U 13
I
composti
organici
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U13 I composti organici
IDROCARBURI
Le caratteristiche fisiche e chimiche
della grande varietà dei composti
organici esistenti dipendono,
essenzialmente, dagli elementi che
entrano nella composizione delle
loro molecole e dai modi in cui essi
si combinano. Come sappiamo, tutti
i composti organici contengono
almeno carbonio e idrogeno: i più
semplici sono quelli che contengono
soltanto questi elementi e sono detti
perciò idrocarburi.
Idrocarburi
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U13 I composti organici
Sono costituiti da idrocarburi, per esempio, il
petrolio e il gas naturale.
Idrocarburi
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U13 I composti organici
Gli idrocarburi si distinguono in alifatici e aromatici
secondo lo schema:
Idrocarburi
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U13 I composti organici
Alcani
Gli idrocarburi
strutturalmente più semplici e
più abbondantemente
rappresentati sono
raggruppati nella classe degli
alcani.
Alcani
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Il tipo di ibridizzazione del carbonio negli
alcani implica che la loro struttura
sia caratterizzata da angoli di 109,5°,
come si può vedere ad esempio nella
rappresentazione tridimensionale della
molecola del propano, C3H8, appena
vista.
Per rappresentazioni più sintetiche si
ricorre a formule bidimensionali, che
peraltro non rendono la profondità della
molecola.
I primi quattro termini della serie degli alcani hanno i nomi
tradizionali:
Alcani
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Per gli isomeri di struttura più semplici, si ricorre ai
prefissi “n-” (dall’inglese normal) e “iso-”, con i quali si
indicano catene rispettivamente lineari o ramificate.
Alcani
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La IUPAC ha fissato le
regole per l’attribuzione del
nome a un alcano qualsiasi.
Per comprenderle,
vediamo innanzitutto che
cosa si intende per radicale
alchilico.
Il nome di un radicale
alchilico si ottiene da quello
dell’alcano da cui deriva
sostituendone il suffisso
“-ano” con il suffisso “-ile”
e aggiungendo, se
necessario, un numero che
indichi la posizione del
legame disponibile sulla
catena.
Alcani
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U13 I composti organici
Vediamo come si procede per attribuire il nome IUPAC
a un alcano qualsiasi. Nel caso, per esempio, del
composto:
1. Si individua la catena principale, quella cioè
costituita dal maggior numero di atomi di carbonio
disposti in sequenza (può essere anche spezzata,
come nel nostro caso) e si riconosce il relativo alcano.
Nel nostro esempio, gli atomi della catena sono sette,
per cui si tratta di eptano.
Alcani
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U13 I composti organici
2. Si individuano i radicali alchilici legati alla catena
principale. Nel nostro caso, un etile e un metile:
3. Si numerano gli atomi di carbonio della catena
principale partendo da una delle due estremità (si
sceglie la numerazione che consente di attribuire i
numeri più bassi possibile agli atomi cui sono legati i
radicali alchilici). Nel nostro esempio, si sceglie la
numerazione da destra verso sinistra (in azzurro):
Alcani
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4. Il nome del composto si ottiene allora elencando i
nomi dei radicali alchilici che vi compaiono, in ordine
alfabetico e preceduti ciascuno dal rispettivo numero
di posizione, e facendoli seguire dal nome dell’alcano
della catena principale.
Nel nostro caso, il nome del composto è:
4-etil-3-metileptano.
Se nella catena sono presenti più radicali alchilici
uguali se ne indicano i numeri di posizione in
sequenza, separati da virgola, si premette al nome del
radicale un prefisso che ne indica il numero (“di-”, “tri”, “tetra-” ecc.) e si conclude con il nome
dell’alcano della catena principale.
Alcani
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U13 I composti organici
5. Nei composti in cui sono legati alla catena
principale atomi o gruppi di atomi diversi dai radicali
alchilici, per esempio alogeni, si ricorre alle stesse
regole di numerazione.
Alcani
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E questo composto come si chiama?
Catene
minori
Catena
principale
1
7
2
3
4
6
5
4
3
5
6
2
7
1
Si deve numerare da destra a sinistra:
4-etil-4,5-dimetileptano
Alcani
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Proprietà fisiche e reattività degli alcani
A temperatura ambiente, lo stato fisico degli alcani è
legato al numero di atomi di carbonio che contengono:
gassosi fino a 4 atomi di carbonio, liquidi fino a 15 e
solidi quelli con più di 15.
Tra le molecole di questi idrocarburi, tutte praticamente
apolari, si possono stabilire solo deboli interazioni dipolo
istantaneo-dipolo indotto, per cui i punti di ebollizione
degli alcani sono determinati dai loro pesi molecolari e
dalla ramificazione delle molecole.
Alcani
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Gli alcani sono chimicamente inerti verso la maggior
parte dei reagenti e prendono parte a poche reazioni,
che avvengono in condizioni drastiche, con produzione
di miscele di prodotti.
Tipiche degli alcani sono le reazioni radicaliche,
caratterizzate da rotture omolitiche dei legami.
Le reazioni principali degli alcani sono l’alogenazione
radicalica e la combustione, che possono essere
esplosive se l’alcano è di basso peso molecolare.
Un esempio tipico di alogenazione degli alcani è la
clorurazione del metano:
Alcani
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Un gruppo di alcani con caratteristiche particolari è
costituito dai cicloalcani. Essi, con l’eccezione del
ciclopropano, hanno strutture non planari.
Alcani
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Alcheni
Abbiamo visto che negli alcani tutti i gli atomi di carbonio sono uniti
da legami semplici. La presenza di legami multipli caratterizza classi
di idrocarburi differenti.
La presenza del doppio legame
impedisce la libera rotazione degli
atomi di carbonio e costringe sia essi
sia quelli a essi legati a giacere su un
unico piano.
L’ibridizzazione sp2 impone inoltre
angoli di legame di 120°.
Alcheni e alchini
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Il nome tradizionale del gruppo degli alcheni è olefine e la IUPAC ha
stabilito che:
Nel nome deve inoltre essere
indicata la posizione nella catena
del primo atomo di carbonio che
forma il doppio legame,
assegnando a questa il numero
più basso possibile.
Si noti che il 2-butene
può presentarsi in due
forme stereoisomere a
seconda di come sono
disposti i gruppi
sostituenti sul doppio
legame.
Alcheni e alchini
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Un gruppo di idrocarburi insaturi
caratterizzati dalla presenza di due doppi
legami sono i dieni.
I loro nomi si ottengono da quelli degli
alcani corrispondenti mettendo prima i
numeri che indicano le posizioni dei doppi
legami e aggiungendo il suffisso “-diene”.
Interessanti derivati
biologici dei dieni sono i
terpeni, presenti in molti
principi attivi delle piante,
alle quali, in particolare,
conferiscono
il profumo.
Alcheni e alchini
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U13 I composti organici
Proprietà fisiche e reattività degli alcheni
Come per gli alcani, anche le proprietà fisiche degli alcheni sono
correlate al numero di atomi di carbonio in essi presenti. Va
ricordato che gli isomeri cis presentano interazioni molecolari più
intense rispetto ai corrispondenti isomeri trans e hanno quindi
punti di ebollizione più alti.
Alcheni e alchini
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Nessun alchene è solubile in acqua, ma tutti si sciolgono bene in
solventi apolari, come etere e benzene.
Le reazioni tipiche degli alcheni avvengono con rottura del
legame π e formazione di due legami σ: sono quindi addizioni di
atomi, o gruppi di atomi, con caratteristiche elettrofile, al doppio
legame.
Alcheni e alchini
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U13 I composti organici
Oltre alle addizioni elettrofile, gli alcheni danno reazioni di
polimerizzazione. Ricordiamo che un polimero è una macromolecola
costituita da una catena di un gran numero di gruppi molecolari uniti
mediante la ripetizione di un legame covalente.
L’etilene, per esempio, polimerizza a caldo e a pressioni elevate, in
presenza di un catalizzatore. Dalla reazione si ottiene il polietilene,
costituito da lunghissime catene risultanti dall’unione di decine di
migliaia di molecole di etilene:
Alcheni e alchini
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Il polietilene che si ottiene può essere
molto ramificato (LDPE: low density
polyethylene) o poco ramificato
(HDPE: high density polyethylene) a
seconda delle condizioni operative.
Con l’LDPE si producono pellicole,
mentre l’HDPE, più
resistente al calore,
viene utilizzato per la
produzione di
contenitori.
Alcheni e alchini
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Alchini: triplo legame
Una classe di idrocarburi insaturi presenta un particolare utilizzo degli
orbitali del carbonio: si tratta degli alchini.
La struttura degli alchini è lineare, come si può vedere ad
esempio nella rappresentazione tridimensionale della molecola
dell’acetilene, C2H2.
Alcheni e alchini
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U13 I composti organici
Secondo le regole IUPAC,
i nomi si ottengono da
quelli dei corrispondenti
alcani premettendo loro il
numero che indica la
posizione del triplo
legame e aggiungendo il
suffisso “-ino”.
L’alchino più
semplice è l’etino,
comunemente
detto acetilene
usato per il taglio
dei metalli.
L’acetilene è un gas che, se
compresso, esplode; per conservarlo
in bombole, viene disciolto in acetone
e adsorbito su materiale poroso.
La reattività degli alchini è simile a quella degli alcheni.
Alcheni e alchini
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Idrocarburi aromatici: la delocalizzazione
elettronica
A un grande numero di composti, isolati già nel XIX secolo, fu
dato il nome generico di “aromatici” per il loro odore
caratteristico. Tra questi, oggetto di particolari indagini fu il
benzene.
Attualmente, la struttura del benzene viene spiegata in termini di
orbitali, ammettendo per ciascun atomo di carbonio
un’ibridizzazione sp2. Gli orbitali ibridi formano legami σ tra atomi
di carbonio (C−C), che costituiscono l’anello, e tra atomi di
carbonio e di idrogeno (C−H). I rimanenti orbitali 2p non ibridi si
sovrappongono lateralmente per formare legami π.
La coniugazione tra i sistemi π causa
la formazione di una doppia nuvola a
ciambella sopra e sotto il piano degli
atomi di carbonio, rappresentata con
un anello
Aromatici
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Gli idrocarburi aromatici, detti anche areni, hanno nomi comuni
molto spesso accettati dalla IUPAC.
Aromatici
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Per i derivati del benzene, è necessario precisare anche le
posizioni sull’anello dei gruppi sostituenti, indicando con numeri
separati da virgola la posizione degli atomi di carbonio cui essi
sono legati. Se i sostituenti sono diversi uno dall’altro, devono
essere elencati in ordine alfabetico.
Aromatici
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Gli areni sono tossici ma molto usati
in una vasta serie di produzioni.
Il benzene, per esempio è presente
nelle benzine e costituisce,
pertanto, un pericoloso inquinante
atmosferico.
Il toluene (metilbenzene) è
utilizzato principalmente come
solvente e nell’industria degli
esplosivi per produrre
trinitrotoluene (TNT).
Idrocarburi aromatici policiclici
derivano dalla combustione
incompleta del carbone e di
sostanze organiche come tabacco o
derivati del petrolio.
I loro livelli, assieme a quello del
benzene, sono costantemente
monitorati per legge nella aree
urbane.
Aromatici
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Proprietà fisiche e reattività degli areni
I punti di ebollizione degli areni crescono gradualmente all’aumentare
del peso molecolare. Più anomalo è invece l’andamento dei loro punti
di fusione, legato alla geometria delle molecole.
A differenza degli idrocarburi alifatici ciclici, gli areni bruciano con
fiamma sporca, cioè molto fumosa, poiché producono finissimi nuclei
carboniosi.
Gli areni, come tutti gli idrocarburi, sono insolubili in acqua, mentre
sono solubili in solventi apolari, come il tetracloruro di carbonio.
Aromatici
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La risonanza che caratterizza la struttura del benzene ne rende la
molecola molto stabile. Pertanto il benzene, pur essendo ricco di
doppi legami, non dà luogo normalmente a reazioni di addizione.
La reazione più comune dei composti aromatici è quella di
sostituzione di uno o più atomi di idrogeno con altri atomi o gruppi
detta sostituzione elettrofila aromatica (SEA).
Ne è un esempio la reazione:
Aromatici
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I gruppi funzionali: la specificità
dei comportamenti
I composti di cui ci siamo interessati fin qui, esaminandone
proprietà e comportamento, sono idrocarburi, cioè composti
costituiti soltanto da carbonio e idrogeno.
In molte molecole organiche, tuttavia, sono presenti anche altri
elementi (eteroelementi), la cui presenza ne influenza direttamente
il comportamento.
Da un punto di vista formale, si può considerare che questi
composti derivino dall’unione di residui alifatici (R-) o di residui
aromatici (Ar-) con un gruppo funzionale.
Gruppi funzionali
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Classi di composti organici
I composti organici vengono classificati e denominati in base alla presenza
nelle loro molecole di uno o più gruppi funzionali.
Per esempio, i composti in cui il gruppo -OH è legato al radicale di
un idrocarburo alifatico appartengono alla classe degli alcoli (ROH).
Classi di composti
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Un gruppo funzionale presente in una molecola ne costituisce la
parte reattiva in particolari reazioni, nelle quali il resto della
molecola rimane inalterato. Di conseguenza per descrivere una
classe di composti è sufficiente prendere in esame la reattività del
gruppo funzionale che la caratterizza.
D’altronde, si è visto che, anche nell’ambito degli idrocarburi, la
presenza di legami insaturi nella molecola conferisce proprietà
specifiche; è per questo che la presenza di un doppio o di un triplo
legame caratterizza i gruppi funzionali degli alcheni e,
rispettivamente, degli alchini.
Classi di composti
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Classi di composti
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Classi di composti
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Classi di composti
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