chimica-online.it

Cicloalcani

Generalità, proprietà e analisi conformazionale dei cicloalcani

I cicloalcani, che sono chiamati anche nafteni o cicloparaffine, sono idrocarburi ciclici che hanno formula generale CnH2n (identica a quella degli alcheni dei quali sono isomeri strutturali) in cui n=1, 2, 3, ecc.

Le strutture e i nomi dei primi quattro cicloalcani sono le seguenti:

cicloesani

Anelli che contengono da 5 a 7 atomi di carbonio vengono definiti anelli comuni, mentre quelli a 3 o 4 atomi vengono definiti piccoli cicli, quelli a 8-10 atomi di carbonio cicli medi e infine quelli a 12 o più atomi sono chiamati macrocicli o cicli larghi.

I cicli comuni e i macrocicli sono simili agli idrocarburi aciclici per la maggior parte delle proprietà fisiche e proprietà chimiche, mentre sia i cicli piccoli che quelli medi mostrano proprietà abbastanza differenti. La caratterstiche inusuali degli anelli piccoli derivano dal fatto che i carboni a ibridazione sp3 tendono ad avere angoli di legame vicini al valore tetraedrico (109,5°) mentre le richieste geometrie degli anelli piccoli riducono questi angoli a valori inferiori.

Conformazione dei cicloalcani

Ciclopropano

Il ciclopropano, che è formato da soltanto tre atomi di carbonio, è necessariamente planare (dato che tre punti determinano un piano). L'angolo di legame C―C―C è di soli 60°, molto più piccolo del comune angolo tetraedrico (109,5°) corrispondente all'ibridazione sp3. A causa della tensione dovuta in modo particolare alla piccola ampiezza degli angoli, il ciclopropano ha un contenuto energetico molto alto ed è quindi molto reattivo.

ciclopropano

Gli atomi di idrogeno si trovano al di sopra e al di sotto del piano della molecola e sono eclissati.

Ciclobutano

Il ciclobutano non è planare ma è disposto nello spazio secondo la figura seguente:

ciclobutano

La struttura angolata dell'anello costringe gli angoli interni C―C―C a un valore inferiore a quanto si avrebbe se la molecola fosse planare (90°), ma il minor eclissamento degli atomi di idrogeno compensa la maggior tensione angolare.

Ciclopentano

Il ciclopentano ha una struttura piegata per lo stesso motivo visto per il ciclobutano.

ciclopentano

Nel ciclopentano un atomo di carbonio è fuori dal piano che contiene gli altri quattro atomi di carbonio, ma l'atomo di carbonio fuori dal piano cambia continuamente; infatti un atomo fuori dal piano cerca di rientrarvi, scacciando quello che segue. Così la non-planarità gira attorno all'anello. Un tale fenomeno viene definito come pseudorotazione ed è lo stesso fenomeno cui sottostà la forma flessibile del cicloesano.

Cicloesano

Particolarmente interessante, per il suo elevato grado di simmetria, risulta lo studio della struttura del cicloesano. Il cicloesano infatti assume una conforomazione detta a sedia, nella quale gli angoli di legame C-C-C hanno il valore ideale di un tetraedro perfetto (109,5°). In questa conformazione possiamo avere due tipi di atomi di idrogeno: assiali ed equatoriali. Degli idrogeni assiali, tre si trovano al di sopra e tre al di sotto del piano mediano della molecola; gli idrogeni equatoriali invece si trovano tutti approssimativamente sul questo piano.

cicloesano

Nella struttura a sedia del cicloesano è possibile un ribaltamento dell'anello: una conformazione a sedia può trasformarsi in un'altra conformazione a sedia nella quale gli atomi di idrogeno sono diventati equatoriali e viceversa.

struttura a sedia cicloesano

Tale ribaltamento è molto rapido anche a temperatura ambiente, mentre rallenta a basse temperature.

Per approfondimenti si veda: analisi conformazionale del cicloesano.

Cicloeptano

L'energia torsionale del cicloeptano è dovuta principalmente agli sfavorevoli angoli di torsione; infatti non è possibile avere gli arrangiamenti perfettamente sfalsati attorno a ciascun legame C―C come capita nel cicloesano.

Cicloottano e ciclononano

Il cicloottano e il ciclononano contengono anch'essi una considerevole tensione torsionale. Inoltre esistono in questi anelli forti repulsioni idrogeno-idrogeno transanulari, dovute al fatto che gli idrogeni delle parti opposte dell'anello sono tenuti vicini al punto di poter risentire delle interazioni di Van der Waals.

Ciclodecano

Il ciclodecano ha una conformazione assai inusuale. Se la molecola avesse una conformazione a corona esisterebbero gravi tensioni torsionali; adottando invece la conformazione indicata, la molecola diminuisce tale tipo di tensione, a spese però della tensione angolare. Gli angoli di legame C―C―C nel ciclodecano sono considerevolmente più larghi del normale, essendo la media di 117°. Questi angoli più larghi permettono alla molecola di allargarsi e quindi di ridurre la repulsione transanulare degli idrogeni nell'interno dell'anello.

ciclodecano

Alcuni tipi di cicloalcani, opportunamente sostituiti, possono dare isomeria cis-trans.

Studia con noi