Carbonio, idrocarburi, alcani, alcheni e alchini

Evoluzione del concetto di organico

L’aggettivo organico veniva usato in passato per indicare i composti ritenuti caratterizzati da una forza vitale, con la convinzione che per questo motivo no potessero essere sintetizzati in laboratorio. Successivamente Wohler riuscì a sintetizzare in laboratorio l’urea, un componente dell’urina, giungendo all’abbandono della teoria vitalistica e alla nascita di molecole artificiali. Ad ogni modo oggi sono considerati composti organici tutti quelli contenenti il carbonio, ad eccezione di CO, CO2, H2CO3, HCN, carbonati, cianuri e carburi, considerati inorganici a causa delle proprietà simili a questi.

Elementi e legami del carbonio

Tutte le molecole organiche contengono oltre al carbonio, pochi altri elementi come ad esempio azoto, ossigeno, idrogeno, zolfo, fosforo. La grande varietà dei composti organici che il carbonio è in grado di compiere è dovuta alla sua natura:

-la presenza di quattro elettroni di valenza determina la possibilità di formare lunghe catene di atomi di C tramite la condivisione di una, due o tre coppie di elettroni. D’altronde la valenza di un elemento è pari al numero di legami che è capace di creare. Da ricordare che gli elettroni di valenza occupano il livello energetico maggiore perché devono scambiare energia con l’esterno al fine di raggiungere un equilibrio energetico.

C-C C=C C≡C

-il suo valore di elettronegatività è tale per cui può legarsi covalentemente con tutti i non metalli e quasi tutti i metalli.

Configurazione elettronica del carbonio

Nella tavola periodica il carbonio appare in questo modo:

-6: numero atomico, è identificativo del carbonio e ci dà informazioni riguardo al numero di protoni presenti nel nucleo, nel caso in cui sia neutro (ovvero non sta scambiando materia con l’esterno) anche del numero di elettroni

-12,01115: peso atomico, espresso in uma

-2±4: numero di ossidazione, la differenza tra il numero di elettroni di valenza dell'atomo considerato e il numero di elettroni che ad esso rimangono dopo aver assegnato tutti gli elettroni di legame all'atomo più elettronegativo di ogni coppia.

-1s22s22p2: configurazione elettronica: si riferisce alla disposizione degli elettroni legati, ossia al loro comportamento attorno ai nuclei di uno o più atomi.

Per quanto concerne quest’ultima parte occorre spiegare il significato di ciascuna cifra e lettera.

-I numeri davanti alle lettere vengono chiamati numeri quantici primari o livello energetico principale, e rappresentano la distanza degli elettroni rispetto al nucleo. Infatti più la cifra è bassa, più vicino è l’elettrone e minore sarà l’energia; al contrario, più la cifra aumenta maggiore sarà la distanza e dunque l’energia dell’elettrone.

-Le lettere sono chiamate numeri quantici secondari o livelli energetici secondari, indicano gli orbitali, ovvero gli spazi tridimensionali attorno al nucleo all’interno del quali al 95% si trovano e si muovono gli elettroni. Gli orbitali generalmente sono di 4 tipi, ma in questo caso ci interessano quelli sferici (S) e quelli a doppio lobo (P). All’interno di ogni orbitale possiamo trovare massimo 2 elettroni.

-I numerini scritti in alto, invece, indicano il numero di elettroni all’interno di ciascun orbitale.

-Vi è anche il numero quantico magnetico che dà informazioni circa l’orientamento dell’orbitale.

Ibridazione e legami del carbonio

Come già detto il carbonio dispone di 4 elettroni di valenza che usa tutti insieme per creare dei legami uguali, ma come riesce dal momento in cui non dispone di 4 elettroni posti in orbitali simili? La soluzione risulta essere l’ibridazione, ovvero un procedimento di combinazione matematica di un certo numero di orbitali (orbitali s, p) con contenuto energetico poco diverso (quindi orbitali di valenza) di uno stesso atomo che permette di ottenere nuovi orbitali ibridi equivalenti (isoenergetici) con i lobi orientati lungo le direzioni dei possibili legami che l'atomo centrale di una o più molecole può formare con altri atomi. Vi sono tre tipi di ibridazione:

-sp3: sono coinvolti l’orbitale s e tutti e tre gli orbitali p, danno origine a quattro orbitali ibridi uguali.

-sp2: sono coinvolti l’orbitale s e due orbitali p, danno origine a tre legami ibridi sp e uno p

-sp: sono coinvolti l’orbitale s e un orbitale p, danno vita a due orbitali ibridi sp e due p.

Quando il carbonio interagisce con un altro elemento si parla di orbitali molecolari e non più atomici. Vi sono due tipi di orbitali atomici:

-orbitale sigma: si incontrano lungo l’asse x

-orbitale pi greco: si incontrano lungo l’asse y ripiegandosi su sé stessi e dando vita a due orbitali con l’elettrone al centro. Abbiamo solo un caso di tale orbitale.

Collegandoci ai legami atomici:

-sp3 presenta 4 legami sigma

-sp2 presenta 3 legami sigma e uno pi greco

-sp presenta 2 legami sigma e 2 pi greco

Tipi di idrocarburi

Gli idrocarburi sono composti binari formati soltanto da carbonio e idrogeno. Si dividono in:

-Alifatici: molecole costituite da catene di atomi di carbonio lineari (aperte o chiuse) o ramificate. Si suddividono a loro volta in:

a)saturi: ovvero alcani e cicloalcani, costituiti da catene di atomi di carbonio uniti soltanto da legami semplici

b) insaturi: ovvero alcheni e alchini, costituiti da catene di atomi di carbonio uniti da doppi o tripli legami.

-Aromatici: presentano una struttura ciclica con proprietà del tutto specifiche.

Gli alcani sono idrocarburi saturi contenenti soltanto legami semplici C-C e caratterizzati da ibridazione sp3. Il più semplice degli alcani è il metano che lega con 4 atomi di H, a partire da questo non è più possibile che un atomo di C leghi contemporaneamente con 4 atomi di H e per passare all’alcano successivo basta aggiungere CH2: per questo si dice che gli alcani formano una serie omologa, la cui formula è CnH2n+2, in cui n è un numero intero. Vi sono differenti modi di rappresentare gli alcani:

-formula generale

-formula condensata

-formula di struttura

-formula semplice

Gli altri idrocarburi saturi sono i cicloalcani, infatti dal ciclopropano è possibile chiudere le catene di C sacrificando due atomi di H. A tale scopo la formula dei cicloalcani è CnH2n. I cicloalcani prendono la struttura del poligono regolare corrispondente. La struttura più interessante è quella del cicloesano che può essere, oltre a quella di un esano, anche a sedia o a barca: nella prima troviamo due disposizioni degli atomi di H, assiale cioè parallela all’asse di simmetria della struttura, e una equatoriale ovvero disposti lungo tutto il perimetro. Ad ogni modo risulta essere la struttura più sicura poiché vi è maggiore distanza tra gli atomi di H e quindi minimizza le forze repulsive tra le loro nuvole elettroniche.

Nel caso degli alcani a partire dal butano possono verificarsi esempi di isomeria, ovvero a una stessa formula brutta corrispondono differenti formule di struttura. Ad esempio nel caso del butano:

Vi sono differenti tipi di isomeria:

-isomeria di struttura

a) isomeri di catena: atomi disposti in modo differenti

b)isomeri di posizione: le molecole legano con altri elementi aldilà dell’idrogeno che possono occupare posizioni differenti

-stereoisomeri (comuni negli alcheni):

a) isomeria geometrica: differente orientazione degli atomi nello spazio

Nel caso di idrocarburi più complessi è necessario ricorrere alla nomenclatura. Per prima cosa si evidenzia la catena di C continua più lunga e si iniziano a numerare gli atomi dalla parte in cui si trova prima un radicale. I radicali alchilici si ricavano dall’allontanamento di un atomo H e si indicano con il suffisso –ile.

Dopodiché bisogna classificare gli atomi di C a seconda che siano legati rispettivamente con uno, due, tre o quattro atomi di C. Avremo dunque:

-carbonio primario: n

-carbonio secondario: sec/iso

-carbonio terziario: ter/t

-carbonio quaternario

A questo punto si definiscono i radicali e si assegna un nome all’alcano in questione. Per prima cosa dobbiamo segnare in ordine alfabetico la posizione e il nome dei radicali presenti, poi il nome della catena di C considerata all’inizio. Si usano virgole per separare i numeri e i trattini per separare lettere dai numeri e viceversa. Nel caso in cui ci siano più radicali uguali si possono usare i prefissi di, tri ecc.

Anche per i cicloalcani la regola è la medesima, con l’unica differenza che si cerca di utilizzare i numeri più piccoli possibile per indicare la posizione dei radicali, motivo per cui bisogna prestare molta attenzione alla numerazione degli atomi di C.

Proprietà e reazioni degli alcani

I composti che appartengono a una stessa serie omologa hanno proprietà chimiche simili ma differenti proprietà fisiche che variano al variare della massa molecolare. Infatti:

- il punto di ebollizione degli alcani a catena lineare cresce regolarmente all’aumentare della massa molecolare, quindi a temperatura ambiente i primi quattro alcani saranno gassosi, sino a 15 atomi di carbonio liquidi e da 16 in poi solidi.

-i composti ramificati hanno punti di ebollizione inferiori rispetto a quelli lineari poiché le molecole dei primi sono più distanti tra loro di conseguenza le forze attrattive di London sono più deboli.

Gli alcani sono buoni solventi per sostanze apolari ma insolubili in acqua, infatti galleggiano. Vengono inoltre chiamati paraffini in quanto il loro legame C-C è talmente forte che li rende poco sensibili alla maggior parte dei reagenti chimici.

Danno vita a due differenti tipi di reazione:

-combustione: reazione con l’ossigeno che dà vita ad anidride carbonica, acqua ed energia.

CnH2n+2 + eccesso di O2 nCO2 + (n+1) H2O

-sostituzione: avviene quando si sostituisce uno o più atomi di H con un elemento alogeno, ovvero gli elementi evidenziati in rosso nella tavola periodica considerati aggressivi in quanto cercano in tutti i modi di rubare l’unico elettrone mancante. La sostituzione si articola in tre fasi: stadio di inizio, stadio di propagazione e stadio di terminazione.

La reazione è radicalica, infatti nel primo caso i raggi UV spezzano il legame alogeno-alogeno e avremo:

Cl-Cl - 2Cl

Poiché è il 2Cl ad essere più debole dell’alcano, è lui ad assorbire energia e a strappare al secondo un atomo di H, dando vita a un HCl ma allo stesso tempo ad un metile. Infine la catena di reazioni termina quando si combinano tra loro due specie radicaliche.

Dalle reazioni col metano e il Cl possono nascere:

-clorometile (cloruro di carbonio)

-diclorometano

-cloroformio

-tetracloruro di carbonio

Reazioni degli alcheni

Sono entrambi idrocarburi insaturi, perché non hanno saturato la loro capacità di legame, i primi caratterizzati da doppi legami di atomi di C e ibridazione sp2, i secondi caratterizzati da tripli legami di atomi di C e ibridazione sp. Alcheni si indicano con la desinenza –ene, mentre gli alchini con la desinenza –ino.

Il legame doppio degli alcheni presenta un legame sigma e uno pi greco, mentre quello triplo degli alchini presenta un legame sigma e due pi greco. La formula generale degli alcheni è la medesima dei cicloalcani, ecco perché possono essere considerati isomeri; la formula degli alchini è CnH2n-2.

Per quanto concerne la nomenclatura le regole sono le medesime degli alcani, con l’unica differenza che per le ramificazioni si deve portare attenzione a indicare i numeri più bassi possibili come per i cicloalcani.

Anche in questo caso possiamo parlare di isomeria di alcheni, ma in questo caso le posizioni degli atomi sono fisse perché i legami pi greco ne impediscono la rotazione. Non cambia dunque né la formula grezza né il concatenamento degli atomi, solamente la disposizione di questi nello spazio, dunque avremo:

-isomeria cis: i due gruppi di atomi si trovano dalla stessa parte del piano rispetto al doppio legame.

-isomeria trans: i due gruppi si trovano in opposizione fra loro rispetto al doppio legame.

In ogni caso i due isomeri cis e trans hanno differente punto di ebollizione , di fusione (il trans fonde a una temperatura più alta rispetto al cis) ma soprattutto di polarità.

Anche gli alcheni reagiscono secondo la reazione di addizione. Tale reazione si articola in due stadi:

-durante il primo stadio, poiché il legame sigma a cui appartengono due elettroni è troppo difficile da rompere, allora si spezza quello pi greco. La rottura non è equa e si forma un carbocatione, cioè quando il doppietto elettronico inizialmente condiviso è acquistato da solo uno dei due atomi in questo caso di C. Nel frattempo si rompe anche il legame dei reagenti; nel caso di HCl avremo H positivo e dunque catione, mentre Cl anione, in quanto ha maggiore elettronegatività quindi capacità di attrarre a sé elettroni: ecco perché l’H resta senza elettroni. Ricordare che uno ione è un atomo o una molecola che acquista una o più cariche.

-nel secondo stadio infine l’H elettrofilo (che cerca sempre di creare legami con elettroni) e il Cl nucleofilo si legano ai due atomi di C, rispettivamente il primo si lega all’atomo di C che ha acquistato dalla rottura la doppietta di elettroni.

La disposizione dei reagenti dipende dalla simmetria dell’alchene. Secondo Markovnikov infatti quando un reagente asimmetrico si addiziona a un alchene asimmetrico, la componente elettrofila si unisce all’atomo di carbonio a sua volta legato al maggior numero di atomi di idrogeno.