Chimica del carbonio

Berzelius ha definito Organiche tutte le sostanze derivanti da organismi viventi. Si rilevò dunque che il carbonio si trovava in percentuale elevata, dunque la chimica dei composti oranici venne definita chimica del carbonio.

I composti organici non contengono esclusivamente carbonio, ma altri elementi come zolfo, azoto, cloro, ossigeno, e questo ne determina una larghissima varietà, sono infatti 5°000°000 a fronte dei 3000 dei composti inorganici. La grande varietà di composti organici esistenti e la capacità del carbonio di legarsi facilmente a ossigeno e idrogeno, permette la formazione di catene carboniose.
L’atomo di carbonio può formare 4 legami covalenti, e la stabilità delle catene carbonio è determinata dall’elevata energia di legame, l'atomo di carbonio dunque può formare o 4 legami semplici, o 2 semplici e 1 doppio o 1 semplice e uno doppio. Per capire questo processo possiamo far riferimento all’ ibridazione del carbonio.

Consideriamo l'atomo di carbonio: la configurazione elettronica del carbonio è 1s2 2s2 2p2.
Tale atomo di carbonio eccitato ha ora quattro orbitali semipieni, e potrebbe formare quattro legami.
Ibridazione sp3 - singolo legame -
La teoria suggerisce il "mescolamento" dell'orbitale 2s con i tre orbitali 2p. Dunque formeranno 4 legami Sp3

Ibridazione: sp2 - doppio legame -
Oltre all'ibridazione sp3 esistono anche altre ibridazioni. Dal mescolamento di un orbitale s con due orbitali di tipo p si ottengono 3 orbitali ibridi detti orbitali sp2.

Ibridazione sp - triplo legame -
La combinazione di un orbitale di tipo s e uno di tipo p dà origine a 2 orbitali ibridi sp identici.

Teoria della risonanza


La risonanza è un fenomeno che si verifica quando si parla di molecole carbonio cicliche con doppi legami. Nel benzene i doppi legami sono posti in modo alterato in due rappresentazioni, ed entrambi sono corrette perché tutti i tipi di doppio legame formano una nube elettronica simmetrica al di sotto e al di sopra nella molecola.
La classificazione dei composti organici.
I composti organici possono essere classificati secondo la loro struttura e le loro caratteristiche chimiche. Vi sono i composti aciclici formati da strutture lineari o ramificate, ciclici composti da uno o più anelli e eterociclici composti da almeno un atomo diverso dal carbonio chiamato etero atomo. I gruppi funzionali sono atomi o raggruppamenti di atomi che dipendono solo in minima parte dal resto della catena.
I Meccanismi delle reazioni Organiche
La presenza di legami covalenti influisce sulla reattività delle molecole Organiche.
Infatti può verificarsi la polarizzazione dei legami covalenti dovuta all’attrazione preferenziale esercitata sul doppiato di elettroni di legame dal nucleo di uno dei due atomi, quello più elettronegativo. Può essere definito effetto induttivo e può essere di tipo attrattivo (-I) quando viene esercitata dall’atomo più elettronegativo, o di tipo repulsivo (+I) nel caso contrario. La polarizzazione delle molecole e l’effetto induttivo è determinante per comprendere la reattività dei composti organici, sono infatti responsabili di siti ad alta densità elettronica, o a bassa densità elettronica.
La Reazione Omolitica si verifica quando dopo la scissione di legami covalenti gli elettroni di legame ritornano ognuno all’atomo di appartenenza, e sono detti radicali liberi, che sono instabili e tendono a formare altri legami covalenti. La rottura dei legami può essere provocata dal calore.
La Reazione Eterolitica avviene quando successivamente a una scissione eterolitica il doppietto elettronico viene trattenuto dall’atomo più elettronegativo. Può avvenire a temperatura ambiente o in fase liquida tra soluto e solvente, in particolare se ha un marcato carattere polare.
Un carboanione è un anione la cui carica negativa è localizzata su un atomo di carbonio. Un carbocatione è un catione la cui carica positiva è localizzata su un atomo di carbonio. Sono instabili e hanno vita molto breve. Il reagente con un sito ricco di elettroni è detto Nucleofilo, quello con un sito povero di elettroni è detto Elettrofilo.
Le Reazioni Organiche
Vi sono 5 tipi di reazioni organiche: Di addizione, di eliminazione, di sostituzione, i riarrangiamenti e le ossidoriduzioni.
Reazioni di addizione
es. HCl + alchene → cloroalcano
Elettrofila
L’elemento con carica positiva, oppure parzialmente positiva, si lega alla molecola nel punto dove ci sono più elettroni
Es. doppio legame
Nucleofila
L’elemento con carica negativa è attratto dal C parzialmente positivo, legato ad un altro atomo con più elettronegatività.
Es. legame al C del gruppo C=O

Reazioni di eliminazione


Sono l’opposto delle reazioni di addizione, si verificano quando un singolo reagente si trasforma in due prodotti di reazione.

Reazioni di sostituzione


Si verificano quando due reagenti si scambiano parti dei loro costituenti per dare nuovi composti come prodotti di reazione.
radicalica: es. alcano e Cl, con somministrazione di energia, si ottiene un cloroalcano + HCl
Nucleofila: sostituzione di un gruppo legato al Carbonio, parzialmente positivo, con un gruppo con carica negativa (come il C del gruppo carbonilico)
elettrofila: ione positivo che si lega al Carbonio con carica parzialmente negativa.

Reazioni di riarrangiamento.
Il prodotto finale di questa reazione sono gli Isomeri, due molecole con la stessa composizione chimica che differiscano nella formula di struttura.
Reazioni di Ossidoriduzione.
In cui si ha lo scambio di elettroni tra due elementi, di cui uno acquista elettroni e uno uno tende a cederli, cioè si ossida. Il ferro alla aria perde elettroni dall’ossigeno, si ossida.

Isomeria


L’isomeria è il fenomeno che si presenta quando due o più sostanze hanno la stessa formula grezza, quindi la medesima composizione chimica, ma differiscono nella formula di struttura, infatti un comporto organico è composto da formula grezza, o molecolare, formula condensata e formula di struttura.
Hanno stessa formula grezza ma diversa formula di struttura
Isomeri di catena (es. catena lineare e catena ramificata)
Isomeria di posizione (diverso C dove è legato il gruppo funzionale)
Isomeria di gruppo funzionale ( stessa formula grezza ma diverso gruppo funzionale).
Stereoisomeri 
Sono stereoisomeri due composti che presentano la stessa formula grezza e la stessa sequenza di legami tra gli atomi, ma diversa disposizione nello spazio. L’isomeria geometrica è presente in tutti quei composti in cui è impedita la libera rotazione dei gruppi atomici.

cis- (Z-): i sostituenti sono tutti e due dallo stesso lato.
trans- (E-) : i sostituenti sono ai lati opposti.

isomeri ottici (enantiomeri)
quando un C con ibridazione sp³ ha legami con atomi, o gruppi, tutti diversi. La formula di struttura è la stessa, come le proprietà chimiche ma hanno proprietà biologiche diverse.
C chirale è un atomo di C sp³ al centro dell’enantiomero; la molecola in cui è presente un C chirale è detta molecola chirale.
Gli stereoisomeri che sono speculari (non sovrapponibili) sono detti ENANTIOMERI o ISOMERI OTTICI.
L’importanza è nella diversa interazione con la luce polarizzata, possono determinare la deviazione verso destra (destrogiro +) o verso sinistra (levogiro -)

Quando due configurazioni sono immagini speculari e non sovrapponibili vengono detti enantiomeri
Se ci sono più centri chirali si parla di diastereoisomeri. e non sono immagini speculari.
Il numero massimo di C chirali è dato dalla relazione 2ⁿ ( dove n indica il numero di atomi di C presenti)-
Forme meso.
se nella molecola sono presenti due centri chirali uguali (stessi sostituenti), si puo’ individuare un piano di simmetria orizzontale

Racemo è
Miscela in cui i due enantiomeri sono presenti in rapporto 1:1.La miscela sarà otticamente inattiva (né destrogira né levogira).

Gli Idrocarburi


Gli idrocarburi contengono unicamente atomi di Carbonio e Idrogeno. Gli idrocarburi alifatici sono catene aperte o chiuse, lineari o ramificate. Gli idrocarburi aromatici hanno la struttura ciclica dell’anello benzemico, e si dividono in aciclici e aliciclici. Idricarburi saturi = legami semplici; idrocarburi insaturi: Che presentano legami doppi o tripli.
Gli alcani (-ANO) Sono saturi, cioè formati da legami semplici.
Negli alcuni lineari, vi è il prefisso n-, Negli alcuni ramificati il nome è in base alla catena più lunga. I sostituenti sono gruppi legati alla catena che sostituiscono gli atomi di idrogeno e sono chiamati gruppi o radicali alchilici. Gruppo met-ile ecc..
Ogni sostituente viene identificato con il proprio nome e con il numero di
atomo a cui è legato. Se vi è un solo sostituente si conta da destra, se vi sono più sostituenti da sinistra. di- tri- tetra- penta-.
met= 1 et=2 prop=3 but=4 penta=5 esa= 6 Ept= 7 Ott= 8 non= 9 Dec= 10
se il sostituente è un alogeno viene indicato il nome per esteso.

Proprietà fisiche e chimiche

A temperatura ambiente 4 alcuni sono gas, fino a 15 atomi di carbonio liquidi e da 16 solidi. I punti di ebolizione aumentano con il crescere della catena carboniosa. Gli alcani si ottengono industrialmente per distillazione del petrolio e da carbone e gas naturale. Il gas naturale è costituito all’80 % da metano, che è prodotto della decomposizione del materiale organico. I rigassificatori servono a riportare il metano sotto forma di gas naturale.
Gli alcani erano chiamati paraffine, e partecipano solo alla combustione ( ossidazione puramente esotermica), L’alogenazione (Sostituzione radiolina che avviene tra alcani e alogeni in presenza di luce calore o perossidi), e il cracking (cioè rottura dei legami).

Gli idrocarburi insaturi

Gli alcheni: (-ENE) Presenza del doppio legame nella catena carboniosa.
etene CH2=CH2 es. Formula minima generale C_nH_2n
I radicali alchenilici hanno desinenza -ile. etenile CH2=CH-, propenile CH2=CH-CH-
Il doppio legame viene indicato con i numeri, partendo dal più vicino al gruppo metile, ad esempio CH2-CH=CH-CH2-CH3 sarà il 2, pentene
I dieni hanno doppi legami e possono essere Con doppi legami coniugati, cioè alternati ad un legame semplice, Con doppi legami isolati, cioè lontani tra loro, Con doppi legami cumulati o alleni, doppi legami su uno stesso atomo di carbonio. Formula generale CnH2n-2

Gli alchini: (-ino) possiedono un legame triplo, formula generale CnH2n-2

Proprietà fisiche e chimiche

Non si discostano molto da quelle degli Alcani. Sono molto diffusi in natura (poliene, colorazione rossa ai pomodori, carotene ecc). L’etene si ottiene dalla lavorazione del petrolio ed è il composto più utilizzato nella chimica industriale ed è un ormone delle piante che fa sbocciare i fiori e maturare i frutti. L’etino è un prodotto della reazione del carburo di calcio con acqua, oppure ad alta temperatura dalla reazione tra carbonio e idrogeno ed è utilizzato per sintetizzare alchini superiori.
Hanno reattività diversa rispetto agli altri alcani. La reazione caratterista è l’addizione elettrofila. Un particolare tipo di Addizione Elettrofila è la polimerizzazione. L’addizione elettronica di un acido, avviene quando gli idrocarburi si legano a alogeni di idrogeno.

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