ALCANI Gli alcani sono composti organici costituiti solamente da carbonio e idrogeno (per questo motivo appartengono alla più ampia classe degli idrocarburi), aventi formula bruta C n H (2n + 2). Gli alcani sono saturi, cioè contengono solo legami singoli C-C (per cui a parità di atomi di carbonio, possiedono il massimo numero di idrogeni possibile rispetto agli altri idrocarburi). Gli alcani fanno parte della classe delle paraffine, alla quale appartengono anche i cicloalcani; il termine paraffina deriva dal latino parum affinis, e indica la scarsa reattività di tali composti chimici; gli alcani comunque reagiscono in determinate condizioni con ossigeno, cloro e altre sostanze. IBRIDAZIONE DEL CARBONIO NEGLI ALCANI PREMESSA: COSA SONO GLI ORBITALI IBRIDI. Per ibrido si intende un incrocio tra due specie diverse, che determina la formazione di una specie con alcune nuove caratteristiche, diverse da entrambe le specie da cui derivano. Anche gli orbitali atomici possono formare ibridi; questi sono stati ipotizzati per spiegare la forma assunta da alcune molecole, non corrispondente a quanto prevedibile in base alla configurazione elettronica degli atomi. Ipotizzando, invece, un incrocio tra orbitali s e p a formare orbitali ibridi, con caratteristiche ed energie intermedie tra s e p, è possibile giustificare geometrie molecolari altrimenti non comprensibili.
Ibridazione sp3 negli alcani Vediamo, per esempio, l atomo di carbonio nella formazione del metano (CH4). Figura A in alto a sinistra: La configurazione elettronica del carbonio prevederebbe due elettroni che completano l orbitale 2s e due elettroni spaiati, ciascuno in un orbitale p del secondo livello: ma questa configurazione non giustifica il fatto che il carbonio è tetravalente! Quindi la configurazione corretta è quella nella fig. B Figura A in alto a destra: bisogna perciò ipotizzare che l'orbitale s e i 3 orbitali p si siano fusi, e quindi ipotizziamo l esistenza di 4 orbitali ibridi uguali detti sp3. Il carbonio negli alcani ha sempre una ibridazione sp3, perciò la
configurazione di questa classe di composti è TETRAEDRICA, con angoli di legame di 109. Nel metano, ad esempio, ci sono 4 legami σ, nati dalla sovrapposizione dei 4 orbitali ibridi sp3 del carbonio con 4 orbitali di tipo s dell'idrogeno. Gli alcani si dividono in catena lineare e catena ramificata. NOMENCLATURA IUPAC Il nome degli alcani è formato da : a) PREFISSO (la parte iniziale della parola) che indica il numero di carboni della catena principale b) SUFFISSO (la parte finale della parola) desinenza che indica il tipo di legami presenti nella molecola. Es: METANO MET = prefisso che indica un solo atomo di carbonio ANO = suffisso che indica che è un alcano, e che quindi ha tutti legami semplici σ La nomenclatura IUPAC prevede le seguenti regole per l attribuzione del nome a un composto organico saturo:
Per i composti non ramificati il nome è dato dal numero di atomi di C (1 carbonio = metano; 2 carboni = etano; 3 carboni = propano; 4 carboni = butano; 5 carboni = pentano; 6 carboni = esano; ecc ) ALCANI RAMIFICATI (regole principali sottolineate) Nei composti ramificati il nome è dato dalla catena più lunga di atomi di C La numerazione è progressiva a partire dal C più vicino al primo sostituente A parità di atomi di C si sceglie la catena con più ramificazioni Se due ramificazioni sono equidistanti dalle estremità il C1 è il più vicino alla terza ramificazione Se manca una terza ramificazione, il numero più basso va alla
ramificazione che viene prima alfabeticamente Ogni sostituente deve avere un nome ed un numero anche se si trovano sullo stesso Carbonio. Scrivere il nome dei radicali alchilici (le ramificazioni), ciascuno preceduto dal numero del carbonio cui è legato. Se ci sono più radicali di tipo diverso, disporli in ordine alfabetico. 5-etil-2,2-dimetileptano Se lo stesso radicale è presente più volte, scrivere tutti i numeri degli atomi di carbonio che presentano questo radicale (se lo stesso radicale è presente più volte sullo stesso atomo di carbonio, si ripete il numero di tale atomo), intervallati da virgole, e anteporre al nome del radicale il prefisso di-, tri-, tetra-, penta-,.tale prefisso non partecipa all ordine alfabetico, che è riferito all iniziale del nome del radicale.
2,2,4-trimetilpentano Terminare con il nome della catena principale. CICLOALCANI NOMENCLATURA IUPAC o Si mette il prefisso ciclo al nome dell alcano corrispondente per numero di C o Se il composto ha un solo sostituente, questo sta sempre sul C in posizione 1 e nel nome non viene indicata la numerazione. o Se si hanno più sostituenti la numerazione parte dal C con il sostituente che viene prima alfabeticamente e va in direzione del sostituente più vicino. o Se i sostituenti sono degli alogeni, questi vanno indicati in ordine alfabetico
CARATTERISTICHE E PROPRIETA Principali fonti naturali sono petrolio e gas naturale. Non sono composti polari, quindi non sono solubili in acqua. Sono tra i componenti che formano la pellicola protettiva cerosa all esterno di frutti quali le mele (C 27 H 56 e C 29 H 60 ) Gli alcani con pochi atomi di carbonio (sino a 4) sono gassosi a temperatura ordinaria e sono presenti nei cosiddetti gas naturali. Gli alcani con un numero medio di atomi di carbonio (da 5 a 16) sono liquidi e si trovano nel petrolio. Gli alcani con un numero alto di atomi di carbonio (più di 16) si trovano anch'essi nel petrolio, sono solidi e vengono detti cere paraffiniche. A parità di PM con la maggior parte degli altri composti organici, gli alcani hanno i punti di ebollizione più bassi a causa delle deboli forse attrattive tra molecole non polari. Con il crescere della catena
carboniosa, crescono le forze attrattive e crescono, di conseguenza i punti di ebollizione. Gli alcani non sono molecole solubili perché, a differenza dell H 2 O che è una molecola polare, tutti i legami C-C e C-H degli alcani sono covalenti puri e per scioglierli in acqua occorre una energia sufficiente a vincere le forze attrattive tra le molecole di H 2 O. ISOMERIA Gli alcani fanno isomeria di catena, di posizione e conformazionale. Isomeria conformazionale Gli isomeri conformazionali differiscono a seguito di una libera rotazione attorno al legame semplice carbonio-carbonio. Facciamo l'esempio dell'etano:
La conformazione più stabile è quella sfasata che ha energia minore rispetto a quella eclissata.
Esempio di isomeria di catena: cambia la lunghezza della catena principale anche se resta costante la formula bruta