3.2: Isomères constitutionnels des alcanes

Les composés organiques de la même formule moléculaire peuvent avoir des formules développées différentes appelées isomères constitutionnels, et le phénomène est connu sous le nom d'isomérie constitutionnelle. Les alcanes comportant quatre carbones ou plus présentant plusieurs structures avec la même formule moléculaire présentent ainsi une isomérie constitutionnelle.

L'isomère linéaire d'un alcane est préfixé par le terme « n » ; par conséquent, un isomère linéaire du pentane est connu sous le nom de n-pentane. En fonction du type de ramification, certains isomères ramifiés reçoivent les préfixes « iso » et « neo ». Par exemple, le pentane contient des isomères à deux branches, l'iso-pentane et le neo-pentane. L'iso-pentane a une chaîne droite à quatre carbones avec un seul substituant méthyle, tandis que le neo-pentane a une chaîne droite à trois carbones avec deux groupes méthyle comme substituants.

La possibilité de ramification augmente avec le nombre croissant d'atomes de carbone dans la chaîne à travers l'homologue, conduisant à une augmentation exponentielle du nombre d'isomères constitutionnels. Par exemple, l'alcane hexane à six carbones possède cinq isomères, alors que le nombre d'isomères augmente jusqu'à 75 pour l'alcane décane à 10 carbones.

Bien qu’ils aient la même formule moléculaire, les isomères présentent des variations significatives dans leurs propriétés physiques, telles que les points de fusion et les points d’ébullition.

Les alcanes contiennent deux types de liaisons simples : carbone-carbone et carbone-hydrogène.

Les alcanes simples tels que le méthane, l’éthane et le propane n’ont qu’une seule façon d’organiser leurs atomes, ce qui implique qu’ils ont une seule formule structurelle.

Cependant, les alcanes à quatre atomes ou plus peuvent avoir leurs atomes disposés de plusieurs façons pour la même formule moléculaire ; ils peuvent présenter un isomérie constitutionnel ou un isomérie structurelle.

Par exemple, l’alcane à quatre carbones, le butane, a deux isomères structurels. La forme à chaîne droite comporte quatre atomes de carbone qui sont disposés linéairement.

En comparaison, la forme ramifiée a une chaîne à trois carbones avec le quatrième carbone attaché comme une chaîne latérale, ou branche, au deuxième carbone de la chaîne.

Chaque isomère du butane a dix atomes d’hydrogène liés à quatre atomes de carbone. Le butane a donc deux isomères structurels avec la même formule moléculaire.

De plus, les propriétés physiques des isomères varient : le butane ramifié a un point d’ébullition de −11,6 °C, tandis que le butane à chaîne droite bout à −0,5 °C.

Par rapport au butane, qui n’a qu’un seul isomère ramifié, les alcanes supérieurs peuvent se ramifier à n’importe quel carbone approprié. Ainsi, les alcanes supérieurs peuvent avoir de nombreux isomères ramifiés distincts, mais un seul isomère à chaîne droite.

Par exemple, le pentane, C₅H₁₂, a un isomère à chaîne droite et deux isomères ramifiés. L’isomère à chaîne droite, également connu sous le nom de n-pentane, a les cinq atomes de carbone dans une chaîne non ramifiée.

L’un des isomères ramifiés a une chaîne à quatre atomes de carbone, le cinquième carbone se ramifiant à partir du carbone en deuxième position. Cet isomère est appelé iso-pentane en raison du groupe −CH(CH₃)₂ à l’extrémité de la chaîne.

L’autre isomère ramifié a une chaîne à trois atomes de carbone, les quatrième et cinquième carbones se ramifiant à partir du carbone central. Cet isomère est appelé néo-pentane en raison du groupe terminal -C(CH₃)₃.