Alcheni: struttura, nomenclatura e isomeria cis/trans

Gli alcheni sono idrocarburi che contengono almeno un doppio legame carbonio-carbonio. Quel doppio legame cambia tutto: rende la molecola più reattiva, ne irrigidisce la forma e introduce un tipo nuovo di isomeria, quella geometrica. Comprendere gli alcheni significa capire perché due molecole con la stessa formula possano comportarsi in modo profondamente diverso a seconda di come sono disposti i gruppi attorno al doppio legame.

Vediamo la formula generale degli alcheni, come si applica la nomenclatura IUPAC, che cos’è l’isomeria cis/trans (ed E/Z) e perché questi composti sono così reattivi.

Il doppio legame e la formula generale

In un alchene due atomi di carbonio sono uniti da un doppio legame, formato da un legame σ (sigma) e da un legame π (pi greco). I carboni coinvolti sono ibridati sp² e giacciono, con i loro sostituenti, su un piano. La presenza del doppio legame «toglie» due idrogeni rispetto all’alcano corrispondente, e questo si riflette nella formula generale:

C_nH_2n

Così l’etene (o etilene) è C₂H₄, il propene C₃H₆, il butene C₄H₈. La caratteristica decisiva del legame π è che impedisce la libera rotazione attorno all’asse del doppio legame: a differenza di un legame singolo, attorno al quale i gruppi ruotano liberamente, qui la geometria resta «bloccata».

proprietà del doppio legame: 1 σ + 1 π · geometria planare · rotazione impedita

La nomenclatura IUPAC degli alcheni

Le regole ricalcano quelle degli alcani, con un’aggiunta. Si individua la catena più lunga che contenga il doppio legame e si sostituisce il suffisso –ano con –ene. La numerazione parte dall’estremo che assegna al doppio legame il numero più basso, e si indica con quel numero la posizione del doppio legame: per esempio but-1-ene ha il doppio legame tra il primo e il secondo carbonio, but-2-ene tra il secondo e il terzo. I sostituenti si trattano come negli alcani.

L’isomeria cis/trans (e la notazione E/Z)

Poiché il doppio legame impedisce la rotazione, i gruppi legati ai due carboni restano fissi da uno stesso lato o da lati opposti del piano. Nasce così l’isomeria geometrica. Quando i due gruppi uguali (o gli idrogeni) stanno dalla stessa parte si parla di isomero cis; quando stanno da parti opposte, di isomero trans. Il but-2-ene, per esempio, esiste come cis-but-2-ene e trans-but-2-ene: stessa formula, ma forma e proprietà diverse, al punto da avere punti di ebollizione distinti.

Quando i quattro sostituenti sono tutti diversi, i termini cis/trans diventano ambigui e si usa la notazione più rigorosa E/Z, basata sulle priorità degli atomi: se i due gruppi a priorità più alta sono dallo stesso lato si ha l’isomero Z (dal tedesco zusammen, «insieme»), se sono da lati opposti l’isomero E (entgegen, «opposti»). È il sistema che le banche dati e le etichette usano per indicare senza equivoci di quale isomero si tratta.

La reattività: l’addizione al doppio legame

Il legame π è più debole ed esposto del legame σ: è una zona ricca di elettroni che attira i reagenti elettrofili. Per questo la reazione tipica degli alcheni è l’addizione, in cui il doppio legame si apre e due nuovi gruppi si legano ai due carboni. L’idrogenazione aggiunge idrogeno trasformando l’alchene nell’alcano corrispondente; l’addizione di acqua dà un alcol; l’addizione di un acido alogenidrico dà un alogenuro alchilico. In molti casi vale la regola di Markovnikov, che prevede su quale carbonio si lega l’idrogeno. Su scala industriale, l’addizione ripetuta di molte molecole di alchene tra loro produce i polimeri: dall’etilene si ottiene il polietilene, una delle materie plastiche più diffuse al mondo.

Cis e trans a confronto

La tabella mette in evidenza le condizioni per avere isomeria geometrica e la differenza tra le due notazioni:

Se anche uno solo dei due carboni del doppio legame porta due gruppi identici, l’isomeria geometrica non esiste: è la condizione che va sempre verificata prima di assegnare cis/trans o E/Z.

Domande frequenti

Che cosa sono gli alcheni?

Sono idrocarburi che contengono almeno un doppio legame carbonio-carbonio. Con un solo doppio legame rispondono alla formula C_nH_2n. I due carboni coinvolti sono ibridati sp², planari, e il doppio legame — formato da un legame σ e da un legame π — ne blocca la rotazione reciproca.

Qual è la formula generale di un alchene?

Con un solo doppio legame è C_nH_2n: due idrogeni in meno rispetto all’alcano con lo stesso numero di carboni. Per esempio l’etene è C₂H₄ e il propene C₃H₆. Ogni doppio legame in più (o ogni anello) sottrae altri due idrogeni.

Che cos’è l’isomeria cis/trans?

È l’isomeria geometrica dovuta al fatto che il doppio legame impedisce la rotazione: i sostituenti restano fissi dallo stesso lato (cis) o da lati opposti (trans) del piano. Esiste solo quando ciascun carbonio del doppio legame porta due gruppi diversi. I due isomeri hanno proprietà fisiche distinte.

Qual è la differenza tra cis/trans ed E/Z?

Descrivono lo stesso fenomeno. Cis/trans si usa nei casi semplici, guardando gruppi uguali o idrogeni. E/Z è sempre applicabile: si basa sulla priorità degli atomi e indica con Z i due gruppi prioritari dallo stesso lato, con E da lati opposti. La notazione E/Z è quella preferita nelle banche dati e nelle etichette.

Perché gli alcheni sono più reattivi degli alcani?

Perché il legame π del doppio legame è debole ed elettronicamente esposto: attira i reagenti e si apre facilmente. La reazione tipica è l’addizione, in cui il doppio legame accoglie due nuovi gruppi. È la stessa reattività che, su scala industriale, permette di trasformare gli alcheni in polimeri come il polietilene.