Lezione 3 Chimica organica - Alcani

Lezione 3 – Idrocarburi

Descrizione generale

Idrocarburi sono composti contenenti solo carbonio e idrogeno. Questi sono i principali componenti del petrolio e del gas naturale. Possono essere saturi (solo legami semplici) o insaturi in base ai legami.

Alcani

La formula generale degli alcani è C_nH_2n+2.

Nomenclatura

La radice indica il numero di atomi di carbonio che compone la molecola.

Il suffisso -ano indica che si tratta di un idrocarburo saturo.

Strutture ramificate

Composto da una base (radice) che indica la catena più lunga di atomi di carbonio e da un'indicazione dei gruppi sostituenti legati alla catena base. A ciascun sostituente compete un numero e un nome. Il numero indica l’atomo di carbonio della catena base alla quale il sostituente è attaccato (Es. 2-metilpropano). La catena viene numerata in modo che il sostituente più vicino a un’estremità prenda il numero più piccolo.

• Se abbiamo 2 sostituenti uguali, si utilizzano i prefissi -di, -tri, -tetra, ecc. (non sono considerati nell’ordine alfabetico). I numeri sono separati tra loro da virgole e con trattini dalle lettere (Es. 2,5-dimetileptano).
• Se abbiamo 2 sostituenti diversi, si utilizza l’ordine alfabetico (Es. 3-etil-5-metilottano).

Nomi comuni dei sostituenti

• Normalpropile: CH₃–CH₂–CH₂–R
• Isopropile: (CH₃)₂–C–R
• Normalbutile: CH₃–CH₂–CH₂–CH₂–R
• Sec-butile: CH₃–CHR–CH₂–CH₃
• Isobutile: (CH₃)₂–CH₂–CH₂–R
• Terz-butile: (CH₃)₃–C–R
• Normalpentile: CH₃–CH₂–CH₂–CH₂–CH₂–R
• Isopentile: (CH₃)₂–CH₂–CH₂–CH₂–R
• Neopentile: (CH₃)₂–C–CH₂–R

Sec e terz non si considerano nell’ordine alfabetico; iso e neo vengono considerati nell’ordine alfabetico. In presenza di 2 o più catene principali della stessa lunghezza, si sceglie quella col numero maggiore di sostituenti (Es. 2-cloro-3-etil-2,5-dimetilesano non 4-(1-cloro-1-metiletil)-2-metilesano).

Classificazione degli atomi di carbonio

• Carboni primari: carbonio con 3 idrogeni e legato a 1 solo altro carbonio (idrogeni primari).
• Carbonio secondario: legato ad altri 2 carboni all’interno della molecola di cui 1 è un carbonio primario (idrogeni secondari).
• Carbonio terziario: legato ad almeno altri 3 carboni all’interno della molecola di cui 1 è un carbonio secondario (idrogeni terziari).
• Carbonio quaternario: legato a 4 atomi di carbonio all’interno della molecola. (Idrogeni quaternari non esistono.)

Alcani ciclici

I cicloalcani hanno la formula C_nH_2n e sono idrocarburi contenenti solo atomi di carbonio saturi uniti a formare un anello.

Nomenclatura

1. Prima del nome corrispondente si usa il prefisso ciclo.
2. Si indica l’eventuale presenza di un sostituente.
3. Se sono presenti 2 sostituenti, si numera l’anello partendo dal sostituente di ordine alfabetico più basso.
4. Se sono presenti 3 o più sostituenti, si numera l’anello in modo da usare l’insieme di numeri più basso.

Conformazione degli alcani

Etano

Attorno al legame semplice C—C la rotazione è libera, questo rende possibile un numero infinito di strutture dette conformazioni. La conformazione è la disposizione tridimensionale degli atomi che deriva dalla libera rotazione intorno al semplice legame C—C. Le due conformazioni più importanti sono:

• Quella eclissata: in cui gli atomi sono sovrapposti.
• Quella sfalzata: si ottiene girando di 60° la struttura eclissata.

L’angolo diedro è l’angolo disegnato tra un legame C—H che si diparte dal carbonio più vicino e un legame C—H che si diparte dal carbonio più lontano. La proiezione di Newman rende molto semplice la visione dell’angolo diedro.

Valutazione energetica

Tensione torsionale: tensione (o differenza energetica) causata dall’eclissamento dei legami su atomi adiacenti. Quando ho una conformazione eclissata, ho un'energia potenziale maggiore perché la tensione torsionale è maggiore; infatti, questa conformazione è caratterizzata da un massimo di energia mentre la conformazione sfalzata è caratterizzata da un minimo di energia.

La conformazione sfalzata è quindi più stabile per l’etano ed è favorita dal punto di vista termodinamico. L’energia potenziale dell’etano ha un andamento sinusoidale con dei punti di massimo (conformazione eclissata) e dei punti di minimo (conformazione sfalzata).

Butano

Per il butano la rotazione avviene tra il C₃ e il C₂. Le conformazioni sfalzate hanno il minimo di energia e sono quelle più stabili, ma non tutte le conformazioni sfalzate del butano sono uguali:

• Conformazione anti: è la più stabile e corrisponde alla conformazione con un angolo diedro di 180°. Questa conformazione corrisponde a un minimo assoluto.
• Conformazione gauche: ne sono presenti solo due, una a un angolo diedro di 60° e una a -60°. Queste conformazioni sono meno stabili rispetto alla conformazione anti perché i metili sono più vicini, quindi si ha una tensione sterica maggiore (interazione dovuta all’interazione degli idrogeni dei metili). Questa conformazione corrisponde a un minimo relativo.

Le conformazioni eclissate hanno il massimo di energia.