3.2: Isómeros constitucionales de los alcanos

Los compuestos orgánicos de la misma fórmula molecular pueden tener diferentes fórmulas estructurales llamadas isómeros constitucionales, y el fenómeno se conoce como isomería constitucional. Los alcanos con cuatro o más carbonos que muestran múltiples estructuras con la misma fórmula molecular exhiben isomería constitucional.

El isómero lineal de un alcano tiene el prefijo “n”; de ahí que un isómero lineal del pentano se conozca como n-pentano. Según el tipo de ramificación, algunos de los isómeros ramificados reciben los prefijos "iso" y "neo". Por ejemplo, el pentano tiene isómeros de dos ramas, isopentano y neopentano. El isopentano tiene una cadena lineal de cuatro carbonos con un único sustituyente metilo, mientras que el neopentano tiene una cadena lineal de tres carbonos con dos grupos metilo como sustituyentes.

La posibilidad de ramificación aumenta con el creciente número de átomos de carbono en la cadena a lo largo del homólogo, lo que lleva al aumento exponencial del número de isómeros constitucionales. Por ejemplo, el alcano de seis carbonos hexano tiene cinco isómeros, mientras que el número de isómeros aumenta a 75 para el alcano de 10 carbonos decano.

A pesar de tener la misma fórmula molecular, los isómeros exhiben variaciones significativas en sus propiedades físicas, como los puntos de fusión y de ebullición.

Los alcanos contienen dos tipos de enlaces simples: carbono-carbono y carbono-hidrógeno.

Los alcanos simples como el metano, el etano y el propano tienen una sola forma de organizar sus átomos, lo que implica que tienen una sola fórmula estructural.

Sin embargo, los alcanos con cuatro o más carbonos pueden tener sus átomos dispuestos de múltiples maneras para la misma fórmula molecular; pueden mostrar isomería constitucional o isomería estructural.

Por ejemplo, el alcano de cuatro carbonos, el butano, tiene dos isómeros estructurales. La forma de cadena lineal tiene cuatro átomos de carbono que están dispuestos linealmente.

En comparación, la forma ramificada tiene una cadena de tres carbonos con el cuarto carbono unido como una cadena lateral, o rama, al segundo carbono en la cadena.

Cada isómero de butano tiene diez átomos de hidrógeno unidos a cuatro átomos de carbono. El butano, por lo tanto, tiene dos isómeros estructurales con la misma fórmula molecular.

Además, los isómeros varían en sus propiedades físicas: el butano ramificado tiene un punto de ebullición de -11,6 °C, mientras que el butano de cadena lineal hierve a -0,5 °C.

En comparación con el butano, que tiene un solo isómero ramificado, los alcanos más altos pueden ramificarse en cualquier carbono adecuado. Por lo tanto, los alcanos superiores pueden tener muchos isómeros ramificados distintos, pero solo un isómero de cadena lineal.

Por ejemplo, el pentano, C₅H₁₂, tiene un isómero de cadena lineal y dos isómeros ramificados. El isómero de cadena lineal, también conocido como n-pentano, tiene los cinco átomos de carbono en una cadena no ramificada.

Uno de los isómeros ramificados tiene una cadena de cuatro carbonos, con el quinto carbono ramificado del carbono en la segunda posición. Este isómero se llama isopentano debido al grupo −CH(CH₃)₂ al final de la cadena.

El otro isómero ramificado tiene una cadena de tres carbonos con el cuarto y quinto carbonos ramificados desde el carbono central. Este isómero se denomina neopentano debido al grupo terminal −C(CH₃)₃.