MODULI DI CHIMICA ORGANICA

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2 MDULI DI IMIA RGANIA 1. IL ARBNI Il carbonio è l elemento che si trova in tutti gli organismi viventi ed è quello caratterizzante la chimica organica, branca della chimica che studia i composti del carbonio. Il carbonio può legarsi con se stesso e anche con una vasta gamma di altri elementi come ad esempio: l idrogeno negli idrocarburi, gli alogeni negli alogenuri, l idrogeno e l ossigeno negli zuccheri e nei grassi, idrogeno, ossigeno e azoto nelle proteine, dando vita ad un elevato numero di diversi composti. Inoltre, legandosi con l ossigeno forma l anidride carbonica ( 2 ), molecola fondamentale per il regno vegetale. 1.1 Il carbonio nella tavola periodica Nella tavola periodica degli elementi, il carbonio, appartiene al secondo periodo e al gruppo IV A, ha simbolo e numero atomico (Z) 6. Il suo peso atomico, riferito alla media isotopica naturale, è 12,01115 uma. L isotopo naturale più abbondante è il 12 ( 98,9%), esistono anche il 13 e il 14 (radioattivo). La sua configurazione elettronica 1 è [e] 2s 2 2p 2. s + y x + + px py pz z y S p p p z x Forma e disposizione spaziale degli orbitali s e p Presenta proprietà non metalliche e valenza più comune quattro anche se apparentemente sembrerebbe dover essere bivalente, avendo solo due elettroni spaiati negli orbitali 2 2p. 2p x 1 2p y 1 2s 2 onfigurazione elettronica del carbonio nel suo stato fondamentale 1 Disposizione degli elettroni negli orbitali secondo le regole dettate dalla meccanica quantistica: gli elettroni di un atomo tendono ad occupare gli orbitali disponibili nell ordine di energia crescente a partire dall orbitale a minor energia; in ogni orbitale non possono coesistere più di due elettroni che devono avere spin antiparallelo. 2 Regione di spazio intorno al nucleo dove vi è la massima probabilità (almeno il 90%) di presenza dell elettrone, in base all energia che esso possiede. M. iani E. Zuccolo G. astellani 2

3 Affinché il carbonio possa formare quattro legami covalenti 3, è necessario che siano coinvolti tutti e quattro gli elettroni dello strato esterno e ciò significa che i quattro elettroni devono essere spaiati in modo da potersi accoppiare ciascuno con un elettrone di un altro atomo. Per poter spiegare questo comportamento è necessario introdurre il concetto di ibridazione. 1.2 Teoria dell ibridazione Perché il possa formare quattro legami è necessario che un elettrone dell orbitale 2s venga promosso nell orbitale 2p z vuoto (stato eccitato), così da assumere una configurazione elettronica esterna del tipo: 2s 2p 3 2p x 1 2p y 1 2p z 1 2s 1 onfigurazione elettronica del carbonio nello stato eccitato Questa operazione richiede una spesa energetica di circa 96 kcal/mole ma tale energia è compensata dalla possibilità di formare due ulteriori legami. I passaggi sin qui descritti non giustificano ancora appieno la tetravalenza osservata sperimentalmente. I dati sperimentali della molecola di metano, 4, dimostrano che tutti e quattro i legami che il carbonio forma con ciascun idrogeno sono equivalenti sotto tutti i punti di vista. on la sola eccitazione di un elettrone s che venisse promosso nell orbitale p vuoto ci si attenderebbe un legame (quello dell orbitale s) con caratteristiche diverse dagli altri tre; nell esempio del metano si dovrebbe prevedere la formazione di tre legami uguali disposti a 90 tra loro, mentre il quarto, quello dell orbitale s, dovrebbe disporsi il più lontano possibile dagli altri tre e senza un orientazione precisa. La teoria dell ibridazione propone un modello in grado di spiegare le osservazioni sperimentali con una perfetta equivalenza dei quattro legami. Banalizzando, l ibridazione consiste in un rimescolamento dei quattro orbitali, quello s e i tre p, del carbonio per giungere a formare 4 nuovi orbitali sp 3, tutti ibridi e tutti tra loro equivalenti 4, ma con energia e geometria diverse da quelle degli orbitali atomici dello stato fondamentale. Infatti ciascuno dei quattro orbitali ibridi prende per un quarto le caratteristiche dell orbitale 2s e per tre quarti quelle dei tre orbitali 2p. ome si può notare nella figura seguente la forma di un orbitale ibrido sp 3 è simile a quella di un orbitale p, ma le dimensioni dei due lobi sono diverse. 3 Legame covalente: avviene tra atomi che mettono in comune una o più coppie di elettroni di valenza per formare molecole. La condivisione avviene al massimo con tre coppie di elettroni, di conseguenza si formano legami covalenti semplici, doppi o tripli. 4 In realtà questa teoria è supportata da complessi calcoli matematici che riguardano la funzione d onda dell orbitale 2s e dei tre orbitali 2p. Il risultato è una nuova funzione d onda che dà la probabilità di trovare l elettrone in una determinata regione dello spazio determinando in tal modo la forma dell orbitale. M. iani E. Zuccolo G. astellani 3

4 orbitale ibrido sp 3 Nel rispetto della regola che impone che gli orbitali si dispongano nello spazio alla massima distanza gli uni dagli altri per minimizzare la repulsione elettrostatica tra le nubi elettroniche, gli orbitali ibridi sp 3 si orientano secondo una geometria tetraedrica, cioè vanno a formare fra loro angoli di 109,5. rientazione spaziale tetraedrica degli orbitali ibridi sp 3 nella molecola del metano La particolare geometria degli orbitali ibridi sp 3 ben si presta alla formazione di legami covalenti: ad esempio, quello che si forma dalla combinazione dell elettrone di un orbitale sp 3 di un atomo di carbonio e dell elettrone dell orbitale s di un atomo di idrogeno, è un legame fortemente concentrato nella regione di spazio compresa tra i due nuclei ed è simmetrico rispetto alla linea che li unisce. Questo tipo di legame è detto σ. Va precisato che tale legame è presente sempre tra gli orbitali che formano un legame concentrato sull asse nucleo nucleo. Legame σ tra orbitali s e p orbitale atomico s orbitale atomico p orbitale molecolare s-p Legame σ tra orbitali p e p orbitale atomico p orbitale atomico p orbitale molecolare p-p + Legame σ tra orbitali ibridi orbitale ibrido orbitale ibrido orbitale molecolare Va ricordato che gli orbitali ibridi non esistono nell atomo isolato (stato fondamentale) ma solo quando questo forma legami covalenti. M. iani E. Zuccolo G. astellani 4

5 Non esiste solo l ibridazione di tipo sp 3 : l atomo di carbonio può anche presentare ibridazione sp 2 e sp ,5 geometria planare sp 180 geometria planare-trigonale sp geometria tetraedrica sp 3 109,5 on l ibridazione sp 2 si ha l ibridazione dell orbitale 2s e di solo due orbitali 2p: in questo caso sono tre gli orbitali ibridi equivalenti che si dispongono su uno stesso piano con angoli di 120. La geometria è pertanto planare-trigonale, l orbitale 2p che non partecipa all ibridazione si dispone perpendicolarmente al piano sul quale sono disposti gli altri tre. 90 Ibridazione sp 2 : l orbitale non ibrido è perpendicolare agli altri tre I tre orbitali ibridi complanari formano legami σ, mentre l orbitale 2p non ibrido forma un legame detto π con un altro orbitale uguale di un altro carbonio. Affinché il legame π possa realizzarsi, i 2 orbitali p coinvolti devono essere paralleli fra loro, ciò per favorire la massima sovrapposizione degli stessi. Legame π orbitale p + orbitale p orbitale molecolare π L ibridazione sp 2 è presente nei composti che contengono un doppio legame =: il doppio legame è costituito da un forte legame σ tra due orbitali ibridi sp 2 M. iani E. Zuccolo G. astellani 5

6 e da un legame più debole π che si forma dalla sovrapposizione laterale di due orbitali non ibridi 2p. Doppio legame - nella molecola di etene La presenza di un doppio legame impedisce la libera rotazione lungo l asse della molecola, a differenza di quanto succede con la presenza del legame semplice σ. Nell ibridazione sp sono ibridati l orbitale 2s e un solo orbitale 2p: i due orbitali ibridi ottenuti si dispongono lungo una linea retta orientati in direzioni opposte. Gli altri due orbitali p non ibridi si dispongono perpendicolarmente all asse degli ibridi sp e perpendicolarmente l uno rispetto all altro. L ibridazione sp è presente nei composti che contengono un triplo legame : il triplo legame è costituito da un legame σ tra i due orbitali ibridi sp e da due legami π. La geometria di legame è lineare con angoli di 180. Due atomi di carbonio impegnati in un triplo legame A conclusione di quanto esposto, si ribadisce che nelle catene dei composti organici, gli atomi di possono presentare singoli (σ), doppi (σ, π) o tripli (σ,π,π) legami. 1.3 Il carbonio in natura Il carbonio è presente in natura in più forme allotropiche 5 : diamante: il minerale più duro che si conosca; grafite: una della sostanze più tenere; fullerene; carbonio amorfo. Il diamante 6 si forma quando gli atomi di carbonio vengono sottoposti ad un alta pressione; ogni atomo di atomo, ibridato sp 3, è legato ad altri quattro con 5 Proprietà di un elemento di presentarsi in forme chimicamente e fisicamente diverse tra loro. M. iani E. Zuccolo G. astellani 6

7 struttura tetraedrica. Grazie alla forza del legame - è la sostanza più dura in termini di resistenza allo sfregamento. Nella grafite 7 ogni atomo, ibridato sp 2, è legato ad altri tre in un piano composto da anelli esagonali fusi assieme. ome conseguenza della delocalizzazione della nuvola π, data dagli orbitali p non ibridi di ciascun atomo, la grafite conduce la corrente elettrica; si presenta come un materiale tenero e sfaldabile in fogli, poiché sono tenuti assieme da deboli forze di van der Waals. La grafite si presenta untuosa al tatto e lascia tracce di color nero grigio. Struttura della grafite I fullereni 8 hanno una struttura simile alla grafite ma si differenziano per la presenza di formazioni pentagonali di atomi di carbonio oltre che esagonali: come conseguenza si presentano fogli che si piegano in sfere, ellissi o cilindri. Il nome deriva da Buckminster Fuller, l ideatore della cupola geodesica che imita la struttura dei fullereni. ome nella grafite il carbonio è ibridato sp 2 ma, in questo caso, gli orbitali p non ibridi, invece di disporsi perpendicolarmente al piano in cui si trovano gli orbitali ibridi, vanno a formare un angolo di 101,6. In conseguenza a ciò si vengono a creare delle tensioni che comportano dei ripiegamenti dei fogli. I fullereni trovano impiego come superconduttori ma vengono utilizzati anche in campo medico sia per immagini mediche che per curare il cancro. 6 Diamanti naturali sono presenti nei minerali di kimberlite che stanno all interno di antichi camini vulcanici. La maggior parte dei giacimenti si trova in Africa, soprattutto in Sudafrica, Namibia, ongo e Sierra Leone. 7 La grafite ha numerosi impieghi industriali: è utilizzata principalmente per l'indurimento dell'acciaio e la realizzazione di matite. Un equivalente artificiale della grafite può essere ottenuto riscaldando, ad elevatissima temperatura, dell'antracite in appositi forni elettrici. La grafite si trova in grandi quantità negli Stati Uniti, Russia, Messico, Groenlandia e India. 8 Il grande interesse dei fullereni e derivati nasce dalla vasta gamma di possibilità che essi offrono. ltre alla superconduttività ad alta T, sono di interesse per l impiego come ferromagneti molecolari e come trappole molecolari. Sono inoltre di interesse nell impiego in catalisi, in chimica organometallica e come parti di strutture polimeriche. M. iani E. Zuccolo G. astellani 7

8 Esempi di strutture di fullereni 60 Il carbonio amorfo è la versione strutturalmente disordinata in cui può solidificare il materiale. In questa struttura coesistono in diverse percentuali i tre diversi tipi di legame chimico cui può dar luogo il carbonio con i suoi orbitali ibridati sp, sp 2 ed sp 3. Appare dunque evidente come questo materiale possa presentarsi in numerose varianti strutturali che coprono una vasta gamma di proprietà fisiche. 2. GLI IDRARBURI 2.1 lassificazione Gli idrocarburi sono composti del carbonio con l idrogeno. Possono essere suddivisi in tre grandi gruppi: alifatici e aliciclici aromatici eterociclici Il primo gruppo, idrocarburi alifatici, comprende composti a catena aperta e composti chiusi ad anello con proprietà comunque simili. Gli aromatici sono caratterizzati da proprietà chimiche del tutto particolari che ne fanno un gruppo omogeneo, completamente distinto dagli altri idrocarburi. Gli aromatici in senso stretto sono composti che contengono almeno un anello benzenico. Gli eterociclici sono composti ciclici contenenti nell anello atomi diversi dal carbonio, come ad esempio azoto o zolfo. lassificazione degli idrocarburi alifatici ALANI contengono solo legami σ SATURI o paraffine (atomi di tutti ibridi sp 3 ) IDRARBURI ALIFATII INSATURI ALENI o olefine ALINI o acetileni contengono doppio legame \ / gruppo funzionale = / \ contengono triplo legame gruppo funzionale M. iani E. Zuccolo G. astellani 8

9 3. ALANI Gli alcani comprendono quegli idrocarburi in cui ciascun carbonio forma quattro legami di tipo σ disposti nello spazio con geometria tetraedrica e angoli di 109,5 ; sono idrocarburi saturi, poiché ogni carbonio forma quattro singoli legami cioè il numero massimo possibile di singoli legami per l atomo di carbonio. Essi sono noti anche come paraffine (dal latino parum affinis) a causa della loro scarsa reattività in condizioni normali. A temperatura e pressione ambiente i più leggeri tra loro (fino a 4 atomi di carbonio) sono gassosi, sono liquidi incolori quelli aventi da 5 a 16 atomi di carbonio, sono solidi cerosi quelli più pesanti.un esempio comune di miscela complessa di alcani è la benzina, che è costituita da diversi alcani contenenti generalmente atomi di carbonio, ottenuta soprattutto dalla distillazione frazionata del petrolio, ma anche dal craking catalitico. Il più semplice alcano esistente è il metano, la cui formula grezza è 4 : Modello della molecola di metano Quando due atomi di carbonio tetraedrici si uniscono tra loro e con sei atomi di idrogeno si ottiene l etano, la cui formula grezza è 2 6. Modello della molecola di etano Il successivo idrocarburo contiene tre atomi di carbonio e otto di idrogeno legati tra loro ( 3 8 ), viene denominato propano. Il termine successivo, a quattro atomi di carbonio, si chiama butano ( 4 10 ). Si nota che estendendo la serie ad un numero indefinito di atomi di carbonio, ogni termine può essere ottenuto aggiungendo un gruppo al termine precedente. In tal modo si ottiene la serie omologa 9 degli alcani. La formula generale degli alcani è: n 2n+2 dove n indica il numero degli atomi di carbonio della catena. 9 La serie omologa è un insieme di composti aventi proprietà chimiche simili ma differenti proprietà fisiche, a seconda del rispettivo peso molecolare e della forma delle molecole. M. iani E. Zuccolo G. astellani 9

10 Questa formula indica soltanto quanti atomi di carbonio e di idrogeno sono presenti nella molecola ma non fornisce informazioni sulla sua struttura. Il modo migliore di rappresentare una molecola organica è la formula di struttura, che indica in che modo gli atomi sono concatenati tra loro. Vengono rappresentate qui di seguito le formule di struttura dei primi tre termini della serie omologa degli alcani: metano etano propano Per semplificare la scrittura si possono utilizzare le formule condensate, nelle quali vengono raggruppati insieme gli atomi di idrogeno, nel caso degli idrocarburi, uniti a uno stesso atomo di carbonio e vengono indicati solo i legami fra gli atomi di carbonio. Qui di seguito vengono rappresentate le formule condensate dei primi tre termini della serie omologa degli alcani (nel caso del metano ovviamente formula condensata e formula grezza coincidono): metano etano propano Sia le formule di struttura che quelle condensate sono delle semplificazioni della forma delle molecole e non possono rispettare quella che è la reale disposizione tridimensionale degli atomi nello spazio perché sono disegnate su un piano. Perciò bisogna fare attenzione a non farsi ingannare dalle diverse rappresentazioni. Nei seguenti tre esempi: si tratta sempre della stessa molecola che è lineare e non presenta alcuna ramificazione come sembrerebbe nella seconda e nella terza figura. Se infatti si traccia una linea continua lungo la catena degli atomi di carbonio si può passare sopra tutti gli stessi senza interrompersi, questo significa che i carboni sono tutti allineati. M. iani E. Zuccolo G. astellani 10

11 A seconda della posizione che occupano nella catena, gli atomi di carbonio vengono definiti: primari, se sono in posizione iniziale (o di testa) e sono uniti a un solo atomo di carbonio; secondari, se sono uniti a 2 atomi di carbonio; terziari, se sono uniti a 3 atomi di carbonio; quaternari, se sono uniti a 4 atomi di carbonio primario - secondario - terziario - quaternario 3.1 icloalcani Le catene idrocarburiche alifatiche possono essere chiuse, in questo caso la molecola viene definita ciclica: gli alcani a catena chiusa sono chiamati cicloalcani. La catena ciclica per semplicità può essere rappresentata con un poligono regolare i cui vertici rappresentano gli atomi di carbonio, ciascuno legato a due atomi di idrogeno. In questa rappresentazione sia gli atomi di carbonio che gli atomi di idrogeno sono sottointesi: ciclopropano ciclobutano ciclopentano cicloesano La formula generale dei cicloalcani è: n 2n, ci sono cioè due atomi di idrogeno in meno rispetto ai corrispondenti alcani a catena aperta, in quanto i due atomi di carbonio terminali si sono uniti. Il cicloalcano più semplice è l alcano a tre atomi di carbonio esempio di cicloalcano: ciclopropano M. iani E. Zuccolo G. astellani 11

12 3.2 Nomenclatura degli alcani La nomenclatura organica sistematica è nata a Ginevra nel Da quella data la Union of Pure and Applied hemistry (IUPA) si è riunita periodicamente per stabilire, volta per volta, le regole di nomenclatura di una disciplina in costante evoluzione. Per la nomenclatura IUPA è fondamentale indicare nel nome di un composto organico la disposizione degli atomi, dei gruppi funzionali e dei legami, oltre al numero degli atomi di carbonio allineati nella molecola. Il nome di un alcano ha sempre desinenza ano e contiene un prefisso che indica il numero di atomi di carbonio nella catena. Solo i primi quattro composti hanno nomi tradizionali, i successivi seguono la nomenclatura IUPA. Il capofila e il più semplice degli idrocarburi saturi è il metano. Formula di struttura condensata dei primi dieci alcani nome Metano Etano Propano Butano Pentano Esano Eptano ttano Nonano Decano 3.3 Gruppi alchilici Si dicono alchilici quei gruppi che contengono un idrogeno in meno rispetto al relativo alcano. Un generico gruppo alchilico si indica comunemente con la lettera R (o G). I nomi dei gruppi alchilici derivanti dagli alcani si ottengono sostituendo la desinenza ile alla desinenza ano del corrispondente alcano. Nella tabella seguente vengono riportati alcuni esempi. formula alcano nome alcano formula gruppo alchilico nome gruppo 4 metano 3 metile 2 6 etano 2 5 ( o 2 3 ) etile 3 8 propano 3 7 ( o ) propile M. iani E. Zuccolo G. astellani 12

13 Regole di nomenclatura IUPA Per assegnare il nome ad un idrocarburo è necessario procedere secondo le regole seguenti: a) scegliere la catena idrocarburica più lunga e assegnare il nome del corrispondente idrocarburo; si considerano le restanti ramificazioni come gruppi sostituenti alchilici e si assegna loro il nome corrispondente; b) gli atomi di carbonio della catena principale vanno numerati partendo dall estremità più vicina alla ramificazione, nel caso siano presenti più ramificazioni si considera l estremità vicina al gruppo sostitutivo più semplice; c) la posizione di ciascun gruppo (sostituente alchilico) viene individuata dal numero dell atomo di carbonio al quale tale gruppo è legato; l ordine con cui i sostituenti compaiono nel nome deve essere scelto in base all ordine alfabetico (es. etile, metile, propile ); d) nel caso in cui due sostituenti diversi (R, R ) siano legati allo stesso atomo di carbonio, il numero corrispondente va indicato due volte; se invece i due sostituenti sono identici, oltre a indicare due volte il numero si utilizza anche il prefisso di- davanti al nome del gruppo corrispondente; e) quando nella catena principale sono presenti due o più gruppi uguali si adoperano i prefissi di-, tri-, tetra- ecc. per indicare rispettivamente 2, 3, 4 ecc. gruppi uguali, in tal caso i numeri sono separati da virgole. Ad esempio, per assegnare il nome di un idrocarburo a 8 atomi di carbonio è necessario: individuare la più lunga catena di atomi di carbonio nella struttura; tale catena costituirà la base del nome in funzione del numero di atomi di carbonio che possiede (3: propano, 4: butano, 5: pentano, 6: esano, 7: eptano, 8: ottano, 9: nonano, 10: decano, 11: undecano, etc...); 5 atomi: pentano numerare gli atomi della catena sequenzialmente partendo da una delle estremità; verrà scelta l'estremità in cui gli atomi che recano ramificazioni (uno o più legami con altri atomi di carbonio) hanno i numeri più bassi possibile; da sinistra a destra: 2,2,4 --> ok da destra a sinistra: 2,4,4 --> no M. iani E. Zuccolo G. astellani 13

14 nominare le ramificazioni in modo analogo alla catena principale, sostituendo però il suffisso -ano con il suffisso -il (pertanto 1: metil, 2:etil, 3: propil, etc...); raggruppare le ramificazioni in ordine alfabetico e, qualora ne compaia più di una di un tipo nella formula, indicarne la molteplicità tramite l'opportuno prefisso (di-, tri-, tetra-); 3 gruppi 3 : trimetil- il nome è costituito dall'elenco delle ramificazioni precedute dal numero di ogni atomo della catena principale che le ospita, seguito dal nome della catena principale. 2,2,4-trimetilpentano ome negli esempi i nomi devono essere scritti di seguito senza interruzioni, i numeri sono separati l uno dall altro mediante la virgola e sono separati dai nomi con un trattino. M. iani E. Zuccolo G. astellani 14

15 ISMERIA Nei composti inorganici ad ogni formula grezza, che esprime la composizione della molecola, corrisponde una sola formula di struttura. Nei composti organici, invece, ad una data formula grezza possono corrispondere due o più formule di struttura (le quali mettono in evidenza i legami tra i singoli atomi e la loro disposizione nello spazio). Questo fenomeno si chiama isomeria. Si dicono isomeri due composti che pur avendo la stessa formula molecolare hanno una diversa disposizione relativa degli atomi o dei legami nella loro struttura. Esistono due tipi principali di isomeria: l isomeria di struttura e la stereoisomeria. A.1 di catena pag.15 A) di STRUTTURA pag.14 A.2 di posizione pag. 21 A.3 di gruppo funzionale pag. 34 ISMERIA B) STEREISMERIA pag. 21 B.1 isomeria geometrica pag. 21 B.2 isomeria ottica pag. 34 A. ISMERIA DI STRUTTURA Si dicono isomeri di struttura due o più composti diversi, aventi la stessa composizione elementare quantitativa e quindi la stessa formula grezza, ma differente formula di struttura. Il numero di isomeri cui può dare luogo una determinata formula grezza cresce enormemente all aumentare del numero di atomi di carbonio in essa contenuti. Basti pensare che, se al composto 4 10 corrispondono due isomeri, al composto 9 20 ne corrispondono 35 e al composto ne corrispondono A ogni isomero compete un proprio nome che lo contraddistingue chimicamente. In certi casi la differenza di struttura è così spiccata che gli isomeri non solo presentano proprietà fisiche diverse, ad esempio punto di fusione 10, punto di ebollizione 11, densità 12, ecc., ma addirittura sono composti chimicamente diversi. 10 È la temperatura alla quale un solido fonde, cioè passa dallo stato solido a quello liquido. 11 È la temperatura alla quale tutto il liquido tende a passare allo stato aeriforme. 12 Proprietà specifica di ogni tipo di materiale, è data dal rapporto tra la massa dell oggetto e il suo volume. M. iani E. Zuccolo G. astellani 15

16 L isomeria di struttura assume aspetti differenti a seconda che si riferisca: alla articolazione della catena carboniosa ( isomeria di catena), che può essere lineare, ramificata, ciclica; alla posizione assunta da un dato sostituente (atomo o gruppo atomico) o da un particolare tipo di legame nella catena carboniosa ( isomeria di posizione); al gruppo funzionale diverso che si determina da una variazione della disposizione degli atomi componenti ( isomeria di gruppo funzionale). A.1 Isomeria di catena Il primo alcano che può dare molecole strutturalmente diverse è il butano on questa formula grezza sono possibili due isomeri di struttura: uno a catena lineare: il butano normale o normal-butano (n-butano); uno ramificato: l isobutano (che si può anche chiamare 2-metilpropano): n-butano isobutano Gli atomi di carbonio negli alcani, come ad esempio in 5 10, possono unirsi secondo due modelli: A.1.1. catena lineare n-pentano A.1.2. catena ramificata isopentano o 2 - metilbutano neopentano o 2,2 - dimetilpropano M. iani E. Zuccolo G. astellani 16

17 3.4. Reattività degli alcani Gli alcani presentando solo singoli legami hanno una scarsa reattività (per questo sono anche chiamati paraffine). I principali tipi di reazioni evidenziate dagli alcani sono quelle di combustione e di sostituzione. Queste si basano sulla formazione di radicali e sono innescate dalla luce o dal calore. La combustione, ad esempio, è una reazione a catena - a volte esplosiva - in cui il calore sviluppato produce ulteriori radicali che fanno proseguire ed amplificare la reazione stessa Reazioni di combustione Gli idrocarburi bruciano all aria producendo anidride carbonica e acqua e sviluppano una notevole quantità di calore, che è il prodotto principale di questa reazione di ossidazione. Questo tipo di combustione avviene ad esempio nei cilindri di un automobile, nelle centrali termoelettriche, nelle nostre case quando si utilizza il metano o il GPL (gas di petrolio liquefatto) sia per cucinare che per alimentare gli impianti di riscaldamento. R calore Esempio di generica reazione di combustione Per il metano e l ottano, ad esempio, le reazioni di combustione sono così schematizzabili: calore + 12, calore Se la combustione avviene in difetto d aria, può accadere che oltre all anidride carbonica si formi anche una certa quantità di monossido di carbonio 13 (), estremamente tossico per gli organismi viventi. Ecco perché è necessario bruciare questi combustibili in buone condizioni di ventilazione ( 2 ) per evitare tragiche conseguenze come quelle a cui si va incontro quando si mantiene acceso un motore di un automobile all interno di un luogo chiuso o quando si fa uso di stufe difettose per il riscaldamento Reazioni di sostituzione ome dice il nome, durante la reazione, in opportune condizioni, uno o più atomi di idrogeno vengono sostituiti da altri tipi di atomi. La reazione viene catalizzata dalla luce o dal riscaldamento a temperature elevate. Una tipica reazione di sostituzione è la reazione di alogenazione nel corso della quale l alcano reagisce con gli alogeni 14, prevalentemente con cloro e bromo, producendo un composto, chiamato alogenuro alchilico, formato dal gruppo 13 Monossido di carbonio (): se presente nell aria inspirata, dà un composto irreversibilmente stabile con l emoglobina (carbossiemoglobina), impedendo pertanto il trasporto di ossigeno nel sangue. 14 Si chiamano alogeni gli elementi del settimo gruppo della tavola periodica. M. iani E. Zuccolo G. astellani 17

18 alchilico dell alcano, unito a uno o più atomi dell alogeno. Nella reazione si produce inoltre il corrispondente acido alogenidrico. Esempio a): luce o calore R- + A 2 R-A + A alcano cloro alogenuro acido o bromo alchilico alogenidrico Esempio di generica reazione di alogenazione + Br Br + Br Br etano bromo bromoetano acido bromidrico esempio b): facendo reagire metano con cloro si ottiene una miscela di prodotti di reazione variamente alogenati, tra cui il cloroformio 15 o triclorometano (l 3 ): 4 + l 2 3 l + 2 l 2 + l 3 + l 4 + l clorometano diclorometano triclorometano tetraclorometano 4. ALENI Gli alcheni sono composti organici costituiti anch essi da carbonio e idrogeno (e per questo appartenenti alla più ampia classe degli idrocarburi). Sono anche noti come "olefine". Gli alcheni sono idrocarburi caratterizzati dalla presenza nella molecola di un doppio legame, pertanto i due atomi di carbonio interessati dal doppio legame presentano ibridazione sp 2. Questo fa sì che i tre atomi legati ad ognuno dei carboni si trovino ai tre vertici di un triangolo grossomodo equilatero. I due triangoli sono inoltre allineati lungo l'asse del legame e tra loro complanari. Il primo dei due legami - è di tipo, formato dalla sovrapposizione di due orbitali ibridi sp 2 lungo l'asse del legame; il secondo legame è di tipo π, formato 15 Il cloroformio è un liquido incolore molto volatile, ottimo solvente per oli, resine e grassi. a avuto un largo impiego come anestetico generale, ma oggi è sostituito da sostanze meno tossiche. M. iani E. Zuccolo G. astellani 18

19 dalla sovrapposizione in direzione perpendicolare all'asse del legame dei due orbitali p non coinvolti nell'ibridazione (pag. 4). A differenza di quanto accade negli alcani, la rotazione dei due atomi di, attorno al doppio legame, è impedita. Gli alcheni sono definiti idrocarburi insaturi in quanto, per la presenza del doppio legame, contengono un numero di atomi di idrogeno inferiore rispetto al corrispondente alcano. La formula generale degli alcheni è: n 2n dove n indica il numero degli atomi di carbonio della catena. Il primo idrocarburo della serie è l etene o etilene: 2 = 2 Modello della molecola dell'etene (etilene) ome nel caso degli alcani, gli atomi di carbonio sono uniti tra loro attraverso legami covalenti a formare una catena aperta, lineare o ramificata; due atomi di carbonio adiacenti sono però uniti da un legame covalente doppio. Anche gli alcheni possono avere catena ciclica: un esempio è la molecola di limonene, componente dell olio essenziale degli agrumi: Nomenclatura degli alcheni La nomenclatura IUPA degli alcheni segue regole simili a quella degli alcani, tuttavia occorre evidenziare alcune differenze: il nome che viene dato alla catena principale è simile a quanto previsto per gli alcani, ma il suffisso -ano viene sostituito dal suffisso -ene (etene, propene, butene, pentene, esene, eptene, ottene, etc...); il nome che viene dato alla catena principale è simile a quanto previsto per gli alcani, ma il suffisso ano viene sostituito dal suffisso ene (etene, propene, butene, pentene, esene, ertene, ottene, etc.); nel numerare la catena principale, il numero più basso possibile dovrà essere assegnato ai due atomi di carbonio coinvolti nel doppio legame. M. iani E. Zuccolo G. astellani 19

20 Esempio 1-butene 2-metil-2-butene L alchene più semplice è l etene, chiamato anche con il nome tradizionale di etilene. Anche il secondo termine, il propene, è spesso chiamato con il nome tradizionale di propilene. Dal butene in poi si deve specificare la posizione del doppio legame con un numero che precede il nome. Esempi: 2 = 2 2 = 3 2 = = 3 etene o etilene propene o propilene 1-butene 2-butene I gruppi alchilici corrispondenti agli alcheni assumono la desinenza enile: formula alchene nome alchene formula gruppo alchilico nome gruppo 2 = 2 etene 2 = etenile (o vinile) 2 = 3 propene 2 = 2 2- propenile (o allile) Gli alcheni a catena aperta che presentano nella molecola due doppi legami vengono chiamati dieni, quelli che presentano tre doppi legami trieni. Essendo composti insaturi, hanno proprietà in gran parte simili a quelle degli alcheni, ma per certe loro caratteristiche si distinguono in modo significativo. La nomenclatura è la stessa degli alcheni, salvo che: per il suffisso, che da ene diventa diene ; per i due numeri necessari per indicare la posizione dei due doppi legami. Un diene particolarmente importante è il butadiene, in quanto è uno dei componenti della gomma sintetica, realizzata per la prima volta nel Questo grazie al processo di vulcanizzazione che consente di ottenere gomme M. iani E. Zuccolo G. astellani 20

21 più resistenti, trova larghissima applicazione, basti pensare ai pneumatici delle auto. formula condensata formula di struttura 2 = = butadiene 1-3-butadiene I dieni possono essere suddivisi in: oniugati, quando i doppi legami sono separati da un solo legame semplice. sp2 sp2 sp2 sp2 Isolati, quando i doppi legami sono separati da più di un legame semplice. sp2 sp2 sp3 sp2 sp2 umulati (o alleni), quando i doppi legami non sono separati l'uno dall'altro. sp2 sp sp2 M. iani E. Zuccolo G. astellani 21

22 A.2 Isomeria di posizione L isomeria di posizione si ha quando due alcheni hanno la stessa formula molecolare e la stessa formula di struttura ma differiscono soltanto per la posizione del doppio legame. 2 = butene 3 = 3 2-butene B. STEREISMERIA Si dicono stereoisomeri i composti in cui le molecole hanno lo stesso scheletro di atomi di carbonio e tutti gli atomi sono legati nella medesima sequenza, ma presentano diversa disposizione spaziale relativa degli atomi o dei gruppi funzionali. Esistono due tipi di stereoisomeria: l isomeria geometrica e l isomeria ottica. B.1 Isomeria geometrica ( isomeria cis trans o isomeria Z E ) Si riscontra quando nella molecola esistono impedimenti alla libera rotazione di gruppi atomici in essa presenti. se ne trovano esempi sia nelle molecole contenenti doppi legami =, sia in quelle con struttura ciclica. Il doppio legame, essendo rigido, impedisce la rotazione delle due parti della molecola intorno al legame. In questi casi le molecole hanno la stessa composizione, ma orientamento spaziale diverso dei gruppi di atomi legati alla catena. il nome del composto è lo stesso, ma si parla di isomero cis (Z) e isomero trans (E). L isomero cis (Z) ha gli atomi di idrogeno disposti dalla stessa parte rispetto al piano su cui giace il doppio legame, invece nell isomero trans (E) gli idrogeni sono opposti rispetto al piano del doppio legame. Si prenda ad esempio il 2 butene, la molecola può avere struttura cis o trans: a seconda della posizione del doppio legame, il butene può esistere come 1-butene o 2-butene cis-2-butene trans-2-butene L isomeria cis-trans è presente anche nelle molecole cicliche dove si osserva la diversa collocazione dei gruppi funzionali rispetto al piano della molecola: M. iani E. Zuccolo G. astellani 22

23 l l l l cis-1,2-diclorocicloesano trans-1,2-diclorocicloesano Esempio biologico: il retinale è un componente della rodopsina, pigmento presente nelle cellule della retina denominate bastoncelli. Per azione di un fotone che eccita gli elettroni del doppio legame, il legame π si allenta e la molecola ruota passando dalla configurazione cis a quella trans. Questo cambiamento della configurazione stimola una serie di variazioni chimiche che originano l impulso elettrico lungo il nervo ottico. 11-cis-retinale 11-trans-retinale Reattività di alcheni e alchini Gli alcheni e gli alchini hanno una caratteristica comune: sono composti insaturi in quanto contengono nella loro molecola un doppio (alcheni) o un triplo (alchini) legame. La presenza di un legame multiplo condiziona il loro comportamento: alcheni e alchini hanno una elevata reattività e possono dar luogo a una grande varietà di reazioni. Gli alcheni, in particolare, hanno una grande importanza nell industria chimica, perché da essi si possono ottenere molte sostanze dotate di interessanti proprietà. Esempio biologico-ambientale: una conseguenza di reattività del doppio legame riguarda l inquinamento da ozono. L ozono ( 3 ) è un gas che si trova negli strati alti dell atmosfera ma che, in particolari condizioni come inquinamento dell aria e forte irraggiamento solare, può prodursi anche negli strati bassi. L ozono è un forte ossidante e reagisce fortemente con molecole che presentano almeno un doppio legame spezzandolo (ozonolisi). Poiché le membrane cellulari sono ricche di molecole con gruppi alchenici (es. i fosfolipidi), la presenza di ozono è potenzialmente nociva per gli organismi viventi zono : provoca anche irritazioni a naso, occhi e gola, attacchi di tosse e senso di oppressione al torace. Indebolisce il sistema immunitario. E molto dannoso anche per le piante: compromette i meccanismi della fotosintesi. M. iani E. Zuccolo G. astellani 23

24 4.3 Reattività degli alcheni Mentre le proprietà chimico-fisiche degli alcheni (punti di fusione e di ebollizione, solubilità 17 ) sono molto simili a quelle dei corrispondenti alcani, la loro reattività è molto diversa. Per il fatto di contenere un doppio legame = e quindi un gruppo insaturo, gli alcheni sono molto reattivi e danno reazioni tipiche che coinvolgono il doppio legame. Una reazione caratteristica del gruppo funzionale = è la reazione di addizione che porta alla formazione di composti saturi. Il doppio legame è formato da un forte legame e da un legame π più debole, pertanto la reazione di addizione prevede la rottura del legame π. iò in effetti è quanto si verifica e avviene con la rottura generalmente eterolitica (vedi pag. 30) del legame. Addizione La reazione di addizione è una reazione in cui il reagente viene semplicemente sommato alla molecola organica; questo tipo di reazione è quasi esclusiva di composti contenenti atomi di carbonio legati da legami multipli. Gli elettroni degli orbitali π esercitano nel legame un'azione molto minore degli elettroni degli orbitali e inoltre si trovano ad una distanza maggiore dal nucleo: sono quindi meno saldamente legati e perciò più disponibili per un reattivo alla ricerca di elettroni. Il doppio legame risulta, in definitiva, una «sorgente di elettroni»; agisce cioè come una base di Lewis 18. È ovvio quindi che tenda a reagire con composti che hanno una lacuna elettronica, che sono cioè acidi di Lewis 19. I reagenti alla ricerca di elettroni si definiscono reagenti elettrofili e la reazione tipica di un alchene è pertanto l'addizione elettrofila. Tra le principali reazioni di addizione al doppio legame troviamo le reazioni di: - addizione di alogeni (alogenazione); - addizione di idrogeno (idrogenazione); - addizione di acqua (idratazione); - addizione di monomeri (polimerizzazione). Alogenazione Nella reazione di alogenazione, all alchene può essere addizionata o una molecola di alogeno, in particolare il bromo (Br 2 ), o una molecola di acido alogenidrico come l acido bromidrico (Br). Nella generica reazione sottoriportata, con XY si può intendere o Br 2 o Br. 17 gni sostanza può sciogliersi nello stesso solvente in diversa misura; la solubilità è la massima quantità in grammi di soluto che si può sciogliere in 100 grammi di solvente. 18 Una base di Lewis è una molecola o uno ione negativo che possono dare una coppia di elettroni ad un altro atomo per formare un nuovo legame. 19 una molecola o uno ione positivo che possono accettare una coppia di elettroni da un altro atomo per formare un nuovo legame. M. iani E. Zuccolo G. astellani 24

25 + XY X Y Idrogenazione La reazione avviene a temperature e pressioni non elevate in presenza di catalizzatori metallici quali platino, palladio o nichel, producendo l'alcano corrispondente. Durante l idrogenazione dell alchene il doppio legame viene trasformato in un singolo legame e i due atomi di idrogeno della molecola 2 si uniscono ai due atomi di carbonio, si forma così il corrispondente alcano: R = - R' + 2 R R' Questo processo ha applicazione industriale. Infatti, per idrogenazione degli oli ottenuti dalla spremitura dei semi di soia, arachide, girasole ecc., che contengono molecole organiche insature, si ottengono composti saturi, le margarine, che avendo punti di fusione più elevati sono commercializzati come solidi, la reazione viene anche chiamata: indurimento degli oli. Se per addizione di idrogeno ad un alchene si ottiene il corrispondente alcano, viceversa, eliminando due atomi di idrogeno da due atomi di carbonio contigui in una molecola di alcano si ottiene la formazione di un doppio legame e quindi la molecola di un alchene deidrogenazione 20. Idratazione In presenza di un acido che funge da catalizzatore, una molecola di acqua si addiziona al doppio legame come mostra la figura e si forma un alcol: Questa specifica reazione presenta un particolare interesse industriale, viene infatti utilizzata per la produzione di alcol etilico per via sintetica. 20 Mediante la reazione di deidrogenazione si producono perciò gli alcheni dagli alcani. Questo processo noto come cracking permette a partire dal petrolio formato da grandi molecole di ottenere molecole più piccole e più leggere come prodotti gassosi e benzine. R R' R-=-R' + 2 M. iani E. Zuccolo G. astellani 25

26 Polimerizzazione L'addizione di una molecola di alchene ad un'altra identica, ripetuta virtualmente all'infinito produce un esempio di polimero 21. Le reazioni di polimerizzazione degli alcheni avvengono per addizione: il doppio legame presente in ciascun alchene si spezza e ogni molecola si unisce a due molecole adiacenti. Tra i materiali ottenuti per polimerizzazione degli alcheni ricordiamo: - il polietilene (PE) che trova impiego nella produzione di pellicole e contenitori per imballaggio di alimenti, bottiglie, tubi ecc. - il polipropilene isotattico 22 (nome commerciale moplen) che è largamente usato per articoli casalinghi, igienico-sanitari, da laboratorio e nel settore tessile (nome commerciale meraklon) per produrre articoli di abbigliamento e di arredamento, moquette e cordami. propilene polipropilene - il polivinilcloruro (noto come PV) che ha vastissime applicazioni in edilizia, elettrotecnica, arredamento, abbigliamento ecc. vinilcloruro polivinilcloruro 21 Per polimero si intende una molecola costruita da una numero enorme di unità semplici, dette monomeri, legate tra loro in modo più o meno regolare.esistono molti polimeri naturali che si formano attraverso complessi meccanismi enzimatici (proteine, acidi nucleici, cellulosa, resine naturali). L esigenza di trovare nuovi materiali per lo sviluppo tecnologico ha stimolato la ricerca chimica, a partire dagli anni 30 del 900, a produrre sinteticamente materiali a partire da sostanze diffuse in natura. Le materie plastiche (o materiali sintetici) vengono prodotte utilizzando soprattutto idrocarburi quali metano, etilene, propilene, acetilene, che derivano dal petrolio. 22 Isotattico significa che tutti i gruppi 3 si trovano dalla stessa parte lungo la catena e questa regolarità conferisce al polimero migliori qualità meccaniche. M. iani E. Zuccolo G. astellani 26

27 5. ALINI Gli alchini sono idrocarburi caratterizzati dalla presenza di un triplo legame, pertanto i due carboni interessati dal triplo legame presentano ibridazione sp.un legame - è di tipo σ, formato dalla sovrapposizione di due orbitali ibridi sp lungo l'asse del legame; il secondo ed il terzo legame sono di tipo π, formati dalla sovrapposizione in direzione perpendicolare all'asse del legame delle due coppie di orbitali p non coinvolte nell'ibridazione. Tale doppia sovrapposizione va a formare un unico orbitale approssimativamente a forma di tubo che avvolge l'asse del legame - lungo la sua lunghezza. Gli alchini sono idrocarburi insaturi. La formula generale degli alchini è: n 2n-2 dove n indica il numero degli atomi di carbonio della catena. Il primo idrocarburo della serie è l etino che viene anche chiamato acetilene ed è anche il più interessante dal punto di vista industriale 23. molecola dell'etino (acetilene) ome nel caso degli alcani e degli alcheni gli atomi di carbonio sono uniti tra loro attraverso legami covalenti a formare una catena aperta, lineare o ramificata. Due atomi di carbonio adiacenti sono però uniti da un legame covalente triplo Nomenclatura degli alchini La nomenclatura IUPA degli alchini segue regole simili a quella degli alcani, tuttavia occorre evidenziare alcune differenze: il nome che viene dato alla catena principale è simile a quanto previsto per gli alcani, ma il suffisso -ano viene sostituito dal suffisso -ino (etino, propino, butino, pentino, esino, eptino, ottino, etc...) nel numerare la catena principale, il numero più basso possibile dovrà essere assegnato ai due atomi di carbonio coinvolti nel triplo legame. I radicali corrispondenti agli alchini assumono la desinenza inile: 23 L acetilene è impiegato in numerose sintesi chimiche e specialmente nel campo della fabbricazione dei monomeri per resine viniliche oltre che per la fabbricazione di numerosi altri prodotti chimici; viene inoltre impiegato nel cannello ossiacetilenico per il taglio e la saldatura dei metalli in quanto permette di raggiungere temperature di circa M. iani E. Zuccolo G. astellani 27

28 formula alchino nome alchino formula gruppo alchilico nome gruppo etino etinile 3 propino 2 2-propinile 3 propino 3 1-propinile 5.2. Reattività degli alchini Le reazioni degli alchini sono simili a quelle degli alcheni, ma il triplo legame risulta meno reattivo del doppio legame. Tra gli alchini l unico di interesse rilevante è l etino o acetilene. ome per gli alcheni, anche la maggior parte della reattività degli alchini si esplica attraverso reazioni di addizione al triplo legame. Le reazioni di addizione possono essere lasciate procedere fino all'ottenimento di composti saturi (cioè con atomi legati tra loro solo da legami semplici) oppure essere condotte in condizioni tali da favorire un'addizione parziale, trasformando quindi il triplo legame in un legame doppio. L addizione di 2 avviene a temperature e pressioni non elevate in presenza di catalizzatori metallici quali platino, palladio o nichel, producendo alla fine l'alcano (b) corrispondente. Durante l idrogenazione dell alchino il triplo legame viene trasformato in un doppio legame e i due atomi di idrogeno della molecola 2 si uniscono ai due atomi di carbonio, si forma così il corrispondente alchene (a): a) R - R' + 2 R = - R' b) R - R' R R' Gli alchini possono polimerizzare secondo un meccanismo analogo a quanto succede per gli alcheni; in particolari condizioni è stato prodotto in laboratorio il poliacetilene, un polimero la cui struttura è quella di un poliene coniugato costituito da migliaia di atomi. Molecole di questo genere sono interessanti in quanto diventano conduttori di corrente elettrica. 6. IDRARBURI ARMATII Il termine «aromatico» fu usato inizialmente per designare i composti organici dotati di odore gradevole. ggi il termine ha piuttosto un significato strutturale, poiché con esso si indicando molecole caratterizzate da un particolare assetto elettronico, che conferisce loro un determinato comportamento chimico. Il primo termine di questa famiglia è il benzene, che ha formula molecolare 6 6, con un rapporto : uguale a 1. M. iani E. Zuccolo G. astellani 28

29 Formula di struttura del benzene Fu ben presto chiaro che il benzene si comportava come se contenesse tre doppi legami. Questi doppi legami mostravano tuttavia un'insolita inerzia chimica, tale da non poterli equiparare a "normali" doppi legami carboniocarbonio. Il termine aromatico iniziò ad assumere un significato volto piuttosto a descrivere il loro particolare comportamento chimico, cioè la tendenza a dare reazioni di sostituzione nonostante l'elevato grado di insaturazione. Il problema era quindi quello di definire una struttura del benzene in grado di accordarsi con le osservazioni sperimentali. Struttura di Kekulè del benzene I dati sperimentali sono perfettamente in linea con questa rappresentazione: ogni legame - è equivalente e la lunghezza di legame è intermedia tra quella prevista per un legame semplice e uno doppio. La molecola è planare con angoli di 120 ; la forma è quindi quella di un esagono regolare. gni carbonio ha ibridazione sp 2 e i rimanenti orbitali p non ibridati, uno per atomo, sono disposti perpendicolarmente al piano e parallelamente fra loro. In questo modo, i sei elettroni rimanenti possono delocalizzarsi in un unico orbitale esteso a tutto l'anello. È allo scopo di mettere in evidenza questo aspetto che si usa rappresentare il benzene come un esagono con un cerchio al centro. M. iani E. Zuccolo G. astellani 29

30 Il benzene 24 a temperatura ambiente è un liquido incolore dall'odore caratteristico, poco solubile in acqua e completamente miscibile con i solventi organici. Il gruppo funzionale ottenuto per rimozione di un atomo di idrogeno ( 6 5 -) prende il nome di fenile e viene spesso abbreviato con la sigla Ph. 24 Si trova in natura nel petrolio greggio, ma in genere viene sintetizzato partendo da altri composti ottenuti dal petrolio.il benzene è un cancerogeno riconosciuto che danneggia in modo particolare le cellule germinali.trova impiego come additivo anti-detonante nella cosiddetta benzina verde" in sostituzione del piombo tetraetile usato nella benzina rossa ; agisce come antidetonante aumentandone il numero di ottani. Negli Stati Uniti, come pure in Europa, in seguito ai suoi effetti nocivi sulla salute, le autorità hanno posto il limite del contenuto di benzene nella benzina all'1% in volume. Il benzene può venire a formarsi quando materiali ricchi di carbonio subiscono una combustione incompleta. In natura si trova nei fumi dei vulcani e degli incendi boschivi. È presente anche nel fumo di sigaretta. Fino agli anni 20 fu usato spesso come solvente industriale, in special modo per sgrassare le superfici metalliche. ol crescere della consapevolezza della sua pericolosità è stato via via sostituito da altri solventi nelle applicazioni che comportano un'esposizione diretta. È un importante solvente nonché un reattivo basilare nella sintesi di numerosi composti, farmaci, materie plastiche, gomme sintetiche, polimeri, coloranti. Il maggiore utilizzo del benzene è tuttavia quello di intermedio per la produzione di altre sostanze chimiche. I composti più importanti - in termine di quantità - derivati dal benzene sono lo stirene, materia prima per la produzione di polimeri, l acido tereftalico, materia prima per il polietilentereftalato (PET), il fenolo ed il cicloesano, utilizzato nella sintesi dei nylon. Minori quantità di benzene vengono impiegate per produrre gomme, lubrificanti, coloranti, detergenti, farmaci, esplosivi e pesticidi. La respirazione di aria contaminata da benzene a livelli elevati produce stati confusionali, tachicardia, mal di testa, tremore ed incoscienza; livelli molto elevati possono essere mortali. Mangiare o bere cibi contaminati da benzene può causare vomito, irritazione delle pareti gastriche, sonnolenza, convulsioni, tachicardia e morte. I più gravi effetti che si manifestano in caso di una lunga esposizione sono principalmente a carico del sangue. Il benzene danneggia il midollo osseo e provoca un calo del numero dei globuli rossi portando all anemia. Può inoltre ostacolare la coagulazione del sangue e deprimere il sistema immunitario. Tra gli effetti a lungo termine rientra anche la leucemia. Alcune donne esposte a livelli elevati di benzene per molti mesi hanno avuto anomalie nel ciclo mestruale ed una diminuzione del volume delle ovaie. Non è ancora noto se l'esposizione al benzene danneggi il feto durante la crescita e possa ridurre la fertilità maschile. Studi condotti su animali hanno dimostrato che l'esposizione al benzene durante la gravidanza porta a nascite sotto peso, ritardi nello sviluppo osseo e danni al midollo osseo dei nascituri. È possibile misurare l'esposizione al benzene attraverso le analisi delle urine, del sangue e del fiato espirato. Nel primo caso l'analisi può essere però falsata dal fatto che i prodotti di degradazione metabolica del benzene sono gli stessi derivati dal metabolismo di altre sostanze. Negli altri due casi, le analisi vanno eseguite in tempi brevi dopo l'esposizione, dato che il benzene viene metabolizzato abbastanza rapidamente. L'uso del benzene come antidetonante nella cosiddetta "benzina verde" ha reso il traffico urbano una delle principali fonti di inquinamento da benzene dell'aria delle città e del loro hinterland. Si calcola che il traffico automobilistico sia responsabile dell 82% del benzene che inquina l aria delle aree urbane. Tuttavia, l esposizione maggiore al benzene da parte dell organismo deriva dal fumo di sigaretta (45%), da attività come il cucinare con fuoco di legna, verniciare e usare di solventi (34%), per il 18% dal traffico automobilistico e per il 3% dall industria. M. iani E. Zuccolo G. astellani 30