Izomerie plană

Izomerii au aceeași formulă moleculară și structuri diferite. Izomeria de catenă schimbă scheletul: butanul și 2-metilpropanul sunt ${\mathrm{C}}_4{\mathrm{H}}_{10}$. Izomeria de poziție mută o grupă ori o legătură multiplă: but-1-ena și but-2-ena sunt ${\mathrm{C}}_4{\mathrm{H}}_8$. Izomeria de funcțiune schimbă clasa: etanolul și dimetileterul sunt ${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_6\mathrm{O}$. Formula structurală, nu numele singur, dovedește tipul izomeriei.

În izomeria plană diferă ordinea în care sunt legați atomii, nu orientarea moleculei în spațiu. Izomerii plani au proprietăți fizice și chimice diferite.

Perechi de clase izomere (izomerie de funcțiune).

• alcool saturat și eter, ${\mathrm{C}}_{\mathrm{n}}{\mathrm{H}}_{2n+2}\mathrm{O}$;
• aldehidă și cetonă, ${\mathrm{C}}_{\mathrm{n}}{\mathrm{H}}_{2n}\mathrm{O}$, de la $n=3$;
• acid carboxilic și ester, ${\mathrm{C}}_{\mathrm{n}}{\mathrm{H}}_{2n}{\mathrm{O}}_2$;
• alchenă și cicloalcan, ${\mathrm{C}}_{\mathrm{n}}{\mathrm{H}}_{2n}$;
• alchină și alcadienă, ${\mathrm{C}}_{\mathrm{n}}{\mathrm{H}}_{2n-2}$.

Poziția pe nucleul aromatic. Dimetilbenzenii (xilenii), ${\mathrm{C}}_8{\mathrm{H}}_{10}$, sunt trei izomeri de poziție: orto, meta și para, după poziția relativă a celor două grupe metil pe inel. Etilbenzenul este izomer de catenă cu xilenii.

Izomerii au proprietăți diferite. Ciclohexanul și hex-1-ena, izomeri de funcțiune cu formula ${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}$, se deosebesc prin apa de brom: hex-1-ena o decolorează, ciclohexanul nu. Propan-1-olul fierbe la $97,2{}^{\circ }\mathrm{C}$, iar propan-2-olul, izomerul lui de poziție, la $82,6{}^{\circ }\mathrm{C}$. Numărarea izomerilor se face sistematic: întâi se aleg scheletele de carbon, apoi se plasează legătura multiplă sau grupa funcțională în toate pozițiile diferite, iar la sfârșit se elimină structurile identice.

Aceeași substanță sau izomeri? Două formule care diferă numai prin felul în care este desenată catena (rotită sau îndoită) reprezintă aceeași substanță. Pentru a hotărî, se compară conectivitatea: se numerotează catena cea mai lungă, se citesc numele și poziția grupelor, iar structurile cu același nume sunt identice.

Exemplu rezolvat 1: alcoolii și eterii cu formula ${\mathrm{C}}_4{\mathrm{H}}_{10}\mathrm{O}$.

1. $I=(2\cdot 4+2-10)/2=0$: structurile sunt saturate și aciclice.
2. Alcooli cu catenă liniară: butan-1-ol, $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{OH}$, și butan-2-ol, $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{CH}(\mathrm{OH})\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3$, izomeri de poziție.
3. Alcooli cu catenă ramificată: 2-metilpropan-1-ol, $(\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3{)}_2\mathrm{CHC}{\mathrm{H}}_2\mathrm{OH}$, și 2-metilpropan-2-ol, $(\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3{)}_3\mathrm{COH}$.
4. Eteri: dietileter $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{OC}{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3$, metilpropileter $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{OC}{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3$ și metilizopropileter $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{OCH}(\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3{)}_2$.
5. Total: $4+3=7$ izomeri, fără stereoizomeri; între alcooli și eteri izomeria este de funcțiune.

Exemplu rezolvat 2: alcanii cu formula ${\mathrm{C}}_5{\mathrm{H}}_{12}$.

1. Cea mai lungă catenă are cinci atomi de carbon: pentan.
2. Cu cea mai lungă catenă de patru atomi se adaugă o grupă metil. La C2 rezultă 2-metilbutan; la C3 s-ar obține tot 2-metilbutan, prin numerotare de la celălalt capăt.
3. Cu cea mai lungă catenă de trei atomi se adaugă două grupe metil pe C2: 2,2-dimetilpropan.
4. Rezultă trei izomeri de catenă, fiecare cu 5 atomi de C și 12 atomi de H.

Exemplu rezolvat 3: izomerii cu formula ${\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_6{\mathrm{O}}_2$ și grupa $\mathrm{C}=\mathrm{O}$ legată de oxigen.

1. $I=(2\cdot 3+2-6)/2=1$, valoare dată de dubla legătură C=O.
2. Acid carboxilic: acidul propanoic, $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{COOH}$.
3. Esteri: etanoatul de metil, $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{COOC}{\mathrm{H}}_3$, și metanoatul de etil, $\mathrm{HCOOC}{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3$.
4. Acidul și esterii sunt izomeri de funcțiune. Cei doi esteri sunt izomeri între ei, pentru că diferă numărul atomilor de carbon din cele două părți ale grupei $-\mathrm{COO}-$.

Pentru etanol, spre deosebire de dimetileter, se formează legături de hidrogen între molecule; de aceea etanolul fierbe la $78,4{}^{\circ }\mathrm{C}$, iar dimetileterul la $-24,8{}^{\circ }\mathrm{C}$.

Numărul alcanilor izomeri crește rapid: ${\mathrm{C}}_4{\mathrm{H}}_{10}$ are 2, ${\mathrm{C}}_5{\mathrm{H}}_{12}$ are 3, ${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{14}$ are 5, iar ${\mathrm{C}}_7{\mathrm{H}}_{16}$ are 9 izomeri.

Exemplu (complement simplu). Câți alcooli izomeri corespund formulei ${\mathrm{C}}_5{\mathrm{H}}_{12}\mathrm{O}$ și câți izomeri aciclici totali are formula?

1. Alcooli cu catenă de cinci atomi de carbon: pentan-1-ol, pentan-2-ol, pentan-3-ol.
2. Alcooli cu catenă de patru atomi și o grupă metil: 2-metilbutan-1-ol, 3-metilbutan-1-ol, 2-metilbutan-2-ol, 3-metilbutan-2-ol.
3. Alcool cu catenă de trei atomi și două grupe metil: 2,2-dimetilpropan-1-ol. Total: 8 alcooli.
4. Eteri: patru metilbutileteri (n-butil, sec-butil, izobutil, terț-butil) și doi etilpropileteri (n-propil, izopropil), adică 6 eteri.
5. Total: $8+6=14$ izomeri, fără stereoizomeri.

Exemplu (complement grupat). Sunt perechi de izomeri de funcțiune:

1. propanal și propanonă
2. butan și 2-metilpropan
3. acid propanoic și etanoat de metil
4. but-1-enă și but-2-enă

• A. Numai 1, 2 și 3 sunt corecte.
• B. Numai 1 și 3 sunt corecte.
• C. Numai 2 și 4 sunt corecte.
• D. Numai 4 este corectă.
• E. Toate sunt corecte sau toate sunt false.

Rezolvare: propanalul și propanona sunt aldehidă și cetonă cu formula ${\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_6\mathrm{O}$, iar acidul propanoic și etanoatul de metil sunt acid și ester cu formula ${\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_6{\mathrm{O}}_2$; în ambele perechi diferă clasa, deci afirmațiile 1 și 3 sunt adevărate. Butanul și 2-metilpropanul diferă prin catenă, iar but-1-ena și but-2-ena diferă prin poziția dublei legături, deci afirmațiile 2 și 4 sunt false. Răspuns corect: B.

Exemplu. Alcanul ${\mathrm{C}}_7{\mathrm{H}}_{16}$ are nouă izomeri; cel cu cea mai ramificată catenă este 2,2,3-trimetilbutanul.

Exemplu. Formula ${\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_8\mathrm{O}$ are trei izomeri: propan-1-olul, propan-2-olul și etilmetileterul.

Exemplu. Câți izomeri are formula ${\mathrm{C}}_4{\mathrm{H}}_9\mathrm{Cl}$?

1. $I=(2\cdot 4+2-9-1)/2=0$: structuri saturate, aciclice.
2. Catena liniară: 1-clorobutan și 2-clorobutan.
3. Catena ramificată: 1-cloro-2-metilpropan și 2-cloro-2-metilpropan.
4. Total: 4 izomeri, de catenă și de poziție.

Alcanul ${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{14}$ are cinci izomeri: hexan, 2-metilpentan, 3-metilpentan, 2,2-dimetilbutan și 2,3-dimetilbutan.

Exemplu. Alchenele aciclice cu formula ${\mathrm{C}}_5{\mathrm{H}}_{10}$ sunt pent-1-ena, pent-2-ena, 2-metilbut-1-ena, 3-metilbut-1-ena și 2-metilbut-2-ena: 5 izomeri plani. Împreună cu cei 5 cicloalcani izomeri (ciclopentan, metilciclobutan, 1,1-dimetilciclopropan, 1,2-dimetilciclopropan și etilciclopropan), formula ${\mathrm{C}}_5{\mathrm{H}}_{10}$ are 10 izomeri plani.

Izomerii cis/trans ai pent-2-enei nu sunt izomeri plani, ci stereoizomeri.

Greșeli frecvente

• Greșit: Propanul și butanul sunt izomeri pentru că ambele sunt alcani.
  Corect: Sunt omologi; formulele lor moleculare diferă prin $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2$.
• Greșit: But-1-ena și but-2-ena sunt izomeri de catenă.
  Corect: Au aceeași catenă și diferă poziția dublei legături.
• Greșit: 2-metilbutanul și 3-metilbutanul sunt doi izomeri diferiți.
  Corect: Catena se numerotează de la capătul care dă cifra mai mică; „3-metilbutan” este tot 2-metilbutan.
• Greșit: Etanolul și dimetileterul au aceleași proprietăți chimice, deoarece au aceeași formulă moleculară.
  Corect: Au funcțiuni diferite, deci proprietăți diferite; etanolul este lichid, iar dimetileterul este gaz în condiții obișnuite.

Înainte și după