Isomeria dos compostos orgânicos

Ocorrência do fenômeno e exceções

Na química inorgânica o fenômeno da isomerismo é abordado pelos pesquisadores com bastante raridade. Principalmente, é possível deparar-se com ele ao estudar compostos complexos. No entanto, na química orgânica a isomeria tem um caráter verdadeiramente massivo, sendo uma das causas fundamentais da enorme diversidade de substâncias orgânicas.

Apesar do caráter abrangente desse fenômeno, existem compostos orgânicos que NÃO possuem isômeros. Estes incluem os representantes mais simples de várias classes:

• Substâncias oxigenadas (compostas por C, H, O): metanol ($CH_3OH$), formaldeído ($CH_2O$), ácido fórmico ($HCOOH$).
• Hidrocarbonetos (os cinco representantes mais simples): metano, etano, propano, etileno e acetileno.

Isomeria de cadeia carbônica

Este tipo de isomeria depende diretamente da ordem de ligação dos átomos de carbono entre si. Quanto mais longa for a cadeia carbônica, mais opções de sua estrutura podem ser obtidas.

A dependência do número de isômeros em relação ao comprimento da cadeia demonstra um crescimento exponencial (em avalanche):

• Estruturas contendo dois ou três átomos de carbono ($C_2$ e $C_3$) não possuem isômeros de cadeia.
• Para a estrutura $C_4$, já são possíveis duas opções de ligação dos átomos (se desconsiderarmos estruturas cíclicas): uma cadeia linear e uma ramificada.
• Com a complexificação do esqueleto para $C_5$, surgem 3 isômeros; para $C_6$, 5 isômeros.
• Uma estrutura contendo 13 átomos de carbono ($C_{13}$) já forma mais de 1000 isômeros diferentes.

Limite teórico e a escala do Universo Para demonstrar a velocidade incrível de crescimento do número de isômeros nas séries homólogas, os químicos apresentam um cálculo impressionante. O número total de núcleons (prótons e nêutrons) em nosso Universo é estimado em uma constante de aproximadamente $10^{80}$. Se considerarmos o hidrocarboneto saturado (alcano) com a fórmula $C_{167}H_{336}$ (este é um composto de baixo peso molecular com massa molecular de 2344, sendo um homólogo distante do metano), verificaremos que a quantidade de seus isômeros teoricamente possíveis excede o número de núcleons no Universo. Assim, a matéria de todo o Universo simplesmente não seria suficiente para formar sequer uma molécula de cada um dos isômeros existentes desse alcano.

Isomeria de posição

Este tipo de isomeria surge quando grupos funcionais ou ligações múltiplas entre átomos de carbono ocupam posições diferentes em um mesmo esqueleto carbônico.

Características e exemplos:

1. Posição do substituinte. Na estrutura carbônica mais simples de três átomos ($C_3$), qualquer substituinte pode ocupar a posição terminal ou central. Como resultado, formam-se exatamente dois isômeros.
2. Cadeias ramificadas. Em estruturas complexas (por exemplo, em uma molécula com seis átomos de carbono e um grupo hidroxila —OH), a movimentação do grupo funcional para diferentes átomos de carbono leva à formação de várias moléculas diferentes. Uma regra rigorosa afirma: com a complexificação da composição da molécula, o número de isômeros que diferem apenas pela posição dos grupos funcionais aumenta de forma constante.
3. Posição de ligações múltiplas. Uma ligação dupla ou tripla pode mudar de posição apenas em moléculas a partir da estrutura $C_4$. Nesse caso, a ligação múltipla pode se localizar no átomo de carbono terminal ou no meio da cadeia.

Uma propriedade importante das substâncias formadas por isomeria de posição de grupos funcionais ou de ligações múltiplas é que todas pertencem à mesma classe de compostos orgânicos. As propriedades químicas e físicas desses isômeros, via de regra, não apresentam diferenças radicais.

Isomeria de grupos funcionais

Ao contrário do tipo anterior, a isomeria de grupos funcionais implica que as substâncias, com a mesma composição qualitativa e quantitativa, contêm grupos funcionais completamente diferentes. Isso significa que tais isômeros pertencem a diferentes classes de substâncias químicas, e a diferença em suas propriedades manifesta-se de forma especialmente marcante.

Um exemplo claro é a estrutura com a fórmula molecular $C_2H_4O_2$. Dependendo da disposição dos átomos, ela forma substâncias com diferentes propriedades químicas:

• Ácido carboxílico (ácido acético): ambos os átomos de oxigênio estão ligados a um único átomo de carbono, formando um grupo carboxila unificado ($-\text{COOH}$).
• Hidroxi-aldeído: os átomos de oxigênio estão distribuídos entre diferentes átomos de carbono. Como resultado, aparecem imediatamente dois grupos funcionais diferentes em uma única molécula: o alcoólico ($-\text{OH}$) e o aldeídico ($-\text{CHO}$).

Significado histórico: O fenômeno da isomeria desempenhou um papel fundamental no desenvolvimento da química orgânica, especialmente na era anterior à invenção de métodos físicos diretos de análise da estrutura atômica. O ilustre químico A. M. Butlerov, ao desenvolver sua teoria da estrutura dos compostos orgânicos, utilizou brilhantemente os dados disponíveis sobre o número de isômeros conhecidos para fazer conclusões precisas sobre a estrutura invisível das substâncias.

Resumo: perguntas e respostas sobre o tema

Questões de aulas e exames

O que mais estudar sobre o tema

• Estruturas cíclicas e sua influência na isomeria de cadeia
• Disposição espacial dos átomos
• Teoria da estrutura dos compostos orgânicos de A. M. Butlerov
• Isomeria de compostos de coordenação em química inorgânica

Outros tópicos da seção «Capítulo 14. Fundamentos teóricos da química orgânica»

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