Chimica Organica

Chimica organica: alcani

Gli idrocarburi sono composti che contengono solamente atomi di carbonio e di idrogeno. Gli alcani sono idrocarburi composti da atomi di carbonio ibridizzati sp³, contenenti solo legami singoli. Sono le molecole più semplici della chimica organica, la loro formula generale è C_nH_2n+2.

Il nome che viene assegnato all’alcano dipende dalla lunghezza della sua catena: un prefisso che indica il numero di atomi di C, seguito dal suffisso “ano”.

Nomenclatura degli alcani

Interazioni non covalenti e proprietà

Le interazioni non covalenti degli alcani, come negli altri composti organici, ne influenzano le proprietà fisiche e chimiche, quali il punto di fusione, il punto di ebollizione, la solubilità e la miscibilità.

Punto di ebollizione

Il punto di ebollizione è la temperatura alla quale la forma liquida diventa gas. Affinché un composto vaporizzi, devono essere vinte le forze che tengono le molecole vicine tra loro. Il punto di ebollizione di un composto dipende dall’entità delle forze attrattive tra le molecole: se le molecole sono tenute intense, ci vuole molta energia per separarle e quindi il punto di ebollizione sarà alto; al contrario, se le forze sono deboli, ci vorrà poca energia ed il punto di ebollizione sarà basso.

Gli alcani contengono solamente C ed H, le cui elettronegatività sono simili: per questo motivo i legami degli alcani sono apolari e non ci sono cariche parziali significative su alcun atomo. Gli elettroni nelle molecole di alcani sono in continuo movimento, creando dei dipoli temporanei che interagiscono tra di loro: questi legami che tengono unite le molecole degli alcani sono detti dipolo indotto-dipolo indotto o forze di dispersione di London. Le interazioni di London sono le più deboli, per questo motivo la loro intensità, che andrà ad influenzare il punto di ebollizione, dipende solamente dall’area di contatto tra le molecole: più gruppi metilici saranno presenti, maggiore sarà l’area di contatto e di conseguenza l’interazione.

Punto di fusione

Il punto di fusione è la temperatura alla quale la forma solida diventa liquida. I punti di fusione degli alcani aumentano all’aumentare del peso molecolare. È meno regolare del punto di ebollizione, in quanto è influenzato anche dall’impacchettamento nel reticolo cristallino (disposizione, vicinanza e compattezza delle molecole). Più le molecole si adattano l’una all’altra, maggiore è l’energia necessaria per rompere il reticolo e fondere il composto. È differente l’energia necessaria tra gli atomi a numero pari e quelli a numero dispari di carboni: gli alcani a numero dispari di atomi di carbonio hanno un impacchettamento meno efficace rispetto a quelli a numero pari.

Solubilità

Gli alcani sono apolari, per cui sono solubili in solventi apolari ed insolubili in solventi polari come l’acqua. La densità degli alcani aumenta all’aumentare del peso molecolare. Una miscela di un alcano ed acqua si separa in due fasi distinte, con l’alcano che galleggia sull’acqua.

Isomeria

Gli isomeri sono composti con la stessa formula molecolare, ma strutture diverse. Gli isomeri si possono dividere in due categorie: isomeri costituzionali e stereoisomeri. Gli isomeri hanno diverse proprietà chimiche, fisiche e biologiche.

Esempio: C₄H₁₀

Gruppi alchilici

Rimuovendo un idrogeno da un alcano si ottiene un gruppo alchilico o sostituente alchilico. Il nome dei sostituenti si ottiene sostituendo il suffisso “ano” dell’alcano corrispondente con il suffisso “ile”. Per indicare un generico gruppo alchilico si utilizza la lettera “R”.

Tipi di atomi di carbonio

• Un carbonio primario (1°) è un carbonio legato ad un solo sostituente alchilico ed a tre H.
• Un carbonio secondario (2°) è legato a due sostituenti e due H.
• Un carbonio terziario (3°) è legato a tre sostituenti e un H.
• Un carbonio quaternario (4°) è legato a quattro sostituenti.

Nomenclatura degli alcani

Per assegnare la nomenclatura agli alcani si seguono le regole IUPAC:

1. Si individua la catena più lunga: nome radice.
2. Si numerano gli atomi in modo da assegnare i numeri più bassi possibili per i sostituenti.
3. Si assegna il nome indicando i sostituenti in ordine alfabetico preceduti dal numero dell’atomo di carbonio che porta quel sostituente.

In caso di equivalenza: si sceglie la numerazione che assegna il numero più basso ai sostituenti che vengono prima in ordine alfabetico.

Conformazioni

Attorno ad un legame semplice C—C si può avere una rotazione senza che si abbia nessun cambiamento nell’entità della sovrapposizione degli orbitali. Le differenti disposizioni nello spazio degli atomi sono dette conformeri.

I conformeri possono essere: sfalsato o eclissato, che sono i due estremi. Il conformero sfalsato è più stabile, quindi con energia più bassa rispetto al conformero eclissato. Nella molecola di butano sono presenti due diversi tipi di conformeri sfalsati: anti e gauche. Il conformero anti è più stabile del conformero gauche, il quale ha maggiore energia.

I due conformeri hanno energie diverse a causa della tensione sterica. La tensione sterica è la tensione che una molecola assume quando due atomi o due gruppi atomici vengono a trovarsi così vicini tra loro che le loro nuvole elettroniche cominciano a respingersi.

Cicloalcani

I cicloalcani sono alcani i cui atomi di carbonio sono disposti ad anello.

Nomenclatura

Il nome di un cicloalcano deriva dal nome dell’alcano corrispondente, preceduto dal prefisso ciclo. Quando i cicloalcani sono sostituiti: si numerano gli atomi di carbonio dell’anello e si individuano i sostituenti che sono presenti. Si sceglie la numerazione in modo da usare i numeri più bassi possibili e, a parità di numeri, in modo da dare al numero più basso al sostituente che viene prima in ordine alfabetico.

Se è presente una catena con più atomi di carbonio del ciclo, la catena diventa principale ed il ciclo si considera come un sostituente (ciclopropil, ciclobutil, ecc).

Isomeria nei cicloalcani

Nei cicloalcani la rotazione intorno ad un legame C—C non è permessa, a differenza degli alcani, in quanto questo comporterebbe la rottura di un legame tra due carboni del cicloalcano. Nei cicloalcani sostituiti è presente l’isomeria cis-trans, che differenzia i cicloalcani sostituiti in base alla disposizione dei gruppi sostituenti nello spazio; i due isomeri cis e trans dello stesso cicloalcano vengono detti stereoisomeri.

Tensione d’anello

Sappiamo che idealmente un carbonio ibridizzato sp³ forma tre legami i cui angoli sono di 109,5°. Nei cicloalcani, soprat... (testo troncato)