3.2: Isomeri costituzionali degli alcani

I composti organici con la stessa formula molecolare possono avere formule strutturali diverse chiamate isomeri costituzionali e il fenomeno è noto come isomeria costituzionale. Gli alcani con quattro o più atomi di carbonio che mostrano più strutture con la stessa formula molecolare presentano quindi isomeria costituzionale.

L'isomero lineare di un alcano è preceduto dal prefisso “n”; quindi un isomero lineare del pentano è noto come n-pentano. In base al tipo di ramificazione, ad alcuni isomeri ramificati vengono assegnati i prefissi “iso” e “neo”. Ad esempio, il pentano ha isomeri a due ramificazioni, l’iso-pentano e il neo-pentano. L'iso-pentano ha una catena lineare a quattro atomi di carbonio con un singolo sostituente metilico, mentre il neo-pentano ha una catena lineare a tre atomi di carbonio con due gruppi metilici come sostituenti.

La possibilità di ramificazione aumenta con l’incremento del numero di atomi di carbonio nella catena attraverso l'omologo, portando all'aumento esponenziale del numero di isomeri costituzionali. Ad esempio, l'alcano esano a sei atomi di carbonio ha cinque isomeri, mentre il numero di isomeri aumenta a 75 per l'alcano decano a 10 atomi di carbonio.

Nonostante abbiano la stessa formula molecolare, gli isomeri presentano variazioni significative nelle loro proprietà fisiche, come i punti di fusione e di ebollizione.

Gli alcani contengono due tipi di legami singoli: carbonio-carbonio e carbonio-idrogeno.

Gli alcani semplici come il metano, l'etano e il propano hanno un solo modo di organizzare i loro atomi, il che implica che hanno un'unica formula strutturale.

Tuttavia, gli alcani con quattro o più atomi di carbonio possono avere i loro atomi disposti in più modi per la stessa formula molecolare; possono mostrare isomeria costituzionale o isomeria strutturale.

Ad esempio, l'alcano a quattro atomi di carbonio, il butano, ha due isomeri strutturali. La forma a catena lineare ha quattro atomi di carbonio disposti linearmente.

In confronto, la forma ramificata ha una catena a tre atomi di carbonio con il quarto carbonio attaccato come catena laterale, o ramo, al secondo carbonio della catena.

Ogni isomero del butano ha dieci atomi di idrogeno legati a quattro atomi di carbonio. Il butano, quindi, ha due isomeri strutturali con la stessa formula molecolare.

Inoltre, gli isomeri variano nelle loro proprietà fisiche: il butano ramificato ha un punto di ebollizione di -11,6 °C, mentre il butano a catena lineare bolle a -0,5 °C.

Rispetto al butano, che ha un solo isomero ramificato, gli alcani superiori possono ramificarsi in qualsiasi carbonio adatto. Pertanto, gli alcani superiori possono avere molti isomeri ramificati distinti ma un solo isomero a catena lineare.

Ad esempio, il pentano, C₅H₁₂, ha un isomero a catena lineare e due isomeri ramificati. L'isomero a catena lineare, noto anche come n-pentano, ha tutti e cinque gli atomi di carbonio in una catena non ramificata.

Uno degli isomeri ramificati ha una catena a quattro atomi di carbonio, con il quinto carbonio che si ramifica dal carbonio nella seconda posizione. Questo isomero è chiamato iso-pentano a causa del gruppo −CH(CH₃)₂ alla fine della catena.

L'altro isomero ramificato ha una catena a tre atomi di carbonio con il quarto e il quinto carbonio che si ramificano dal carbonio centrale. Questo isomero è chiamato neo-pentano a causa del gruppo terminale -C(CH₃)₃.