Classificazione degli Idrocarburi e derivati degli alcani

La chimica organica studia i composti del carbonio, molto numerosi in natura in quanto il carbonio è l’unico elemento in cui i suoi atomi possono associarsi a formare lunghe catene (il silicio ha una capacità analoga ma può formare catene di lunghezza più limitate), grazie alla sua particolare forma degli orbitali che consentono agli atomi di carbonio di poter legarsi tra loro senza creare degli ingombri o delle repulsioni importanti, a cui si applicano tutte le leggi della chimica generale.
Prima la chimica organica si riferiva ai composti presenti negli organismi viventi, ma dato che in tutti i composti era presente il carbonio essa diventò una trattazione della chimica del carbonio, allargando però così la sua sfera d’interesse anche a quei composti carboniosi che non rientrano negli organismi viventi.


In chimica organica non basta più solamente scrivere la FORMULA MOLECOLARE di un composto (indica in numeri e lettere quali e quanti atomi formano la struttura atomica da noi considerata), ma si scrivono le formule di struttura (vengono messi in evidenza i legami della struttura), esistono infatti all’interno della chimica organica strutture che hanno stessa formula molecolare ma hanno una diversa formula di struttura. A loro volta le formule di struttura possono essere semplificate con una scrittura più agevole. Due composti come nell’esempio sono chiamati ISOMERI DI STRUTTURA, sono composti che nonostante abbiano la stessa formula molecolare sono completamente diversi dal punto di vista chimico.

La nomenclatura dei composti organici segue regole ben precise, è detta nomenclatura sistematica o IUPAC, le cui regole sono dettate da una commissione internazionale. Attraverso queste regole, noto il nome di un composto possiamo scriverne la formula di struttura, e viceversa.

La chimica dei composti organici prende in considerazione legami covalenti: come si può scindere un legame covalente? Si può avere una scissione OMOLITICA quando i radicali formatisi (s’intende per radicale un frammento molecolare che ha un numero dispari di elettroni non condivisi) sono estremamente reattivi, non possono stare disaccoppiati. È una reazione che richiede dunque molta energia, non può avvenire a temperatura ambiente, al massimo potrebbe avvenire con i reagenti allo stato gassoso. Possiamo anche avere una scissione ETEROLITICA quando si ha la formazione di un anione e di un catione. Non si ha la separazione di elettroni di legame, non è dunque una reazione che richiede molta energia, può avvenire a temperatura ambiente con i reagenti in soluzione. Richiede però l’esistenza iniziale di un legame covalente polare, che porta alla formazione di ioni. Se l’atomo è un carbonio si parla di CARBANIONE quando permane su di sé la carica negativa, mentre se l’atomo di carbonio si ritrova su di sè una carica positiva si parla di CARBOCATIONE.

Abbiamo visto che non sempre nelle reazioni chimiche i reagenti danno velocemente i prodotti finali, ma possono formarsi attraverso diverse tappe dei prodotti intermedi: le varie tappe rappresentano il MECCANISMO DELLA REAZIONE. In chimica organica la maggior parte delle reazioni avviene per tappe, di cui noi andremo a studiarne il meccanismo.

La maggior parte dei reagenti in chimica organica si possono distinguere in NUCLEOFILI, ovvero sostanze che hanno a disposizione un doppietto elettronico, i quali possono essere portatori o non portatori di carica negativa. I nucleofili andranno formare un legame dativo con un composto detto ELETTROFILO, il quale può avere o non avere una carica positiva su di sè, ma deve possedere obbligatoriamente una lacuna elettronica per poter accettare il legame dativo.

 


Andiamo ora a vedere le principali reazioni che incontreremo nei nostri studi: vedremo le reazioni di SOSTITUZIONE (nella quale un atomo o raggruppamento atomico di un reagente viene sostituito da un atomo o un raggruppamento atomico di un altro reagente, vedi esempio sul quaderno), le reazioni di ADDIZIONE (nella quale i reagenti si uniscono a formare un unico prodotto, la cui formula molecolare è la somma delle formule molecolari dei due reagenti. Questa reazione è tipica dei composti aventi doppi legami carbonio-carbonio, vedi esempio sul quaderno), le reazioni di ELIMINAZIONE (da un reagente si formano due prodotti, segue il procedimento inverso di di una reazione di addizione), le reazioni di OSSIDORIDUZIONE ( avvengono trasferimenti di atomi d’idrogeno, solitamente due alla volta: un composto che li perde va incontro ad una deidrogenazione-ossidazione, mentre l’acquisto di un composto di questi due atomi d’idrogeno comporta una idrogenazione-riduzione del composto).

Un altro tipo di reazione è la reazione di CONDENSAZIONE (i due reagenti si uniscono con l’eliminazione di una molecola d’acqua. È una reazione molto dipendente dal tipo di prodotto che viene formato, nel caso si formino esteri la reazione è detta di esterificazione, vedi esempio sul quaderno), inoltre possiamo trovare anche reazioni d’IDROLISI (reazione in cui si ha la rottura di un legame per addizione di una molecola d’acqua, con formazione di due prodotti. È la reazione inversa alla condensazione).

Iniziamo con lo studiare i diversi gruppi organici appartenenti alla chimica organica: il primo è rappresentato dagli idrocarburi, composti formati soltanto da atomi di carbonio ed idrogeno: sono i più semplici composti organici ma hanno una classificazione complessa.

Si dividono in idrocarburi ALIFATICI (si classificano a seconda che siano formati da catene aperte, detti ACICLICI (divisi in composti che presentano legami semplici carbonio-carbonio (alcani), legami doppi carbonio-carbonio (alcheni) e legami tripli carbonio-carbonio (alchini)) o catene che si richiudono su sé stesse, detti ALICICLICI (si dividono come gli aciclici, in cicloalcani, cicloalcheni e cicloalchini) e AROMATICI (sono ciclici, e possono essere divisi in aromatici ad anello singolo o ad anelli condensati).

 

Derivati Alogenati degli Alcani

Passando ora a considerare quei composti che sono formati anche da altri elementi della tavola periodica oltre che a carbonio ed idrogeno, iniziamo a considerare i DERIVATI ALOGENATI DEGLI ALCANI, composti derivati per sostituzione di un atomo di idrogeno con un atomo di alogeno. Il nome di questi composti deriva dal nome dell’alcano corrispondente (avente gli stessi atomi di carbonio del derivato alogenato) preceduto dalla posizione e dal nome dell’alogeno. Il capostipite di questa famiglia di composti è il clorometano, seguito dal cloroetano, poi allungando la catena carboniosa sorge il fenomeno dell’isomeria di struttura, bisogna quindi indicare in quale carbonio della catena si trova l’alogeno, utilizzando le stesse regole di nomenclatura degli alcani sostituiti.

I derivati più semplici degli alogeni vengono chiamati anche in altri modi, come se fossero dei sali (in realtà non lo sono perchè non ci sono legami ionici tra le particelle del composto ma vi sono legami covalenti. Questi composti sono chiamati alogenuri alchilici). Tra gli ALOGENURI ALCHILICI ricordiamo il cloruro di metile, il triclorometano (o cloroformio, un anestetico non più usato perchè tossico), il triiodometano (o iodoformio, ha forti proprietà antisettiche) o il tetraclorometano (o tetracloruro di metano, è un composto ibridato sp3 che presenta legami polarizzati carbonio-cloro, nonostante ciò è una molecola apolare perchè i legami sono simmetrici tra loro, il momento dipolare della molecola è nullo, la polarità dei legami si annulla. Questo composto è spesso utilizzato nel lavaggio a secco degli indumenti perchè è un solvente apolare che solubilizza bene le macchie di lipidi ed altri composti apolari). Gli alogenuri alchilici non si trovano molto in natura, ma la maggior parte di questi prodotti è prodotta dall’uomo, per svolgere diverse funzioni, tra cui quelle di insetticidi e sbiancatori. Questi composti sono importanti perchè danno una paticolare reazione, ovvero la sostituzione nucleofila, di cui vedremo il meccanismo.

Un alogenuro alchilico terziario da sempre reazioni SN1, un alogenuro primario dà sempre reazioni SN2, mentre il secondario può dare entrambi i tipi di reazione, a seconda della forza del nucleofilo con cui avrà a che fare (il nucleofilo può anche essere debole nella reazione SN1 ma deve essere piuttosto forte per dare la reazione SN2).Gli alogeni sono elementi che fuoriescono bene da questi composti in queste particolari reazioni, per questo gli alogenuri danno bene questo tipo di reazioni.

I buoni gruppi uscenti sono quelli che escono sottoforma di anioni di basi coniugate di acidi forti (tipo HCl, in quanto le basi coniugate sono piuttosto stabili, riescono ad esistere piuttosto bene anche da sole), un cattivo gruupo uscente è invece l’OH-, che è una base coniugata di un acido molto debole (l’acqua), è a sua volta un buon gruppo entrante (come base è una base forte e quindi piuttosto instabile, deve quindi legarsi ad un composto). I gruppi alcolici, che possiedono come gruppo caratteristico l’OH, vengono trasformati (fosforilati) in modo da dare bene le reazioni uscenti, attraverso il fosfato, la base coniugata dell’acido fosforico, che è un miglior gruppo uscente rispetto al gruppo OH. Questi composti sono poco importanti dal punto di vista biologico, ma danno un importante reazione che troveremo spesso nei composti biologici.