Chimica organica/Alcani (Proprietà)

Come verificare la stabilità relativa di due molecole

Una delle strade piu' percorse per verificare la stabilita' relativa di due molecole organiche consiste nel trasformarle, attraverso reazioni chimiche, nella stessa sostanza, piu' stabile di entrambe, quantificando l'energia liberata nel pasaggio. La specie che per trasformarsi ha liberato meno energia e' la piu' stabile.
Gli alcani (C_nH_2n+2) in presenza di un eccesso di ossigeno ed elevate temperature reagiscono con l'O₂ per formare nCO₂ e (n+1)H₂O con reazione esotermica (combustione), cioè con produzione di calore. Questa razione risponde pienamente allo scopo.

Naturalmente maggiore è la lunghezza della catena dell'alcano, maggiore è il calore che viene prodotto. La stabilità di due alcani a peso molecolare diverso può essere confrontata dividendo il calore totale sprigionato per il numero dei carboni che compongono la catena. É da notare come contemporaneamente al calore sviluppato aumenti anche la temperatura di attivazione della reazione, quindi gli alcani a peso molecolare sopra il C₃₀ sono cattivi combustibili come il bitume.

Alcani: Stabilità relativa degli isomeri

Stabilità relativa di due isomeri del pentano

Stabilita' relativa di due isomeri del pentano

La tensione d'anello nei cicloalcani

Poichè i cicloalcani sono caratterizzati da un numero diverso di atomi di carbonio, un confronto sulla loro stabilità relativa può essere basato sul calore di combustione sviluppato solo dividendo tale quantità per il numeri di carboni. Il calore sviluppato per carbonio decresce da ciclopropano a cicloesano, risale dal cicloesano fino al cicloalcano a 15 carboni (pentadecano), poi si stabilizza. I carboni che compongono un alcano sono ibridati sp₃, così che i gruppi ad essi legati tendono a formare angoli di 109.5 gradi tra loro. La configurazione ad anello impedisce ai cicloalcani dai 3 ai 15 carboni, con l'eccezione del cicloesano, di disporre i protoni in modo sfalsato gli uni rispetto agli altri, generando quella che viene definita tensione d'anello.

Caso cicloesano
Il cicloesano, se in conformazione planare, non fa eccezione. Esistono tuttavia due conformazioni perfettamente compatibili con l'ibridazione sp₃ dei carboni: quelle a sedia. Si parla di conformazioni poichè per passare dall'una all'altra sono necessarie solo rotazioni di legami σ. La figura, coerentemente, le mostra in equilibrio tra loro
Proiettare il cicloesano secondo Newman evidenzia il fatto che i protoni siano perfettamente sfalsati.
Nelle conformazioni a sedia è possibile identificare il piano identificato dai carboni, idrogeni protesi al di sotto ed altri al di sopra di tale piano. Quelli diretti al di sopra del piano sono alternativamente rivolti perpendicolarmente rispetto al piano stesso (assiali) e quasi parallelamente (equatoriali). La stessa cosa vale per quelli diretti al di sotto del piano.
La rappresentazione di Newman mostra come un gruppo in direzione equatoriale si trovi al di sopra del piano costituito dai carboni quando il gruppo in assiale legato al medesimo carbonio sia diretto in basso.

Conformazioni a sedia del cicloesano	Cicloesano visto con proiezione di Newman

Disegnare il cicloesano in una delle due conformazioni a sedia

In natura le molecole caratterizzate da anelli a 6 termini, delle quali il cicloesano è la più semplice, ricoprono ruoli molto importanti. E' opportuno pertanto imparare fin da subito a disegnare il cicloesano in modo corretto e rapido Traccia due righe parallele e oblique Disegna le punte Disegna i legami con gli idrogeni: se la punta del ciclo è in basso, l'idrogeno assiale è diretto in basso e quello equatoriale in alto.

Cicloesano visto con proiezione di Newman

Approfondimenti

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