Cicloalcani
I cicloalcani sono composti organici costituiti solamente da carbonio e idrogeno (e per questo appartenenti alla più ampia classe degli idrocarburi) aventi formula bruta CnH2n.
thumb|220px|modello molecolare del cicloesano in conformazione detta "a sedia"
Simili agli alcani, si differenziano da questi ultimi in quanto nella loro struttura gli atomi di carbonio sono uniti a formare un anello chiuso.
Benché tale anello venga rappresentato per comodità con un poligono regolare, i cicloalcani non hanno una struttura planare. L'angolo di legame di 109,5°, tipico degli atomi di carbonio con ibridazione sp3 fa sì che l'anello risulti piegato.
Quando il numero di atomi di carbonio nell'anello è 3 (ciclopropano) o 4 (ciclobutano), gli atomi di carbonio sono forzati a formare legami con angoli molto piccoli, 60° e 90° rispettivamente, ben inferiori al valore di 109,5° tipico della struttura tetraedrica. Questa forzatura produce una tensione (detta tensione d'anello) che rende la molecola meno stabile. Un esempio estremo di molecola in tensione è quello del cubano.
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Nomenclatura IUPAC
La nomenclatura IUPAC dei cicloalcani è simile a quella degli alcani, con la differenza che al posto della catena più lunga, andrà indicato e nominato in base al numero di atomi di carbonio l'anello più grande. Tale anello avrà il nome dell'alcano corrispondente preceduto dal prefisso "ciclo-".
Analogamente a quanto stabilito per gli alcani, la numerazione degli atomi di carbonio dell'anello principale - quando necessaria - dovrà fare in modo che gli atomi di carbonio che recano ramificazioni abbiano i numeri più bassi possibile.
Le formule utilizzate in questo esempio sono formule di struttura semplificate. Ogni vertice rappresenta un atomo di carbonio e gli atomi di idrogeno direttamente legati ad essi non sono evidenziati - con l'eccezione degli atomi dei gruppi legati ai cicli, voluta in questo caso dall'autore per evidenziare i criteri di assegnazione dei nomi.
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cicloesano metilciclopentano 1,2-dietilcicloesano
Fonti industriali
Le reazioni condotte su scala maggiore sono l'addizione di idrogeno al benzene e ad altri composti aromatici sostituiti per convertirli nei corrispondenti cicloesani. Data la stabilità degli anelli aromatici, la reazione richiede un catalizzatore e condizioni di lavoro piuttosto drastiche. Generalmente il catalizzatore è nichel, l'idrogeno viene mantenuto a pressioni non inferiori alle 15 atmosfere e la temperatura di reazione a non meno di 150°C.
Preparazioni per sintesi
I ciclopropani si preparano per
- addizione di carbene agli alcheni
R-CH=CH-R' + CH2N2 → R-CH---CH-R'
\ /
CH2
- il carbene è una particella poco stabile che può esistere in due forme, una di queste è il biradicale .CH2. che, con i suoi due elettroni spaiati è in grado di inserirsi nel doppio legame di un alchene convertendolo in un ciclopropano.
- Il carbene viene solitamente generato in situ dalla decomposizione del diazometano, CH2N2, attivata dalla luce.
- Similmente, il trattamento di un alchene con cloroformio e sodio idrato porta alla conversione dell'alchene nel corrispondente 1,1-diclorociclopropano a seguito dell'inserimento sul doppio legame del diclorocarbene .CCl2. generato dall'azione del sodio idrato sul cloroformio.
- ciclizzazione di 1,3-dialogenuri alchilici per reazione con metalli, generalmente zinco
CH2---CH2
Cl-CH2-CH2-CH2-Cl + Zn → \ /
CH2
I cicloalcani superiori ed i sistemi policiclici possono venire preparati ricorrendo alle reazioni elettrocicliche; tra esse la più comune è la reazione di Diels-Alder tra un diene ed un alchene sostituito con gruppi elettron-attrattori (detto dienofilo). La reazione produce un cicloalchene che viene successivamente idrogenato (vedi alcheni) a cicloalcano.
Reazioni tipiche
I cicloalcani hanno una reattività pressoché identica a quella degli alcani. Come questi sono infiammabili e subiscono facilmente reazioni di sostituzione radicalica catalizzate dalla luce o dal calore.
Per via della tensione d'anello, i ciclopropani reagiscono con idrogeno con apertura dell'anello trasformandosi in propani
CH2---CH2
\ / + H2 → CH3-CH2-CH3
CH2
o con acidi alogenidrici con apertura dell'anello trasformandosi in nei corrispondenti propani alogenati
CH2---CH2
\ / + HX → CH3-CH2-CH2-X
CH2
vedi anche sistematica organica, alcani
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