Cicloalcani

I cicloalcani (o nafteni^[1]) 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).^[2] 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.

• 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

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.

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.

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.

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

• Sistematica organica
• Alcani
• Bicicloalcani
• Spiroalcani

• Wikimedia Commons contiene immagini o altri file su cicloalcani

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

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