1 Gruppi funzionali Acidi e Basi

Per la nomenclatura degli alcani ramificati, si usa un sistema di denominazione internazionale chiamato IUPAC,

che prevede regole che possono essere così riassunte:

trovare la più lunga catena di atomi di carbonio. Il composto assume il nome del corrispondente idrocarburo.

numerare la catena idrocarbonica partendo dall'estremità più vicina ai sostituenti; in altre parole bisogna

numerare la catena in modo tale da assegnare ai sostituenti alchilici i numeri più bassi possibile.

identificare i sostituenti della catena principale che vengono nominati come gruppi alchilici.

Se lo stesso sostituente compare più di una volta, si aggiungono i prefissi di-, tri-, tetra-, ...

elencare i nomi dei sostituenti in ordine alfabetico prima del nome della catena principale. I prefissi abbreviati

(t-, sec-) e i prefissi che indicano il nome di ciascun gruppo (di-, tri-, tetra-) non vengono presi in considerazione

per quel che riguarda l'ordine alfabetico dei gruppi sostituenti. I prefissi non abbreviati come iso e neo e ciclo

sono invece considerati nell'ordine alfabetico.

Nomenclatura comune

Nella nomenclatura comune, il prefisso iso- indica che la catena principale (ramificata) termina con un gruppo

(CH3)2-CH- . Il prefisso neo- invece indica che l’idrocarburo termina con un gruppo –C(CH3)3.

.

Il sistema comune si rende però inefficace con l’aumentare della complessità delle molecole, e sarà necessario

passare alla nomenclatura sistematica.

Classificazione atomi di carbonio

Un atomo di carbonio è classificato come 1^,2^,3^,4^ a seconda del numero di atomi di carbonio a cui è legato.

Ad esempio, il 2 metilpropano di cui sopra contiene tre carboni primari e un carbonio terziario.

Cicloalcani

In Natura troviamo alcani con anelli formati da 3 fino a 30 atomi di carbonio. Gli anelli a 5 atomi e a 6 atomi

(ciclopentani e cicloesani) sono particolarmente stabili e quindi abbondanti in natura. È utile schematizzare le

molecole utilizzando poligoni regolari come strutture di scheletro

.

Conformazioni di alcani e cicloalcani

La Tensione è una misura dell’energia immagazzinata di un composto dopo una distorsione della struttura. Le

molecole sono strutture fisiche, cioè aventi ognuna una conformazione ottimale. Se questa conformazione

viene alterata, si ha una tensione nel sistema. Si ha quindi una instabilità strutturale associata ad un elevata

energia interna.

Tensione negli alcani

Gli alcani con più di due atomi di carbonio possono assumere diverse conformazioni per rotazione intorno

all’asse di legame. Ad esempio l’etano può avere configurazione eclissata e configurazione sfalsata.

- .

La configurazione sfalsata rappresenta un minimo di energia per il sistema. Una configurazione eclissata invece

porta a una maggiore tensione di esso.

La configurazione eclissata ha una tensione maggiore perché si ha maggiore interazione tra i sostituenti dei due

carboni. In una configurazione sfalsata essi si tengono invece alla maggior distanza possibile, riducendo

l’interazione, e quindi la repulsione, tra le nuvole elettroniche dei sostituenti. Per l’etano, possono chiaramente

esistere un numero infinito di conformazioni diverse (basta la rotazione di un secondo d’arco). La molecola

tenderà ad assumere quelle che offrono il minor livello energetico (cioè quelle sfalsate) ma, siccome la

differenza di energia non è così alta, le collisioni che le molecole di etano subiscono a temperatura ambiente

sono sufficiente a superare l’energia di attivazione, così che si possa avere interconversione tra le due forme.

Queta tensione è detta tensione torsionale.

.

Esaminiamo le conformazioni del butano facendo riferimento al legame tra C2 e C3. Esistono due tipi di

conformazione sfalsata e due tipi di conformazione eclissata. La conformazione sfalsata in cui i due gruppi CH3

sono alla massima distanza è detta conformazione anti ( angolo 180°) . Quella in cui si trovano più vicini è detta

conformazione gauche (angoli di 60°). In una conformazione eclissata con angolo nullo un metile è eclissato da

un altro metile. In una conformazione eclissata con angolo di 120’ il metile è eclissato da un idrogeno.

Queste differenze di livelli energetici sono dovute non solo alla tensione torsionale ma anche ma anche alla

tensione angolare e alla tensione sterica. La tensione angolare si ha quando tra gli atomi sono presenti angoli di

legame troppo maggiori/minori dei valori ottimali. Ad esempio il cicloproprano (ciclobutano) presenta angoli di

60’ (90’), ben lontani dal valore ottimale di 109.5’ del carbonio tetraedrico. La tensione sterica si ha invece

quando atomi non legati direttamente tra di loro, separati da 4 o più legami, sono costretti a stare troppo vicini,

cioè a occupare quasi lo stesso spazio. La conformazione anti, cioè quella a minore energia, è quella che assume

la maggior parte della popolazione delle molecole (circa il 70% a 20°), alcune assumono conformazione gauche

e pochissime conformazione eclissata.

Tensione nei cicloalcani.

La tensione d’anello per cicli piccoli si ha quando gli angoli di legame interni non possono raggiungere il valore

ottimale di 109.5’. I cicloalcani con più di 4 atomi di carbonio possono dare luogo ad alcuni tipi di rotazione per

modificare gli angoli di legame, senza però esagerare, onde evitare di rompere l’anello.

Ciclopropano

In questa molecola, oltre ad osservare una notevole tensione di anello, possiamo notare come il fatto che la

molecola sia planare porta ad un eccessivo eclissamento degli idrogeni (infatti sono tutti e 6 eclissati) ciò porta

ad una notevole energia della molecola (116 kj/mol) che da luogo a molte reazioni di apertura di anello.

Ciclobutano

Nel ciclobutano sono favorite conformazioni non planari o ripiegate. Se infatti esso fosse planare come il

ciclopropano, si avrebbero 4 coppie (8 idrogeni) completamente eclissate, il che aumenterebbe di molto

l’energia potenziale della molecola. Si ha così che il ciclobutano tende a piegare leggermente il piano della

molecola, portando due atomi di C sopra il livello degli altri. Ciò diminuisce la tensione di eclissamento ma

aumenta la tensione angolare (il valore degli angoli si modifica infatti da 90’ a 88’, diminuendo ancora di più).

L’energia di tensione del ciclobutano è così di 110 kj/mol. .

Ciclopentano

Se il c.pentano adottasse configurazione planare, tutti gli angoli di legame sarebbero di 108.5’. Ciò sarebbe

molto comodo perché efficacemente simile all’angolo di legame tetraedrico, ma se così fosse avremmo ben 10

atomi di idrogeno tra loro eclissati. Per diminuire questa tensione torsonale, il ciclopentano si piega “a busta”,

con 4 atomi di C che giacciono sullo stesso piano e uno rialzato. Ciò si traduce quindi in un compromesso

energetico perché gli angoli di legame si abbassano al valore di 105’, mentre diminuisce la tensione di

eclissamento, e l’energia di tensione della molecola si adatta sui 27 kj.

Cicloesano

Assume una serie di conformazioni ripiegate, tra le quali la più stabile è la conformazione a sedia. Tutti gli

angoli di legame sono così di 110.9’, e tutti gli idrogeni adiacenti sono sfalsati l’uno rispetto all’altro. Non si ha

nemmeno tensione da interazione di non legame. I legami C-H in questa configurazione a sedia sono orientati in

maniera differente. Esistono 6 legami assiali e 6 legami equatoriali.

Un’altra configurazione non planare del cicloesano si ha quando i due atomi di carbonio sfalsati rispetto al

piano si trovano dalla stessa parte, e si ottiene una configurazione a barca.

Se un gruppo alchilico sostituisce un idrogeno in una configurazione a sedia, ciò comporta che esso possa avere

differentemente posizione assiale o equatoriale: queste due possibilità corrispondono quindi a molecole

differenti. Un posizionamento assiale del gruppo-CH3 porterebbe ad un particolare tipo di tensione sterica, la

tensione diassiale. Essa si ha tra un sostituente in posizione assiale e tra gli idrogeni in posizione assiale.

A temperatura ambiente, circa il 95% delle molecole di metilcicloesano assumono conformazione equatoriale.

Isomeria cis-trans nei cicloalcani

Vengono definiti stereoisomeri composti che hanno la stessa composizione, la stessa connettività tra gli atomi,

ma diversa orientazione di essi nello spazio. Utilizziamo come esempio la molecola dell’1,2-dimetilciclopentano.

Com’è facile notare, i due gruppi metilici

possono occupare posizioni concordi o alternate

rispetto al piano dell’anello. L’isomero cis non

può essere convertito nell’isomero trans e

viceversa, senza rompere legami interni alla

molecola. Un processo come questo non

avviene a temperatura ambiente. L’isomero cis

possiederà chiaramente un’energia più alta (circa 7.1kj in più) dovuta alla tensione sterica provocata dal

reciproco infastidirsi dei gruppi metilici presenti sui carboni adiacenti. Un altro modo per visualizzare l’anello

del ciclopentano è

Se ci occupiamo dell’1,4-dimetilcicloesano gli isomeri cis trans possibili diventano 2, perché dipendono dalla

posizione assiale o equatoriale dei sostituenti.

Ognuna di queste due configurazioni, possiede

altre due “sottoconfigurazioni” che dipendono

appunto dalla posizione assiale o equatoriale

dei sostituenti. Nell’isomero trans, i sostituenti

avranno lo stesso orientamento rispetto

all’anello, mentre in quella cis orientamento

diverso.

.

Proprietà fisiche di alcani e cicloalcani

La proprietà più importante è la quasi completa assenza di polarità.

Punto di ebollizione, punto di fusione e densità. Il punto di ebollizione degli alcani è molto basso, proprio

perché le loro attrazioni intermolecolari dipendono solamente dalle forze di dispersione. Si osserva che quindi,

all’aumentare della massa molecolare, aumenta anche il punto di ebollizione. L’andamento del comportamento

del punto di fusione non è però così regolare; spesso dipende anche dall’impaccamento e dall’ordinamento che

hanno le molecole allo stato solido, e non solo dalla loro dimensione.

Diverse proprietà fisiche degli isomeri strutturali. Gli alcani che sono tra di loro isomeri strutturali sono

molecole differenti con proprietà differenti. Gli alcani con formula molecolare C6H14 hanno proprietà

differenti. Tra questi, l’unico lineare, l’esano, ha punto di ebollizione più alto delle catene ramificate perché le

forze di dispersione tra queste molecole sono più efficaci. All’aumentare del grado di ramificazione, diminuisce

la densit&agra