====== Idrocarburi ====== [{{ :scienze:metano.png?250|Il metano, il più semplice degli alcani}}] Gli **idrocarburi** sono [[scienze:chimica_organica|composti organici]] formati esclusivamente da carbonio e idrogeno. Essi si ripartiscono principalmente in //alifatici// e //aromatici// (o //areni//), in base alla loro costituzione. ===== Alifatici ===== Gli idrocarburi alifatici si ripartiscono in: * A catena aperta * Saturi((Tutti gli atomi di carbonio hanno ibridazione $\ce{sp^3}$, permettendo il numero massimo di legami tra carbonio e idrogeno)): //alcani// * Insaturi((Vi sono orbitali ibridi $\ce{sp^2}$ ed $\ce{sp}$)): //alcheni// e //alchini// * A catena chiusa (ciclici) * Saturi: //cicloalcani// * Insaturi: //cicloalcheni// e //cicloalchini// ==== Alcani ==== Gli alcani sono formati da catene di atomi di carbonio, lineari o ramificate, che presentano soli legami semplici. Essi rispondono alla formula generale: $$\ce{C_{n}H_{(2n + 2)}}$$ Osserviamo pertanto che nel passaggio da un alcano al suo successivo, viene aggiunto un $\ce{CH2}$ in più. Classifichiamo gli alcani in base alla lunghezza della catena di atomi $\ce{C}$ e alla presenza dei vari gruppi funzionali. Il nome IUPAC deriva dal residuo alchilico((Relativo alla catena di atomi di carbonio)) seguito dal suffisso //-ano//: * Metano: $\ce{CH4}$ * Etano: $\ce{C2H6}$ * Propano: $\ce{CH3CH2CH3}$ * Butano: $\ce{CH3CH2CH2CH3}$ * ... Gli alcani costituiscono una serie omologa, ossia una classe di composti, ognuno dei quali differisce da quello successivo per un'unità strutturale costante che si ripete. In questo caso l'unità strutturale è $\ce{-CH2{-}}$. Negli idrocarburi saturi il carbonio lega a sé il massimo numero di atomi, grazie all'ibridazione $\ce{sp^3}$ degli orbitali. === Nomenclatura === La nomenclatura degli alcani segue lo schema seguente: è presente il suffisso //-ano//, preceduto dal prefisso che indica il numero di atomi di carbonio presente. I primi 4 termini sono irregolari: - met- - et- - prop- - but- - pent- - es- - ept- - ott-\\ ... e così via Per quanto riguarda le catene idrocarburiche lineari (non ramificate), viene anteposto //n-// davanti al nome nella scrittura, da pronunciare come <>. Es.: $\ce{CH3-CH2-CH2-CH2-CH3}$ //**n-pentano**// (da pronunciarsi <>) Il carbonio in una catena si definisce //primario//, //secondario//, //terziario// o //quaternario// in base al numero di legami che ha con altri atomi di carbonio (rispettivamente 1, 2, 3 e 4). Nel caso di catena ramificata, si individua la catena più lunga (quella principale) e vengono ordinati gli atomi di carbonio in modo da far risultare minimo il numero ordinale dell'atomo su cui si innette il gruppo sostituente. Nel caso del 2-metil-butano, ad esempio: {{ :scienze:n-2-metilbutano.png?400 |}} Se vi sono più sostituenti, si inseriscono i numeri separati da virgole. I sostituenti vanno elencati in ordine alfabetico e, se n'è presente più di uno uguale, il nome del gruppo è preceduto da un prefisso di numero (es. //di-//, //tri-//). Ad esempio: [{{:scienze:2-3-dimetilbutano.png?0x100|2,3-dimetilbutano}}] [{{:scienze:2-2-4-trimetilesano.png?0x100|2,2,4-trimetilesano}}] === Proprietà === Le principali proprietà sono: * Non sono solubili in acqua e tendono a galleggiare su di essa (comportamento oleoso) * Comportamento apolare: gli idrocarburi che sono liquidi a temperatura ambiente sono buoni solventi per sostanze apolari * Poco reattivi Gli alcani sono anche noti come //paraffine//. Possono andare incontro a rezioni di: * **Combustione:** $\ce{C_{n}H_{2n{+2}} + \frac{(3n + {1})}{2} O2 -> nCO2 + (n + 1)H2O + energia}$ * **Sostituizione radicalica:** $\ce{CH4 +Cl2 ->CH3Cl + HCl}$\\ Un eteroatomo si sostituisce a un atomo di idrogeno e si immette sullo scheletro carbonioso. Ciò avviene con la rottura di un legame carbonio-idrogeno, che può avvenire in maniera omolitica ed eterolitica. * **Alogenazione** radicalica non selettiva: $\ce{C4H10 + Cl2 ->[h\nu] C4H9Cl + CH8Cl2 + etc}$ sostituzione di uno o più atomi di idrogeno con uno di un alogeno (principalmente Cl e Br). Non avviene spontaneamente, ma è necessaria energia fornita tramite fotoni (radiazioni UV). L'esito solitamente è una miscela di alogenuri alchilici. Essa avviene come segue: $\ce{Cl2 -> 2Cl.}$ Fase di iniziazione $\ce{CH4 + Cl. -> .CH3 + HCl}$ Fase di propagazione\\ $\ce{CH4 + Cl. -> .CH3 + HCl}$\\ $\ce{.CH3 + Cl2 -> CH3Cl + Cl.}$ $\ce{.CH3 + Cl. -> CH3Cl}$ Fase di terminazione Nella fase di iniziazione si formano i radicali alogeni. Un radicale è un atomo che presenta un elettrone spaiato ed è una sostanza molto reattiva poiché tende a completare il suo assetto elettronico esterno andando a condividere l'elettrone spaiato. $$\ce{X2 -> 2X.}$$ $$\ce{Cl2 -> 2Cl.}$$ Il radicale alogeno reagisce con l'alcano, e grazie alla sua elevata radioattività porta alla rottura di un legame carbonio-idrogeno dello scheletro carbonioso, pertanto alla creazione di un radicale alchilico ($\ce{R.}$ e un gruppo alchilico. La fase di propagazione consiste nella reazione tra le molecole di alogeno e l'alcano, in cui si ha la formazione di un alogenuro alchilico e di un radicale alogeno. La reazione prosegue fino all'esaurimento di radicali nell'ambiente. $$\ce{X. + RH -> HX + R.}$$ $$\ce{Cl. + CH4 -> HCl + .CH3}$$ \\ $$\ce{R. + X2 -> RX + X.}$$ $$\ce{.CH3 + Cl2 -> CH3Cl + Cl.}$$ La terminazione avviene finché tutti i radicali non hanno reagito tra loro. Può anche accadere che si formino degli alogenoderivati o dei nuovi alcani se reagiscono tra loro i radicali in modo diverso. $$\ce{X. + X. -> X-X}$$ $$\ce{R. + .R -> R-R}$$ Secondo il principio Le Chatelier, è possibile creare condizioni ambientali che favoriscano la formazione di determinati composti, per rendere più selettiva la sostituzione radicalica che avviene nell'alogenazione. ==== Idrocarburi Insaturi ==== Gli idrocarburi insaturi (alcheni e alchini) hanno una reattività chimica simile che deriva dal loro legame di *insaturazione*, ossia di un legame non semplice (o doppio o triplo) che li rende più reattivi rispetto agli idrocarburi saturi. È presente pertanto almeno un legame π. {{ :scienze:cis-trans.png?300|}} Negli alcheni e gli alchini è possibile la reazione di addizione elettrofila. Gli elettrofili sono molecole o ioni che possono accettare un doppietto elettronico; sono elettrofili gli acidi, nella modalità in cui gli acidi sono definiti secondo Lewis. Con la rottura di un legame π, diventa possibile che due sostanze si uniscano senza portare all'eliminazione di alcuna specie chimica. Ad esempio, nella reazione dell'etene con il cloro, si ha $$\ce{C-Cl}$$ $$\ce{CH2=CH2 + Cl-Cl -> Cl-CH2-CH2-Cl}$$ Tutti gli acidi forti reagiscono vivacemente con gli alcheni. ==== Alcheni ==== Negli alcheni è presente carbonio ibridato $\ce{sp^{2}}$, e pertanto un solo legame π assieme al legame $\ce{C-C}$ σ. I primi tre membri della serie omologa sono etene, propene e butene; da 5 atomi di carbonio fino a 15 sono allo stato liquido, gli altri sono allo stato gassoso. In questi composti è presente l'isomeria cis-trans che influisce anche sulle proprietà biochimiche del composto: ad esempio, il cis-retinale e il trans-retinale, componenti della vitamina A necessari alla visione, hanno proprietà diverse. Il doppio legame rende impossibile la rotazione degli atomi di carbonio sugli assi di legame: l'insaturazione è un punto di rigidità geometrica della molecola. ==== Alchini ==== Gli alchini hanno ibridazione $\ce{sp}$ con due legami e un legame $\ce{C-C}$ σ. In corrispondenza di alogeni può avvenire una dialogenazione, o una monoalogenazione con permanenza di un doppio legame. ==== Polieni ==== {{ :scienze:dieni.png?500|}} I polieni sono composti con più di un doppio legame. I più frequenti sono i dieni, con due doppi legami. Si distinguono in base alla disposizione dei loro doppi legami: se sono separati da un singolo legame semplice sono detti coniugati, se separati da più di un legame semplice sono isolati; gli alleni hanno doppi legami cumulati (consecutivi). ===== Aromatici ===== [{{ :scienze:benzene.png?350|Il benzene è un ibrido di risonanza}}] Gli idrocarburi aromatici (o //areni//) presentano un particolare assetto elettronico e determinate caratteristiche strutturali che garantiscono loro un'elevata stabilità. I primi composti di questa categoria ad essere isolati erano riconosciuti come tali per via del loro odore caratteristico, da qui il termine <>. Sono idrocarburi insaturi, caratterizzati dalla presenza di un anello aromatico, ossia una struttura ciclica e planare in cui sono presenti ${4n + 2}$ elettroni $\pi$. Il più semplice di questi è il benzene ($\ce{C6H6}$). Con riferimento alla teoria elettronica, può essere descritto come formato da 6 atomi di carbonio ibridati $\ce{sp^2}$ legati tra loro da legami $\sigma$. Gli elettroni $\pi$ posti perpendicolarmente rispetto al piano dell'anello sono delocalizzati e formano due nuvole elettroniche poste al di sopra e al di sotto del piano su cui si trova l'anello. Sono proprio gli elettroni delocalizzati (mancanza di un grande accumulo di cariche) che determina la scarsa reattività di questi composti. ==== Composti eteroaromatici ==== Secondo lat regola di Hückel, un composto eteroaromatico ha una struttura ad anello e può contenere atomi diversi dal carbonio a patto che contenga sempre ${4n + 2}$ elettroni $\pi$ delocalizzati. ==== Reazioni ==== Le reazioni caratteristiche degli idrocarburi aromatici sono di //sostituzione elettrofila aromatica//. Essa avviene nel seguente modo: - Si forma un elettrofilo (un sale si comporta come acido di Lewis e catalizza la formazione di un dipolo in una molecola, es. il tetracloruro di ferro destabilizza il legame covalente puro $\ce{C-C}$ nella molecola cloro) - L'elettrofilo si lega al carbonio dell'anello insieme all'idrogeno, formando un carbocatione A fine processo, l'anello aromatico è inalterato.