Esistono alcune molecole organiche la cui struttura comprende un anello, una porzione “chiusa” che ricorda un ciclo. Gli idrocarburi con questa caratteristica vengono chiamati aliciclici, o spesso semplicemente ciclici, a meno che non siano idrocarburi aromatici.
Un ciclo può essere costituito anche da molti o pochi elementi, ovviamente si può parlare di ciclo se gli elementi sono maggiori di due; se questi elementi sono tutti atomi di carbonio, parliamo di cicloalcani (cicloalcheni se presente un doppio legame, cicloalchini se presente un triplo legame), se invece sono presenti altri elementi, parliamo di composti eterociclici.
Tra i cicloalcani, le specie più comuni sono ciclopropano (ciclo a 3), ciclobutano (a 4), ciclopentano (a 5) e cicloesano (a 6).
Queste molecole così rappresentate possono sembrare tutte planari; in realtà la maggior parte di esse hanno una certa libertà di movimento, che permette a uno o più elementi del ciclo di uscire da dall'ipotetico piano su cui le disegnamo. Questo fenomeno genera diverse disposizioni nello spazio degli elementi che legano il ciclo. In questo caso si parla di una isomeria conformazionale: le varie forme spaziali vengono chiamate conformazioni. Una molecola può avere conformazioni spaziali diverse anche soltanto per la rotazione intorno a un singolo legame carbonio-carbonio.
Le varie conformazioni di una molecola tuttavia non hanno la stessa stabilità. In alcune di esse ci possono essere tensioni legate a torsioni della struttura dell’anello o alla “collisione” fra i vari sostituenti dell’anello stesso, che, impattando fra loro, aumentano l’energia globale della molecola. Poichè le molecole tendono ad abbandonare una conformazione instabile per una più stabile, ci possono essere cambi conformazionali, che permettano di passare da una all’altra.
Per quanto riguarda il ciclopropano, non è possibile in alcun modo sfuggire dalla forma planare, in quanto bloccato in una struttura triangolare, mentre il ciclobutano e il ciclopentano possiedono una libertà conformazionale che permette loro di abbassare leggermente la loro energia intrinseca. É tuttavia il cicloesano la molecola che fra queste possiede la maggiore libertà conformazionale, che lo porto ad avere diversi isomeri conformazionali: i più importanti sono la conformazione “a sedia” e la conformazione “a barca”, fra i quali il primo ha una minor energia, e di conseguenza risulta più stabile.
La conformazione “a sedia” può presentarsi in due forme diverse, le quali presentano eventuali sostituenti che “puntano” in direzioni diverse dello spazio. Per descrivere questi legami si utilizza il termine assiale, per indicare la posizione dei sostituenti perpendicolari al piano della molecola, mentre equatoriale per quelli che si avvicinano o si allontanano dal piano del foglio.
Purtroppo la rappresentazione bidimensionale di queste molecole non permette di capire a pieno le loro caratteristiche, per questo è spesso necessario fare uno sforzo di immaginazione, per capire come i sostituenti modifichino il loro orientamento, passando da una forma assiale ad una equatoriale e viceversa.
Cicloesano nelle due forme “a sedia” alternative. I numeri apici ai vari idrogeni (H) servono solo a raggruppare i sostituenti che puntano nella stessa direzione. Si osservi come i sostituenti assiali diventino equatoriali e viceversa.
Per quanto riguarda il cicloesano le due conformazioni “a sedia” possiedono la stessa energia, ma quando esso è sostituito da un qualcosa diverso da H, ciò non è più vero. La presenza di sostituenti infatti, può generare un ingombro "geometrico" (ingombro sterico) o "per rotazione", aumentando l’energia e quindi l’instabilità della molecola, come sottolineato prima. In linea generale i sostituenti più stabili si trovano in forma equatoriale, perchè il loro orientamento presenta una minor probabilità di "colpirsi" tra loro. Di conseguenza la reazione di isomerizzazione spontanea non è più all’equilibrio, come per il cicloesano, ma bensì spostata verso la forma più stabile.
Isomeri conformazionali del terz-butilcicloesano. Quando il sostituente si trova in posizione assiale interferisce per ingombro sterico con gli idrogeni legami a C3 e C5, i quali puntano nello sua stessa direzione. Ciò non accade per la posizione equatoriale, verso la quale infatti è spostato l’equilibrio.
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