Gli alcheni data la loro particolare struttura sono sede di un particolare tipo di isomeria chiamata ISOMERIA E-Z. In questo articolo tratteremo in dettaglio tale isomeria.
GLI ALCHENI
Facciamo prima di tutto una piccola introduzione per andare a capire il perché nasce l’isomeria E-Z.
Con la parola alcheni intendiamo tutti quei composti che presentano almeno un doppio legame tra 2 atomi di Carbonio, abbiamo quindi una situazione del genere: C=C. La formazione di questo legame assicura che gli atomi di C interessati abbiano un’ibridazione sp2, portandosi dietro quindi tutte le implicazioni di questa ibridazione: impossibilità di rotazione lungo il doppio legame, una geometria planare e angoli di legame di 120°.
Ogni atomo di C coinvolto nel doppio legame può legare 2 sostituenti visto che ha ancora 2 elettroni liberi per formare un legame, stessa cosa può farla anche l’altro atomo di C. Una volta che i sostituenti vengono legati non è più possibile staccarli e riattaccarli in posizioni diverse, per farlo sarebbe necessaria una rottura di 2 legami C-Sost visto che la rotazione lungo il doppio legame è impedita.
La rottura di un legame C-Sost generalmente non avviene con molta facilità ed è quindi possibile introdurre una tipologia di isomeria basata quindi sul doppio legame.
Per capire meglio di cosa stiamo parlando analizziamo le seguenti molecole che hanno formula ClHC=CCH3F.
Le molecole appena viste hanno la stessa formula e a prima vista potrebbero anche sembrare identiche visto che entrambe presentano un doppio legame. Se guardiamo i sostituenti vediamo che a destra abbiamo un -F e un -CH3 rispettivamente in alto e in basso in entrambe le molecole, gli altri sostituenti sono -H e -Cl che si scambiano di posto tra le 2 molecole.
In definitiva l’unica differenza che notiamo tra queste 2 molecole è data appunto dalla diversa disposizione di -H e -Cl. Siccome la rotazione lungo il doppio legame non è consentita non è possibile la trasformazione spontanea di un isomero in un altro e quindi se lego il -Cl in alto questo resterà in alto.
Siccome le 2 molecole non sono identiche ma hanno questa piccola differenza allora io posso separare queste molecole e ottenere così 2 composti diversi, uno con il -Cl in alto e uno con il -Cl in basso. Questa piccola differenza tra le 2 molecole potrebbe a prima vista sembrare irrilevante ma vi assicuro che stiamo parlando di composti che hanno reattività, punti di fusione ed ebollizione diversi tra loro, quindi è utile saper distinguere di quale molecola stiamo parlando.
Le 2 molecole presentano un’isomeria che viene chiamata isomeria configurazionale, simile quindi al concetto di chiralità.
E-Z
Convinti quindi che le 2 molecole viste sopra siano isomeri e che quindi ci serve un modo per distinguerle, cerchiamo di trovare allora una soluzione per poterlo fare.
Come prima cosa possiamo partire con il dare il nome IUPAC a queste molecole e vedere se c’è qualche differenza nel nome che ci possa aiutare a distinguere. In realtà queste 2 molecole hanno lo stesso nome IUPAC, cioè 1-cloro-2-fluoropropene. Visto che il nome è lo stesso ma le molecole sono diverse tra di loro è necessario introdurre un parametro nuovo per distinguerle.
Gli scienziati hanno scelto di attribuire ad un isomero la lettera Z e all’altro isomero la lettera E in base a dei criteri che vedremo tra poco. In questo modo mettendo la lettera Z oppure E è possibile capire di quale isomero stiamo parlando.
Le lettere E e Z sono state scelte a caso oppure hanno un significato? La E sta per la parola tedesca entgegen che significa opposto mentre Z sta per zusammen che significa insieme, capiremo il perché di questa scelta.
Per le molecole di prima il nome completo e corretto è quindi:
Capiremo in seguito come assegnare Z oppure E ad una molecola.
È logico chiedersi se tutti gli alcheni presentino isomeria E-Z oppure ci devono essere delle condizioni particolari. Diciamo subito che non tutti gli alcheni presentano tale isomeria, sono richieste particolari caratteristiche. Per esempio possiamo subito vedere che la molecola di etene non può presentare tale isomeria visto che ha tutti e 4 i sostituenti identici.
Stessa cosa è possibile osservare anche per le molecole che hanno 3 sostituenti identici e uno diverso. In qualsiasi modo io metta il sostituente diverso dagli altri 3, in questo caso il -Cl, otterrò sempre la stessa identica molecola.
Avere 4 sostituenti identici oppure averne 3 identici e uno diverso non mi porta ad ottenere l’isomeria E-Z.
La situazione cambia quando però ho 2 sostituenti di un certo tipo e 2 di un altro, come per esempio nelle seguenti molecole:
In questo caso riesco a distinguere 2 isomeri anche se ho solo 2 tipologie di sostituenti.
Ovviamente in questo caso le molecole saranno identiche, mi basta ruotarne una di 180° per ottenere l’altra:
Cosa succede se ho 3 sostituenti diversi? In questo caso posso avere 2 diversi tipi di molecole, quelle dove i sostituenti simili sono legati allo stesso atomo di C, oppure i 2 sostituenti sono legati ai 2 C del doppio legame.
Nel caso della molecola in figura non è possibile attribuire un’isomeria perché è del tutto uguale se -F o -CH3 sono legati come in figura oppure sono invertiti.
Le cose cambiano per quanto riguarda le molecole con i due sostituenti uguali sui 2 C del doppio legame, stiamo parlando degli atomi di H.
In questo caso un effetto di isomeria lo si ottiene e si parla di isomeria cis e trans. In pratica quando i 2 sostituenti identici puntano entrambi nella stessa direzione si parla di isomero cis, mentre quando puntano da parte opposte si parla di isomero trans. Nella molecola a sinistra i 2 H puntano tutte e due in alto e diciamo quindi che sono in cis. Nella molecola di destra abbiamo un H che punta in alto e uno che punta in basso, diciamo quindi che sono in trans.
L’unica classe di alcheni che ci permette di avere isomeria E-Z sono quindi quegli alcheni che hanno 4 sostituenti diversi tra loro, come appunto nella prima molecola vista in questo articolo.
In realtà solo le molecole che hanno 4 sostituenti diversi hanno la necessità di applicare l’isomeria E-Z, ciò non toglie che queste regole possono essere applicate anche agli alcheni con 2 o 3 sostituenti diversi. Alcheni con 2 o 3 sostituenti diversi possono essere descritte in maniera molto semplice usando la notazione cis o trans che offre un modo più rapido e immediato per capire di quale isomero stiamo parlando. Ciò non toglie che a volte potrà capitare di vedere E o Z davanti ad alcheni che non presentano 4 sostituenti diversi.
LE REGOLE DI PRIORITÀ
Chiarito quindi il fatto che solo per gli alcheni che presentano 4 sostituenti diversi vale la pena di considerare l’isomeria E-Z, cerchiamo di capire come attribuire questa sigla ad una molecola. Ovviamente le lettere non sono attribuite a caso ma bisogna seguire una serie di regole per far sì che tutti i lettori possano capire a quale molecola ci stiamo riferendo. Queste regole sono accettate dalla IUPAC e prendono il nome di regole di Cahn-Ingold-Prelog o abbreviato come CIP. (Questi sono i nomi dei 3 scienziati che hanno proposto tali regole.)
Sostanzialmente queste regole si basano sull’attribuire un ordine di priorità ai vari sostituenti e vedere se i sostituenti prioritari sono dalla stessa parte oppure da parti opposte.
Vediamo di seguito quali sono i passaggi da seguire per attribuire correttamente E o Z ad un alchene.
1°
La prima regola consiste nel prendere l’alchene e di tracciare una linea che divida a metà il doppio legame, a destra un C e a sinistra l’altro C.
Ora possiamo considerare un atomo di C alla volta.
2°
Una volta scelto il Carbonio da cui partire, nel nostro caso partiremo da quello di sinistra, bisogna assegnare la priorità maggiore a uno dei 2 sostituenti.
Per l’attribuzione della priorità bisogna seguire le regole CIP che in sostanza si basano sul numero atomico degli atomi.
- Il sostituente direttamente legato al C del doppio legame con il numero atomico più alto ha la priorità maggiore.
- In caso di parità per gli atomi direttamente legati al C del doppio legame si passa agli atomi legati successivamente, si continua così finché non si incontra la prima differenza. Trovata la differenza tra i sostituenti avrà priorità maggiore il sostituente che contiene l’atomo con il numero atomico più grande.
- Nel caso in un sostituente compaiano doppi o tripli legami questi vengono considerati come altrettanti legami singoli.
Niente paura, faremo degli esempi dove tratteremo queste regole.
Nel caso della porzione di molecola vista prima abbiamo un atomo di H e uno di Cl attaccati direttamente al C del doppio legame, ovviamente Cl ha la priorità maggiore visto che ha un numero atomico di 17 contro un numero atomico di 1 per H. Segnarsi, magari con un asterisco o con un +, qual è il gruppo prioritario così da non dimenticarselo, per gruppi piccoli come quelli appena visti è facile ma se trattiamo gruppi più grossi non è scontato ricordarselo.
3°
Individuare qual è il gruppo prioritario anche sull’altro atomo di C del doppio legame.
Anche in questo caso è facile individuare il gruppo prioritario, direttamente legato al C, abbiamo un atomo di F e un altro atomo di C, tra questi 2 gruppi quello con il numero atomico maggiore è F.
4°
Una volta individuati i 2 gruppi prioritari vedere se stanno dalla stessa parte oppure da parti opposte.
Siccome i 2 gruppi a maggior priorità sono dalla stessa parte attribuiamo la lettera Z a tale isomero. L’altro isomero ovviamente sarà indicato con E.
Ovviamente quanto visto e detto è valido per ogni doppio legame, se una molecola presenta più di un doppio legame che può dare isomeria E\Z è necessario determinare l’isomeria di tutti i doppi legami.
UN ALTRO ESEMPIO
Assegniamo ora E\Z alla seguente molecola che contiene sostituenti molto più complessi rispetto all’esempio precedente.
Come prima cosa dividiamo la molecola in 2 parti e cominciamo a trattare la parte di sinistra.
Per determinare il gruppo prioritario vediamo chi ha il numero atomico più grande tra i sostituenti direttamente legali al C del doppio legame. In questo caso non compare nessuna differenza perchè abbiamo 2 C legati al C alchenico.
Passiamo oltre ed entrambi questi C sono legati a loro volta ad altri atomi di C (quelli in rosso per intenderci), quindi bisogna andare a guardare oltre.
Uno di questi C, quello in basso, porta un triplo legame mentre l’altro porta un doppio legame, ecco trovata la prima differenza. Come facciamo a capire chi ha la priorità visto che si tratta sempre di atomi di C? Nelle regole CIP abbiamo detto che i legami tripli e doppi vanno trattati come altrettanti legami singoli, otteniamo quindi:
Nella figura sono stati distrutti i tripli e doppi legami e sono stati sostituiti con altrettanti legami singoli. Il Carbonio in alto che formava il doppio legame lega ora 2 atomi di C e un atomo di H mentre il C che formava il triplo legame lega 3 atomi di C. Appare chiaro che a vincere è il C del triplo legame perchè presenta un C e non un H, come il Carbonio in alto.
Attribuiamo quindi la priorità maggiore al sostituente che si trova in basso.
Passiamo anche all’altro pezzo di molecola.
Anche in questo caso abbiamo 2 atomi di C legati direttamente al C del doppio legame, passiamo oltre e incontriamo ancora altri 2 atomi di C, cioè quelli evidenziati in rosso. Una volta arrivati agli atomi di C in rosso se passiamo oltre troviamo la prima differenza, il C in alto lega un atomo di Br mentre il C in basso è come se legasse 3 atomi di O: 2 atomi di O tramite il doppio legame e un altro O presente come -OH.
Siccome il numero atomico del Br è maggiore di quello di O assegniamo la priorità maggiore al sostituente che si trova in alto.
Una volta assegnate le priorità ci troviamo in questa situazione.
I 2 gruppi prioritari si trovano da parti opposte quindi a questo doppio legame possiamo assegnare la lettera E.
