5. Proprietà fisiche e chimiche degli idrocarburi saturi

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G. Valitutti A.Tifi A.Gentile
Le idee della chimica
Seconda edizione
Copyright © 2009 Zanichelli editore
Capitolo 23
Dal carbonio agli idrocarburi
1. I composti organici
2. Gli idrocarburi saturi: alcani e cicloalcani
3. L’isomeria
4. La nomenclatura degli idrocarburi saturi
6. Gli idrocarburi insaturi: alcheni e alchini
7. Gli idrocarburi aromatici
Copyright ©2009 Zanichelli editore
In generale, un composto organico è un
qualsiasi composto del carbonio che, almeno in
origine, è sintetizzato da un essere vivente.
I composti organici contengono soprattutto
atomi di carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto;
altri elementi presenti in tracce sono zolfo,
magnesio e fosforo.
I composti organici possono formare lunghe
catene grazie alla capacità del carbonio di dare
luogo a quattro legami.
A seconda che le coppie di elettroni condivisi siano
una, due o tre, si possono formare:
Gli idrocarburi sono composti binari formati
soltanto da atomi di carbonio e idrogeno.
Gli idrocarburi vengono classificati, secondo la
nomenclatura tradizionale, in:
• alifatici quando sono costituiti da catene
lineari o ramificate;
• aromatici quando presentano una
particolare struttura ciclica.
Il metano (CH4) è l’esemplificazione
dell’ibridazione sp3 degli atomi di carbonio degli
idrocarburi saturi; la molecola di metano presenta
quindi geometria tetraedrica con angoli di legame
di 109,5°.
Una serie omologa è una serie di composti in
cui ciascun termine differisce dal successivo di
un’unità costante. Per gli idrocarburi, l’unità è il
gruppo —CH2—.
Gli alcani sono idrocarburi alifatici con formula
bruta CnH2n+2.
La forma di rappresentazione più semplice utilizza
le formule condensate.
I cicloalcani sono idrocarburi alifatici che, a
partire dal propano, possono chiudere la catena
di atomi di carbonio con la perdita di due atomi
di idrogeno.
La formula generale dei cicloalcani è CnH2n.
Il cicloalcano più interessante dal punto di vista
biologico è il cicloesano, che presenta due
strutture possibili: a sedia (più stabile) e a barca
(meno stabile).
3. L’isomeria
Si dicono isomeri i composti che hanno
medesima formula bruta, ma che differiscono per:
• il modo in cui gli atomi si legano tra loro
(isomeri di struttura);
• la disposizione spaziale (stereoisomeri).
3. L’isomeria
All’aumentare del
numero di atomi di
carbonio, aumenta il
numero dei possibili
isomeri.
3. L’isomeria
L’isomeria di posizione si ha quando una
molecola presenta atomi diversi oltre a quelli di
carbonio e idrogeno; questi atomi si possono
legare in punti diversi della catena carboniosa:
3. L’isomeria
La stereoisomeria è riferita alla diversa
orientazione degli atomi nello spazio.
L’isomeria geometrica è connessa alla
presenza di doppi legami nella molecola.
3. L’isomeria
Si dicono chirali tutti gli oggetti distinguibili
dalla loro immagine speculare, ovvero non
sovrapponibili a essa. Le tue mani sono un
esempio di oggetti chirali.
3. L’isomeria
L’atomo di carbonio tetraedrico è un centro chirale
o stereocentro e forma due isomeri ottici detti
enantiomeri.
Acido (-)-lattico (acido L-lattico)
Acido (+)-lattico (acido D-lattico)
3. L’isomeria
Gli enantiomeri hanno identiche proprietà
chimiche e fisiche, e differiscono solo per
l’attività ottica.
Gli enantiomeri infatti fanno ruotare dello
stesso angolo, ma in direzione opposta, il piano
della luce polarizzata (sono cioè antipodi
ottici).
3. L’isomeria
Il miscuglio al 50% di due enantiomeri è chiamato
racemo e non è otticamente attivo.
La nomenclatura degli
alcani prevede la
desinenza -ano.
I primi quattro termini
presentano nomi
particolari poi, a
partire, dalla catena a
5 atomi di carbonio, il
prefisso è numerico.
Atomi di
carbonio
prefisso
1
met-
2
et-
3
prop-
4
but-
5
pent-
6
es-
Alle catene idrocarburiche lineari si antepone nal nome della catena.
I carboni di una catena si identificano in primari,
secondari, terziari o quaternari a seconda che
siano legati rispettivamente a uno, due, tre o
quattro atomi di carbonio.
Nelle catene ramificate si numerano gli atomi
di carbonio in modo che i radicali sostituiti
abbiano il numero più piccolo possibile.
I composti appartenenti alla stessa serie
omologa presentano:
• proprietà chimiche simili;
• proprietà fisiche differenti dipendenti dal peso
molecolare e dalla forma della molecola.
Il punto di ebollizione aumenta all’aumentare
della massa molecolare.
Le catene lineari hanno punti di ebollizione
superiori a quelli delle catene ramificate (le forze
di London sono più deboli).
I punti di fusione sono superiori per le catene
ramificate rispetto a quelle lineari.
Alcani e cicloalcani sono composti apolari
e fungono da solventi per le sostanze
apolari, come per esempio i grassi.
Alcani e cicloalcani sono insolubili in
acqua perché non riescono a formare
legami a idrogeno né legami dipolodipolo.
Alcani e cicloalcani non sono particolarmente
reattivi; tuttavia, in specifiche condizioni,
vengono usati come combustibili perché
danno reazioni di combustione con
l’ossigeno.
Alcani e cicloalcani in opportune condizioni
reagiscono con gli alogeni, dando luogo a
reazioni di alogenazione in cui uno o più
idrogeni sono sostituiti da alogeni.
•
Benzine
Le benzine sono combustibili essenzialmente utilizzati per l’autotrazione per la quale sono
richieste specifiche che si evolvono in corrispondenza dell’evoluzione dei motori
adaccensione comandata. Per ottenere queste determinate specifiche le benzine non
sono direttamente ottenute dalla distillazione del petrolio, ma sono una miscela
d’idrocarburi da 4 a 10 atomi di carbonio ottenuti da vari processi di trattamento e
raffinazione del distillato petrolifero. Le benzine sono una miscela complessa di prodotti
alifatici e aromatici in proporzioni variabili, a seconda della provenienza e a seconda della
destinazione di utilizzo, ma in cui le specie alifatiche (paraffine, olefine, nafteni) sono in
un campo di numero di atomi di carbonio che va dai 4 ai 10 atomi di carbonio e che sono
generalmente prevalenti rispetto alle specie aromatiche (principalmente alchilati del
benzene). Componenti non idrocarburici come il piombo tetraetile e, più recentemente
nelle benzine cosiddette “verdi”, alcoli, eteri sono generalmente additivati per controllare il
numero di ottano delle benzine che è una prorpietà fondamentale per l’utilizzo delle
benzine. Un’altra caratteristica importante delle benzine, descritta insieme a tutte le altre
propretà in più dettaglio nel paragrafo di seguito relativo alle metodiche di
caratterizzazione, è la volatilità ovverossia il campo di distillazione che è generalmente
tra 30 e 200°C.
Gli alcheni sono idrocarburi che presentano
almeno un doppio legame nella molecola,
ibridazione sp2, geometria planare e angoli di
legame di 120°.
Gli alchini sono idrocarburi con almeno un
triplo legame nella molecola, ibridazione sp,
geometria lineare e angoli di legame di 180°.
La formula generale degli alcheni è CnH2n
La formula generale degli alchini è CnH2n-2
La nomenclatura degli alcheni è simile a
quella degli alcani, con il suffisso -ene.
La nomenclatura degli alchini segue quella
degli alcani, con il suffisso -ino..
Per attribuire il nome ad alcheni ed alchini,
gli atomi di carbonio della catena vanno
numerati in modo da indicare la posizione dei
doppi legami o dei tripli legami e degli
eventuali radicali presenti.
Se due gruppi diversi si trovano dalla stessa parte
del piano rispetto al doppio legame, l’isomero si
dice cis; se i due gruppi si trovano da parti
opposte l’isomero si dice trans.
Gli isomeri cis-trans sono stereoisomeri.
Le reazioni caratteristiche degli alcheni e degli
alchini sono quelle di addizione elettrofila in
due stadi al doppio e al triplo legame.
Gli elettrofili sono molecole o ioni che possono
accettare un doppietto elettronico.
Un carbocatione si forma in seguito alla rottura
di un legame quando il doppietto elettronico
inizialmente condiviso è acquisito da uno solo
dei due atomi.
• Carbocatione metile
(con orbitali p vuoti)
Si definiscono nucleofili gli anioni e le molecole
neutre con doppietti elettronici.
Alcheni e alchini danno reazioni di
idrogenazione, ovvero sommano idrogeno
al doppio o al triplo legame trasformandosi
nei corrispondenti idrocarburi saturi.
Il capostipite degli idrocarburi
aromatici è il benzene, C6H6.
Il benzene viene rappresentato come ibrido di
risonanza di due forme limite che differiscono per
la posizione dei doppi legami.
Tutti gli idrocarburi aromatici presentano doppi
legami  delocalizzati nella molecola, che pertanto
risulta particolarmente stabile.
La nomenclatura dei composti aromatici usa nomi
tradizionali.
Nei composti aromatici bisostituiti si formano
isomeri che prendono i prefissi:
• orto- se sono legati a carboni adiacenti
• meta- se legati ai carboni 1 e 3
• para- se sono legati a carboni opposti.
Le reazioni caratteristiche degli idrocarburi
aromatici sono di sostituzione elettrofila
aromatica e avvengono in due stadi.
• Primo stadio: l’elettrofilo si lega al carbonio
dell’anello insieme all’idrogeno, con
formazione di un carbocatione.
• Secondo stadio: si distacca uno ione H+ e si
forma il prodotto sostituito, elettricamente
neutro.
Capitolo 24
Dai gruppi funzionali ai polimeri
• 1.
I gruppi funzionali
• 2.
Alcoli, fenoli ed eteri
• 3.
Le reazioni di alcoli e fenoli
• 4.
Alcoli e fenoli di particolare interesse
• 5.
Aldeidi e chetoni
• 6.
Gli acidi carbossilici e i loro derivati
• 7.
Esteri, saponi e ammidi
• 8.
Le ammine
• 9.
Composti eterociclici
• 10. I polimeri di sintesi
Gruppo funzionale
Un gruppo funzionale è un atomo o un gruppo
di atomi che determina le proprietà chimiche di
un composto organico, permettendone la
classificazione.
1. I gruppi funzionali
alcoli
• Gli alcoli derivano dagli idrocarburi per
sostituzione di un idrogeno con un gruppo
ossidrile (—OH) che ne diventa il gruppo
funzionale.
• La formula generale degli alcoli è R—OH.
Gruppo funzionale ossidrile
2. Alcoli, fenoli ed eteri
Secondo la nomenclatura IUPAC, il nome dell’alcol
deriva da quello dell’idrocarburo corrispondente a
cui si aggiunge la desinenza -olo.
Atomi di
carbonio
nome
1
metanolo
2
etanolo
3
propanolo
4
butanolo
5
pentanolo
metanolo
Etanolo o Alcol Etilico
• Gli
alcoli
si classificano
2. Alcoli,
fenoli
ed eteri
in primari,
secondari e terziari a seconda che
l’atomo di carbonio a cui è legato
l’ossidrile sia unito rispettivamente a uno,
due o tre atomi di carbonio.
Se presentano due o tre gruppi ossidrili, gli alcoli
prendono il nome di dioli e trioli.
Il fenolo è il capostipite degli alcoli aromatici a
cui dà il nome (fenoli).
eteri
Gli eteri sono caratterizzati da un atomo di
ossigeno che lega due gruppi alchilici.
Hanno formula generale degli eteri è R—O—R’.
La nomenclatura degli eteri si basa sul nome, in
ordine alfabetico, delle catene alchiliche presenti
nella molecola, a cui segue il nome etere.
A parità di massa molecolare, gli alcoli e i fenoli
hanno punti di ebollizione più alti rispetto agli
idrocarburi e agli eteri.
La solubilità degli alcoli decresce all’aumentare
del numero di atomi di carbonio: la buona
solubilità di metanolo, etanolo e propanolo in
acqua è dovuta alla formazione di legami a
idrogeno:
La solubilità degli alcoli decresce all’aumentare
del numero di atomi di carbonio, perché prevale il
carattere idrofobico della catena rispetto al
carattere idrofilo dell’ossidrile.
Gli alcoli sono acidi molto deboli; i fenoli al
contrario sono circa un milione di volte di più
acidi perché lo ione fenossido (ArO–) è molto più
stabile dello ione alcossido (RO–).
3. Le reazioni di alcoli e fenoli
Gli alcoli danno reazioni con rottura del legame
C—O, oppure reazioni di ossidazione:
Le reazioni di rottura del legame C—O avvengono
prevalentemente in ambiente acido, per
sostituzione nucleofila.
presenza
di acido
solforico
3. LeIn
reazioni
di alcoli
e fenoli
concentrato e alla
temperatura di 180°, gli alcoli danno reazioni di
disidratazione con formazione di un alchene.
Nelle reazioni di ossidazione dei composti
organici, il carbonio risulta tanto più ossidato
quanti più legami forma con l’ossigeno e quanti
meno ne forma con l’idrogeno.
Gli alcoli primari si ossidano prima ad aldeidi e
poi ad acidi carbossilici.
Gli alcoli secondari si ossidano a chetoni.
I fenoli si ossidano a chinoni.
Il metanolo (CH3OH) è una sostanza altamente
tossica: 30 mL provocano la morte di un essere
umano adulto.
È un importante intermedio dell’industria chimica,
inoltre viene impiegato come carburante per
autotrazione e nelle celle a combustibile.
4. Alcoli e fenoli di particolare interesse
L’etanolo (CH3CH2OH) è il costituente di tutte
le bevande alcoliche.
Si ottiene per fermentazione degli zuccheri da
parte di microorganismi.
Viene adoperato come combustibile al posto
della benzina e trova impiego nell’industria dei
solventi, dei profumi e dei cosmetici.
Il glicol etilenico è un diolo che viene impiegato
come liquido anticongelante grazie all’alto punto di
ebollizione e alla totale solubilità in acqua.
Il glicol etilenico è usato per la sintesi di numerosi
composti tra cui il PET, la resina con cui si
producono le bottiglie «di plastica».
Il glicerolo, più noto come glicerina, è un triolo.
Trova impiego nell’industria dei cosmetici e delle
vernici.
Il derivato nitrato del glicerolo, la nitroglicerina,
è un potente esplosivo che viene impiegato anche,
in soluzione alcolica molto diluita, nella terapia
dell’angina pectoris.
I composti
fenolici hanno
proprietà
antiossidanti e
azione
disinfettante.
Gruppo funzionale: carbonile
Caratterizza le Aldeidi:
acetaldeide
e i Chetoni:
acetone
5. Aldeidi e chetoni
La nomenclatura utilizza il nome dell’alcano
corrispondente a cui si aggiunge:
•
il suffisso -ale per le aldeidi;
•
il suffisso -one per i chetoni.
I punti di ebollizione delle aldeidi e dei chetoni
sono più alti di quelli degli idrocarburi a uguale
massa molecolare, ma minori a quelli degli alcoli
corrispondenti.
5. Aldeidi e chetoni
La reazione caratteristica dei composti carbonilici
è l’addizione nucleofila grazie all’atomo di
carbonio del gruppo carbonile, che è polarizzato:
Gruppo funzionale: carbossile
Caratterizza gli acidi organici
Acido acetico
6. Gli acidi carbossilici
Gli acidi carbossilici sono caratterizzati dal
gruppo funzionale —COOH, chiamato gruppo
carbossile.
La nomenclatura degli acidi carbossilici prevede
l’aggiunta del suffisso -oico al nome dell’alcano
corrispondente.
Alla nomenclatura IUPAC ne è affiancata una
corrente tutt’ora in uso.
Gli acidi carbossilici tendono a formare legami a
idrogeno intermolecolari; pertanto presentano
punti di ebollizione abbastanza alti.
In acqua sono solubili solo gli acidi formico,
acetico e propionico.
Gli acidi carbossilici sono acidi deboli, ma sono più
forti dei fenoli e degli alcoli.
Reagiscono con basi forti formando dei sali.
A partire dagli acidi carbossilici, con reagenti
adeguati, si ottengono diversi derivati, tutti
caratterizzati dalla presenza del gruppo
acilico —RCO.
I derivati degli acidi carbossilici si ottengono
tramite reazioni di sostituzione nucleofila
acilica.
esteri
Gli esteri si ottengono per reazione fra un acido
carbossilico e alcol ad alta temperatura.
7. Esteri, saponi e ammidi
Esteri naturali ad alto peso molecolare sono le
cere, i grassi e gli oli.
Le cere sono esteri di un acido carbossilico e di
un alcol entrambi a lunga catena.
I grassi (solidi e saturi) e gli oli (liquidi e insaturi)
sono esteri del glicerolo (trigliceridi) con acidi
carbossilici a lunga catena sia saturi sia insaturi.
I grassi e gli oli riscaldati con una soluzione
acquosa di NaOH (o di KOH) danno luogo ad
un’idrolisi alcalina.
I saponi sono i sali di sodio (o di potassio) degli
acidi grassi a lunga catena.
saponi
I saponi sono formati da una lunga catena
idrocarburica detta coda, idrofobica, alla cui
estremità si trova il gruppo -COO– detto testa,
che è idrofilo.
A contatto con un tessuto sporco, le code apolari
disperdono le molecole di grasso in acqua.
L’azione detergente dei saponi dipende dalla
durezza dell’acqua, cioè dal contenuto di sali di
calcio e magnesio.
ammine
Le ammine derivano dall’ammoniaca (NH3) per
sostituzione di uno, due o tutti gli atomi di
idrogeno con altrettanti gruppi alchilici.
Il gruppo funzionale delle ammine è il gruppo
amminico.
Gruppo funzionale: amminico
Gruppo funzionale: fosfato
8. Le ammine
La nomenclatura delle ammine prevede che si
indichino i nome dei gruppi alchilici legati all’azoto
con la desinenza -ammina.
8. Le ammine
Per le ammine aromatiche si usano i nomi
correnti, per esempio anilina.
8. Le ammine
Le ammine primarie e secondarie formano legami
a idrogeno intermolecolari, per cui i loro punti di
ebollizione sono più alti di quelli degli alcani a
uguale massa molecolare.
Le ammine con pochi atomi di carbonio sono
solubili in acqua.
Le ammine sono composti basici (deboli) in virtù
del doppietto elettronico libero dell’azoto.
ammidi
Le ammidi sono derivati degli acidi carbossilici
molto diffuse in natura (per esempio nelle
proteine).
Le ammidi vengono classificate in:
• primarie: l’azoto ha un idrogeno sostituito con
un gruppo alchilico R—CO—NH2
• secondarie: l’azoto ha due idrogeni sostituiti
con gruppi alchilici R—CO—NHR
• terziarie: tutti gli idrogeni dell’azoto sono
sostituiti con gruppi alchilici R—CO—NR2
La nomenclatura delle ammidi prevede la
sostituzione del suffisso -ammide al nome
dell’acido corrispondente
composti eterociclici
I composti eterociclici sono molecole formate
da anelli caratterizzati dalla presenza di atomi
diversi dal carbonio.
polimeri
I polimeri sono molecole ad alta massa
molecolare costituite da un insieme di gruppi
chimici legati tra loro da legami covalenti.
Le unità costituenti i polimeri sono i monomeri
(molecole a basso peso molecolare).
10.I polimeri di sintesi
I polimeri di addizione derivano molecole di
alcheni che, in presenza di opportuni catalizzatori,
si uniscono tramite reazioni che coinvolgono i
doppi legami.
L’esempio più semplice è il polietilene.
10.I polimeri di sintesi
I polimeri di condensazione derivano dalla
reazione tra due diversi gruppi funzionali che
eliminano molecole di H2O, H2 o HCl.
Ne sono un esempio il PET e il nylon.

5. Proprietà fisiche e chimiche degli idrocarburi saturi

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