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I COMPOSTI DEL

CARBONIOIDROCARBURI

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INDICE

• Introduzione ai composti delcarbonio

• Il significato di Chimica organica• L'atomo di carbonio• Gli Idrocarburi

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Idrocarburi saturi: Alcani

• Generalità • Nomenclatura IUPAC degli Alcani • Proprietà fisiche degli alcani • Proprietà chimiche degli alcani • Reazioni degli alcani – Alogenazione

– Ossidazione

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Idrocarburi insaturi: Alcheni

• Generalità • Nomenclatura IUPAC degli alcheni • Proprietà fisiche degli alcheni • Proprietà chimiche degli alcheni • Reazioni degli alcheni

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Idrocarburi insaturi: Alchini

• Generalità • Nomenclatura IUPAC degli alchini • Proprietà fisiche degli alchini • Proprietà chimiche degli alchini • Reazioni degli alchini.

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Il significato di chimica organica o del C

• Una cellula per vivere ricorre ad un grandissimon° di reazioni chimiche e ad un gran numero dicomposti.

• Nessun elemento, oltre al carbonio, può formareun così gran numero di composti, grazie ancheall’isomeria.

• Forma legami covalenti che non si spezzano inacqua

• La disposizione tetraedrica degli orbitali,conferisce ai composti organici una strutturatridimensionale, stabile.

• Il binomio vita-carbonio è evidente (proteine,lipidi, glucidi).

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Caratteristiche dei composti del C

1. Subiscono difficilmente la ionizzazione2. Sono binari (C; H), ternari (C; H; O),

quaternari (C, H; O; N)3. Per combustione sviluppano CO2

4. Presentano l’isomeria, la polimeria ….5. Il carbonio è tetravalente e subisce

l’ibridazione.

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I legami del C

• Non può accettare legami dativi perchéessendo ibridato non ha orbitali liberi, nonpuò dare legami dativi perché non haorbitali pieni

• Non può formare legami ionici e idrogeno, avendo una elettronegatività media (2,5)

• Può formare solo legami covalenti (polareed omeopolare) forti (avendo un piccoloraggio atomico).

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L'atomo di carbonio• Il carbonio, 1° elemento del IV gruppo, ha

configurazione elettronica 1s2 2s2 2p2 e sembrerebbe pertanto bivalente.

• Configurazione elettronica del carbonio nello stato fondamentale

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• In realtà, tranne pochissime eccezioni (adesempio, CO), il carbonio forma sempre 4legami. Perché possa essere tetravalente,devono essere coinvolti tutti gli elettronidello strato esterno: 2s2 e 2p2. Con pocaspesa di energia (fra l'altro compensatadalla possibilità di formare 4 legamicovalenti anziché 2 soltanto) il carboniopuò disaccoppiare gli elettroni dell'orbitale2s e promuovere uno di essi nell'orbitalevuoto 2pz, assumendo una configurazioneelettronica di tipo: 1s2 2s 2p3.

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Configurazione elettronica del carbonio nello stato eccitato

In questo modo, i 4 legami del carbonio non sarebbero tuttiequivalenti, essendo formati da orbitali atomici di diversaenergia. In realtà, tutti gli studi sui composti saturi del carbonioindicano che i 4 legami sono tutti equivalenti. Per spiegarequesta osservazione si ipotizza che i 4 orbitali atomici delcarbonio vengano "rimescolati", o ibridati, per dare 4 orbitalidi legame energicamente equivalenti, detti sp3 (in quantoderivanti dal "rimescolamento" di un orbitale s e dei tre orbitalip). Questi 4 orbitali ibridi sp3 si dispongono nello spazio in mododa risultare il più lontano possibile tra di loro, sono quindiorientati verso i vertici di un tetraedro regolare e formanoangoli di 109° 28'.

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Il legame che risulta dalla combinazione di un elettrone sp3 e, adesempio, l'elettrone 1s dell'idrogeno è un legame fortementeconcentrato nella regione fra i due nuclei ed è simmetrico rispetto alla

linea che li unisce: legame σ . È un legame direzionale e di massimasovrapposizione degli orbitali atomici coinvolti. Questa situazione

caratterizza gli ALCANI, in cui il carbonio forma 4 legami di tipo σ,disposti nello spazio con geometria tetraedrica.

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Altre forme di ibridazione• Questo non è tuttavia l'unico modo

possibile di ibridare i 4 orbitali atomici del carbonio.

1. Oltre alla tetraedrica (sp3), vi sono altri due tipi di ibridazione:

2. sp2

3. sp.

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Ibridazione sp2

• Nell'ibridazione sp2, sono ibridati gli orbitali 2s, 2px e 2py inmodo da formare 3 orbitali equivalenti, che si dispongono suun piano con angoli di 120° l'uno dall'altro. La geometria èquindi planare-triangolare. L'orbitale 2pz che non partecipaall'ibridazione è disposto perpendicolarmente al piano sul qualegiacciono gli orbitali ibridi. I 3 orbitali complanari formanolegami σ, mentre l'orbitale 2pz forma un cosiddetto legame π.L'ibridazione sp2 si ha nei composti che contengono un doppiolegame C-C, che risulta formato da un legame forte σ tra 2orbitali sp2 dei due atomi di carbonio, e da un legame piùdebole π, dovuto alla sovrapposizione parziale dei due orbitalipuri 2pz, perpendicolari al piano degli orbitali ibridi, e quindiparalleli fra di loro.

• Poiché affinché si possa formare il legame π, gli orbitali pdevono essere paralleli, tra due atomi legati da un doppiolegame non si può avere libera rotazione, che è invecepossibile attorno al legame semplice. Questa situazionecaratterizza gli ALCHENI, gli idrocarburi che contengono undoppio legame C = C.

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Poiché nel legame σ vi è la massima sovrapposizione fra gliorbitali atomici degli elementi che si legano, questo tipo di legameè particolarmente stabile. Nel legame π, invece, lasovrapposizione degli orbitali p è piuttosto ridotta e quindi questotipo di legame sarà meno forte dell'altro.

Doppio legame C = C nell'EteneLegame π nella molecola dell'Etene

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Ibridazione sp• Nel caso, infine, dell'ibridazione sp, solo gli

elettroni 2s e 2px sono ibridati, generando 2 orbitali lineari equivalenti; gli elettroni 2py e 2pzrimangono indisturbati. Gli orbitali ibridi sp formano legami di tipo σ, orientati in direzione opposta lungo una linea retta (geometria lineare, angolo di 180°), mentre ciascuno degli orbitali puri forma un legame di tipo π: uno concentrato lungo l'asse y, l'altro lungo l'asse z. L'ibridazione sp si trova nei composti che contengono un triplo legame C-C (ALCHINI).

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Importanza degli idrocarburi

• Importanza economico-politico perchésono fonte principale di energia

• Non hanno importanza biologica perchénon utilizzabili dalle cellule

• Possono causare inquinamentoambientale.

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Gli idrocarburi• Come suggerisce il nome, gli idrocarburi

sono i composti del carbonio con l'idrogeno.Sono le molecole di base della chimicaorganica poiché, oltre ad essere moltonumerosi, tutti gli altri composti si possonoconsiderare come derivati da essi persostituzione di un atomo di idrogeno con uncosiddetto gruppo funzionale, quel gruppochimico, cioè, che conferisce al compostoproprietà caratteristiche, diverse da quelledell'idrocarburo di origine.

• Gli idrocarburi, come del resto tutti icomposti organici, possono essere suddivisiin tre grandi gruppi:

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• Gli idrocarburi, come del resto tutti i composti organici,possono essere suddivisi in tre grandi gruppi:

1 Alifatici e Aliciclici2 Aromatici3 Eterociclici

• Il primo gruppo comprende i composti alifatici (dal grecoaleifar: olio, grasso), sinonimo di composti a catena aperta, oaciclici, e gli aliciclici, o ciclici, composti chiusi ad anello, conproprietà relativamente simili agli alifatici.

• Gli idrocarburi saturi sono caratterizzati da una certa inerziachimica. Il termine alternativo di PARAFFINE (dal latinoparum affinis) deriva appunto dal fatto che questi compostihanno scarsa tendenza a reagire, perfino con acidi e basi forti.Quando reagiscono danno principalmente reazioni disostituzione.

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• Le reazioni caratteristiche degli idrocarburiinsaturi sono invece reazioni di addizione,le quali tendono a portare la molecola allacondizione satura di ibridazione sp3.

• Gli aromatici sono composti caratterizzatida proprietà chimiche del tutto particolariche, come vedremo in seguito, ne fanno ungruppo omogeneo, completamente distinto.Gli aromatici in senso stretto sono gliidrocarburi che contengono almeno un anellobenzenico.

• Gli eterocicli, infine, sono composti ciclici,contenenti nell'anello atomi diversi dalcarbonio. Al limite, possono essercieterocicli che non contengono nessun atomodi carbonio.

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Suddivisione degli idrocarburi alifatici

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[CnH2n + 2]

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Idrocarburi saturi: Alcani

• Generalità• Nomenclatura IUPAC• Proprietà fisiche• Proprietà chimiche• Reazioni caratteristiche• Metodi di preparazione

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E

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Generalità [CnH2n + 2]Il primo termine della serie degli alcani è il metano (CH4);

seguono etano (C2H6), propano (C3H8) e butano (C4H10).

Etano Propano Butano

A l c

a n

i

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Nomenclatura alcani• Suffisso = -ano• Prefisso: dal 5° alcano in poi, fa

riferimento alla numerazione greca especifica il numero atomi di C (penta,esa, epta….)

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o condensata

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gasgas

gas

gas

liquido

SERIE

OM

OLO

GA

DEL M

ETA

NO

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metano (CH4)

etano (C2H6),

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La struttura tetraedrica• In base alla teoria VSEPR, cioè la

teoria della repulsione delle coppieelettroniche di valenza che formano illegame, i quali per repulsione in unamolecola si dispongono alla massimadistanza tra di loro.

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Forma eclissata Forma sfalsata

Forma sfalsata: più stabile a temperaturaambiente

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Isomeria • Di catena• Di posizione • geometrica • ottica

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• A partire dal butano si incontra negli alcani ilfenomeno della isomeria.Si ha isomeria quando due molecole chehanno la stessa formula bruta, hannostruttura diversa.

• Il butano ha due isomeri: il normal butano(n-butano) e l'isobutano (o 2-metilpropano).

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• Si definisce "normale" la strutturalineare, mentre si parla di forme"iso" quando la catena è ramificata.

• In pratica, gli isoalcani hannosempre un gruppo metile legato alcarbonio in posizione 2 della catenanormale.

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Isomeri del pentano

n-pentano

2- metilbutano o isopentano

2, 2- dimetilpropanoNeopentano

tetrametilmetano

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Isomeri dell’esano

2, 2- dimetilbutano

2, 3- dimetilbutano

2- metilpentano

3- metilpentano

esano

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Nomenclatura IUPAC degli Alcani 1. Si sceglie come struttura base la catena più lunga possibile.2. Si considera il composto come derivato da questa struttura per

sostituzione degli atomi di idrogeno con gruppi alchilici.3. [Si dicono alchilici quei gruppi che contengono un idrogeno in

meno del relativo alcano. Il nome di questi gruppi si ottienesemplicemente sostituendo con -ile il suffisso -ano dell'alcanocorrispondente: CH3-, metile; CH3-CH2-, etile; CH3-CH2-CH2-,propile; ecc.]

4. Si numerano gli atomi di carbonio della catena principalecominciando dall'estremità che permette di usare i numeri piùbassi per indicare i sostituenti.

5. Se lo stesso gruppo compare più di una volta come catenalaterale, si aggiunge il prefisso di-, tri-, tetra-, ecc.

6. Se vi sono gruppi alchilici diversi legati alla catena principale sielencano in ordine di grandezza crescente (prima i metili, poigli etili, i propili, i butili, ecc.).

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È spesso utile classificare un atomo di carbonio di unalcano in base al numero di altri atomi di carbonio acui è legato.

Un atomo di carbonio potrà quindi essere detto:primario, secondario, terziario o quaternario, aseconda che leghi uno, due, tre o quattro altri atomidi carbonio.

Classificazione degli atomi di carbonio

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•Angoli di legame: 109°•Lunghezza di legame: 1.1 Å per C - H;

1.54 Å per C - C; •Ibridazione sp3

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Proprietà fisiche degli alcani1. La molecola degli alcani è apolare in quanto, pur

contenendo legami debolmente polari, essi sonodisposti in modo del tutto simmetrico.Le attrazioni intermolecolari sono dunque dovuteesclusivamente a deboli forze di Van der Waals,tanto più forti quanto più grande è la molecola.

2. Per questo motivo, gli alcani hanno punti di fusionee di ebollizione piuttosto bassi, che cresconoabbastanza regolarmente con le dimensioni dellamolecola.

3. I primi quattro termini della serie sono infattigassosi a temperatura ambiente. Gli isomeriramificati hanno punti di ebollizione un po' più bassidel corrispondente isomero a catena lineare.

4. Gli alcani non sono solubili in acqua, mentre losono nei solventi apolari, quali benzene,cloroformio, etere, etc.

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Proprietà chimiche degli alcani 1. Gli alcani sono chimicamente poco reattivi, inerti

perché forma legami forti e poco polarizzati(piccola ∆e tra C e H) e per l’ibridazione stabile sp3

2. Poiché negli sono presenti legami covalentipressoché omopolari, non si possono averereazioni di tipo ionico.

3. Le reazioni caratteristiche degli alcani sono:4. Sostituzione (Alogenazione)5. Combustione (Ossidazione)

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[CnH2n]

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•Angoli di legame: 120°•Lunghezza di legame: 1.1 Å per C - H;

1.34 Å per C - C; •Ibridazione sp2

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Idrocarburi insaturi: Alcheni

• Generalità• Isomeria cis-trans• Addizione elettrofila

Regola di Markovnikov• Reazioni di ossidazione• Metodi di preparazione

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• Gli alcheni sono gli idrocarburi caratterizzatidalla presenza di un doppio legamecarbonio-carbonio.

• Il suffisso distintivo della serie è -ene: ilprimo termine è l'Etene, o etilene, cuiseguono Propene (C3H6) e Butene (C4H8).

• Angoli di legame: 120°• Lunghezza di legame: 1.1 Å per C - H; 1.34 Å

per C - C;

• Ibridazione sp2

[CnH2n]Generalità

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Etilene

La sovrapposizione frontale (testa-testa) di un orbitale sp2 del carboniocon un orbitale ibrido sp2 di un altro C genera un legame sigma C-C.La sovrapposizione laterale (fianco-fianco) dei due orbitali non ibridigenera invece un legame π.La molecola che ne deriva è planare perché giace su un piano, conangoli di 120°.

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Esempi di alcheni

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Isomeria geometrica: cis-trans

• A partire dal butene "inizia" il fenomenodell'isomeria negli alcheni.

• A seconda della posizione del doppio legame, ilbutene può esistere come 1-butene o 2-butene; il 2-butene può a sua volta avere tre strutture diverse(l'isobutene non è in realtà un 2-butene, mapiuttosto un 2-metil propene):

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I 2-buteni indicati come cis e trans non sonosemplicemente isomeri, ma stereoisomeri. Sidefiniscono infatti così quegli isomeri chedifferiscono soltanto per l'orientamento degli atominello spazio.Più esattamente sono diastereoisomeri, perchénon sono l'uno l'immagine speculare dell'altro (nonsono enantiomeri).Se osserviamo bene, possiamo notare che la loroisomeria è dovuta alla impossibilità di rotazioneattorno al doppio legame carbonio-carbonio.Questo tipo di isomeria si definisce isomeriageometrica (o isomeria cis-trans) e quindi i 2-buteni sono isomeri geometrici.

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Il fenomeno della isomeria geometrica si ritrova in tutte leclassi di composti che contengono un doppio legame. Tuttavia,l'isomeria geometrica non può esistere se uno dei due atomiimpegnati nel doppio legame è legato a due gruppi uguali:

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• Due diastereoisomeri hanno proprietà fisichediverse (punto di fusione, punto diebollizione, densità, indice di rifrazionediversi).

• Due diastereoisomeri hanno proprietàchimiche simili ma non uguali (ad esempio,reagiscono con un dato reagente con velocitàdiverse).

• I cis-alcheni hanno un leggero momentopolare, che è invece zero nei trans-alcheni:per questo motivo, l'isomero cis ha un p.e.un po' più alto dell'isomero trans.

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[CnH2n - 2]

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caratteristiche• Angoli di legame: 180°• Lunghezza di legame: 1.06 Å per C - H;

1.20 Å per C - C;

• Ibridazione sp• Triplo legame• Formula generale:

• Sono molto reattivi a causa del triplo legame

[CnH2n - 2]

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• Nell’acetilene si ha la fusione frontale di unorbitale sp di ciascuno dei 2 atomi di C conformazione di un legame sigma C-C, mentre lafusione del secondo orbitale ibrido sp forma illegame sigma C-H.

• Gli orbitali non ibridi (2py e 2pz) si fondonolateralmente generando due legami π C-C

• Il legame triplo CΞC è quindi formato da 1legame sigma e 2 π.

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ALCHINI

o etino

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• Sono raggruppamenti atomici chedeterminano il comportamento chimico deicomposti perché sono loro che entrano incombinazione chimica, mentre il restodella molecola rimane inalterato.

• È il punto più reattivo della molecola• Esempi: il doppio legame, il triplo legame

(quindi il legame π)

• - OH, -COOH; ……………