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Idrocarburi: caratteristiche e struttura degli alcani, alcheni, alchini e gruppi funzionali

Gli idrocarburi costituiscono una vasta classe di composti organici binari contenenti atomi di carbonio (C) e idrogeno (H). Dagli idrocarburi derivano formalmente, per sostituzione di uno o più atomi di idrogeno con gruppi funzionali, le varie classi di composti organici. Gli idrocarburi sono suddivisi in due grandi gruppi: idrocarburi alifatici e idrocarburi aromatici .

Gli idrocarburi alifatici comprendono tutti i composti che non contengono nella propria molecola anelli benzenici.

Negli idrocarburi a catena aperta gli atomi di carboni sono legati tra di loro in catene lineari o ramificate; negli idrocarburi aliciclici le catene sono chiuse ad anello. Gli idrocarburi sono inoltre distinti in saturi o insaturi a seconda che contengano, rispettivamente, solo legami semplici, oppure anche doppi o tripli legami.

Ciascuna famiglia di idrocarburi alifatici (alcani, alcheni, alchini, cicloalcani, cicloalcheni) è rappresentabile da una stessa formula generale (costituisce una serie omologa).

Gli idrocarburi aromatici o areni si distinguono a seconda che contengano un solo anello benzenico o più anelli benzenici condensati in monociclici e policiclici.

Idrocarburi
Suddivisione degli idrocarburi

Il comportamento chimico degli idrocarburi è fortemente condizionato dal loro contenuto di idrogeno. Per questa ragione è comune distinguere gli idrocarburi ricchi di idrogeno (quindi saturi) da quelli in cui questo elemento è meno presente (insaturi). I primi sono generalmente meno reattivi dei secondi. Questo è vero al punto che gli idrocarburi saturi di maggior peso molecolare che a temperatura ambiente sono solidi, sono stati chiamati paraffine dal latino parum affinis cioè poco affine (a altre sostanze) e quindi chimicamente inerte.

Questa diversa abbondanza di idrogeno è in stretta relazione col tipo di legami che uniscono gli atomi di carbonio tra di loro. A essere definiti saturi sono solo gli alcani, caratterizzati da legami semplici, mentre alcheni e alchini, che presentano rispettivamente legami doppi e tripli, sono considerati insaturi. Nel legarsi ad altri atomi della propria specie chimica infatti, alcuni atomi di carbonio della catena sottraggono all’idrogeno la possibilità di entrare a far parte della molecola.

La maggior reattività degli idrocarburi insaturi si deve alla maggiore instabilità dei legami doppi o tripli dovuta alla presenza di orbitali molecolari  meno robusti di quelli . Tale configurazione elettronica molecolare rende più semplici reazioni chimiche importantissime per l’industria. Un esempio è dato dalla reazione di polimerizzazione che è alla base della produzione di moltissimi materiali plastici come il polietilene di cui sono fatti i comuni sacchetti della spesa o il polipropilene con cui si costruiscono i bicchieri di plastica.

Nomenclatura di alcani, alcheni, alchini ramificati e ciclici

La ricchezza della chimica del carbonio presenta come “grave effetto indesiderato” la difficoltà di riuscire a districarsi nella giungla dei composti che studia. La razionalità della nomenclatura IUPAC ci viene incontro assegnando delle regole precise per ricavare i nomi dei vari composti.

Gli idrocarburi contengono solo idrogeno e carbonio. Per identificarli, quindi, è sufficiente descrivere la struttura in cui si organizzano gli atomi di carbonio per formare lo scheletro della molecola e quale tipo di legami instaurano tra loro.

Quando tutti gli atomi di carbonio sono ibridati sp3 (geometria tetragonale) il composto prende il nome di alcano; la presenza nella catena di carbonio di un legame doppio (ibridazione trigonale sp2) dà origine a un alchene; infine quando c’è un legame triplo (ibridazione digonale sp) la sostanza viene detta alchino.

Iniziamo con le regole per gli alcani. Quando la catena non è ramificata, il composto prende il nome dal numero di atomi di carbonio che la costituiscono ed è identificato dalla desinenza -ano. Tolti i primi quattro, per cui esiste una nomenclatura tradizionale, si ricorre a un suffisso analogo a quello dei poligoni in geometria. Pentano quindi sarà l’idrocarburo formato da  cinque atomi di carbonio dotato della seguente formula di struttura.

CH3-CH2-CH2-CH2-CH3

Seguiranno esano, eptano, ottano e così via. Per i primi quattro composti invece i nomi sono:

CH4 CH3-CH3 CH3-CH2-CH3 CH3-CH2-CH2-CH3
metano etano propano butano

Strutture più ramificate si possono ottenere sostituendo a un atomo di idrogeno un radicale alchilico cioè un gruppo di atomi ricavato da un altro alcano cui sia stato  sottratto un atomo di idrogeno. A identificare i radicali alchilici è la desinenza -ile che sostituisce la già vista -ano. Mentre per metile e etile non c’è ambiguità riguardo a quale atomo di carbonio venga privato dell’idrogeno, si distingue l’n-propile CH3-CH2-CH2 dall’iso-propile CH3-CH-CH3.  Per dare il nome a un alcano ramificato si procede come segue:

  1. Si numerano gli atomi di carbonio della catena più lunga partendo da quello più vicino alla ramificazione più semplice per identificare la posizione dei radicali.
  2. Si nominano i radicali in ordine di complessità crescente specificandone la posizione con il numero dell’atomo di carbonio della sequenza principale a cui sono collegati.
  3. Se un radicale si presenta più di una volta se ne indica il nome con il suffisso opportuno (di-, tri-, tetra-, ecc.).

es:

alcano

2,4,7-trimetil-5-etilnonano

Per identificare gli alcheni si usa la desinenza -ene mentre per gli alchini la desinenza -ino. Alle regole già viste per gli alcani si aggiungono le seguenti:

  1. a essere numerata è la più lunga catena che contenga il doppio (triplo) legame iniziando dall’estremo ad esso più vicino.
  2. La posizione del doppio (triplo legame) è espresso dal primo carbonio in esso impegnato.

es:

CH3 – CH2 – CH2 – CH = CH – CH3

2-esene o esene-2

Infine quando la catena di atomi di carbonio si chiude in un anello si parla di idrocarburi aliciclici per i quali si inserisce  la parola -ciclo tra l’elenco dei radicali e il numero di atomi della catena.

es:

alcano

1,2-dimetilciclobutano

Gruppi funzionali

La grande varietà di molecole che il carbonio può formare non si limita ai vari tipi di idrocarburi ma comprende specie contenenti altri elementi, come ossigeno, azoto e gli alogeni. Come è prevedibile la quantità di molecole che si possono formare dalla combinazione di questi elementi è elevata, come, di conseguenza, anche le proprietà che esse possiedono. In particolare le caratteristiche chimiche delle molecole organiche sono spesso correlate ad alcune loro porzioni specifiche, che prendono il nome di gruppi funzionali. Talvolta i gruppi funzionali possono essere chiamati sostituenti.

I gruppi funzionali permettono di prevedere il comportamento di una molecola in una certa condizione: infatti hanno un’importanza tale da essere utilizzati come riferimento per la divisione in gruppi dei composti organici e per la nomenclatura ufficiale, che permette di ampliare quella degli idrocarburi. Nel caso in cui la molecola abbia 3 o più atomi di carbonio, è utile specificare il numero del carbonio al quale il sostituente è legato, per evitare ambiguità. In alcuni casi (che vedremo) ciò non è necessario. Se la molecola possiede diversi gruppi funzionali, essi vengono messi in ordine alfabetico all’interno del nome.

Gli alcoli sono caratterizzati dalla presenza di un gruppo idrossilico (-OH) legato a un atomo di carbonio. Il nome della molecola segue la nomenclatura degli alcani con l’aggiunta del suffisso -olo.

metanolobutanolo

Le ammine, invece, possiedono un gruppo amminico (-NH2) che lega un carbonio. Le molecole di questo tipo assumono il prefisso ammino- (o in alternativa il suffisso -ammina).

amminopentano

Quando invece una molecola possiede un atomo di ossigeno legato a due gruppi alchilici (R) essa prende il nome di etere. Il gruppo funzionale può essere rappresentato in questo modo: R1-O-R2. La nomenclatura prevede semplicemente di aggiungere il termine -etere alla fine del nome dell’idrocarburo corrispondente. In alternativa può essere usata la particella -ossi- fusa con il nome dell’idrocarburo.

dietiletere

Un gruppo funzionale molto comune nelle molecole organiche è il carbonile, o gruppo carbonilico (C=O), che consiste di un atomo carbonio che presenta un doppio legame con un atomo di ossigeno. Entrambi hanno un’ibridazione sp2, e di conseguenza il carbonile risulta rigido e planare. Questo legame è fortemente polare in quanto l’ossigeno, molto più elettronegativo del carbonio, tende ad attrarre gli elettroni coinvolti nel legame π: ciò causa una parziale carica negativa sull’ossigeno e una parziale carica positiva sul carbonio. Le molecole che possiedono soltanto il gruppo carbonile sono le aldeidi e i chetoni.

  • Le aldeidi possiedono un gruppo alchilico e un idrogeno legati al carbonile. Assumono il suffisso -ale nel nome. Il gruppo aldeidico può essere abbreviato in -CHO. L’unica eccezione è il metanale, o formaldeide (CH2O), il cui carbonile lega due idrogeni.
  • chetoni presentano un carbonile legato a due gruppi alchilici. La nomenclatura prevede l’aggiunta del suffisso -one.

Gli acidi carbossilici possiedono un gruppo -OH adiacente al carbonile, che nel complesso prende il nome di gruppo carbossilico (-COOH). Il nome viene formato usando la parola “acido” seguito dal nome dell’idrocarburo con il suffisso -ico (o -oico).

acido benzoico

Il gruppo funzionale degli acidi carbossilici, e dei suoi derivati, ha la priorità nei confronti degli altri, di conseguenza il carbonio del carbonile risulta il numero 1. I derivati degli acidi carbossilici vengono classificati e nominati a seconda del sostituente (R) che prende il posto del gruppo idrossilico, lasciando invariata la restante parte, chiamata gruppo acilico.

  • Esteri

              R = gruppo alchilico o ciclico derivante da un alcol.
Si utilizza il nome della base coniugata dell’acido (-ato al posto di -ico) seguito da “di” e il nome di R.

acetato di metile

  • Ammidi

             R = -NH2, -NHR1, -NR1R2 derivanti da un’ammina.
Il suffisso -ammide sostituisce quello dell’acido carbossilico da cui deriva. Talvolta è possibile usare come riferimento un’aldeide, come nel caso della formammide (HCONH2).

formammide

  • Anidridi

 R = una catena acilica, derivante da un altro acido carbossilico.
Se i due gruppi acilici della molecola sono uguali, si parla di anidride simmetrica, e il loro nome mantiene il prefisso -oica, sostituendo la parola “acido” con il termine “anidride”. Nel caso di gruppi diversi (anidride mista) il nome tiene in considerazione di entrambe le catene aciliche, in ordine alfabetico.

anidride benzoica

  • Alogenuri acilici

             R = un alogeno.
La costruzione del nome è simile a quella degli esteri, con la differenza che il nome dello ione alogenuro sostituisce il nome dell’idrocarburo con il suffisso -iato.

cloruro di acetile

Anche gli idrocarburi che non presentano un gruppo carbonile posso legare alogeni, formando gli alogenuri alchilici. Il nome dell’elemento coinvolto viene inserito in quello della molecola, facendo riferimento all’atomo di carbonio al quale è legato. Comuni alogenuri alchilici sono i clorofluorocarburi, tra i quali il freon è noto per essere stati impiegati nei circuiti di raffreddamento dei frigoriferi domestici.

triclorometano

Per quanto riguarda i composto aromatici derivanti dal benzene, gli atomi di carbonio vengono numerati a seconda del sostituente a cui sono legati, i quali vengono ordinati in maniera alfabetica, andando nella direzione che permette di dare al secondo sostituente il numero più basso possibile.

metilbenzene

Nel caso in cui il nome della molecola incorpori già un sostituente, come nel caso del fenolo, in cui è “implicita” la presenza di -OH, possiamo utilizzare una nomenclatura che identifichi la posizione relativa di un sostituente rispetto a un altro sull’anello. Per esempio per il nitrofenolo (C6H5NO3), usiamo:

  • para- (P-), se il sostituente (-NO2) si trova legato al carbonio numero 4 (C4), cioè dalla parte diametralmente opposta rispetto al -OH;
  • meta- (M-), se il sostituente si trova legato a C3;
  • orto- (O-), se si trova legato a C2.

nitrofenolo

Riassunto video

Agora Scienze Biomediche – Biologia 04 – Chimica organica

Riferimenti e approfondimenti

  1. T. W. Graham Solomons, Chimica organica, a cura di G. Ortaggi, D. Misiti, 2ª ed., Bologna, Zanichelli, 1988, ISBN 88-08-09414-6.
  2. (EN) William D. Callister, Material Science and Engineering: An Introduction, 5ª ed., John Wiley & Sons Inc, 1999, ISBN 0-471-35243-8.
  3. Molecular Structures of Organic Compounds – Hydrocarbons, su csi.chemie.tu-darmstadt.de.
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Cella Beltramo
12 Gennaio 2020 10:20 PM

Gli idrocarburi aromatici formano una classe a se per stabilita ed hanno una reattivita chimica molto diversa da quella degli idrocarburi alifatici. Le molecole degli alcani e dei cicloalcani sono apolari, in quanto, anche se il legame covalente C-H e polarizzato, la differenza di elettronegativita e piuttosto bassa (0,4) e la struttura tetraedrica porta a una distribuzione della carica nelle molecole complessivamente simmetrica. Le considerazioni sulla loro struttura molecolare trovano conferma nelle prove di solubilita : gli alcani sono praticamente insolubili in acqua, mentre si sciolgono nei solventi apolari.

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