3.2: Izomery konstytucyjne alkanów

Związki organiczne o tym samym wzorze cząsteczkowym mogą mieć różne wzory strukturalne zwane izomerami konstytucyjnymi, a zjawisko to jest znane jako izomeria konstytucyjna. Alkany posiadające cztery lub więcej atomów węgla wykazujące wiele struktur o tym samym wzorze cząsteczkowym wykazują zatem izomerię konstytucyjną.

Liniowy izomer alkanu jest poprzedzony terminem „n”; stąd liniowy izomer pentanu jest znany jako n-pentan. W zależności od rodzaju rozgałęzienia, niektórym rozgałęzionym izomerom nadano przedrostki „izo” i „neo”. Na przykład pentan ma dwurozgałęzione izomery, izopentan i neopentan. Izopentan ma prosty łańcuch czterowęglowy z pojedynczym podstawnikiem metylowym, podczas gdy neopentan ma prosty łańcuch trzywęglowy z dwiema grupami metylowymi jako podstawnikami.

Możliwość rozgałęzień wzrasta wraz ze wzrostem liczby atomów węgla w łańcuchu w poprzek homologu, co prowadzi do wykładniczego wzrostu liczby izomerów konstytucyjnych. Na przykład sześciowęglowy alkan heksan ma pięć izomerów, podczas gdy liczba izomerów wzrasta do 75 w przypadku 10-węglowego alkanu dekanu.

Pomimo tego samego wzoru cząsteczkowego, izomery wykazują znaczne różnice we właściwościach fizycznych, takich jak temperatura topnienia i temperatura wrzenia.

Alkany zawierają dwa rodzaje pojedynczych wiązań: węgiel-węgiel i węgiel-wodór.

Proste alkany, takie jak metan, etan i propan, mają tylko jeden sposób ułożenia swoich atomów, co oznacza, że mają jeden wzór strukturalny.

Jednak alkany z czterema lub więcej atomami węgla mogą mieć atomy ułożone na wiele sposobów dla tego samego wzoru cząsteczkowego; mogą wykazywać izomerię konstytucyjną lub izomerię strukturalną.

Na przykład czterowęglowy alkan, butan, ma dwa izomery strukturalne. Forma o prostym łańcuchu ma cztery atomy węgla, które są ułożone liniowo.

Dla porównania, forma rozgałęziona ma łańcuch trójwęglowy, a czwarty węgiel jest przymocowany jako łańcuch boczny lub odgałęzienie do drugiego węgla w łańcuchu.

Każdy izomer butanu ma dziesięć atomów wodoru związanych z czterema atomami węgla. Butan ma zatem dwa izomery strukturalne o tym samym wzorze cząsteczkowym.

Ponadto izomery różnią się właściwościami fizycznymi: butan rozgałęziony ma temperaturę wrzenia −11,6 °C, podczas gdy butan o prostym łańcuchu wrze w temperaturze −0,5 °C.

W porównaniu z butanem, który ma tylko jeden rozgałęziony izomer, wyższe alkany mogą rozgałęziać się przy dowolnym odpowiednim węglu. Tak więc wyższe alkany mogą mieć wiele odrębnych izomerów rozgałęzionych, ale tylko jeden izomer o prostym łańcuchu.

Na przykład pentan C₅H₁₂ ma jeden izomer o prostym łańcuchu i dwa izomery rozgałęzione. Izomer o prostym łańcuchu, znany również jako n-pentan, ma wszystkie pięć atomów węgla w nierozgałęzionym łańcuchu.

Jeden z rozgałęzionych izomerów ma łańcuch czterowęglowy, przy czym piąty węgiel rozgałęzia się od węgla w drugiej pozycji. Izomer ten nazywany jest izopentanem ze względu na grupę −CH(_CH3)₂ na końcu łańcucha.

Drugi rozgałęziony izomer ma łańcuch trójwęglowy, w którym czwarty i piąty atom węgla rozgałęziają się od centralnego węgla. Izomer ten nazywany jest neopentanem ze względu na końcową grupę −C(_CH3)₃.