CICLOALCANI: PROPRIETÀ, REAZIONI, USI, ESEMPI - CHIMICA - 2026

I cicloalcani sono una famiglia di idrocarburi saturi con formula generale C _n H _2n coincidente con alcheni; con la differenza che l'apparente insaturazione non è dovuta ad un doppio legame, ma ad un anello o ciclo. Ecco perché sono considerati isomeri degli alcheni.

Questi si formano quando gli alcani lineari si uniscono alle estremità delle loro catene per creare una struttura chiusa. Come con gli alcani, i cicloalcani possono esibire diverse dimensioni, masse molecolari, sostituzioni o persino sistemi composti da più di un anello (policiclico).

Alcuni cicloalcani monociclici. Fonte: Mephisto spa via Wikipedia.

Altrimenti, chimicamente e fisicamente sono simili agli alcani. Hanno solo carboni e idrogeni, sono molecole neutre e quindi interagiscono per mezzo delle forze di Van der Walls. Servono anche come combustibili, rilasciando calore quando bruciano in presenza di ossigeno.

Perché i cicloalcani sono più instabili delle loro controparti a catena aperta? Il motivo può essere sospettato da una vista a volo d'uccello degli esempi di cicloalcani rappresentati nell'immagine sopra: ci sono tensioni steriche (spaziali) e impedimenti.

Notare che meno atomi di carbonio ci sono (elencati in blu), più chiusa è la struttura; e il contrario accade quando aumentano, diventando come una collana.

I piccoli cicloalcani sono gassosi e, con l'aumentare delle loro dimensioni, aumentano anche le loro forze intermolecolari. Di conseguenza, possono essere liquidi in grado di sciogliere grassi e molecole apolari, lubrificanti o solidi che presentano colori scuri e qualità come quelli dell'asfalto.

Proprietà fisiche e chimiche

Polarità

Essendo composto solo da carboni e idrogeni, atomi che di per sé non differiscono troppo in elettronegatività, ciò rende le molecole cicloalcano apolari e quindi prive di momento di dipolo.

Non possono interagire attraverso le forze dipolo-dipolo, ma dipendono specificamente dalle forze di Londra, che sono deboli ma aumentano con la massa molecolare. Ecco perché i piccoli cicloalcani (con meno di cinque atomi di carbonio) sono gassosi.

Interazioni intermolecolari

D'altra parte, poiché sono anelli, i cicloalcani hanno un'area di contatto maggiore, che favorisce le forze di Londra tra le loro molecole. Pertanto, si raggruppano e interagiscono in un modo migliore rispetto agli alcani; e quindi i suoi punti di ebollizione e di fusione sono più alti.

Inoltre, poiché hanno due atomi di idrogeno in meno (C _n H _2n per i cicloalcani e C _n H _{2n + 2} per gli alcani), sono più leggeri; e aggiungendo a ciò il fatto della sua maggiore area di contatto, il volume occupato dalle sue molecole diminuisce, e quindi sono più dense.

Saturazione

Perché i cicloalcani sono classificati come idrocarburi saturi? Perché non hanno un modo per incorporare una molecola di idrogeno; a meno che l'anello non sia aperto, nel qual caso diventerebbero semplici alcani. Affinché un idrocarburo sia considerato saturo, deve avere il numero massimo possibile di legami CH.

Stabilità

Chimicamente sono molto simili agli alcani. Entrambi hanno legami CC e CH, che non sono così facili da rompere per produrre altri prodotti. Tuttavia, le loro stabilità relative differiscono, che possono essere verificate sperimentalmente misurando i loro calori di combustione (ΔH _comb ).

Ad esempio, confrontando il _pettine ΔH per propano e ciclopropano (rappresentato da un triangolo nell'immagine), si ottengono rispettivamente 527,4 kcal / mol e 498,9 kcal / mol.

Il dettaglio è che il ciclopropano, in base al calore di combustione degli alcani, dovrebbe avere un ΔH _comb più basso (471 kcal / mol) perché sono tre gruppi metilenici, CH ₂ ; ma in realtà rilascia più calore, riflettendo una maggiore instabilità di quanto stimato. Si dice che questa energia in eccesso sia dovuta alle sollecitazioni all'interno dell'anello.

E infatti queste tensioni governano e differenziano la reattività o stabilità dei cicloalcani, rispetto agli alcani, nei confronti di reazioni specifiche. Finché le sollecitazioni non sono molto elevate, i cicloalcani tendono ad essere più stabili dei loro rispettivi alcani.

Nomenclatura

Alcuni esempi di cicloalcani sostituiti per testare le regole della nomenclatura. Fonte: Gabriel Bolívar.

La nomenclatura IUPAC per i cicloalcani non differisce molto da quella per gli alcani. La regola più semplice di tutte è anteporre ciclo- al nome dell'alcano da cui è formato il cicloalcano.

Così, ad esempio, da n-esano, CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₃ , si ottiene il cicloesano (rappresentato da un esagono nella prima immagine). Lo stesso accade con ciclopropano, ciclobutano, ecc.

Tuttavia, questi composti possono subire la sostituzione di uno dei loro idrogeni. Quando il numero di atomi di carbonio nell'anello è maggiore di quello dei sostituenti alchilici, l'anello è considerato la catena principale; questo è il caso di a) per l'immagine sopra.

Si noti che in a) il ciclobutano (il quadrato) ha più atomi di carbonio del gruppo propile ad esso attaccato; quindi questo composto è chiamato propilciclobutano.

Se è presente più di un sostituente, devono essere denominati in ordine alfabetico e in modo tale da avere il minor numero possibile di numeri di localizzazione. Ad esempio, b) è chiamato: 1-bromo-4-fluoro-2-butilcicloeptano (e non 1-bromo-5-fluoro-7-butilcicloeptano, che sarebbe errato).

E infine, quando il sostituente alchilico ha più atomi di carbonio dell'anello, si dice che quest'ultimo sia il gruppo sostituente della catena principale. Quindi, c) è chiamato: 4-cicloesilnonano.

Struttura

Tralasciando i cicloalcani sostituiti, è conveniente concentrarsi solo sulle loro basi strutturali: gli anelli. Questi sono stati raffigurati nella prima immagine.

Osservarli può portare alla falsa idea che tali molecole siano piatte; ma ad eccezione del ciclopropano, le sue superfici sono "zigzaganti", con atomi di carbonio che salgono o scendono rispetto allo stesso piano.

Ciò è dovuto al fatto che, per cominciare, tutti i carboni hanno ibridazione sp ³ , e quindi presentano geometrie tetraedriche con angoli di legame di 109,5º. Ma, se si osserva attentamente la geometria degli anelli, è impossibile che i loro angoli siano questi; ad esempio, gli angoli all'interno del triangolo ciclopropano sono 60º.

Questo è ciò che è noto come stress angolare. Più grandi sono gli anelli, l'angolo tra i legami CC è più vicino a 109,5 °, il che provoca una diminuzione di detta tensione e un aumento della stabilità del cicloalcano.

Un altro esempio si osserva nel ciclobutano, i cui angoli di legame sono di 90º. Già nel ciclopentano i suoi angoli sono di 108º, e dal cicloesano si dice poi che la sollecitazione angolare cessa di esercitare un così marcato effetto destabilizzante.

conformazioni

Oltre allo stress angolare, ci sono altri fattori che contribuiscono allo stress sperimentato dai cicloalcani.

Le obbligazioni CC non possono semplicemente ruotare, poiché ciò implicherebbe che l'intera struttura "tremerebbe". Pertanto, queste molecole possono adottare conformazioni spaziali molto ben definite. Lo scopo di questi movimenti è quello di ridurre gli stress causati dall'eclissi degli atomi di idrogeno; cioè quando sono l'uno di fronte all'altro.

Ad esempio, le conformazioni del ciclobutano assomigliano a una farfalla che sbatte le ali; quelli di ciclopentano, una busta; quelli del cicloesano, una barca o una sedia, e più grande è l'anello, maggiori sono il numero e le forme che possono assumere nello spazio.

Inversioni tra conformazione a sedia e a barca per cicloesano. Fonte: Keministi.

L'immagine in alto mostra un esempio di tali conformazioni per il cicloesano. Nota che il supposto esagono piatto sembra in realtà più una sedia (a sinistra dell'immagine) o una barca (a destra). Un idrogeno è rappresentato da una lettera rossa e un altro da una lettera blu, per indicare come cambiano le loro posizioni relative dopo le inversioni.

In (1), quando l'idrogeno è perpendicolare al piano dell'anello, si dice che sia nella posizione assiale; e quando è parallelo ad esso, si dice che sia nella posizione equatoriale.

reazioni

Le reazioni che possono subire i cicloalcani sono le stesse degli alcani. Entrambi bruciano in presenza di ossigeno in eccesso nelle tipiche reazioni di combustione per produrre anidride carbonica e acqua. Allo stesso modo, entrambi possono subire alogenazioni, in cui un idrogeno viene sostituito da un atomo di alogeno (F, Cl, Br, I).

Reazioni del ciclopentano. Fonte: Gabriel Bolívar.

Le reazioni di combustione e di alogenazione per il ciclopentano sono mostrate sopra a titolo di esempio. Una mole brucia in presenza di calore e 7,5 moli di ossigeno molecolare per decomporsi in CO ₂ e H ₂ O. D'altra parte, in presenza di radiazioni ultraviolette e bromo, sostituisce una H con una Br, rilasciando una molecola gassosa di HBr.

applicazioni

L'uso dei cicloalcani dipende in larga misura dal loro numero di carbonio. Le più leggere, e quindi gassose, un tempo erano utilizzate per alimentare le lampade a gas nell'illuminazione pubblica.

I liquidi, d'altra parte, hanno utilità come solventi per oli, grassi o prodotti commerciali di natura non polare. Tra questi si possono citare ciclopentano, cicloesano e cicloeptano. Sono anche usati molto frequentemente nelle operazioni di routine nei laboratori petroliferi o nella formulazione di combustibili.

Se sono più pesanti, possono essere utilizzati come lubrificanti. D'altra parte, possono anche rappresentare il materiale di partenza per la sintesi di farmaci; come il carboplatino, che include un anello ciclobutano nella sua struttura.

Esempi di cicloalcani

Infine, torniamo all'inizio dell'articolo: l'immagine con diversi cicloalcani non sostituiti.

Per memorizzare i cicloalcani, basti pensare alle figure geometriche: triangolo (ciclopropano), quadrato (ciclobutano), pentagono (ciclopentano), esagono (cicloesano), ettagono (cicloeptano), decagono (ciclodecano), pentadecagono (ciclopentadecano), e così via. .

Più grande è l'anello, meno assomiglia alla rispettiva figura geometrica. Si è già visto che il cicloesano è tutt'altro che un esagono; lo stesso è più evidente con il ciclotetradecano (quattordici atomi di carbonio).

Arriva un punto in cui si comporteranno come collane che possono essere piegate per ridurre al minimo lo stress dei loro collegamenti e l'eclissi.

Riferimenti

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