Cicloalcani

I cicloalcani (o nafteni) sono composti organici monociclici saturi (cioè che non contengono legami doppi o tripli tra atomi di carbonio) costituiti solamente da atomi di carbonio e di idrogeno (e per questo appartenenti alla più ampia classe degli idrocarburi). Appartengono inoltre alla classe dei composti aliciclici (che comprende inoltre i cicloalcheni e i cicloalchini).
I cicloalcani presentano formula bruta C_nH_2n.

Esempi di cicloalcani sono il ciclobutano e il cicloesano.

• 
  Ciclopropano
• 
  Ciclobutano
• 
  Ciclopentano
• 
  Cicloesano

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 (ad eccezione del ciclopropano). 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 88° 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.

Nomenclatura IUPAC

• Come radice si utilizza il nome del cicloalcano progenitore, quindi i cicloalcani saranno nominati come cicloalcani sostituiti e non come sostituenti cicloalcani. Questo accade tranne in alcuni casi dove si ha una catena carboniosa che contiene più atomi di carbonio dell'anello stesso (es 1-ciclopropilbutano)
• si comincia a numerare da un carbonio sostituito facendo in modo che la somma dei numeri di tutti i sostituenti sia la più bassa possibile. Se sono presenti più gruppi diversi si ordina secondo l'ordine alfabetico e i sostituenti non alchilici (es alogeni) vengono trattati alla stregua di gruppi alchilici.

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.

 cicloesano         metilciclopentano       1,2-dietilcicloesano

Isomeria nei cicloalcani

Nei cicloalcani, data la loro particolare struttura tridimensionale non lineare, manca la possibilità di avere rotazione libera di legami come ad esempio negli n-alcani. Nonostante questa maggior rigidità, i cicloalcani possono manifestare fenomeni di isomeria e questa è data dalla posizione dei loro sostituenti rispetto al piano orizzontale. I sostituenti possono infatti presentarsi sulla stessa faccia e saranno quindi in cis (a) oppure presentarsi su facce opposte ed essere quindi in trans (b). A differenza degli isomeri di struttura i sostituenti sono legati nello stesso ordine ma hanno disposizione tridimensionale differente. Composti con queste proprietà sono definiti stereoisomeri.

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, il ciclopropano reagisce con idrogeno attraverso apertura dell'anello, trasformandosi in propano:

CH2---CH2
  \  /     +  H2  →  CH3-CH2-CH3
   CH2

o con acidi alogenidrici attraverso apertura dell'anello, trasformandosi nei corrispondenti propani alogenati:

CH2---CH2
  \  /     +  HX  →  CH3-CH2-CH2-X
   CH2

Voci correlate

• Sistematica organica
• Alcani
• Bicicloalcani
• Spiroalcani

Altri progetti

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Collegamenti esterni

• cicloalcano / naftène, su sapere.it, De Agostini.
• (EN) cycloalkane, su Enciclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc.