità sono detti achirali e presentano un piano di simmetria. Avendo nella sua molecola

un piano di simmetria, risulta sovrapponibile alla sua immagine speculare.

Si definiscono forme meso (o mesoforme) Gli stereoisomeri che pur presentando stereocentri non sono chirali, a causa

di una simmetria interna. Questo è un caso tipico del fatto che la chiralità di una molecola dipenda dalla mancanza di

simmetria e la presenza di stereocentri non sia condiz