Il norbornano o canfano, nome sistematico biciclo[2.2.1]eptano, è un bicicloalcano a gabbia avente formula molecolare C7H12. L'idrocarburo deve il suo nome al bornano/canfano, che è un monoterpene con tre sostituenti metilici in più e rappresenta lo scheletro carbonioso della canfora (1,7,7-trimetil-2-bornanone). Dalla canfora deriva un altro nome dell'idrocarburo, norcanfano, che a volte si trova menzionato in letteratura. Il prefisso nor-, che sottintende «normale», si riferisce in ogni caso alla rimozione dei sostituenti metilici dal bornano/canfano.
Dal norbornano deriva il catione 2-norbornile ([C7H11]+), che è di preminente interesse teorico-scientifico in quanto carbocatione non classico.
Molecole con la struttura dello scheletro carbonioso del norbornano sono di interesse in chimica delle sostanze naturali, chimica biologica e chimica farmaceutica.
Un composto correlato è il trinorbornano, un idrocarburo tetraciclico saturo di formula C11H16, anch'esso a gabbia e con due aggiuntivi anelli cicloesannici fusi, che è chirale e che è stato sintetizzato nel 2017.
Sintesi Il norbornano venne preparato inizialmente per riduzione della norcanfora (2-norbornanone). Si può anche preparare tramite una reazione di Diels-Alder tra il ciclopentadiene e l'etilene a dare il norbornene, seguita da un'idrogenazione. Il composto può anche essere ottenuto per idrogenazione dei composti insaturi correlati norbornene e norbornadiene.
Il norbornano non è considerato pericoloso secondo le direttive 67/548/EEC o 1999/45/EC.
Proprietà e struttura Il norbornano è un bicicloalcano il cui scheletro molecolare corrisponde a quello dell'anello del cicloesano in conformazione a barca, con l'aggiunta di un ponte metilenico (−CH2−) che si congiunge alle posizioni assiali in 1 e 4, tra loro opposte.
In condizioni ambiente il norbornano è un solido cristallino incolore (o polvere bianca), volatile, con un punto di fusione di 85–88 °C, e che come liquido bolle poco più in alto (106 °C); in acqua è praticamente insolubile, ma si scioglie, oltre che in altri idrocarburi, in acetone e in alcool.
Il norbornano è un composto termodinamicamente stabile, ΔHƒ° = -95,0 ± 1,1 kJ/mol, nonostante la sua struttura con alcuni angoli di legame non ottimali per l'ibridazione sp3 degli atomi di carbonio sia affetta da una certa tensione sterica: l'ammontare della conseguente destabilizzazione è valutata in 16,98 kcal/mol (71,0 kJ/mol).
Pur essendo un idrocarburo, il norbornano non è apolare: il suo momento di dipolo, seppur piccolo, non è nullo: μ = 0,15 D.
Il suo potenziale di ionizzazione è di 9,77 eV.
Parametri strutturali Lo scheletro della molecola è una struttura a gabbia (3D) di simmetria C2v, costituita da due teste di ponte (C1, C4), entrambe collegate da due ponti biatomici (−C2−C3−) e (−C5−C6−), e un ponte monoatomico (−C7−). Con questa struttura dello scheletro sono noti anche il norbornene, con un doppio legame tra C2 e C3, e il norbornadiene, con un ulteriore doppio legame tra C5 e C6.
Da indagini combinate sul norbornano (diffrazione elettronica in fase gassosa, spettroscopia rotazionale nella regione delle microonde, spettroscopia infrarossa e Raman) sono stati ricavati i valori per le principali distanze di legame (r), ed angoli di legame (∠); sono riportati qui di seguito alcuni valori significativi che è stato possibile assegnare:
r(C1–C2) = 153,04 pm, r(C2–C3) = 157,3 pm, r(C1–C7) = 154,6 pm, rmedia(C–C) = 154,8 pm;
r(C1–H) = 109,4 pm, rmedia(C–H) = 111,3 pm;
∠C1–C2–C3 = 102,71°, ∠C2–C1–C6 = 108,97°, ∠C1–C7–C4 = 93,41°;
angolo diedro tra i piani C1–C2–C3–C4 e C1–C6–C5–C4 = 113,1°.
Il legame C−H riportato ha lunghezza praticamente normale (109 pm), ma la media dei legami C–H ha un valore leggermente superiore.
I legami C1–C2 e C1–C7 hanno lunghezze molto vicine al valore normale di 154 pm, mentre il legame C2–C3, dove le due coppie di idrogeni sono necessariamente eclissate, è sensibilmente più lungo.
L'angolo C2–C1–C6 ha praticamente il valore atteso per l'ibridazione sp3 del carbonio (109,5°), tipica di un idrocarburo saturo; quello C1–C2–C3 è invece piuttosto stretto al confronto e soprattutto l'angolo sull'atomo di carbonio apicale (C7) è tanto più stretto rispetto ai 109,5°; tutto questo è alla base della tensione sterica riscontrata.
Specie ioniche e reattività connessa Il norbornano può essere protonato per trattamento con soluzioni di superacidi, in particolare pentafluoruro di antimonio in acido fluoridrico liquido (HF : SbF5 = 35 : 1), dando inizialmente il catione C7H13+. Questo ione subisce riarrangiamenti e tende ad equilibrarsi tra tre principali strutture: ione metilcicloesile, ione 1,2-dimetilciclopentile e ione 1,3-dimetilciclopentile; tuttavia, tutti e tre non tendono, nella miscela superacida con la composizione suddetta, ad eliminare una molecola di idrogeno per dare il catione non classico norbornile C7H11+. All'aumentare della concentrazione di SbF5 nella soluzione, l'SbV esercita la sua azione ossidante assorbendo una mole di H2 da C7H13+ e riducendosi quindi a derivati di SbIII, producendo lo ione norbornile C7H11+.
Quest'ultimo ione, che esiste stabile come composto salino dello ione esafluoroantimoniato ([C7H11]+[SbF6]–), può d'altro canto essere idrogenato a norbornano:
[C7H11]+[SbF6]– + H2 → C7H12 (norbornano) + [HF·SbF5]
Per lo ione norbornile la reazione consiste in una riduzione; viene condotta sulla soluzione del sale in soluzione di HF con H2 alla pressione di 15 atm, a temperature a partire da 0 °C. Ad una data temperatura la costante di velocità della reazione è dello stesso ordine di grandezza dell'analoga idrogenazione del catione t-butile [(CH3)3C]+ a dare il corrispondente alcano, l'isobutano (2-metilpropano).
Note
Voci correlate
Bornano Norbornene Norbornadiene Canfora Bicicloalcani
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Collegamenti esterni
Categoria:Bicicloalcani