Gli idrocarburi alifatici Gli idrocarburi sono i composti organici più semplici, sono infatti costituiti solo da carbonio e idrogeno (da cui il nome, appunto, di idro-carburi). Pur essendo relativamente semplici, si tratta comunque di un vasto gruppo di molecole che possono differire tra loro per molti aspetti. Una prima distinzione degli idrocarburi è quella che li divide in alifatici 1 e aromatici 2. Gli alifatici sono idrocarburi costituiti da catene di atomi di carbonio diritte o ramificate; essi vengono a loro volta distinti in lineari e ciclici a seconda che la catena sia aperta o chiusa. Gli aromatici, invece, presentano una particolare struttura ciclica che, come vedremo successivamente, ha proprietà del tutto specifiche. Qui ci occuperemo solo degli idrocarburi alifatici. Questi ultimi vengono principalmente distinti in base allo stato di ibridazione degli atomi di carbonio che li compongono: se tutti presentano l ibridazione sp 3 si parla di alcani (se a catena aperta) e cicloalcani (se a catena chiusa); se esistono atomi ibridati sp 2, si parla invece di alcheni e cicloalcheni; se invece compare l ibridazione sp abbiamo alchini e cicloalchini. Alcani e cicloalcani sono idrocarburi saturi (l aggettivo saturo si riferisce al fatto che ogni atomo di carbonio lega il numero massimo numero possibile di atomi di idrogeno) e sono costituiti da catene di atomi di carbonio uniti solo da legami semplici. Gli altri idrocarburi sono invece detti insaturi (esistono atomi di carbonio che non legano il massimo numero possibile di atomi di idrogeno) e sono presenti legami doppi e/o tripli. idrocarburi alifatici saturi alcani cicloalcani alcheni cicloalcheni insaturi alchini cicloalchini ALCANI Gli alcani, detti anche paraffine 3, appartengono alla classe degli idrocarburi saturi, nei quali tutti gli atomi di carbonio della molecola sono legati tra loro per mezzo di legami semplici. La loro formula generale è C n H 2n+2 dove n è un qualunque numero intero. La formula grezza, però, non serve a molto perché non rivela la struttura della catena (se lineare, ramificato o ciclica) e non distingue gli eventuali isomeri. Per questo si ricorre alle formule di struttura condensate (questo vale, in genere, per tutte le molecole organiche). Nomenclatura La nomenclatura dei composti organici è stata definita da un apposito organismo internazionale (IUPAC: International Union of Pure and Applied Chemistry) che ha dettato regole per tutti i composti. 1. Alifatico viene dal greco e significa unguento perché questi idrocarburi sono quasi tutti solidi a temperatura ambiente e, essendo insolubili in acqua, hanno un aspetto untuoso. 2. Il termine aromatico non ha niente a che vedere con l odore di queste sostanze (anche se, effettivamente, molte di loro ce l hanno), esso deriva semplicemente dal fatto che sono state scoperte analizzando le piante aromatiche. 3. La parola paraffina deriva dal latino parum affinis, che significa poco affine, intendendo così sottolineare la scarsa reattività di queste molecole.
2 Gli idrocarburi Nel caso degli alcani, a catena lineare, la nomenclatura stabilisce che il nome della molecola sia costituito da un prefisso, che indica il numero degli atomi di carbonio, seguito dalla desinenza -ano. I principali prefissi sono elencati nella tabella seguente e valgono per tutti i composti organici: numero prefisso atomi di carbonio 1 met- 2 et- 3 prop- 4 but- 5 pent- 6 es- 7 ept- 8 ott- 9 non- 10 dec- I primi idrocarburi degli alcani sono quindi: metano (CH 4 ), etano (C 2 H 6 ), propano (C 3 H 8 ), butano (C 4 H 10 ) e così via Dagli alcani con 4 atomi di carbonio in poi, la catena può essere lineare o ramificata, è così possibile individuare differenti isomeri di struttura. Il numero degli isomeri cresce in maniera esponenziale al crescere del numero di atomi di carbonio presenti: basti pensare che l idrocarburo C 12 H 26 (dodecano) presenta ben 355 isomeri! Nel caso di alcani a catena ramificata la IUPAC prevede le seguenti regole: 1. selezionare la più lunga catena di atomi di carbonio (nel caso in cui siano presenti due o più catene di lunghezza uguale, si sceglie quella con il maggior numero di ramificazioni) 2. numerare gli atomi di carbonio partendo dall estremità più vicina alla prima ramificazione 3. identificare e nominare i gruppi alchilici 4 attaccati a questa catena 4. designare la posizione di ogni gruppo alchilico sostituente con l appropriato numero e nome (il nome è quello dell idrocarburo corrispondente ma con il suffisso ile anziché ano) 5. nel nome finale elencare i gruppi sostituenti in ordine alfabetico (facendo precedere il loro nome, eventualmente, dai prefissi di-, tri-, tetra- ecc. usati se vi è più di un gruppo dello stesso tipo) e il nome della catena più lunga con il suffisso ano Facciamo un esempio. Proviamo a dare il nome al seguente idrocarburo: La catena più lunga è formata da 6 atomi di carbonio che cominceremo a numerare da sinistra. In posizione 2 abbiamo due metili, in posizione 5 un metile e un etile. Il nome risultare quindi essere: 5-etil, 2,5- trimetilesano. Gli alcani presentano un numero di atomi di carbonio variabile da 1 a 70. Questo numero determina il loro stato fisico perché i punti di fusione e di ebollizione crescono al crescere della massa molecolare: 4. I gruppi alchilici, o gruppi sostituenti, sono le ramificazioni della catena. Un gruppo alchile è un qualsiasi idrocarburo alifatico a cui è stato tolto un atomo di idrogeno; il nome sostituente deriva invece dal fatto che questo gruppo ha in pratica sostituito uno degli atomi di idrogeno che erano presenti. IDROCARBURI 1.DOCX A. Belli
Gli idrocarburi 3 fino a 4 atomi di carbonio sono gassosi a temperatura ambiente da 5 a 16 sono liquidi incolori; da 16 a 70 sono solidi. I composti ramificati hanno punti di ebollizione inferiori a quelli dei corrispondenti lineari perché le loro molecole, proprio a causa delle ramificazioni, sono mediamente più distanti tra loro, di conseguenza le forze attrattive che tra esse agiscono sono più deboli. Tutti gli alcani sono insolubili in acqua perché essendo privi di gruppi polari non possono instaurare né legami a idrogeno né legami dipolo-dipolo. Sono però buoni solventi per le sostanze apolari, quali i grassi o gli alogeni. Infine, avendo una densità minore dell acqua, gli alcani galleggiano. Gli alcani, come già si è detto, sono poco reattivi perché i legami σ sono molto forti e la loro rottura avviene assai difficilmente; riescono a compiere solo poche reazioni: sostituzione (alogenazione) combustione SOSTITUZIONE È la reazione in cui un atomo di idrogeno viene sostituito da un altro atomo o da un gruppo di atomi. Gli atomi che più facilmente vanno a sostituire l idrogeno sono gli alogeni (cloro, iodio ecc.), infatti questo tipo di reazione è spesso chiamata alogenazione. La reazione richiede elevate temperature (circa 300 C) e luce ultravioletta che favorisce la rottura molecola dell alogeno. L alogenazione avviene con un meccanismo che comporta la formazione di radicali liberi, ovvero atomi o gruppi di atomi che presentano un elettrone spaiato (rappresentato da un puntino). La luce ultravioletta determina la rottura omolitica 5 della molecola di alogeno con formazione di un atomo radicalico. I radicali sono fortemente instabili in quanto tendono prontamente a reagire con qualunque altro atomo o molecola per ricostituire un doppietto elettronico condiviso. Un classico esempio è la clorurazione del metano, che procede fino alla totale sostituzione di tutti gli atomi di idrogeno dell alcano, formando progressivamente il cloruro di metile CH 3 Cl, il cloruro di metilene CH 2 Cl 2, il tricloruro di carbonio CHCl 3 (il noto anestetico cloroformio) e infine il tetracloruro di carbonio CCl 4 : Cl 2 Cl + Cl Cl + CH 4 CH 3 + HCl complessivamente: CH 4 + ½Cl 2 CH 3 C + HCl CH 3 + Cl CH 3 Cl COMBUSTIONE La reazione di combustione è sicuramente quella più comune. Essa richiede l intervento dell ossigeno molecolare (O 2 ) che reagisce con il carbonio e l idrogeno dell idrocarburo formando anidride carbonica (CO 2 ) e acqua (H 2 O). per poter avvenire la reazione ha bisogno di un innesco energetico ma poi procede spontaneamente in maniera fortemente esotermica producendo una notevole quantità di calore. Ad esempio la combustione del metano, il gas più usato in ambito domestico, è la seguente: CH 4 + O 2 CO 2 + 2H 2 O se però la combustione avviene in carenza di ossigeno l ossidazione dell alcano risulta parziale e si forma CO, un gas altamente tossico perché si lega irreversibilmente con l emoglobina causando la morte per asfissia. 5. Si dice omolitica la rottura del legame che avviene separando i due elettroni condivisi.
4 Gli idrocarburi CICLOALCANI Sono idrocarburi saturi a catena chiusa. Si tratta quindi di composti ciclici la cui formula generale è C n H 2n. La loro nomenclatura è simile a quella degli alcani ai quali si aggiunge il prefisso ciclo. I primi idrocarburi cicloalcani sono quindi: ciclopropano, ciclobutano, ciclopentano, cicloesano La stabilità di un cicloalcano dipende dal numero degli atomi di carbonio, che influenzano l anello della molecola, ed è massima per gli anelli costituiti da 5 e 6 atomi di carbonio (ciclopentano e cicloesano). Negli altri casi questi composti sono instabili. I loro punti di fusione ed ebollizione sono sensibilmente più alti di quelli degli alcani corrispondenti. Come gli alcani sono composti apolari non solubili in acqua e sono buoni solventi per le sostanze non polari. Cicloalcani e alcani presentano lo stesso comportamento chimico, ad eccezione dei cicloalcani più piccoli, come il ciclopropano e il ciclobutano i quali, a causa della forte tensione dei legami fra gli atomi carbonio, si presentano particolarmente reattivi. Le reazioni sono quindi la sostituzione e la combustione, in più essi presentano anche una reazione di idrogenazione. REAZIONE DI IDROGENAZIONE Riguarda soprattutto i cicloalcani a basso numero di atomi di carbonio come il ciclopropano e il ciclobutano, per la loro forte reattività. Essa consiste nell apertura dell anello, addizione di idrogeno e/o di alogeni con formazione dell alcano e/o dell alogenuro alchilico corrispondenti. ALCHENI La prima classe di idrocarburi insaturi è quella degli alcheni, detti anche olefine 6, che presentano lungo la catena uno o più doppi legami carbonio-carbonio. Più specificatamente si parla di alcheni se contengono un solo doppio legame, di dieni se ne contengono due e di trieni, se invece ne contengono tre. La loro formula generale degli alcheni è: C n H 2n Nomenclatura La nomenclatura IUPAC è simile a quella degli alcani, modificando la desinenza ano in ene. I primi quattro alcheni sono quindi: etene (C 2 H 4 ) spesso chiamato anche etilene, propene (C 3 H 6 ), butene (C 4 H 8 ), pentene (C 5 H 10 ) Le regole IUPAC per la nomenclatura degli alcheni a struttura ramificata ricalcano, con poche variazioni, quelle già viste a proposito degli alcani. Le differenze sono: 1. la catena più lunga da individuare deve contenere il doppio legame (o il maggior numero di doppi legami se ce ne sono più di uno) 2. la numerazione degli atomi di carbonio parte dall estremità più vicina al doppio legame 6. La parole olefina deriva dall inglese olefiant che significa che produce olio perché dagli alcheni, come vedremo, si ottengono gli alcheni che sono insolubili in acqua come l olio. IDROCARBURI 1.DOCX A. Belli
Gli idrocarburi 5 3. si indica la posizione del legame doppio riferendo solo l atomo di carbonio che ha il numero più basso Ai fini della nomenclatura dei composti che li possono contenere come sostituenti, ricordiamo i nomi di alcuni gruppi alchilici insaturi: H 2 C=CH vinile, derivato dall etene H 2 C=CHCH 2 allile, derivato dal propene Gli alcheni hanno proprietà fisiche simili a quelle degli alcani con pari numero di atomi di carbonio, rispetto ai quali presentano una densità un po più alta e un punto di ebollizione un po più basso. Gli alcheni sono molto più reattivi degli alcani. Danno facilmente reazioni che interessano il doppio legame. Infatti la componente π può facilmente rompersi permettendo la formazione di legami σ con altri atomi. Le reazioni tipiche degli alcheni sono: addizione elettrofila polimerizzazione ADDIZIONE ELETTROFILA Un elettrofilo è una specie chimica con una parziale o totale carica positiva oppure con l ottetto incompleto, per questo sono sensibili alla presenza di elettroni. I più comuni agenti elettrofili sono idrogeno, acidi, alogeni, acqua; sono quindi possibili vari tipi di reazioni di addizione al doppio legame a seconda del reagente impiegato. La reazione richiede la presenza di catalizzatori metallici ed avviene attraverso la formazione di carbocationi 7. L agente elettrofilo si lega all alchene in corrispondenza del doppio legame, rompendolo. Si forma così una molecola con parziale o totale carica positiva detta, appunto, carbocatione che è fortemente instabile. Quest ultimo, infine, si legherà a sua volta all anione proveniente dall elettrofilo formando un composto più stabile. Ad esempio in CH 2 =CH 2 + HCl 2 : HCl 2 H + + Cl CH 2 =CH 2 + H + CH 3 CH 2 + CH 3 CH + + Cl CH 3 CH 2 Cl Quando l addizione elettrofila interessa un alchene asimmetrico (in cui il doppio legame si trova in una posizione non simmetrica) e un reagente asimmetrico, vale la regola di Markovnikov: l idrogeno si lega sempre all atomo di carbonio del doppio legame che possiede il maggior numero di atomi di idrogeno. Ad esempio la reazione tra CH 2 =CHCH 3 e HCl porta alla formazione di CH 3 CHClCH 3 (2-cloropropano) e non di CH 2 ClCH 3 CH 3 (1-cloropropano). Ciò accade perché quando si forma il carbocatione, la sua carica positiva tende a localizzarsi il più simmetricamente possibile così da stabilizzare maggiormente lo ione. Addizione di idrogeno Per addizione di una molecola di idrogeno, si ottiene l alcano corrispondente. La reazione è detta anche riduzione. Ad esempio, per l etilene la reazione è: CH 2 =CH 2 + H 2 CH 3 CH 3 7. Il carbocatione deriva dalla rottura eterolitica di un legame covalente (in questo caso un legame π), in cui entrambi gli elettroni condivisi vengono presi dallo stesso atomo lasciando l altro con una carica positiva.
6 Gli idrocarburi Addizione di alogeni Gli alcheni più adoperati sono il bromo (Br 2 ) e il cloro (Cl 2 ) formando composti chiamati dialogenuri perché contengono due atomi di alogeno. Nel caso dell etilene la reazione sarà la seguente: CH 2 =CH 2 + Cl 2 CH 2 ClCH 2 Cl Addizione di acqua L acqua tende a dissociarsi in ioni H + e OH, lo ione idrogeno rompe il doppio legame e i due carboni che lo formavano legano ciascuno uno dei due ioni. Sempre nel caso dell etilene abbiamo: CH 2 =CH 2 + H 2 O CH 3 CH 2 OH POLIMERIZZAZIONE La polimerizzazione, ovvero l unione di più molecola tra loro così da formare un polimero, è una reazione che avviene in presenza di un catalizzatore radicalico (in genere un perossido) e decorre con la formazione di radicali liberi. Ad esempio dall etilene si può ottenere facilmente il polietilene, un polimero spesso indicato con la sigla PE, un materiale plastico con il quale si realizzano contenitori trasparenti per alimenti e fogli per imballaggi o per avvolgere cibi. Il grado di polimerizzazione (indicato da n) può arrivare fino ad alcuni milioni di molecole: nch 2 =CH 2 (CH 2 CH 2 ) n CICLOALCHENI Si tratta di composti poco diffusi perché molto instabili perché la molecola ciclica contiene almeno due atomi di carbonio ibridizzati sp 2 e ciò causa una certa tensione che comporta molto facilmente l apertura dell anello. I hanno formula generale C n H2 n-2. I primi quattro membri di questa classe di composti sono: ciclopropene, ciclobutene, ciclopentene, cicloesene. Le reazioni dei ciclolacheni sono, in linea di massima, le stesse degli alcheni, alle quali si rimanda. ALCHINI Gli alchini sono caratterizzati dalla presenza di uno o più tripli legami e fanno parte anch essi degli idrocarburi insaturi. La loro formula generale degli alchini è: C n H 2n-2 Nomenclatura Il nome IUPAC utilizza, per gli alchini, la desinenza -ino. Il più semplice è l etino (C 2 H 2 ) detto anche acetilene, un gas infiammabile e incolore. Questo idrocarburo è usato per produrre una fiamma molto calda (circa 3300 C) utilizzata per la saldatura e il taglio di metalli. Gli alchini presentano proprietà fisiche simili a quelle degli alcani e degli alcheni. Come gli altri idrocarburi, sono anch essi insolubili in acqua. IDROCARBURI 1.DOCX A. Belli
Gli idrocarburi 7 Gli alchini, come gli alcheni, devono la loro reattività alla presenza del legame multiplo che favorisce le reazioni di addizione elettrofila con formazione di composti saturi, cioè privi di legami multipli. Quindi le reazioni sono le stesse di quelle già viste per gli alcheni. Fatta eccezione per l etino, gli alchini non rivestono una particolare importanza per l industria chimica. CICLOALCHINI A causa della presenza del triplo legame, i cicloalchini presentano solitamente una forte tensione d anello e possono quindi esistere soltanto se il numero di atomi di carbonio nell anello è abbastanza grande da provvedere la flessibilità necessaria a permetterne la deformazione. Di conseguenza il cicloottino (C 8 H 12 ) è il cicloalchino più piccolo in grado di essere isolato come sostanza sufficientemente stabile. In linea generale i cicloalchini possono essere preparati e conservati sotto particolari condizioni.