Isomeria costituzionale: catena, posizione e gruppo funzionale

Due composti possono avere la stessa formula molecolare e proprietà completamente diverse: bastano gli atomi collegati in un ordine differente. È il caso dell’isomeria costituzionale (o strutturale), il primo e più semplice livello di isomeria, quello in cui cambia proprio la connettività dei legami. Capirne i tre tipi fondamentali è il punto di partenza per leggere qualsiasi formula di struttura.

Vediamo che cos’è l’isomeria costituzionale, in che modo si distingue dalla stereoisomeria, e quali sono i tre sottotipi: isomeria di catena, di posizione e di gruppo funzionale.

Stessa formula, struttura diversa

Si dice che due molecole sono isomeri quando condividono la stessa formula molecolare ma differiscono in qualcosa. Negli isomeri costituzionali a differire è la sequenza dei legami: gli atomi sono gli stessi, ma collegati in un ordine diverso. Questo distingue nettamente l’isomeria costituzionale dalla stereoisomeria, in cui la connettività è identica e cambia solo la disposizione nello spazio (trattata negli articoli sulla chiralità e sulla geometria del doppio legame).

Isomeria di catena (scheletrica)

Nell’isomeria di catena, detta anche scheletrica, gli isomeri si distinguono per il modo in cui sono disposti gli atomi di carbonio dello scheletro: catena lineare, ramificata, più o meno compatta. La formula bruta è identica, ma lo scheletro carbonioso cambia. Un esempio classico è quello degli esani: dalla sola formula C₆H₁₄ si possono costruire cinque isomeri di catena distinti, ciascuno con punto di ebollizione e densità propri. Più la catena è ramificata e compatta, più basso tende a essere il punto di ebollizione, perché le molecole sferiche hanno meno superficie di contatto reciproco.

Isomeria di posizione

Nell’isomeria di posizione lo scheletro e il gruppo funzionale restano gli stessi, ma cambia il punto della catena in cui il gruppo (o il sostituente, o l’insaturazione) è attaccato. L’1-propanolo e il 2-propanolo, per esempio, hanno entrambi formula C₃H₈O e contengono lo stesso gruppo ossidrile, ma l’OH si trova su un carbonio diverso: ne risultano un alcol primario e uno secondario, con reattività e punti di ebollizione differenti. Lo stesso vale per la posizione di un doppio legame (1-butene contro 2-butene) o di un alogeno lungo la catena.

Isomeria di gruppo funzionale

È il caso più drastico: a parità di formula molecolare cambia proprio il gruppo funzionale, e quindi la classe del composto. Etanolo (un alcol) e dimetiletere (un etere) condividono la formula C₂H₆O, ma appartengono a famiglie del tutto diverse, con proprietà che non hanno nulla in comune: l’uno liquido e capace di formare legami a idrogeno, l’altro gassoso e inerte. Allo stesso modo aldeidi e chetoni, o acidi carbossilici ed esteri, possono essere isomeri funzionali tra loro.

stessa formula molecolare  +  diversa connettività  →  isomeri costituzionali

Un quadro dei tre sottotipi

Conviene tenere a mente la differenza tra i tre casi e qualche esempio guida.

Casi limite: tautomeria e isomeria di valenza

Vale la pena ricordare che esistono forme di isomeria costituzionale dinamiche. Nella tautomeria due isomeri costituzionali si interconvertono spontaneamente e reversibilmente per spostamento di un atomo (di solito un idrogeno) e di un legame: l’esempio classico è l’equilibrio cheto-enolico di aldeidi e chetoni, ma esistono anche le tautomerie ammide-immidolo e quelle dei sistemi eteroaromatici. Si parla invece di isomeria di valenza quando a cambiare è solo la disposizione dei legami, come nei polieni. Sono fenomeni di confine, ma utili a ricordare che la connettività non è sempre statica.

Quanti isomeri sono possibili

Il numero di isomeri costituzionali cresce rapidamente con la lunghezza della catena: con cinque atomi di carbonio si hanno tre isomeri di pentano, con sei già cinque esani, e da lì in poi l’aumento è esplosivo. Questo spiega perché due campioni con la stessa formula bruta riportata in un certificato d’analisi possano essere sostanze del tutto diverse, e perché identificare la sostanza richieda sempre informazioni strutturali, non solo elementari.

Perché conta nella pratica

Riconoscere l’isomeria costituzionale è la prima competenza per non confondere sostanze diverse che condividono la stessa formula bruta. In un laboratorio di controllo qualità, dove arrivano materie prime descritte spesso solo per formula, distinguere un alcol primario da uno secondario, un etere da un alcol o un isomero di catena dall’altro significa prevederne correttamente reattività, tossicità e comportamento di processo. È anche il presupposto logico per affrontare il livello successivo, quello in cui la connettività è identica e a cambiare è solo la geometria nello spazio.

Domande frequenti

Che cos’è l’isomeria costituzionale?

È l’isomeria in cui due composti hanno la stessa formula molecolare ma una diversa sequenza di legami, cioe una diversa connettivita degli atomi. Si chiama anche isomeria strutturale e si distingue dalla stereoisomeria, in cui la connettivita e identica e cambia solo la disposizione tridimensionale degli atomi.

Quali sono i tre tipi di isomeria costituzionale?

Sono l’isomeria di catena (cambia lo scheletro carbonioso, come n-butano e isobutano), l’isomeria di posizione (cambia il punto in cui si trova il gruppo funzionale, come 1-propanolo e 2-propanolo) e l’isomeria di gruppo funzionale (cambia la classe chimica, come etanolo e dimetiletere). In tutti i casi la formula molecolare resta la stessa.

Etanolo e dimetiletere sono davvero isomeri?

Si, sono isomeri di gruppo funzionale: hanno entrambi formula C₂H₆O, ma l’etanolo e un alcol e il dimetiletere e un etere. Le loro proprieta sono molto diverse: l’etanolo e liquido e forma legami a idrogeno, l’etere e gassoso e relativamente inerte. E un esempio di come la stessa formula bruta possa nascondere sostanze incompatibili.

Quanti isomeri ha la formula C₆H₁₄?

Cinque isomeri di catena, cioe cinque esani strutturalmente diversi: dall’esano lineare alle forme via via piu ramificate. Ognuno ha punto di ebollizione e densita propri, perche la forma dello scheletro influenza le forze intermolecolari. E un esempio tipico di isomeria di catena.

La tautomeria e una forma di isomeria costituzionale?

Si, e una forma dinamica: due tautomeri sono isomeri costituzionali che si interconvertono spontaneamente per spostamento di un atomo (di solito un idrogeno) e di un legame. Il caso piu noto e l’equilibrio cheto-enolico di aldeidi e chetoni. A differenza degli isomeri costituzionali statici, i tautomeri coesistono in equilibrio.