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Aldo Galeone » 4.Alcani e Cicloalcani


Classificazione degli idrocarburi

Gli idrocarburi sono composti organici che contengono solo atomi di carbonio ed idrogeno e possono essere classificati in base alla presenza nella loro struttura di legami carbonio-carbonio semplici, doppi, tripli o di anelli benzenici.


Alcani

Gli alcani sono idrocarburi saturi contenenti solo legami semplici carbonio-carbonio (tutti i carboni sono ibridati sp3).

Fonte: Brown Poon, Introduzione alla Chimica Organica, EdiSES

Fonte: Brown Poon, Introduzione alla Chimica Organica, EdiSES


Alcani

Nomi, formule molecolari e formule di struttura abbreviate dei primi 20 alcani con catene non ramificate. Negli alcani c’è un rapporto fisso tra il numero di atomi di carbonio e di idrogeno. Gli alcani hanno formula generale: CnH(2n + 2)


Isomeria costituzionale negli alcani

Gli isomeri costituzionali (strutturali) sono composti con uguale formula molecolare ma diversa formula di struttura cioè con un diverso ordine con cui sono legati i loro atomi. Sebbene la composizione chimica sia identica, gli isomeri costituzionali posseggono proprietà chimico fisiche differenti.

Fonte: modificata da Brown Poon, Introduzione alla Chimica Organica, EdiSES

Fonte: modificata da Brown Poon, Introduzione alla Chimica Organica, EdiSES


Numero di isomeri costituzionali

La capacità degli atomi di carbonio di formare legami forti e stabili con altri atomi di carbonio permette l’esistenza di un numero incredibile di isomeri costituzionali. Nella tabella sono mostrati i numeri degli isomeri costituzionali possibili (colonna a destra) con una certa quantità di atomi di carbonio (colonna a sinistra).


Nomenclatura degli alcani

Dato l’elevato numero di composti organici esistenti, è indispensabile che ciascuno di essi abbia un nome da cui sia possibile disegnare la sua formula di struttura. A questo scopo sono state adottate una serie di regole stabilite da una organizzazione detta IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry). Il nome degli alcani con catena di atomi non ramificata sono composti da un prefisso che indica il numero di atomi di carbonio e da un suffisso (-ano) che ne indica l’appartenenza alla classe degli alcani.


Nomenclatura degli alcani

Prefissi usati nel sistema IUPAC per indicare la presenza di un numero di atomi di carbonio da 1 a 20 nella catena.


Regole di nomenclatura degli alcani

Per assegnare il nome sistematico agli alcani ramificati si devono seguire le regole previste dalla commissione IUPAC.

  1. Individuare la catena di atomi di carbonio più lunga.
  2. Individuare il sostituente e numerare la catena in modo che questo sia legato al carbonio col numero più basso possibile.
  3. Il nome finale si costruisce scrivendo nell’ordine da sinistra a destra: posizione del sostituente (4), trattino, nome del sostituente (metil), nome della catena principale (ottano).
Fonte: Brown Poon, Introduzione alla Chimica Organica, EdiSES

Fonte: Brown Poon, Introduzione alla Chimica Organica, EdiSES


Regole di nomenclatura degli alcani

Nomi dei gruppi alchilici più comuni

Nomi dei gruppi alchilici più comuni


Regole di nomenclatura degli alcani

Se vi sono più sostituenti identici la catena si numera in modo tale da assegnare il numero più basso al sostituente che si incontra per primo. Il numero di volte in cui il sostituente identico compare è indicato da un prefisso (di-, tri-, tetra-). Si usa la virgola per separare i numeri che indicano le posizioni.
Se la catena principale porta più sostituenti diversi, questa si numera in modo tale da assegnare sempre il numero più basso al sostituente che si incontra per primo (metile). Il nome si assembla sistemando i sostituenti in ordine alfabetico.


Regole di nomenclatura degli alcani

I prefissi (di-, tri-, tetra-, etc.) non vengono considerati per l’ordine alfabetico. Lo stesso vale per i prefissi sec- e terz- ma non per il prefisso iso che si usa senza trattino.


Classificazione degli atomi di carbonio e di idrogeno

Gli atomi di carbonio sono classificati come primari (1°), secondari (2°), terziari (3°) o quaternari (4°) in funzione del numero degli altri atomi di carbonio ad essi legati. Gli idrogeni sono classificati in modo analogo a seconda del tipo di carbonio a cui sono legati.

Fonte: modificata da Brown Poon, Introduzione alla Chimica Organica, EdiSES

Fonte: modificata da Brown Poon, Introduzione alla Chimica Organica, EdiSES


Cicloalcani

Nei cicloalcani la catena degli atomi di carbonio saturi (sp3) non è lineare ma forma un anello. I cicloalcani contengono due atomi di idrogeno in meno rispetto agli alcani con lo stesso numero di atomi di carbonio, quindi, hanno formula generale CnH2n

Fonte: modificata da Brown Poon, Introduzione alla Chimica Organica, EdiSES

Fonte: modificata da Brown Poon, Introduzione alla Chimica Organica, EdiSES


Conformazioni degli alcani

Gli alcani con due o più atomi di carbonio possono assumere un numero pressoché infinito di differenti disposizioni nello spazio, mediante una rotazione intorno ad uno o più legami carbonio-carbonio. Ciascuna disposizione tridimensionale di atomi che deriva dalla rotazione intorno a legami semplici è detta “conformazione”.


Conformazione sfalsata dell’etano

L’etano può assumere una conformazione detta “sfalsata” in cui i tre legami C-H su un carbonio sono disposti alla massima distanza possibile dagli altri tre legami C-H sul carbonio adiacente. La proiezione di Newman è una rappresentazione di questa conformazione in cui si immagina di osservare la molecola lungo il legame carbonio-carbonio. L’atomo di idrogeno più vicino all’osservatore è rappresentato da un punto (freccia rossa) mentre quello più lontano è rappresentato da un cerchio (freccia blu). Da questi partono le linee che rappresentano i legami carbonio-idrogeno.


Conformazione eclissata dell’etano

Nella conformazione “eclissata” dell’etano i tre legami C-H su un carbonio sono alla minima distanza possibile dagli altri tre legami C-H sul carbonio adiacente. Nell’etano la differenza di energia potenziale tra la conformazione sfalsata e quella eclissata è circa 3.0 kcal/mole (la conformazione sfalsata possiede meno energia e quindi è più stabile).


Tensione torsionale

Questi modelli (detti “space filling”) mettono meglio in evidenza la differente distanza tra gli atomi di idrogeno sui due atomi di carbonio adiacenti nelle due conformazioni dell’etano. La tensione indotta nella conformazione eclissata dell’etano è un esempio di tensione torsionale che si origina quando atomi non legati tra loro, separati da tre legami (in questo caso gli idrogeni sui due carboni adiacenti) sono forzati a passare da una conformazione sfalsata ad una eclissata.


Conformazioni dei cicloalcani: ciclopentano

In linea di principio il ciclopentano potrebbe adottare una conformazione planare con gli angoli di legame C-C-C di 108°, come in un pentagono regolare. Poiché questo valore differisce poco da quello di 109.5° tipico di un carbonio sp3, sarebbe presente solo una lieve “tensione angolare”. Tuttavia ci sarebbero anche 10 legami C-H completamente eclissati in grado di creare una notevole tensione torsionale. Per ridurre questa tensione il ciclopentano adotta una conformazione “a busta” in cui quattro atomi di carbonio giacciono su un piano mentre il quinto è spostato fuori dal piano. In questo modo i legami C-H non sono completamente eclissati.


Conformazioni dei ciclo alcani: conf. a sedia cicloesano

Il cicloesano può adottare una serie di conformazioni non planari, la più stabile delle quali è la cosiddetta conformazione “a sedia”, in cui tutti gli angoli di legame C-C-C sono di 109.5° (minima tensione angolare) e tutti gli idrogeni su carboni adiacenti sono sfalsati (minima tensione torsionale).


Conformazioni dei cicloalcani: conf. a sedia del cicloesano

In una conformazione “a sedia” esistono due diverse orientazioni dei legami C-H. Sei di questi legami sono detti “assiali” (in blu) e sono paralleli ad un ipotetico asse (in blu) che attraversa il centro della molecola ed è perpendicolare al piano medio dell’anello (in rosso tratteggiato). Gli altri sei sono detti “equatoriali” (in rosso) e sono approssimativamente perpendicolari all’asse della molecola.


Conformazioni dei cicloalcani: conf. a barca del cicloesano

La conformazione “a barca” del cicloesano è notevolmente meno stabile di una conformazione “a sedia” in quanto è presente sia una notevole tensione torsionale dovuta ad otto idrogeni eclissati (in rosso nel modello schematico) che una tensione sterica (interazione degli idrogeni ad asta di bandiera: doppie frecce nei modelli) dovuta all’eccessiva vicinanza degli idrogeni (ben visibile nel modello “space filling”).


Interconversione tra le due conformazioni a sedia del cicloesano

Per il cicloesano, le due conformazioni a sedia equivalenti possono interconvertirsi l’una nell’altra passando attraverso una conformazione a barca. Durante l’interconversione avviene una variazione nelle orientazioni relative degli atomi di idrogeno: nella 1° conformazione gli idrogeni assiali (in blu) diventano equatoriali, mentre quelli equatoriali (in rosso) diventano assiali. A temperatura ambiente questa interconversione avviene rapidamente.


Conformazione eclissata dell’atano

Se un atomo di idrogeno del cicloesano è rimpiazzato da un sostituente (p.e. un gruppo metilico), questo non occupa le stesse posizioni nelle due conformazioni per cui esse non sono più equivalenti. La conformazione più stabile è quella in cui le interazioni assiale-assiale (doppie frecce in rosso) sono minimizzate. Minori sono le dimensioni dei gruppi in posizione assiale, più deboli saranno le interazioni di questo tipo. In questo caso la conformazione più stabile è quella in cui in gruppo metilico si trova in posizione equatoriale.

Fonte: modificata da Brown Poon, Introduzione alla Chimica Organica, EdiSES

Fonte: modificata da Brown Poon, Introduzione alla Chimica Organica, EdiSES


Isomeria cis-trans nei cicloalcani (isomeria geometrica)

I cicloalcani con sostituenti su due o più carboni dell’anello mostrano un tipo di isomeria chiamato isomeria cis-trans (o geometrica). Gli isomeri di questo tipo hanno la stessa formula molecolare, lo stesso ordine con cui sono legati gli atomi ma differenti orientamenti spaziali dei gruppi. Questi isomeri non possono essere intercambiati per semplice rotazione intorno ai legami sigma C-C (come accade tra metilcicloesano assiale e metilcicloesano equatoriale).

Fonte: Brown Poon, Introduzione alla Chimica Organica, EdiSES

Fonte: Brown Poon, Introduzione alla Chimica Organica, EdiSES


Proprietà fisiche degli alcani

Modelli di densità elettronica del pentano e del ciclopentano. Negli alcani e cicloalcani questi modelli non mostrano segni di polarità. Alcani e cicloalcani sono molecole non polari e tra le loro molecole esistono solo interazioni deboli.

Fonte: Brown Poon, Introduzione alla Chimica Organica, EdiSES

Fonte: Brown Poon, Introduzione alla Chimica Organica, EdiSES


Forze di dispersione e interazioni tra molecole di alcani

Le forze attrattive che si esercitano tra le molecole determinano lo stato fisico della sostanza. Negli alcani ci sono solo forze intermolecolari di dispersione (forze attrattive deboli) dovute all’attrazione tra cariche temporanee che si esercitano tra le superfici delle molecole. Per cui, più grande è la molecola (maggiore superficie), maggiore sarà il contributo di queste forze. Queste interazioni sono in grado di spiegare le proprietà fisiche degli alcani lineari, cioè la tendenza ad aumentare del punto di fusione, del punto di ebollizione e della densità al crescere delle dimensioni molecolari.

Fonte: Brown Poon, Introduzione alla Chimica Organica, EdiSES

Fonte: Brown Poon, Introduzione alla Chimica Organica, EdiSES


Proprietà fisiche degli alcani

Proprietà fisiche di alcuni alcani non ramificati. Gli alcani sono gassosi, liquidi o solidi in ragione del crescente numero di carboni (e quindi del peso molecolare).


Reazioni degli Alcani

Alcani e cicloalcani posseggono una bassissima reattività chimica. In determinate condizioni possono reagire con l’ossigeno (combustione) per formare biossido di carbonio ed acqua liberando una notevole quantità di energia sotto forma di calore. Questa reazione è la base del loro uso come combustibili per il riscaldamento e come carburanti.


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