Izomeria compușilor organici

Izomeria de constituție

Izomerii de constituție au aceeași formulă moleculară, dar atomii sunt legați în altă ordine. Ca să-i scrii sistematic:

1. calculezi nesaturarea echivalentă din formula moleculară, ca să știi câte legături π sau cicluri trebuie să aibă structurile;
2. alegi clasele de compuși posibile (de exemplu, pentru C₄H₁₀O cu NE = 0: alcooli și eteri saturați);
3. scrii catenele posibile, de la cea mai lungă la cea mai ramificată (izomerie de catenă);
4. pe fiecare catenă, muți legătura multiplă sau grupa funcțională în toate pozițiile diferite (izomerie de poziție);
5. elimini structurile identice: o catenă citită de la celălalt capăt sau întoarsă este aceeași substanță.

Izomerii de catenă au catene de carbon diferite: liniară sau ramificată. Izomerii de poziție au aceeași catenă și aceeași grupă funcțională, dar în altă poziție. Izomerii de funcțiune aparțin unor clase diferite: alcooli și eteri, aldehide și cetone, acizi carboxilici și esteri, alchene și cicloalcani, alchine și alcadiene.

Izomeria geometrică

Rotația în jurul legăturii duble nu este liberă, de aceea substituenții pot sta de aceeași parte a dublei legături (izomerul cis) sau de o parte și de alta (izomerul trans). Condiția este ca fiecare atom de carbon al dublei legături să aibă doi substituenți diferiți. Izomerii cis și trans au proprietăți fizice diferite, de exemplu temperaturi de fierbere și de topire diferite. Alchinele nu au izomerie geometrică, pentru că atomii legați de legătura triplă sunt pe aceeași dreaptă.

Izomeria optică

Un atom de carbon legat de patru substituenți diferiți se numește asimetric (chiral). O moleculă cu un astfel de atom are doi izomeri care sunt imagini în oglindă unul al celuilalt și nu se pot suprapune, numiți enantiomeri; ei rotesc în sensuri opuse planul luminii polarizate. Numărul de stereoizomeri, mezoformele și amestecul racemic sunt tratate în capitolul despre izomeria optică.

Cele cinci tipuri, pe exemplele din desen

Pentru fiecare tip, întrebarea de control este ce rămâne la fel și ce se schimbă. N-butanul și izobutanul (C₄H₁₀) au aceeași grupă de atomi, dar catene diferite: una liniară, alta ramificată. 1-Butena și 2-butena (C₄H₈) au aceeași catenă, dar dubla legătură are altă poziție. Etanolul și dimetileterul (C₂H₆O) au grupe funcționale diferite: –OH, respectiv –O–. Cis- și trans-2-butena au aceeași ordine a legăturilor, dar grupele CH₃ sunt de aceeași parte, respectiv de părți opuse ale dublei legături. În 2-butanol, atomul de carbon 2 leagă patru substituenți diferiți (H, OH, CH₃ și C₂H₅), deci există doi enantiomeri. Primele trei perechi sunt izomeri de constituție, ultimele două sunt stereoizomeri.

Un caz aparte: tautomeria

Unele substanțe trec spontan dintr-o formă izomeră în alta prin mutarea unui atom de hidrogen și a unei legături duble. Alcoolul vinilic, CH₂=CH–OH, format la adiția apei la acetilenă, trece imediat în acetaldehidă, CH₃–CH=O; cele două forme sunt tautomeri.

Exemplu rezolvat 1: izomerii C₅H₁₂.

Scrie și denumește alcanii cu formula C₅H₁₂.

1. Catena liniară: CH₃–CH₂–CH₂–CH₂–CH₃, n-pentan.
2. O ramificație: CH₃–CH(CH₃)–CH₂–CH₃, 2-metilbutan.
3. Două ramificații: C(CH₃)₄, 2,2-dimetilpropan.
4. Alte structuri (de exemplu „3-metilbutan”) sunt aceleași substanțe, numerotate greșit. Sunt 3 izomeri de catenă.

Exemplu rezolvat 2: izomerii C₄H₈.

Câți izomeri, inclusiv stereoizomerii geometrici, au formula C₄H₈?

1. $NE=\frac{2\cdot 4+2-8}{2}=1$: o legătură dublă (alchene) sau un ciclu (cicloalcani).
2. Alchenele: 1-butenă, 2-butenă și 2-metilpropenă (izomeri de catenă și de poziție); 2-butena are doi izomeri geometrici, cis și trans.
3. Cicloalcanii: ciclobutan și metilciclopropan (izomeri de funcțiune cu alchenele).
4. În total: 5 izomeri de constituție și 6 compuși, dacă se numără separat cis- și trans-2-butena.

Exemple rezolvate

Exemplul 3: izomerii C₄H₁₀O

Câți alcooli și câți eteri au formula C₄H₁₀O?

1. NE = 0, deci compuși saturați, aciclici.
2. Alcoolii: 1-butanol, 2-butanol, 2-metil-1-propanol și 2-metil-2-propanol, adică 4.
3. Eterii: dietileter (CH₃–CH₂–O–CH₂–CH₃), metil-propil-eter și metil-izopropil-eter, adică 3.
4. În total, 7 izomeri de constituție; 2-butanolul are, în plus, doi enantiomeri, pentru că atomul de carbon 2 este asimetric.

Exemplul 4: care compuși au izomeri cis-trans

Care dintre următorii compuși au izomeri geometrici: 1-butena, 2-butena, 2-metil-2-butena, 1,2-dicloroetena?

1. 1-Butena: atomul C1 are doi atomi de hidrogen, deci nu are izomeri cis-trans.
2. 2-Butena: fiecare atom al dublei legături are un H și un CH₃, deci are izomeri cis-trans.
3. 2-Metil-2-butena: atomul C2 are două grupe CH₃, deci nu are.
4. 1,2-Dicloroetena: fiecare atom are un H și un Cl, deci are izomeri cis-trans.

La o formulă moleculară, examenul poate cere numărul de izomeri de constituție sau numărul total de stereoizomeri; cele două răspunsuri nu sunt întotdeauna egale. Începe cu nesaturarea echivalentă, apoi separă clasele de compuși și elimină structurile identice scrise invers. Pentru izomerii geometrici verifică fiecare carbon al legăturii duble: fiecare trebuie să aibă doi substituenți diferiți. Un carbon asimetric se verifică separat, după cei patru substituenți ai lui. De exemplu, propanalul și propanona au aceeași formulă ${\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_6\mathrm{O}$, dar sunt izomeri de funcțiune; nesaturarea echivalentă singură nu arată care dintre cele două grupe carbonil este prezentă.

Exemplu în formatul examenului (complement simplu). Câți izomeri de constituție are formula ${\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_4$, dacă se iau în calcul alchinele, alcadienele și cicloalchenele?

• A. Unul
• B. Doi
• C. Trei
• D. Patru
• E. Cinci

1. $NE=\frac{2\cdot 3+2-4}{2}=2$: două legături π, sau o legătură π și un ciclu.
2. Cu o legătură triplă: propina, HC≡C–CH₃.
3. Cu două legături duble: propadiena, CH₂=C=CH₂.
4. Cu un ciclu și o legătură dublă: ciclopropena.
5. Sunt 3 izomeri: propina și propadiena sunt izomeri de funcțiune (alchină și alcadienă), iar ciclopropena este un izomer ciclic.

Răspuns corect: C. Propina și propadiena diferă prin tipul legăturilor multiple, iar ciclopropena prin existența ciclului. Niciuna dintre cele trei structuri nu se dublează prin citirea catenei de la celălalt capăt. La acest item se cer izomeri de constituție, deci eventualele forme cis-trans sau enantiomere, dacă ar exista, nu ar mări numărul cerut. Diferența dintre întrebarea despre „izomeri de constituție” și cea despre „compuși distincți” trebuie urmărită în formularea fiecărui subiect.

Înainte și după

• Înainte: formulele compușilor organici și nesaturarea echivalentă, din capitolul Introducere în chimia organică.
• După: alcanii și alchinele, unde numeri izomerii fiecărei clase; alcoolii; izomeria optică, în clasa a XI-a.

Unde apare la examen

• Admiterea la Medicină, UMFCD: tematica pentru 2026 cere capitolul „Introducere în studiul chimiei organice” din manualul de clasa a X-a de la Grup Editorial Art (paginile 5–16), capitolele de hidrocarburi și compuși cu funcțiuni, unde izomeria apare la fiecare clasă, și „Izomerie optică” din manualul de clasa a XI-a (paginile 130–138) (tematica de admitere UMFCD 2026). Formatul testului este pe pagina Admitere Medicină UMFCD.
• Programa de clasa a X-a cere izomeria de catenă la alcani (C₄–C₅) și izomeria de catenă și de poziție la alchene și alchine, iar la curriculumul diferențiat izomeria geometrică (programa de chimie, clasa a X-a, OMECI 5099/2009).
• Bacalaureatul, chimie organică: programa de examen cere izomeria de catenă și de poziție pentru compușii studiați și izomeria optică, cu atomul de carbon asimetric, enantiomerii și amestecul racemic (programa de bacalaureat, anexa 2 la OMENCS 5070/2016).

Greșeli frecvente

• Greșit: O catenă scrisă invers sau „îndoită” pe hârtie este un alt izomer.
  Corect: este aceeași moleculă; dacă două structuri au același nume corect, sunt identice.
• Greșit: Orice alchenă are izomeri cis-trans.
  Corect: fiecare atom de carbon al dublei legături trebuie să aibă doi substituenți diferiți.
• Greșit: La numărarea izomerilor cu formula ${\mathrm{C}}_{\mathrm{n}}{\mathrm{H}}_{2n}$ intră numai alchenele.
  Corect: intră și cicloalcanii.
• Greșit: Etanolul și dimetileterul sunt aceeași substanță, fiindcă au aceeași formulă moleculară.
  Corect: sunt izomeri de funcțiune cu proprietăți foarte diferite: etanolul este lichid și reacționează cu sodiul, dimetileterul este gaz și nu reacționează.
• Greșit: Butanul (${\mathrm{C}}_4{\mathrm{H}}_{10}$) și 1-butena (${\mathrm{C}}_4{\mathrm{H}}_8$) sunt izomeri.
  Corect: izomerii au exact aceeași formulă moleculară.

Înainte și după

Întrebări frecvente