Cicloalcani
# 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 $sp^3$ 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

    il carbene è una particella poco stabile che può esistere in due forme, una di queste è il biradicale $^.CH_2^.$ 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, $CH_2N_2,$ 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 $^.CCl_2^.$ generato dall'azione del sodio idrato sul cloroformio.
* ciclizzazione di 1,3-dialogenuri alchilici per reazione con metalli, generalmente zinco

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:

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

