Gli isomeri costituzionali sono molecole che hanno la stessa formula molecolare ma hanno una diversa connettività degli atomi nelle molecole. È meglio se illustro l’idea degli isomeri costituzionali con un esempio. Supponiamo di avere una molecola con formula molecolare C2H6O. La costruzione delle strutture di Lewis per questa molecola rivela le due possibilità di connessione degli atomi:
Le due molecole qui sopra, etanolo (alcol etilico) e dimetil etere, sono esempi di isomeri costituzionali. Entrambi hanno esattamente gli stessi atomi negli stessi rapporti nella molecola. Tuttavia, le connessioni tra questi atomi, o in altre parole, la costituzione della molecola, è diversa. La cosa importante degli isomeri costituzionali è capire che sono molecole diverse e, quindi, hanno proprietà diverse. Vedrai esempi di isomeri costituzionali molte volte nel tuo corso, quindi è molto importante essere in grado di individuarli.
Hydrogen Deficiency Index (HDI)oDegree of Unsaturation (DU)
Entrambi questi termini si riferiscono alla stessa cosa. Il termine esatto che il vostro istruttore userà dipenderà dalle sue preferenze personali o dalla scelta del libro. Mentre l’HDI di solito non viene introdotto fino a quando non ci occupiamo di spettroscopia, credo che sia uno strumento molto potente da conoscere all’inizio del semestre. E francamente, sono un po’ confuso sul perché non sia praticamente mai insegnato qui. Comunque, torniamo all’HDI e al perché è così bello.
HDI è uno strumento utile per stimare i motivi strutturali nella molecola. Fondamentalmente, ogni grado di insaturazione o unità HDI corrisponde a un legame π o a un motivo ciclico nella molecola. Ricordiamo che i doppi e tripli legami hanno legami π. La definizione più “corretta” di HDI è il numero di equivalenti H2 richiesti per saturare la molecola per avere solo una struttura di legami singoli a catena aperta. Il che, se me lo chiedete, suona brutto, quindi non lo ripeterò mai più. 🤣
Guardiamo alcuni esempi e vediamo come le caratteristiche molecolari si riferiscono alle unità di HDI:
La combinazione dei cicli e dei doppi o tripli legami nella vostra molecola vi darà il valore di HDI. Ma come è utile per gli isomeri costituzionali? Bene, dato che gli isomeri costituzionali hanno la stessa formula molecolare, avranno anche gli stessi indici HDI! In questo modo, se conosci l’HDI di una molecola, puoi automaticamente disegnare vari isomeri costituzionali con i motivi strutturali corretti. Quindi, c’è un modo per calcolare l’HDI dalla sola formula molecolare? Certo che c’è!
Calcolare l’HDI dalla formula molecolare
Per calcolare l’HDI usiamo una formula molto semplice. Potresti volerla memorizzare perché è molto utile, specialmente se stai cercando di disegnare gli isomeri costituzionali per un mucchio di molecole diverse.
La formula che sto mostrando qui ha alcune forme diverse. Quindi, se il vostro istruttore o un libro di testo ne usa una diversa, non preoccupatevi, danno tutti lo stesso risultato. A me personalmente piace questa, quindi mi atterrò ad essa. Vediamo qualche esempio usando questa formula:
Come potete vedere, più alto è l’HDI, più possibilità potete ottenere per i motivi strutturali nella vostra molecola. Quindi, anche se è uno strumento potente, non è la formula della “risposta immediata”, specialmente quando si tratta di molecole più complesse.
Come affrontare i problemi usando la formula HDI
Quindi, quando hai bisogno di trovare i possibili isomeri costituzionali per una molecola, la prima cosa che vuoi guardare è la formula molecolare. Da lì otterremo l’HDI e avremo un’idea su che tipo di caratteristiche strutturali cercare nella nostra molecola.
Cerchiamo tutti i possibili isomeri costituzionali per una molecola con la formula molecolare C3H6O.
Passo 1: Calcolare l’HDI dalla formula molecolare
In base al nostro HDI, sappiamo che questa molecola deve contenere un doppio legame o un ciclo. Ma non quei due insieme poiché l’HDI = 1.
Passo 2: Disegnare possibili isomeri costituzionali partendo da molecole lineari (le più semplici)
Per prima cosa, io vado sempre con le possibili strutture lineari per i miei isomeri costituzionali.
Per rendere tutto più semplice, ti consiglio di arrivare al nucleo della struttura e poi aggiungere il numero necessario di idrogeni. Fai attenzione a non aggiungerne troppi e sii coerente con i modelli di legame che osserviamo normalmente nelle molecole organiche!
Dopo aver finito con le molecole lineari, è ora di vedere se possiamo fare delle diramazioni laterali dagli atomi del nucleo che abbiamo in mano:
E infine, possiamo vedere se ci sono strutture cicliche che possiamo mettere insieme:
Utilizzando questo semplice approccio, possiamo passare rapidamente ed efficacemente attraverso le possibilità con una probabilità molto bassa di perdere qualche struttura. Mentre il numero di possibili isomeri costituzionali cresce esponenzialmente con il numero di atomi nella molecola, non prevedo che il tuo istruttore ti dia qualcosa che abbia più di una dozzina di strutture nel test. Tuttavia, una molecola con 5-7 isomeri costituzionali è un gioco corretto! Come potete vedere, la molecola qui sopra ne ha 9. E ho visto questa esatta molecola su alcuni test negli anni precedenti. Inoltre, fai molta attenzione se il tuo istruttore ti chiede solo gli isomeri costituzionali o tutti gli isomeri possibili. Se non siamo limitati ai casi semplici, dovrete anche controllare la stereochimica, che è un nuovo livello di complessità. Ne parlerò un’altra volta però.