Appunti di Chimica organica

Alcani (paraffine)

La formula generale degli alcani è C H . Le reazioni principali sono: combustione (ossidazione) e

n 2n+2

sostituzione (dell’idrogeno), ad esempio:

CH + 2O → CO + 2H O + CALORE

4 2 2 2

CH CH + Cl → CH CH Cl + HCl

3 3 2 3 2

Sono sostanze apolari, poco reattive, insolubili in acqua, gassose fino a C , liquide fino a C , solide per C >

4 20

20.

METANO ETANO

CH C H (CH CH )

4 2 6 3 3

C ibrido sp C ibridi sp

3 3

tetraedrico (angoli 109°) 1 legame σ (C-C) ≈ 343 kJ / mol

4 legami σ (C-H) ≈ 418 kJ / mol

Gruppi alchilici R-(...ILE)

Si ottengono togliendo ad un ALCANO un H (-ANO → -ILE). Ad esempio:

-CH metile -CH CH etile -CH CH CH propile

3 2 3 2 2 3

Isomeri di catena

Gli isomeri di catena sono un tipo di isomeri strutturali, ovvero molecole che condividono la stessa

formula molecolare ma differiscono per la disposizione della catena carboniosa. Ad esempio:

n (normal) BUTANO 2 METILPROPANO

Cicloalcani La formula generale è C H .

n 2n

Sono una classe di idrocarburi alifatici saturi,

caratterizzati dalla presenza di atomi di carbonio disposti

in un anello. A differenza degli alcani lineari o ramificati, i

cicloalcani formano strutture chiuse.

Alcheni (olefine)

La formula generale è C H . La reazione principale è l’addizione al doppio legame C=C (molto reattivo), ad

n 2n

esempio: CH CH=CH + H → CH CH CH

3 2 2 3 2 3

I prodotti preferiti sono quelli ottenuti dall’addizione al C di ordine superiore (III > II > I), che comporta la

formazione di un intermedio più stabile. Le proprietà fisiche degli alcheni sono analoghe a quelle degli

alcani.

ETENE (ETILENE) C H (CH =CH )

2 4 2 2

C ibrido sp trigonale (angoli 120°)

2

4 legami σ (C-H) + 1 legame σ (C-C) + 1 legame π

(C-C) ≈ 611 kJ/mol 2

Chimica organica [CHIMICA]

Cicloalcheni

La formula generale è C H . Sono idrocarburi ciclici insaturi che contengono almeno un doppio legame

n 2n-2

tra gli atomi di carbonio all'interno dell'anello.

C H CICLOPENTENE C H CICLOESENE

5 8 6 10

Alchini

La formula generale è C H . La reazione principale è la doppia addizione al triplo legame C≡C (meno

n 2n-2

reattivo del C = C), ad esempio:

Il prodotto della prima addizione si ottiene sempre con maggior facilità. Le proprietà fisiche degli alchini

sono analoghe a quelle degli alcani e degli alcheni. Ad esempio:

ETINO (ACETILENE)

C H - C ibrido sp digonale (angoli 180°)

2 2

2 legami σ (C-H) 1 legame σ (C-C) + 2 legami π (C-C) ≈ 837

kJ/mol

I

DROCARBURI AROMATICI

Sono idrocarburi insaturi (legami σ e π) contenenti tre C = C (…ENE). La reazione principale è la

sostituzione dell’idrogeno dell’anello (nitrazione, alogenazione, solfonazione...), ad esempio:

I composti aromatici sono molecole molto stabili di media reattività.

BENZENE (1,3,5 CICLOESATRIENE)

C H

6 6

C ibrido sp 2 trigonale (angoli 120°) 6 legami σ (C-H) 6 legame σ (C-C) + 3

legami π (C-C)

La struttura aromatica è caratterizzata da sei elettroni delocalizzati per risonanza. La molecola del

benzene, piana e apolare, risulta stabilizzata dalla risonanza, prodotta dai sei elettroni p dei sei carboni

z

sp , delocalizzati sul piano dei legami σ.

2

GRUPPI ARILICI - (…ILE)

Si ottengono formalmente rimuovendo un atomo di idrogeno (H) da un idrocarburo aromatico, lasciando

un sito libero che può legarsi ad altre catene o gruppi funzionali.

I gruppi arilici sono spesso indicati con il suffisso -ILE, aggiunto al nome dell'idrocarburo aromatico di

origine. 3

Chimica organica [CHIMICA]

Alcuni esempi comuni includono:

 Fenile (C H –): Deriva dal benzene.

6 5

 Tolile (CH C H –): Deriva dal toluene (metilbenzene), con un idrogeno rimosso dal nucleo

3 6 4

aromatico.

 Nafile (C H –): Deriva dal naftalene, un composto aromatico policiclico.

10 7

F ONTI E APPLICAZIONI INDUSTRIALI DEGLI IDROCARBURI

Il gas naturale (composti fino a C ) ed il petrolio forniscono per distillazione frazionata:

4 C -C (etere di petrolio)

5 6

C -C (benzina)

5 10

C -C (cherosene)

8 16

C -C (gasolio)

15 18

C -C (olio lubrificante)

16 20

C -C (paraffina solida)

20 30

C > 30 (asfalto solido)

Il cracking catalitico degli alcani (C -C ) condotto in assenza di aria, ad alta pressione (P > 10 atm) e ad

10 18

alta temperatura (400°C), fornisce miscele di alcani e alcheni a catena più corta e variamente ramificata,

utilizzabili come benzine ad alto numero di ottano.

Il reforming catalitico degli alcani (C -C ), condotto in condizioni analoghe alle precedenti, fornisce

6 9

miscele di idrocarburi aromatici e di alcheni o ciclici o a catena ramificata, utilizzabili ancora come

benzine ad alto numero di ottano.

P RINCIPALI GRUPPI FUNZIONALI ORGANICI

I gruppi funzionali sono specifiche combinazioni di atomi all'interno di una molecola organica che

determinano le sue proprietà chimiche e fisiche, nonché il tipo di reazioni che può subire. Sono il cuore

della reattività chimica e consentono di classificare i composti organici in diverse famiglie. Ogni gruppo

funzionale conferisce alla molecola caratteristiche uniche, come polarità, acidità o basicità, e influenza il

suo comportamento chimico.

Alogenoderivati

Il legame R-X (X = alogeno, R=gruppo arilico) è polare e gli alogenoderivati, molecole poco

polari e insolubili in acqua, hanno punto di ebollizione maggiore di quello degli alcani

corrispondenti.

Esempio di alogenazione progressiva del metano (con il cloro):

CH → CH Cl (clorometano) → CH Cl (diclorometano) → CHCl (triclorometano) →

4 3 2 2 3

CCl (tetraclorometano)

4

ALCHENE + X o HX → RX saturo ALCHINO + X o HX → RX insaturo

2 2

(R = gruppo alchilico o arilico)

Alcoli Poiché il legame R-OH (R=gruppo arilico, OH=gruppo ossidrile) risulta essere molto

polarizzato, gli alcoli sono liquidi (a lunga catena sono solidi) polari (solubili in acqua fino a

C ) con punto di ebollizione maggiore di quello degli alcani corrispondenti (a causa del

4

legame idrogeno) ma comunque bassi.

La solubilità diminuisce all’aumentare degli atomi di carbonio della catena idrocarburica, perché in questi

composti prevalgono le caratteristiche idrofobiche. 4

Chimica organica [CHIMICA]

In base a quanti atomi di idrogeno si legano al carbonio, legato al gruppo funzionale OH, gli alcoli vengono

distinti in:

 ALCOLI PRIMARI: se al carbonio sono legati 2 atomi di idrogeno;

 ALCOLI SECONDARI: se al carbonio è legato un solo atomo di idrogeno;

 ALCOLI TERZIARI: se al carbonio non sono legati atomi di idrogeno

Eteri Composti che contengono un atomo di ossigeno legato a due gruppi alchilici o arilici,

del tipo R-O-R (O=Ossigeno, R=gruppo alchilico o arilico). Sono liquidi poco polari solubili

in acqua, poco reattivi, molto volatili, in cui l’atomo di ossigeno è ibridato sp . Ad

3

esempio: CH -O-CH CH METIL ETIL ETERE

3 2 3

C H -O-CH FENIL METIL ETERE

6 5 3

Aldeidi Contengono un gruppo carbonile (-C=O) legato a un atomo di idrogeno e a un gruppo

alchilico o arilico. Il C carbonilico è ibridato sp ed il legame C=O è molto polarizzato e

2

reattivo. Sono liquidi (tranne C gas) solubili in acqua, con punti di ebollizione maggiori di

1

quelli degli alcani corrispondenti e minori di quelli degli alcoli.

Ossidazione

Gli aldeidi possono essere facilmente ossidati a acidi carbossilici. Questa reazione avviene perché il

gruppo funzionale dell'aldeide (R-CHO) ha un atomo di idrogeno legato al carbonio carbonilico, che lo

rende particolarmente suscettibile all'ossidazione. Durante l'ossidazione, l'ossigeno si aggiunge al gruppo

carbonile, convertendo l'aldeide in un gruppo carbossilico (R-COOH).

Riduzione

Gli aldeidi possono essere ridotti a alcoli primari (R-CH₂OH) tramite una reazione di addizione di idrogeno

al gruppo carbonile (C=O). Questo processo di riduzione converte il gruppo carbonilico in un gruppo

alcolico.

Chetoni Composti che contengono un gruppo carbonile legato a due gruppi alchilici o arilici (sono

simili alle aldeidi, ma leggermente meno reattivi).

5

Chimica organica [CHIMICA]

Ad esempio:

Acidi carbossilici

Contengono un gruppo carbossilico (-COOH), formato da un gruppo carbonile e un

gruppo ossidrile. Sono molecole polari, a bassa acidità (K ≤ 10 ) e solubilità simile a

-4

a

quella degli alcoli (a causa del legame idrogeno). Gli acidi alifatici saturi sono liquidi

solubili in acqua fino a C , liquidi poco solubili fino a C e solidi oltre C .

4 9 9

Neutralizzazione

Gli acidi carbossilici sono acidi deboli, ma possono reagire con le basi per formare sali carbossilati e

acqua. Questa reazione è simile alla neutralizzazione di altri acidi e basi, e il gruppo carbossilico (−COOH)

si trasforma in un ione carbossilato (−COO ).

−

Acido carbossilico + idrossido → Sale + H O

2

CH COOH + NaOH → CH COONa (acetato di sodio) + H O

3 3 2

Esterificazione

La reazione di esterificazione è una reazione tra un acido carbossilico e un alcol (R′−OH) che produce un

estere e acqua. Acido carbossilico + alcol → Estere + H O

2

CH CH COOH + CH OH → CH CH COOCH + H O

3 2 3 3 2 3 2

Esteri Composti derivati dagli acidi carbossilici in cui il gruppo ossidrile (-OH) è sostituito

da un gruppo alchilico o arilico (del tipo R-COO-R’, con R=gruppo alchilico e

R’=gruppo arilico). Molecole polari con volatilità paragonabile alle aldeidi e chetoni

corrispondenti; sono liquidi profumati solubili in acqua fino a C , altrimenti solidi

5

insolubili e inodori.

Si definiscono GLICERIDI gli esteri della glicerina e degli acidi grassi e si dividono in GRASSI (solidi) e

OLII (liquidi).

Ammine Composti contenenti un atomo di azoto legato a uno, due o tre gruppi alchilici o arilici

(R-NH₂, R₂NH, R₃N). Sono composti polari dell’azoto tetraedrico (ibridazione sp ), a bassa

3

basicità (K ≤10 ), solubili in acqua fino a C (a causa del legame idrogeno).

-4

b 6

Dall’ammoniaca, per sostituzione di 1 o 2 o 3 atomi di H con gruppi alchilici (R) o arilici (Ar), si ottengono:

ammine primarie (I), secondarie (II) e terziarie (III). Ad esempio:

CH NH METILAMMINA (I) CH NHCH CH METILETILAMMINA (II) (CH CH ) N TRIETILAMMINA (III)

3 2 3 2 3 3 2 3

Reazione di salificazione

È una reazione in cui un'ammina (composto basico) reagisce con un acido per f