Chimica organica e polimeri

Chimica organica

Composti del carbonio

I composti del carbonio sono suddivisi in classi sulla base dello scheletro di atomi di carbonio e gruppi funzionali. Sono costituiti da pochi elementi (C, H, O, N, Cl, P, S) con legami generalmente covalenti, non ionici. Gli atomi di carbonio si legano fra loro formando catene che possono essere ramificate, lineari o cicliche, offrendo molte possibilità di isomeria. In generale, questi composti sono stabili grazie all'elevata energia del legame C-C. Le reazioni che li coinvolgono non sono ioniche, ma sono reazioni di equilibrio che richiedono alte temperature, lunghi tempi di reazione e catalizzatori. I composti sono stabili entro intervalli di temperatura limitati. Tutti derivano dagli idrocarburi, formati solo da carbonio e idrogeno.

Ibridazione del carbonio

Il carbonio ha configurazione elettronica C: 1s² 2s² 2p² e partecipa alla formazione dei composti con diverse ibridazioni:

• sp³: forma 4 legami covalenti semplici, tipo σ, con geometria spaziale tetraedrica.
• sp²: forma 3 legami planari; un orbitale p dà un legame π, gli altri sono legami σ.
• sp: forma 2 legami lineari, con due orbitali p che danno legami π.

Classificazione

• Composti alifatici: catene che non formano anelli.
• Composti aliciclici: catene chiuse di atomi di carbonio.
• Composti aromatici: chiuse ad anello con un alto grado di insaturazione (es. anello benzenico).

Sono raggruppabili in serie omologhe, dove ogni membro differisce dal precedente per un termine costante (es. CH₃-CH₂-CH₃ è propano, CH₃-CH₂-CH₂-CH₃ è butano). I composti organici si ottengono mediante sostituzione degli atomi di idrogeno con gruppi funzionali come -OH ossidrile, -NH₂ amminico, -COOH carbossilico, -R radicali (altre catene), etc.

Idrocarburi alifatici

Sono ottenuti principalmente da fonti quali petrolio e gas naturale tramite la distillazione frazionata.

Alcani (paraffine)

Il carbonio è ibridizzato sp³ e forma legami di tipo σ. La formula generica è C_nH_2n+2. Eliminando un idrogeno, si ottengono residui o gruppi alchilici, con desinenza -ile, ad esempio CH₄ diventa CH₃ metano in metile. I termini più semplici sono gassosi a temperatura ambiente e si osserva un aumento regolare dei punti di ebollizione. Sono intermiscibili fra loro e con solventi organici polari (non acqua). L'indice di rifrazione aumenta con il peso molecolare.

Reazioni:

• Sostituzione: rottura del legame C-H e aggiunta di un radicale.
• Cracking: ad alte temperature, rottura del legame C-C.
• Deidrogenazione: formazione di composti insaturi.
• Alogenazione: sostituzione con un alogeno.
• Ossidazione: combustione fortemente esotermica tramite agenti ossidanti chimici, formazione di alcoli.

Alcheni (olefine)

Presentano un doppio legame C=C, che determina insaturazione. La formula generale è C_nH_2n. I due atomi di carbonio legati dal doppio legame sono sp², conferendo alla molecola una struttura planare in quel punto. La presenza del doppio legame impedisce la libera rotazione, comportando la stereoisomeria geometrica (isomeri cis/trans). Il legame π è più debole del legame σ, rendendo gli alcheni molto reattivi. Reazioni tipiche sono quelle di addizione, seguendo la regola di Markovnikov: in una reazione di una specie H-X, l'idrogeno si lega all'atomo di carbonio già più idrogenato. Alcheni possono inoltre subire reazioni di polimerizzazione.

Dieni

Presenza di due doppi legami: C=C=C

• Cumulati (allenì)
• Coniugati C=C-C-C=C
• Isolati (alcadieni)

Alchini

Presentano un triplo legame –C≡C– (carbonio sp), con formula generale C_nH_2n-2. Danno reazioni di addizione, ad esempio: H–C≡C–H + HCl → H₂C=CHCl (acetilene cloroetene cloruro di vinile, monomero del PVC).

Idrocarburi aliciclici

I cicloalcani sono composti saturi con formula generale C_nH_2n. Quelli non saturi, con doppi legami ecc., sono aliciclici ma non cicloalcani.

Esempio: _H2Cciclopropano_H2C–CH2

Idrocarburi aromatici

Sono molto stabili a causa della delocalizzazione degli orbitali π. La base è il benzene, in cui i legami non sono singoli e doppi, ma tutti equivalenti, rendendo la molecola planare e con elevata simmetria. Gli atomi di carbonio formano legami σ (sp²), mentre gli orbitali p non ibridizzati sono perpendicolari al piano della molecola, creando due nuvole elettroniche in cui gli elettroni possono muoversi liberamente, conferendo elevata stabilità. Le reazioni di addizione non avvengono e vi è resistenza all'ossidazione, mentre avvengono facilmente reazioni di sostituzione elettrofila.

Derivati particolari del benzene:

• Monosostituiti: toluene, fenolo, anilina.
• Bisostituiti: orto, meta, para.
• Se la catena è più lunga, il sostituente è il gruppo fenile.

Reazioni di sostituzione elettrofila:

• Alogenazione: + Cl₂ → Cl + HCl
• Nitrazione: + HNO₃ → NO₂ + H₂O
• Solfonazione: + SO₃ → SO₃H
• Alchilazione: + R-Cl → R + HCl
• Acylazione: + R-C≡O-Cl → R-C≡O-R + HCl

Alogenuri

R-X, dove R è qualsiasi catena e X è un alogeno (Cl, F, Br, I).

Alcoli e fenoli

Hanno il gruppo funzionale ossidrile _OH. Esistono alcoli primari, secondari e terziari:

• Primario: OH | CH₂ | R
• Secondario: OH | R - CH | R
• Terziario: OH | R - C - R | R

Ossidazione:

• Primario → aldeide → acido carbossilico → ox. completa
• Secondario → chetone → ox. completa
• Terziario → ox. completa

Preparazione:

• Alcheni + acqua → alcol
• Alogeni + acqua → alcool + idracido
• Fermentazione del glucosio tramite microorganismi

Due gruppi ossidrilici: glicoli/dioli, ad esempio etandiolo H₂C—CH₂ usato come antigelo.

Aldeidi e chetoni

Hanno il gruppo carbonile [C=O] con ibridazione sp²; sono planari.

• Aldeide: R—C=O (desinenza -ALE)
• Chetone: R—C=O (desinenza -ONE)

Esempio di acetone: H₃C—C=O

Esempio di formaldeide: H—C=O

Acidi carbossilici

Detti anche acidi grassi, hanno il gruppo carbossilico con desinenza -oico. Con due gruppi carbossilici sono detti bicarbossilici. Esempi di acidi particolari:

• Acido salicilico
• Acido ossalico
• Metanoico → formico
• Butanoico → butirrico
• Etanoico → acetico
• Esanoico → capronico

Esteri

Molto presenti in natura (grassi). La loro formazione avviene per esterificazione tra acido carbossilico e alcool. Nome: R-oato di R’. Esempio: glicerina + acidi grassi → grassi. Acidi grassi + metalli alcalini → saponi. Sono idrofili e lipofili (affini allo sporco).

Eteri

Hanno la struttura R-O-R'. Se R è uguale si ha un etere di- R-ico, se R è diverso si ha R, R' etere o R-ossi R'. Non formano legami a idrogeno e sono molto infiammabili. Si formano per disidratazione di due alcoli.

Ammine

Costituiscono le basi organiche e sono derivati dell'ammoniaca contenente azoto. Esistono ammine primarie, secondarie e terziarie:

• R-ammina
• R, R'-ammina
• R, R', R-ammina

Amidi

Derivati degli acidi, espressi come R-amide. Le amidi sostituite hanno la struttura R-C-N-R'R'.

Anidridi

Si formano per disidratazione degli acidi.

Nitrili

Hanno il gruppo nitrilico e la struttura R-nitrile. L'azoto in questi composti ha ibridazione sp.

Polimeri

Sono formati da lunghe sequenze di atomi o gruppi di atomi legati fra loro da legami primari, generalmente covalenti. Le unità ripetitive formano il polimero, ottenuto attraverso la polimerizzazione di monomeri più semplici. Possono essere naturali (cellulosa, proteine) o artificiali (PS, PET). I polimeri hanno una struttura che può essere:

• Lineare: catena a due estremità
• Ramificata
• Reticolata: caratterizzata dalla densità di reticolazione e punti di giunzione per unità di volume, formando gomitoli statistici.

La diversa struttura dei polimeri conferisce loro diverse proprietà.

Costituzione

• Omopolimeri: derivano da un unico tipo di monomero, con ripetizione di una sola unità ripetitiva, ad esempio [CH₂=CH₂] nel polietilene.
• Copolimeri: derivano da più di una specie monomerica e possono essere:
  • Statistici: distribuzione delle unità secondo leggi statistiche
  • Random: casuali al 100%
  • Alternati: due unità ripetitive disposte alternativamente

I copolimeri possiedono proprietà intermedie rispetto agli omopolimeri A e B.