Le isomerie

Abbiamo visto finora, in modo sintetico, le caratteristiche del legame chimico.

Ma per sapere qualcosa di più sulle molecole e sulla loro struttura considereremo brevemente alcune loro specifiche caratteristiche, strettamente legate alle loro proprietà chimico-fisiche, in particolare:

- composizione

- costituzione

- configurazione

- conformazione

Esamineremo alcuni casi che ci permetteranno di trattare le prime tre di queste caratteristiche.

Fig.17.1 Esempi di molecole con formula minima eguale. Di queste, sono:

isomeri di composizione (stessa formula minima) (a, b, c); (d, e, f, g, h, i, l, m, )

 isomeri di costituzione (stessa formula molecolare) (e, f, g );(h, i, l, m)

 isomeri di configurazione (stessa formula di struttura) (h, l, m)

Le formule di struttura delle molecole indicate con * sono rappresentate nella figura seguente.

COMPOSIZIONE: è data dai tipi di atomi che costituiscono le molecole (si può ottenere mediante analisi elementare qualitativa della sostanza) e dal loro rapporto numerico (mediante analisi elementare quantitativa).

Attraverso queste analisi si ottiene la formula minima, che può essere comune a più composti. Per esempio, sono isomeri di composizione, tra quelli indicati nella figura 17.1, (a, b, c) oppure (d, e, f, g, h, i, l, m).

E' evidente che occorre perciò conoscere almeno il peso molecolare, per sapere qualcosa di più sulla molecola.

COSTITUZIONE: indica come sono legati gli atomi; e, f, g, per esempio, hanno stessa formula molecolare (stesso peso molecolare, oltre che stessa formula minima), ma hanno gli atomi legati in modo diverso; perciò hanno diverse proprietà chimiche e fisiche; sono detti isomeri di costituzione.

CONFIGURAZIONE: indica la reciproca posizione degli atomi nello spazio.

Per esempio sono isomeri di configurazione il cis e il trans-dicloroetilene e il cis e il trans-diammino dicloro platino (II); (il simbolo II per Pt sta ad indicare lo stato di ossidazione 2).

Un altro tipo di isomeria configurazionale è quella degli zuccheri.

Nella figura seguente viene data una rappresentazione convenzionale (nel senso che è accettata per convenzione internazionale) planare di molecole di zuccheri diversi

L'isomeria di configurazione vista per gli zuccheri è dovuta al fatto che i 4 C centrali sono asimmetrici poiché i 4 sostituenti di ogni carbonio sono diversi.

Van't Hoff, olandese, fu uno dei chimici più geniali e si può considerare un po' il padre della stereochimica

L'ipotesi della struttura tetraedrica del carbonio fu posta contemporaneamente anche da J.Le Bell (1847-1930), ma fu merito di van't Hoff di diffonderla nella comunità dei chimici europei.

Egli infatti costruì dei modellini in cartone per dimostrare le sue asserzioni e li inviò a una ventina dei più famosi chimici (allegando anche una piccola guida per costruirli usando forbici e colla).

La sua ipotesi fu accolta con entusiasmo da alcuni di essi, mentre altri (come spesso succede nella storia della scienza) vi si opposero tenacemente. Ma la sua teoria si affermò presto.

Questa isomeria si chiama, se dovuta ad atomi asimmetrici, isomeria ottica e gli isomeri sono detti isomeri ottici o enantiòmeri (dal greco enantios = contrario, opposto).

Alcuni di questi possono essere attivi otticamente: sono in grado di ruotare il piano di polarizzazione della luce di angoli positivi o negativi e ciò è indicato dai simboli (+) e (-); l'effetto ottico è dovuto ai contributi dei singoli atomi di C asimmetrico, perciò può capitare che gli effetti dei C della molecola si compensino a vicenda (si parla di isomeri ottici con compensazione interna); in tal caso, nonostante la presenza di C asimmetrici, non si avrebbe nessun effetto di polarizzazione della luce. Lo stesso accade se sono presenti in eguale percentuale (50%) i due isomeri ottici opposti; in questo caso si parla di miscele racéme.

CONFORMAZIONE: indica come sono posizionati gli atomi rispetto al resto della molecola.

Prendiamo per esempio, la molecola 1,2-dicloro etano, di formula molecolare Cl H₂C-CH₂ Cl.

Se la guardiamo lungo l'asse del legame carbonio-carbonio, la molecola può assumere varie posizioni, ruotando un C rispetto all'altro attorno a quest'asse.

Le varie situazioni ottenibili sono detti confòrmeri.

Di solito non è possibile separare questi confòrmeri poiché, essendo piccola la ΔE, la molecola è in continua rotazione molto veloce (circa 10⁶ ÷ 10⁷ volte/secondo); solo se i gruppi sostituenti sono molto ingombranti la rotazione sarà più difficile o, addirittura, impedita (come nel caso che invece di Cl ci sia Br o I).

Abbiamo visto, così, che per individuare una molecola (e le sue carattristiche chimico-fisiche), non basta conoscere la formula minima, nemmeno la molecolare, talvolta.

Abbiamo anche avuto una pallida idea della stereochimica, una branca importantissima della chimica.

In questo settore esiste, per esempio, l'analisi conformazionale, cioè l'analisi delle proprietà fisiche e chimiche della molecola in base alla geometria delle diverse conformazioni in cui essa può esistere; le interazioni considerate sono quelle tra atomi non direttamente legati tra loro (mentre le configurazioni esistono a causa dei legami di valenza).

Si può dire che essa sia nata circa nel 1890, quando H.Sachse ipotizzò l'esistenza, per il cicloesano di due diverse conformazioni, 'a sedia' e 'a vasca'. Il passaggio da una conformazione all'altra è possibile con relativamente piccole variazioni di energia.

Altre caratteristiche, legate però alla struttura dei solidi (si considera cioè un livello macroscopico, nel quale sono coinvolte molte molecole) sono il polimorfismo, fenomeno per cui un composto può cristallizzare, in condizioni diverse, sotto due o più forme diverse.

Per esempio, ZnS può avere la struttura della blenda o della wurtzite; anche C può presentarsi con la struttura del diamante o con quella della grafite. In particolare, poiché in quest'ultimo caso si tratta di una sostanza elementare, si parla di allotropìa. Altri casi di allotropia sono presentati, per esempio, da P e da As.