Idrocarburi saturi: alcani

Si definiscono così gli idrocarburi che contengono solo legami semplici nella catena. Il primo termine della serie è il metano (CH₄), cui seguono etano (C₂H₆), propano (C₃H₈) e butano (C₄H₁₀).

metano	etano	propano	butano

A partire dal butano si incontra negli alcani il fenomeno della isomeria.
Si ha isomeria quando due molecole che hanno la stessa formula molecolare, hanno struttura diversa.

Il butano ha due isomeri: normal butano (n-butano) e isobutano (o 2-metilpropano). Il n-butano è qui rappresentato mediante la formula razionale, l'iso-butano mediante la formula di struttura.

Si definisce "normale" la struttura lineare, mentre si parla di forme "iso" quando la catena è ramificata e più precisamente quando, comunque si consideri la molecola, la massima lunghezza è sempre la stessa: le forme iso degli alcani portano sempre un metile laterale legato al secondo carbonio della catena normale.

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1. Si sceglie come struttura base la catena più lunga possibile.

2. Si considera il composto come derivato da questa struttura per sostituzione degli atomi di idrogeno con gruppi alchilici.

Si dicono alchilici quei gruppi che contengono un idrogeno in meno del relativo alcano. Un generico gruppo alchilico si indica comunemente con una R. Il nome di questi gruppi si ottiene semplicemente sostituendo con -ile il suffisso -ano dell'alcano corrispondente:

CH₃-, metile; CH₃-CH₂-, etile; CH₃-CH₂-CH₂-, propile; etc.

3. Si numerano gli atomi di carbonio della catena principale cominciando dall'estremità che permette di usare i numeri più bassi per indicare i sostituenti.

4. Se lo stesso gruppo compare più di una volta come catena laterale, si aggiunge il prefisso di-, tri-, tetra- etc.

5. Se vi sono gruppi alchilici diversi legati alla catena principale, si elencano in ordine di grandezza crescente (prima i metili, poi gli etili, i propili, i butili etc.).

Classificazione degli atomi di carbonio
È spesso utile classificare un atomo di carbonio di un alcano in base al numero di altri atomi di carbonio a cui è legato.
Un atomo di carbonio potrà quindi essere definito primario, secondario, terziario o quaternario, a seconda che leghi uno, due, tre o quattro altri atomi di carbonio.

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Gli alcani sono composti apolari in quanto contengono solo legami covalenti pressoché omopolari, disposti in modo del tutto simmetrico.

Poiché le attrazioni intermolecolari sono dovute unicamente a deboli forze di van der Waals, tanto più forti quanto più grande è la molecola, i loro punti di fusione e di ebollizione sono piuttosto bassi ed aumentano con le dimensioni della molecola. I primi quattro termini della serie sono tutti gassosi a temperatura ambiente. Non potendo formare legami a idrogeno, gli alcani non sono solubili in acqua, mentre lo sono nei solventi apolari, quali benzene, etere etc.

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Gli alcani sono chimicamente inerti verso la maggior parte dei reagenti e danno solo poche reazioni che avvengono in condizioni drastiche, con produzione di miscele di prodotti. Poiché negli alcani sono presenti legami covalenti pressoché omopolari, essi non danno reazioni di tipo ionico. Danno invece reazioni radicaliche, che procedono con meccanismi a catena di radicali liberi e sono esplosive se l'alcano è di basso peso molecolare.

Un esempio di questo tipo di reazioni è l'alogenazione. In presenza di luce o alte temperature (250-400°C) gli alcani reagiscono con gli alogeni allo stato gassoso per formare una miscela di prodotti mono, di, tri, tetrasostituiti. Dalla reazione del metano con il cloro si ottiene, ad esempio, cloruro di metile, dicloruro di metilene, cloroformio e tetracloruro di carbonio.

Un'altra reazione caratteristica degli alcani è l'ossidazione (combustione):

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O

La combustione totale fino a H₂O e CO₂ è una proprietà caratteristica dei composti organici; viene anzi spesso usata per la determinazione del contenuto di C e H in una sostanza organica. Altrimenti l'ossidazione per combustione non ha altra importanza che per la produzione di calore: la combustione degli idrocarburi produce infatti notevoli quantità di calore (ad esempio, il calore di combustione del metano è di 213 kcal/mole).

 

Le reazioni della chimica organica implicano normalmente la rottura di legami e la formazione di nuovi. Poiché il legame è sempre formato da una coppia di elettroni condivisa da due atomi (A:B), esso può scindersi essenzialmente in due modi:

1) OMOLITICO o RADICALICO. In questo caso, ciascun atomo si “prendeâ€� un elettrone (A:B → A• + B•) e si formano dei radicali. Le reazioni che comportano questo tipo di scissione si dicono radicaliche; sono piuttosto violente, esplosive, e spesso procedono con un meccanismo “a catenaâ€�, poiché i radicali, per la presenza dell'elettrone spaiato, sono molto reattivi ed hanno un tempo di vita molto breve. La formazione di radicali è un processo che richiede una certa energia: è favorita dal calore e dai raggi U.V. Molto difficile in solventi polari, avviene più rapidamente in solventi apolari. La rottura omolitica è tipica del legame σ (covalente apolare)

2) ETEROLITICO o IONICO. In questo caso il doppietto è preso interamente da uno dei due atomi e si formano quindi un anione e un catione (A:B → A:^– + B⁺). La rottura eterolitica è frequente nei legami π oppure quando vi sia una certa differenza di elettronegatività tra i due atomi legati. Gli ioni che si formano sono anch'essi molto reattivi, ma hanno una vita media più lunga dei radicali.
La maggioranza delle reazioni organiche procede attraverso meccanismi “ionici�; le reazioni radicaliche sono per lo più limitate ai legami covalenti apolari (o quasi) o a reazioni di polimerizzazione.

 

Bibliografia / Sitografia:

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Grande enciclopedia De Agostani Gedea

                

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