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Romualdo Caputo » 6.Alcani – Parte prima


Idrocarburi

Gli alcani fanno parte di una vasta classe di composti che contengono solo atomi di carbonio e di idrogeno, gli idrocarburi, e sono caratterizzati dalla formula generale CnH2n+2.
Gli alcani hanno soltanto legami σ e sono definiti idrocarburi saturi, il che significa che tutti gli elettroni di valenza del carbonio sono impegnati in legami semplici.
Tutti gli alcani hanno:

  • proprietà chimiche simili
  • proprietà fisiche che variano con il peso molecolare e la forma delle molecole
  • i punti di ebollizione aumentano con regolarità all’aumentare del peso molecolare, infatti i primi quattro alcani sono tutti gassosi a temperatura ambiente
  • di contro, composti con molecole compatte, di forma quasi sferica, si impaccano meglio in un reticolo cristallino e, come conseguenza, presentano punti di fusione più elevati
Schema sinottico degli idrocarburi. Fonte: Seyhan Eğe, La Chimica Organica Essenziale, Idelson-Gnocchi, 2008

Schema sinottico degli idrocarburi. Fonte: Seyhan Eğe, La Chimica Organica Essenziale, Idelson-Gnocchi, 2008


Il metano

Il metano, CH4, è l’idrocarburo più semplice e la sua struttura è stata già illustrata: la molecola è tetraedrica, con quattro legami carbonio-idrogeno equivalenti, e può essere rappresentata come è mostrato in figura.
Ogni atomo di C ha ibridazione sp3 ed è legato ai 4 atomi di H mediante legami σ.

Rappresentazioni del Metano. Fonte: Seyhan Eğe, La Chimica Organica Essenziale, Idelson-Gnocchi, 2008

Rappresentazioni del Metano. Fonte: Seyhan Eğe, La Chimica Organica Essenziale, Idelson-Gnocchi, 2008


Gruppo alchilico

Il metile, (o gruppo metilico), è il gruppo alchilico che deriva dal metano per sostituzione di uno qualsiasi dei quattro atomi di H.
Il nome di un qualsiasi altro gruppo alchilico si ottiene cambiando la desinenza ano del nome dell’alcano da cui esso deriva in ile.

N.B. che nelle formule spesso un gruppo alchilico generico viene indicato con R (che sta per residuo).


L’etano ed il suo R

Nell’etano, C2H6, tutti gli atomi di idrogeno sono equivalenti.
Il distacco di uno qualunque di essi fornisce l’etile, (o gruppo etilico), e la sostituzione di uno qualunque di essi con un altro atomo o gruppo dà luogo ad un solo composto.

Rappresentazione della molecola di etano

Rappresentazione della molecola di etano

Il gruppo etilico nella molecola di cloroetano

Il gruppo etilico nella molecola di cloroetano


Isomeri di struttura

Isomeria di struttura o di posizione
La sostituzione di un qualsiasi H dell’etano con un atomo di Cl (o comunque diverso da H) porta al cloroetano (o una molecola diversa) nella cui molecola i cinque atomi di H non sono più tra loro equivalenti.
Vi sono, infatti, due H sul C che porta l’atomo di Cl e tre H sull’altro atomo di C. Se uno di essi venisse sostituito con un secondo atomo di Cl, per il composto C2H4Cl2 sarebbero possibili due distinte strutture.
I due composti sono un esempio di isomeri di struttura (o strutturali), cioè di composti che hanno la stessa formula molecolare ma differenti connessioni degli atomi.
Essi hanno proprietà fisiche diverse, come i punti di fusione, i punti di ebollizione e i momenti dipolari.
I loro nomi riflettono le differenze strutturali: il nome 1,1-dicloroetano indica che entrambi gli atomi di cloro sono legati allo stesso atomo di carbonio, mentre il nome 1,2-dicloroetano identifica le posizioni dei due atomi di cloro su carboni adiacenti.

Isomeri di C2H4Cl2

Isomeri di C2H4Cl2


Classificazione degli atomi ed altri R

Carboni primari, secondari
Il propano è il primo alcano che contenga due tipi differenti di atomi di carbonio e di idrogeno:

  • i due atomi di carbonio terminali, legati ciascuno ad un solo altro carbonio, sono equivalenti e si definiscono atomi di carbonio primari
  • gli atomi di idrogeno su questi carboni, anch’essi fra loro equivalenti, sono indicati come atomi di idrogeno primari
  • l’atomo di carbonio centrale, legato a due altri atomi di carbonio, è un atomo di carbonio secondario
  • i due idrogeni fra loro equivalenti che esso porta sono detti atomi di idrogeno secondari

Il distacco di un atomo di idrogeno primario fornisce, il gruppo propile, o npropile (n si legge normal e sta per “non ramificato”), un gruppo alchilico primario.
L’allontanamento di uno degli atomi di idrogeno secondari porta, invece, alla formazione di un gruppo alchilico secondario noto come gruppo isopropile.

Struttura di Lewis del propano

Struttura di Lewis del propano


I butani

Butano? Uno o più?
Gli alcani di formula molecolare C4H10 si chiamano butani. Ma:

  • il butano o n-butano è l’isomero a catena lineare con due atomi di carbonio primari equivalenti e due secondari
  • il 2-metilpropano è l’isomero a catena ramificata nel quale tre atomi di carbonio sono legati a un solo altro carbonio e sono, per definizione, atomi di carbonio primari. Tutti gli atomi di idrogeno su questi tre carboni sono equivalenti e primari a loro volta. Il quarto ed ultimo atomo di carbonio, che è legato ai tre carboni, è chiamato atomo di carbonio terziario ed il suo idrogeno, atomo di idrogeno terziario
Struttura di Lewis del n-butano

Struttura di Lewis del n-butano

Struttura di Lewis del 2-metilpropano

Struttura di Lewis del 2-metilpropano


Altri gruppi alchilici

Cosa succede se rimuovo un atomo di H negli isomeri del butano?
Se rimuovo un H primario nel n-butano ottengo un gruppo alchilico primario, il gruppo butile, o n-butile.
Se rimuovo un H secondario, sempre nel n-butano, ottengo il gruppo 1-metilpropile, o sec-butile (si legge secondar-butile).
Se rimuovo un H primario dal 2-metilpropano ottengo un gruppo alchilico primario, il gruppo 2-metilpropile, o isobutile.
Se rimuovo l’H terziario dal 2-metilpropano ottengo gruppo alchilico terziario chiamato gruppo butile terziario, o tert-butile (si legge terziar-butile).
Alla fine, quindi, si possono ottenere quattro diversi gruppi alchilici!

Il n-butile ed il sec-butile

Il n-butile ed il sec-butile

L’isobutile ed il t-butile

L'isobutile ed il t-butile


I cicloalcani e corrispondenti R

I cicloalcani sono idrocarburi di formula generale CnH2n in cui alcuni o tutti gli atomi di C formano un anello.
Il nome dei cicloalcani si ottiene aggiungendo il prefisso ciclo al nome dell’alcano che ha lo stesso numero di atomi di C compresi nell’anello.
N.B. Nel caso del cicloesano si presenta un tipo di C definito atomo di carbonio quaternario. Esso è senza idrogeni, ma è legato a 4 atomi di C.

Esempi di cicloalcani

Esempi di cicloalcani

Cicloesano e derivati

Cicloesano e derivati


Nomenclatura

Nomenclatura degli alcani
Per il nome di ogni molecola organica è possibile individuare tre parti distinte:
Il  prefisso, che ci indica il tipo, la posizione ed il numero dei sostituenti legati alla catena carboniosa più lunga presente nella molecola.
La radice, che indica il numero di atomi di carbonio della catena carboniosa più lunga presente nella molecola.
Il suffisso, che indica il tipo di gruppo funzionale.
Nel caso degli alcani a catena non lineare, quindi, il nome si ricava da quello dell’alcano che corrisponde alla catena lineare più lunga di atomi di carbonio della molecola: per esempio, gli alcani di formula molecolare C6H14 presentano cinque strutture isomere.

Isomero a catena aperta di formula C6H14

Isomero a catena aperta di formula C6H14

Isomeri a catena ramificata di formula C6H14

Isomeri a catena ramificata di formula C6H14


Gli alogenuri alchilici

… molto vicini agli alcani, ma…..
Gli alogenuri alchilici sono composti organici contenenti un atomo di alogeno (X= F, Cl, Br, I) legato ad un atomo di Carbonio ibridato sp3.
Possono essere di 3 tipi a secondo del grado di sostituzione del C a cui è legato l’alogeno e, pertanto, si distinguono in:

  • alogenuri alchilici primari, quando il C è primario (cioè è legato a 3 H)
  • alogenuri alchilici secondari, quando il C è secondario (cioè è legato a 2H)
  • alogenuri alchilici terziari, quando il C è terziario (cioè è legato ad 1 H)

Unica eccezione l’alogenuro metilico che deriva da metano, e quindi contiene un solo atomo di C legato a 3 H ed all’alogeno.

Esempi di alogenuri alchilici

Esempi di alogenuri alchilici


Nomenclatura degli alogenuri alchilici

Definizione IUPAC
I nomi sistematici degli alogenuri alchilici si attribuiscono nello stesso modo dei nomi degli idrocarburi ramificati. Per indicare gli alogeni si usano i prefissi fluoro, cloro, bromo e iodo.
Quindi:

  1. riconosciamo la catena carboniosa più lunga contenete l’alogeno
  2. nominiamo e numeriamo gli altri sostituenti
  3. i sostituenti vanno elencati in ordine alfabetico
Esempi di attribuzione di nomenclatura

Esempi di attribuzione di nomenclatura


Reazioni degli alcani

Gli alcani hanno una reattività chimica limitata, e generalmente, sono reazioni che avvengono ad alta temperatura, o sotto l’azione della luce (nelle equazioni la luce si indica col simbolo hv scritto sotto la freccia di reazione).
In queste reazioni gli intermedi reattivi sono radicali liberi.
Le principali sono:

  • combustione, reazione tra l’alcano e l’ossigeno con formazione di CO2 ed H2O. La reazione è esotermica.
  • sostituzione, per esempio, il metano reagisce con un uguale volume di cloro in presenza di luce per dare una miscela di alogenuri alchilici. Le reazioni di alogenazione portano di solito a miscele di prodotti e sono, quindi, usate per la preparazione di alogenuri alchilici nei processi industriali, ma raramente in laboratorio.
  • idrogenazione, produce idrocarburi insaturi mediante rimozione di atomi di idrogeno.

Tali reazioni sono complesse e danno miscele di prodotti che dipendono dal rapporto in cui si usano i reagenti.

Reazioni principali degli alcani

Reazioni principali degli alcani


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