Chimica organica per il liceo/Gli alcani



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Approfondimenti sulla conformazione di altri alcani e sulla benzina

Gli Alcani e gli isomeri degli alcani

Gli alcani sono composti organici costituiti esclusivamente da atomi di carbonio e idrogeno, legati tra loro da legami singoli, e privi di altri gruppi funzionali. Spesso vengono chiamati idrocarburi saturi perché presentano il numero massimo possibile di atomi di idrogeno per atomo di carbonio. L'etano contiene un legame sigma C-C. Aggiungendo ulteriori legami sigma C-C, è possibile ottenere alcani più grandi e complessi. Il metano (CH₄), l'etano (C₂H₆) e il propano (C₃H₈) sono i primi elementi di una serie di composti in cui due elementi qualsiasi di una sequenza differiscono per un atomo di carbonio e due atomi di idrogeno, ovvero un'unità CH₂. Una qualsiasi famiglia di composti in cui i membri adiacenti differiscono tra loro per un fattore definito (in questo caso un gruppo CH₂) è chiamata serie omologa. I membri di tale serie, detti omologhi, presentano proprietà che variano in modo regolare e prevedibile.

Strutture di Lewis del metano, dell'etano e del propano.

Il metano (CH₄), l'etano (C₂H₆) e il propano (C₃H₈) sono i primi tre membri di una serie di composti in cui due membri qualsiasi di una sequenza differiscono per un atomo di carbonio e due atomi di idrogeno, ovvero un'unità CH₂. Si consideri la serie rappresentata in Figura 25.3.3. La sequenza inizia con il propano (C₃H₈) e in ogni fase, salendo nella serie, viene aggiunta un'unità CH₂. Una famiglia di composti in cui i membri adiacenti differiscono l'uno dall'altro per un fattore definito (in questo caso un gruppo CH₂) è chiamata serie omologa. I membri di tale serie, chiamati omologhi, presentano proprietà che variano in modo regolare e prevedibile.

Figura 25.3.2: Membri di una serie omologa. Ogni formula successiva incorpora un atomo di carbonio e due atomi di idrogeno in più rispetto alla formula precedente.

La serie omologa ci permette di scrivere una formula generale per gli alcani: C_nH_2n+2. Utilizzando questa formula, possiamo scrivere una formula molecolare per qualsiasi alcano con un dato numero di atomi di carbonio. Ad esempio, un alcano con otto atomi di carbonio ha la formula molecolare C₈H_{(2 × 8) + 2} = C₈H₁₈.

Formule molecolari

Gli alcani sono la famiglia più semplice di idrocarburi, composti contenenti solo carbonio e idrogeno. Gli alcani contengono solo legami carbonio-idrogeno e legami singoli carbonio-carbonio. I primi sei alcani sono i seguenti:

Tabella 3.2.1: Molecular formulas for small alkanes

metano	CH₄
etano	C₂H₆
propano	C₃H₈
butano	C₄H₁₀
pentano	C₅H₁₂
esano	C₆H₁₄

È possibile calcolare la formula di qualsiasi alcano utilizzando la formula generale CnH2n+2.

Isomerismo

Tutti gli alcani contenenti 4 o più atomi di carbonio presentano isomerismo strutturale, il che significa che esistono due o più formule strutturali diverse che è possibile disegnare per ciascuna formula molecolare. Gli isomeri (dal greco isos + meros, che significa “composto dalle stesse parti”) sono molecole che hanno la stessa formula molecolare, ma presentano una diversa disposizione degli atomi nello spazio. Gli alcani con 1-3 atomi di carbonio, il metano (CH4), l'etano (C2H6) e il propano (C3H8) non esistono in forme isomeriche perché esiste un solo modo di disporre gli atomi in ciascuna formula in modo che ogni atomo di carbonio abbia quattro legami. Tuttavia, C4H10 ha più di una struttura possibile. I quattro atomi di carbonio possono essere disposti in fila per formare il butano oppure possono ramificarsi per formare l'isobutano. I due composti hanno proprietà diverse: ad esempio, il butano bolle a −0,5 °C, mentre l'isobutano bolle a −11,7 °C.

Strutture di Lewis del butano e dell'isobutano.

Allo stesso modo, la formula molecolare C5H12 ha tre possibili isomeri. Il composto all'estrema sinistra è il pentano perché ha tutti e cinque gli atomi di carbonio in una catena continua. Il composto al centro è l'isopentano; come l'isobutano, ha un ramo CH3 che si dirama dal secondo atomo di carbonio della catena continua. Il composto all'estrema destra, scoperto dopo gli altri due, è stato chiamato neopentano (dal greco neos, che significa “nuovo”). Sebbene tutti e tre abbiano la stessa formula molecolare, hanno proprietà diverse, compresi i punti di ebollizione: pentano, 36,1 °C; isopentano, 27,7 °C; e neopentano, 9,5 °C.

Tra le strutture mostrate sopra, butano e pentano sono chiamati alcani normali o alcani a catena lineare , a indicare che contengono tutti una singola catena continua di atomi di carbonio e possono essere rappresentati da una formula di proiezione i cui atomi di carbonio sono disposti in linea retta. Le altre strutture, isobutano, isopentano e neopentano, sono chiamate alcani a catena ramificata. All'aumentare del numero di atomi di carbonio in un alcano, aumenta anche il numero di possibili isomeri, come mostrato nella tabella seguente.

Tabella 3.2.2: numero di isomeri degli alcani

Formula molecolare	Numero di isomeri strutturali	Formula molecolare	Numero di isomeri strutturali
CH₄	1	C₇H₁₆	9
C₂H₆	1	C₈H₁₈	18
C₃H₈	1	C₉H₂₀	35
C₄H₁₀	2	C₁₀H₂₂	75
C₅H₁₂	3	C₁₄H₃₀	1858
C₆H₁₄	5	C₁₈H₃₈	60.523
C₇H₁₆	9	C₃₀H₆₂	4.111.846.763

Gli Alcani possono essere rappresentati in molti modi diversi. La figura sottostante mostra alcuni dei diversi modi in cui può essere rappresentato il butano a catena lineare. Molto spesso i chimici si riferiscono al butano con la struttura condensata CH3CH2CH2CH3 o n-C4H10, dove n indica un alcano lineare normale.

Formula chimica, formula chimica condensata, struttura di Lewis, struttura di Kekulé, disegno delle linee di legame, struttura molecolare e struttura molecolare 3D del butano.

Si noti che molte di queste strutture implicano solo connessioni di legame e non indicano alcuna geometria particolare. Le due strutture inferiori, denominate “palla e bastone” e “riempimento dello spazio”, mostrano la geometria 3D del butano. Poiché la catena a quattro atomi di carbonio nel butano può essere piegata in vari modi, i gruppi possono ruotare liberamente attorno ai legami C-C. Tuttavia, questa rotazione non modifica l'identità del composto. È importante rendersi conto che la piegatura di una catena non modifica l'identità del composto; tutti i seguenti esempi rappresentano lo stesso composto, il butano:

Butano con catene piegate o ramificate.

La nomenclatura degli alcani lineari si basa sul numero di atomi di carbonio che contengono. Il numero di atomi di carbonio è indicato da un prefisso e il suffisso -ano viene aggiunto per indicare che la molecola è un alcano. Il prefisso per tre atomi di carbonio è prop, quindi aggiungendo -ano, il nome IUPAC per C3H8 è propano. Allo stesso modo, il prefisso per sei è es, quindi il nome dell'isomero a catena lineare di C6H14 è esano. I primi dieci prefissi devono essere memorizzati, poiché questi nomi di alcani costituiscono la base per la denominazione di molti altri composti organici.

Tabella 3.2.3: I primi 10 alcani a catena lineare


Formula molecolare	Prefisso	Formula di struttura condensata	Nome
CH₄	Met	CH₄	metano
C₂H₆	Et	CH₃CH₃	etano
C₃H₈	Prop	CH₃CH₂CH₃	propano
C₄H₁₀	But	CH₃CH₂CH₂CH₃	butano
C₅H₁₂	Pent	CH₃CH₂CH₂CH₂CH₃	pentano
C₆H₁₄	Es	CH₃(CH₂)₄CH₃	esano
C₇H₁₆	Ept	CH₃(CH₂)₅CH₃	eptano
C₈H₁₈	Ott	CH₃(CH₂)₆CH₃	ottano
C₉H₂₀	Non	CH₃(CH₂)₇CH₃	nonano
C₁₀H₂₂	Dec	CH₃(CH₂)₈CH₃	decano

Esempio 3.2.1: Isomeri a catena nel pentano

Il pentano, C5H12, ha tre isomeri a catena. Se pensate di poterne trovare altri, si tratta semplicemente di versioni contorte di quelli riportati di seguito. In caso di dubbio, realizzate alcuni modelli.

Esercizi sugli isomeri

Gruppi alchilici

Il sistema IUPAC richiede innanzitutto che esistano nomi per le catene semplici non ramificate e, in secondo luogo, che esistano nomi per i gruppi alchilici semplici che possono essere attaccati alle catene. Un gruppo alchilico si forma rimuovendo un atomo di idrogeno dalla catena alcana. La rimozione di questo atomo di idrogeno comporta un cambiamento del radicale da -ano a -ile per indicare un gruppo alchilico. La rimozione di un atomo di idrogeno dal metano, CH4, crea un gruppo metilico -CH3. Allo stesso modo, la rimozione di un atomo di idrogeno dall'etano, CH3CH3, crea un gruppo etilico -CH2CH3. Il modello di nomenclatura può continuare a fornire una serie di gruppi alchilici a catena lineare da alcani a catena lineare con un atomo di idrogeno rimosso dall'estremità. Si noti che la lettera R è utilizzata per designare un gruppo alchilico generico (non specificato).

Il metano diventa metile e il propano diventa propile.

Tabella 3.3.2: Nomi di gruppi alchilici e alcani a catena lineare


Alcano	Nome	Gruppo alchilico	Nome (abbreviazione)
CH₄	metano	−CH₃	metile (Me)
CH₃CH₃	etano	−CH₂CH₃	etile (Et)
CH₃CH₂CH₃	propano	−CH₂CH₂CH₃	propile (Pr)
CH₃CH₂CH₂CH₃	butano	−CH₂CH₂CH₂CH₃	butile (Bu)
CH₃CH₂CH₂CH₂CH₃	pentano	−CH₂CH₂CH₂CH₂CH₃	pentile (Pe)
CH₃CH₂CH₂CH₂CH₂CH₃	esano	−CH₂CH₂CH₂CH₂CH₂CH₃	esile (Hex)

Prima dello sviluppo della nomenclatura sistematica per la chimica organica, venivano utilizzati dei prefissi per specificare il punto di connessione dei gruppi alchilici a catena lineare e a catena ramificata. Sebbene il sistema di nomenclatura moderno, discusso nella sezione successiva, sia preferibile, questi termini più vecchi sono ancora spesso utilizzati, specialmente nei solventi e nei reagenti. Pertanto, la comprensione di questi prefissi è importante per comprendere la chimica organica. Si noti che il numero totale di atomi di carbonio nel gruppo alchilico è ancora indicato con il prefisso + yl. Per i gruppi alchilici metilici ed etilici esiste un solo punto di connessione possibile, quindi i prefissi di connessione non sono necessari. A partire da un gruppo alchilico a tre atomi di carbonio (propile), la possibilità di punti di connessione multipli richiede l'uso di prefissi di connessione. Questi prefissi sono spesso abbreviati con una lettera in corsivo.

Normale (n)

Il prefisso “n” è utilizzato per indicare una connessione all'estremità di un alcano a catena lineare. Questo prefisso non è comunemente utilizzato per indicare solo il sottogruppo alchilico, come discusso sopra. Tuttavia, a volte è utilizzato per indicare la connessione di un gruppo funzionale su un alcano lineare.

Strutture di Lewis di n-propile o propile, n-butile o butile e n-pentile o pentile.

Iso (i)

A partire dai gruppi alchilici propilici, esiste la possibilità di un legame diverso da quello all'estremità. Il prefisso “iso” implica che il legame termina con un gruppo (CH3)2CH-.

Strutture di Lewis di isopropile o i-propile, isobutile o i-butile e isopentile o i-pentile.

Secondario (Sec)

Con i gruppi alchilici a catena lineare butilici esiste la possibilità di un collegamento sul secondo carbonio dall'estremità della catena. A questi gruppi alchilici viene assegnato il prefisso “Sec”. Questo non viene utilizzato per i gruppi pentilici o esilici perché esiste più di una struttura non identica che potrebbe essere denominata sec-pentilico o sec-esilico.

Terziario (tert o t)

A partire dai gruppi alchilici a quattro atomi di carbonio, esiste un isomero che può avere un legame con un carbonio terziario. A questi gruppi alchilici viene assegnato il prefisso “t”.

Esempio:

Il sistema di denominazione sopra descritto viene spesso utilizzato per descrivere gli alogeni che contengono solo pochi atomi di carbonio. L'alogeno è mostrato come legato al punto di connessione del gruppo alchilico.

Classificazione degli atomi di carbonio

I carboni hanno una terminologia speciale per descrivere a quanti altri carboni sono legati. Ciò consente una facile descrizione della ramificazione negli alcani. Inoltre, scopriremo che il numero di carboni legati a un dato atomo avrà effetti sottili sulla sua chimica.

I carboni primari sono legati a un altro atomo di carbonio.
I carboni secondari sono legati a due altri atomi di carbonio.
I carboni terziari sono legati a tre altri atomi di carbonio.
I carboni quaternari sono legati a quattro atomi di carbonio.

La figura seguente utilizza il gruppo “R” per rappresentare un gruppo alchilico di lunghezza non specificata. R è tipicamente utilizzato per rappresentare gruppi alchilici, ma può anche rappresentare una parte di una molecola che è o non specificata o non pertinente alla discussione.

Strutture generiche di carboni primari, secondari, terziari e quaternari.

Questa terminologia sarà utilizzata ripetutamente nella chimica organica per descrivere il numero di carboni legati a un atomo specifico, tuttavia l'atomo non sarà sempre un carbonio.

Esempio 3.3.1

Indicare il numero di carboni 1o, 2o, 3o e 4o nella seguente molecola:

La molecola ha cinque carboni primari
La molecola ha un carbonio secondario
La molecola ha un carbonio terziario
La molecola ha un carbonio quaternario

Anche gli atomi di idrogeno sono classificati in questo modo. Un atomo di idrogeno legato a un atomo di carbonio primario è chiamato idrogeno primario ecc.

Gli idrogeni primari sono legati a carboni legati a un altro atomo di carbonio.

Gli idrogeni secondari sono legati a carboni legati ad altri due atomi di carbonio.

Gli idrogeni terziari sono legati a carboni legati ad altri tre atomi di carbonio.

Esercizi

Denominazione degli alcani

Gli idrocarburi che non hanno gruppi funzionali a doppio o triplo legame sono classificati come alcani o cicloalcani, a seconda di come sono disposti gli atomi di carbonio della molecola (in catene o anelli). Sebbene questi idrocarburi non abbiano gruppi funzionali, costituiscono il quadro su cui i gruppi funzionali si trovano in altre classi di composti e forniscono un punto di partenza ideale per studiare e nominare i composti organici. Gli alcani e i cicloalcani sono anche membri di una classe più ampia di composti denominati alifatici. In parole povere, i composti alifatici sono composti che non incorporano alcun anello aromatico nella loro struttura molecolare.

La tabella seguente elenca i nomi IUPAC assegnati ai composti alcani a catena continua semplice da C-1 a C-10. Un suffisso "ano" comune identifica questi composti come alcani. Gli alcani a catena più lunga sono ben noti e i loro nomi si possono trovare in molti libri di testo e di consultazione. I nomi da metano a decano dovrebbero essere memorizzati, poiché costituiscono la radice di molti nomi IUPAC. Fortunatamente, per denominare catene di cinque o più atomi di carbonio si utilizzano prefissi numerici comuni.


Nome	Formula molecolare	Isomeri
metano	CH₄	1
etano	C₂H₆	1
propano	C₃H₈	1
butano	C₄H₁₀	2
pentano	C₅H₁₂	3
esano	C₆H₁₄	5
eptano	C₇H₁₆	9
optano	C₈H₁₈	18
nonano	C₉H₂₀	35
decano	C₁₀H₂₂	75

Alcune importanti tendenze comportamentali e terminologie

Le formule e le strutture di questi alcani aumentano uniformemente con un incremento di CH₂ .
Una variazione uniforme di questo tipo in una serie di composti è detta omologa .
Tutte queste formule rispettano la regola C_(n)H_{(2n + 2)}. Questo è anche il rapporto H/C più alto possibile per un idrocarburo stabile.
Poiché il rapporto H/C in questi composti è massimo, li chiamiamo saturi (di idrogeno).

A partire dal butano (C₄H₁₀), e diventando più numerosi con alcani maggiori, notiamo l'esistenza degli alcani isomeri. Ad esempio, ci sono cinque isomeri dell'esano C₆H₁₄, mostrati di seguito come formule di linea abbreviate (da A a E):

Sebbene questi composti distinti abbiano tutti la stessa formula molecolare, solo uno (A) può essere chiamato esano. Come possiamo quindi chiamare gli altri?

Il sistema IUPAC richiede innanzitutto che si disponga di nomi per catene semplici non ramificate, come indicato sopra, e in secondo luogo che si disponga di nomi per gruppi alchilici semplici che possono essere legati alle catene. Esempi di alcuni gruppi alchilici comuni sono riportati nella tabella seguente. Si noti che il suffisso "ano" è sostituito da "ile" nella denominazione dei gruppi. Il simbolo R viene utilizzato per designare un generico (non specificato) gruppo alchilico.


Gruppo	Nome
CH_3-	metile
C₂H_5-	etile
CH₃CH₂CH_2-	propile
(CH₃)₂CH-	isopropile
CH₃CH₂CH₂CH_2–	butile
(CH₃)₂CHCH_2–	isobutile
R-	alchile

Regole IUPAC per la nomenclatura degli alcani in generale

Trova e dai un nome alla catena di carbonio continua più lunga.
Identificare e dare un nome ai gruppi collegati a questa catena.
Numerare la catena consecutivamente, iniziando dall'estremità più vicina a un gruppo sostituente.
Designare la posizione di ciascun gruppo sostituente mediante un numero e un nome appropriati.
Assembla il nome elencando i gruppi in ordine alfabetico.
I prefissi di, tri, tetra ecc., usati per denominare più gruppi dello stesso tipo, non vengono considerati nell'ordinamento alfabetico.

es. I nomi IUPAC degli isomeri dell'esano sono: A esano B 2-metilpentano C 3-metilpentano D 2,2-dimetilbutano E 2,3-dimetilbutano (fare riferimento all'immagine Cinque possibili isomeri dell'esano).

Gruppi alogeni

I sostituenti alogeni sono facilmente adattabili, utilizzando i nomi: fluoro (F-), cloro (Cl-), bromo (Br-) e iodio (I-).

es. Ad esempio, (CH₃)₂CHCH₂CH₂Br verrebbe chiamato 1-bromo-3-metilbutano. Se l'alogeno è legato a un semplice gruppo alchilico si usa un nome "alogenuro alchilico" alternativo. Pertanto, C₂H₅Cl può essere denominato cloroetano (non è necessario alcun numero di localizzazione per una catena a due atomi di carbonio) o cloruro di etile.

Gruppi alchilici

Gli alcani possono essere descritti dalla formula generale C_(n)H_{(2n + 2)}. Un gruppo alchilico si forma rimuovendo un idrogeno dalla catena alcanica ed è descritto dalla formula C_(n)H_{(2n + 1)}. La rimozione di questo idrogeno provoca una trasformazione del suffisso da -ano a -ile. Si considerino i seguenti esempi.

Tre regole per dare un nome agli alcani

Scegli la catena di carbonio più lunga e sostituita contenente un gruppo funzionale.
Un carbonio legato a un gruppo funzionale deve avere il numero più basso possibile di atomi di carbonio. Se non ci sono gruppi funzionali, allora qualsiasi sostituente presente deve avere il numero più basso possibile.
Prendi in considerazione l'ordine alfabetico, ovvero, dopo aver applicato le prime due regole sopra indicate, assicurati che i tuoi sostituenti e/o gruppi funzionali sono scritti in ordine alfabetico.

Esempio-1: Come si chiama la molecola sottostante?

Regola n. 1: Scegliere la catena di carbonio più lunga e più sostituita contenente un gruppo funzionale. Questo esempio non contiene alcun gruppo funzionale, quindi dobbiamo solo preoccuparci di scegliere la catena di carbonio più lunga e più sostituita. La catena di carbonio più lunga è stata evidenziata in blu ed è composta da otto atomi di carbonio.

Regola n. 2: I carboni legati a un gruppo funzionale devono avere il numero più basso possibile di atomi di carbonio. Se non ci sono gruppi funzionali, allora qualsiasi sostituto presente deve avere il numero più basso possibile. Poiché questo esempio non contiene alcun gruppo funzionale, dobbiamo concentrarci solo sui due sostituti presenti, ovvero i due gruppi metilici. Se iniziamo a numerare la catena da sinistra, ai gruppi metilici verranno assegnati rispettivamente i numeri 4 e 7. Se iniziamo a numerare la catena da destra, ai gruppi metilici verranno assegnati i numeri 2 e 5. Pertanto, per soddisfare la seconda regola, la numerazione inizia dal lato destro della catena carboniosa, come mostrato di seguito. Questo conferisce ai gruppi metilici la numerazione più bassa possibile.

Regola n. 3: In questo esempio, non è necessario utilizzare la terza regola. Poiché i due sostituti sono identici, nessuno dei due ha la precedenza alfabetica per quanto riguarda la numerazione dei carboni. Questo concetto diventerà più chiaro negli esempi seguenti. Il nome di questo molecola è 2,5-dimetilottano.

Esempio 2: Come si chiama la molecola sottostante?

Regola #1: Scegli la catena di carbonio più lunga e più sostituita contenente un gruppo funzionale. Questo esempio contiene due gruppi funzionali, bromo e cloro. La catena di carbonio più lunga è stata evidenziata in blu ed è composta da sette atomi di carbonio.

Regola #2: I carboni legati a un gruppo funzionale devono avere il numero di atomi di carbonio più basso possibile. Se non ci sono gruppi funzionali, allora ogni sostituente presente deve avere il numero più basso possibile. In questo esempio, numerare la catena da sinistra o da destra soddisferebbe questa regola. Se contiamo la catena da sinistra, al bromo e al cloro verrebbero assegnate rispettivamente la seconda e la sesta posizione del carbonio. Se numeriamo la catena da destra, al cloro verrebbe assegnata la seconda posizione e al bromo verrebbe assegnata la sesta posizione. In altre parole, sia che scegliamo di numerare da sinistra o da destra, i gruppi funzionali occupano la seconda e la sesta posizione nella catena. Per selezionare lo schema di numerazione corretto, è necessario utilizzare la terza regola.

Regola #3: Dopo aver applicato le prime due regole, prendi in considerazione l'ordine alfabetico. In ordine alfabetico, il bromo viene prima del cloro. Pertanto, al bromo viene assegnata la seconda posizione del carbonio e al cloro viene assegnata la sesta posizione del carbonio. Il nome di questa molecola è: 2-bromo-6-cloroeptano.

Proprietà degli alcani

Gli alcani sono poco reattivi e hanno poca attività biologica; tutti gli alcani sono composti non polari incolori e inodori. Le forze di dispersione di London relativamente deboli degli alcani si traducono in sostanze gassose per catene di carbonio corte, liquidi volatili con densità intorno a 0,7 g/mL per catene di carbonio moderate e solidi per catene di carbonio lunghe. Per le molecole con gli stessi gruppi funzionali, esiste una relazione diretta tra la dimensione e la forma delle molecole e la forza delle forze intermolecolari che causano le differenze negli stati fisici.

Punti di ebollizione

La tabella sottostante descrive delle proprietà di alcuni alcani a catena lineare. Non c'è una differenza significativa di elettronegatività tra carbonio e idrogeno, quindi non c'è alcuna polarità di legame significativa. Anche le molecole stesse hanno una polarità molto bassa. Una molecola totalmente simmetrica come il metano è completamente apolare, il che significa che le uniche attrazioni tra una molecola e le sue vicine saranno le forze di dispersione di Van der Waals. Queste forze saranno molto piccole per una molecola come il metano, ma aumenteranno man mano che le molecole diventano più grandi. Pertanto, i punti di ebollizione degli alcani aumentano con le dimensioni molecolari.

Per gli isomeri, più ramificata è la catena, più basso tende ad essere il punto di ebollizione. Le forze di dispersione di Van der Waals sono minori per le molecole più corte e operano solo su distanze molto brevi tra una molecola e le sue vicine. È più difficile che le molecole corte e grasse (con molte ramificazioni) si trovino vicine tra loro come le molecole lunghe e sottili.

I punti di ebollizione indicati sono per gli isomeri "a catena lineare" dei quali ne esistono più di uno. I primi quattro alcani sono gas a temperatura ambiente e i solidi non iniziano ad apparire fino a circa C₁₇H₃₆, ma questo è impreciso perché isomeri diversi hanno tipicamente punti di fusione e di ebollizione diversi.

Nome molecolare	Formula	Punto di fusione (°C)	Punto di ebollizione (°C)	Densità (20°C)*	Stato fisico (a 20°C)
metano	CH₄	–182	–164	0,668 g/L	gas
etano	C₂H₆	–183	–89	1.265 g/L	gas
propano	C₃H₈	–190	–42	1.867 g/L	gas
butano	C₄H₁₀	–138	–1	2.493 g/L	gas
pentano	C₅H₁₂	–130	36	0,626 g/mL	liquido
esano	C₆H₁₄	–95	69	0,659 g/mL	liquido
ottano	C₈H₁₈	–57	125	0,703 g/mL	liquido
decano	C₁₀H₂₂	–30	174	0,730 g ml	liquido
*Si noti il cambiamento nelle unità che passano da gas (grammi per litro) a liquidi (grammi per millilitro). Le densità del gas sono a una pressione di 1 atm.

I punti di ebollizione per gli isomeri "a catena lineare" e gli isoalcani hanno dimostrato che la ramificazione diminuisce l'area delle superfici, indebolisce la forza delle forze molecolari e abbassa il punto di ebollizione.

Ad esempio, i punti di ebollizione dei tre isomeri C₅H₁₂ sono:

pentano: 309,2 K
2-metilbutano: 301,0 K
2,2-dimetilpropano: 282,6 K

I punti di ebollizione leggermente più alti dei cicloalcani sono presumibilmente dovuti al fatto che le molecole possono avvicinarsi tra loro perché la struttura ad anello le rende più capaci!

Solubilità

Sono praticamente insolubili in acqua, ma si dissolvono nei solventi organici. Tuttavia, i liquidi alcani sono buoni solventi per molti altri composti organici non ionici.

Solubilità in acqua

Quando una sostanza molecolare si dissolve in acqua, deve verificarsi quanto segue:

rompere le forze intermolecolari all'interno della sostanza. Nel caso del alcani, queste sono le forze di dispersione di Van Der Waals;

rompere le forze intermolecolari nell'acqua in modo che la sostanza possa inserirsi tra le molecole d'acqua. Nell'acqua, le principali attrazioni intermolecolari sono legami a idrogeno.

Per rompere una di queste attrazioni è necessaria energia, anche se la quantità di energia necessaria per rompere le forze di dispersione di Van Der Waals in qualcosa come il metano è relativamente trascurabile; questo non è vero per i legami a idrogeno nell'acqua.

Per semplificare, una sostanza si dissolve se viene rilasciata abbastanza energia quando si formano nuovi legami tra la sostanza e l'acqua da compensare quella utilizzata per rompere le attrazioni originali. Le uniche nuove attrazioni tra l'alcano e le molecole d'acqua sono forze di Van der Waals. Queste forze non rilasciano una quantità di energia sufficiente a compensare l'energia necessaria per rompere i legami a idrogeno nell'acqua. L'alcano non si dissolve.

Si tratta di una semplificazione perché gli effetti entropici sono importanti quando le sostanze si dissolvono.

Solubilità in solventi organici

Nella maggior parte dei solventi organici, le principali forze di attrazione tra le molecole del solvente sono forze di London (dipolo istantaneo-dipolo indotto). Pertanto, quando un alcano si dissolve in un solvente organico, le forze di London sono rotte e vengono sostituite da nuove forze di London. I due processi si annullano più o meno a vicenda a livello energetico; quindi non vi è alcuna barriera alla solubilità.

Reazioni di alcani

Gli alcani subiscono pochissime reazioni. Ci sono due reazioni importanti che sono ancora possibili, la combustione e l'alogenazione. L'alogenazione è molto importante in chimica organica perché apre la strada ad ulteriori reazioni chimiche.

Combustione

La combustione completa (con sufficiente ossigeno) di qualsiasi idrocarburo produce anidride carbonica, acqua e una quantità significativa di calore. A causa della natura esotermica di queste reazioni di combustione, gli alcani sono comunemente utilizzati come fonte di combustibile (ad esempio: propano per le griglie all'aperto, butano per gli accendini). Gli idrocarburi diventano più difficili da accendere man mano che le molecole diventano più grandi. Questo perché le molecole più grandi non vaporizzano facilmente. Se il liquido non è molto volatile, solo le molecole in superficie possono reagire con l'ossigeno. Le molecole più grandi hanno maggiori attrazioni di Van der Waals, il che rende più difficile per loro separarsi dalle molecole vicine e trasformarsi in gas. Un esempio di reazione di combustione è mostrato per il propano: C₃H₈ + O₂ --> 3CO₂ + 4H₂0 + 2044 kJ/mol.

Alogenazione

L'alogenazione è la sostituzione di uno o più atomi di idrogeno in un composto organico con un alogeno (fluoro, cloro, bromo o iodio). A differenza delle complesse trasformazioni della combustione, la alogenazione di un alcano sembra essere una semplice reazione di sostituzione in cui un legame CH viene rotto e si forma un nuovo legame CX.

Poiché vengono rotti solo due legami covalenti (CH e Cl-Cl) e si formano due legami covalenti (C-Cl e H-Cl), questa reazione sembra essere un caso ideale per indagini e speculazioni meccanicistiche. Tuttavia, una complicazione è che tutti gli atomi di idrogeno di un alcano possono subire una sostituzione, dando luogo a una miscela di prodotti, come mostrato nella seguente equazione non bilanciata. Le quantità relative dei vari prodotti dipendono dalla proporzione dei due reagenti utilizzati. Nel caso del metano, un forte eccesso dell'idrocarburo favorisce la formazione di cloruro di metile come prodotto principale; mentre un eccesso di cloro favorisce la formazione di cloroformio e tetracloruro di carbonio. Es.: CH₄ + Cl₂ --> CH₃Cl + CH₂Cl + CHCl₃ + CCl₄ + HCl.

Una comprensione delle proprietà fisiche di alcani è importante poiché il petrolio e gas naturale e i numerosi prodotti da essi derivati – benzina, gas in bombole, solventi, plastica e altro – sono composti principalmente da alcani. Questa comprensione è fondamentale anche perché costituisce la base per descrivere le proprietà di altre famiglie di composti organici e biologici. Ad esempio, gran parte delle strutture di lipidi sono costituiti da gruppi alchilici non polari. I lipidi includono i grassi della dieta e composti simili al grasso chiamati fosfolipidi e sfingolipidi che fungono da componenti strutturali dei tessuti viventi. Questi composti presentano gruppi sia polari che apolari, consentendo loro di colmare il divario tra fasi idrosolubili e insolubili in acqua. Questa caratteristica è essenziale per la permeabilità selettiva delle membrane cellulari.

Conformazioni dell'etano

L'isomeria conformazionale implica la rotazione attorno ai legami sigma e non comporta alcuna differenza nella connettività degli atomi o nella geometria dei legami. Due o più strutture classificate come isomeri conformazionali, o conformatori, sono in realtà solo due molecole esattamente uguali che differiscono solo nella rotazione di uno o più legami sigma.

Conformazioni dell'etano

Sebbene ci siano sette legami sigma nell'etano molecola, la rotazione attorno ai sei legami carbonio-idrogeno non determina alcun cambiamento nella forma della molecola poiché gli atomi di idrogeno sono essenzialmente sferici. La rotazione attorno al legame carbonio-carbonio, tuttavia, determina molte diverse possibili configurazioni molecolari.

Per visualizzare meglio queste diverse conformazioni, è conveniente utilizzare una convenzione di disegno chiamata Proiezione di Newman. In una Proiezione di Newman, osserviamo longitudinalmente un legame specifico di interesse – in questo caso, il legame carbonio-carbonio nell'etano. Rappresentiamo l'atomo "anteriore" come un punto e quello "posteriore" come un cerchio più grande.

I sei legami carbonio-idrogeno sono rappresentati da linee continue che sporgono dai due atomi di carbonio formando angoli di 120°, che è l'aspetto reale della geometria tetraedrica quando viene osservata da questa prospettiva e appiattita in due dimensioni.

La conformazione a più bassa energia dell'etano, mostrata nella figura sopra, è chiamata conformazione "sfalsata". Nella conformazione sfalsata, tutti i legami CH sul carbonio anteriore sono posizionati a un angolo di 60° rispetto ai legami CH sul carbonio posteriore. Questo angolo tra un legame sigma sul carbonio anteriore e un legame sigma sul carbonio posteriore è chiamato angolo diedro. In questa conformazione, la distanza tra i legami (e gli elettroni in essi contenuti) è massimizzata. Massimizzare la distanza tra gli elettroni diminuisce la repulsione elettrostatica tra gli elettroni e si traduce in una struttura più stabile. Se ora ruotiamo il gruppo CH 3 anteriore di 60° in senso orario, la molecola si trova nella conformazione 'eclissata' ad altissima energia, e gli idrogeni sul carbonio anteriore sono il più vicino possibile agli idrogeni sul carbonio posteriore.

Questa è la conformazione a più alta energia a causa della sfavorevole repulsione elettrostatica tra gli elettroni nei legami CH anteriori e posteriori. L'energia della conformazione eclissata è circa 3 kcal/mol (12 kJ/mol) superiore a quello del conformazione sfalsata. Lo sforzo torsionale (o tensione eclissante) è il nome dato alla differenza di energia causata dall'aumentata repulsione elettrostatica dei legami eclissanti. Un'altra rotazione di 60° restituisce alla molecola una seconda conformazione sfalsata. Questo processo può essere continuato lungo tutto il cerchio di 360°, con tre possibili conformazioni eclissate e tre conformazioni sfalsate, oltre a un numero infinito di variazioni intermedie. Ci concentreremo sulle variazioni sfalsate ed eclissate poiché sono, rispettivamente, i conformatori con l'energia più bassa e quella più alta.

Rotazioni libere (senza ostacoli) non esistono nell'etano

Il legame carbonio-carbonio non è completamente libero di ruotare – 3 kcal/mol sforzo torsionale nell'etano crea una barriera alla rotazione che deve essere superata affinché il legame ruoti da una conformazione sfalsata all'altro. Questa barriera rotazionale non è abbastanza grande da impedire la rotazione se non a temperature estremamente basse. Quindi, a temperature normali, il legame carbonio-carbonio ruota costantemente. Tuttavia, in qualsiasi momento è più probabile che la molecola sia in una conformazione sfalsata - una delle "valli energetiche" rotazionali - più grande di qualsiasi altro conformatore. L'energia potenziale associata alle varie conformazioni dell'etano varia con l'angolo diedrale dei legami, come mostrato nell'immagine.

Sebbene i conformatori di etano sono in rapido equilibrio tra loro, la differenza di energia di 3 kcal/mol porta ad una sostanziale preponderanza di conformatori sfalsati (> 99,9%) in qualsiasi momento. L'animazione seguente illustra la relazione tra l'energia potenziale dell'etano e il suo angolo diedro.

Fonti

LibreTexts Chemistry: Organic Chemistry (Morsch et al.) - Organic Compounds- Alkanes and Their Stereochemistry