Idrocarburi

Il metano, il più semplice degli alcani

Gli idrocarburi sono composti organici formati esclusivamente da carbonio e idrogeno.

Essi si ripartiscono principalmente in alifatici e aromatici (o areni), in base alla loro costituzione.

Gli idrocarburi alifatici si ripartiscono in:

• A catena aperta
  • Saturi¹⁾: alcani
  • Insaturi²⁾: alcheni e alchini
• A catena chiusa (ciclici)
  • Saturi: cicloalcani
  • Insaturi: cicloalcheni e cicloalchini

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 alchilico³⁾ 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.

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:

1. met-
2. et-
3. prop-
4. but-
5. pent-
6. es-
7. ept-
8. ott-
   … e così via

Per quanto riguarda le catene idrocarburiche lineari (non ramificate), viene anteposto n- davanti al nome nella scrittura, da pronunciare come «normal».

Es.: $\ce{CH3-CH2-CH2-CH2-CH3}$ n-pentano (da pronunciarsi «normal-pentano»)

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:

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:

2,3-dimetilbutano

2,2,4-trimetilesano

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: $\ce{C_{n}H_{2n{+2}} + (3n + {1})/{2} O2 -> nCO2 + (n + 1)H2O + energia}$
• 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.

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.

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 (etene propene 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.

Gli alchini hanno ibridazione $\ce{sp}$ con due legami e un legame $\ce{C-C}$ σ.

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

$$\ce{C-Cl}$$ $$\ce{CH2=CH2 + Cl-Cl -> Cl-CH2-CH2-Cl}$$

Sono isomeri i composti con la stessa formula bruta ma diverse caratteristiche. In chimica organica, si distinguono in:

• isomeri di struttura (costituzionali)
  • isomeria di catena: gli isomeri differiscono per la forma della catena carbonica (scheletro carbonioso), che può essere lineare o ramificata
    Es.: n-pentano vs. isopentano (entrambi $\ce{C5H12}$)
  • isomeria di gruppo funzionale: riguarda composti che appartengono a categorie chimiche diverse
    Es. metanolo vs. dimetiletere (entrambi $\ce{C2H6O}$)
  • isomeri di posizione: legami o gruppi funzionali presenti sono uguali, ma la loro disposizione sullo scheletro carbonioso è differente
    Es. 1-butene vs. 2-butene (entrambi $\ce{C4H8}$)
    
• stereoisomeria: gli atomi legati allo stesso ordine ma orientati diversamente nello spazio
  • isometria geometrica: in molecole con doppi legami, se i due gruppi si trovano dalla stessa parte del piano rispetto al doppio legame, l'isomero è definito cis, se invece sono da parti opposte, è detto trans. Ciò influisce sulle proprietà fisiche (ma non chimiche) del composto
  • enantiomeri: le molecole sono immagini speculari (non sovrapponibili)
  • diasteroisomeri: le molecole non sono immagini speculari

Schema di un polarimetro

Sono detti chirali oggetti distinguibili dalla loro immagine speculare (non reciprocamente sovrapponibili), come ad esempio le mani. Gli enantiomeri sono molecole che presentano almeno un centro chirale (anche detto stereocentro). Affinché un carbonio sia centro chirale deve essere tetraedrico (ibridazione $\ce{sp^{3}}$) legato a quattro atomi o gruppi atomici diversi.

Da un punto di vista pratico è possibile distinguere due enantiomeri in quanto hanno diverse proprietà ottiche, poiché determinano una rotazione del piano della luce polarizzata in due versi opposti, seppur della stessa ampiezza. Per misurare questo fenomeno si usa uno strumento noto come polarimetro, composto da:

• una sorgente luminosa
• un polarizzatore da cui emerge luce polarizzata
• un tubo porta-campioni, in cui si immette la sostanza di cui si vogliono studiare le proprietà ottiche
• un prisma analizzatore

Misurando l'angolo di rotazione della luce, si assegna una polarità al composto: enantiomeri che portano ad angoli di rotazione in verso orario sono convenzionalmente indicati con il segno +, mentre quelli che causano una rotazione antioraria sono detti -. Gli enantiomeri possono avere proprietà biologiche differenti. Vista l'elevata specificità tra enzima e substrato, ad esempio, può essere che l'enzima + sia attivo e l'enzima - sia inattivo, non essendo in grado di accogliere il substrato.

Una miscela di parti uguali (50:50) di enantiomeri + e - è detta racemo, e non interferisce con il piano di polarizzazione della luce.

Torre di frazionamento

Il petrolio è una miscela di diversi idrocarburi. Anche gli idrocarburi da noi più usati (propano, butano, benzine⁴⁾, metano ecc.) sono ottenuti tramite il processo di raffinazione, che avviene con il processo di distillazione frazionata. Per far ciò, ci si avvale di un sistema detto torre di frazionamento, in cui sono presenti vari piatti. La torre è riscaldata dal basso verso l'alto, creando così un gradiente di temperatura decrescente. Il petrolio è preriscaldato in un forno a ~400 °C, portando a ebollizione tutti i componenti. Il petrolio riscaldato viene successivamente immesso nella torre di frazionamento, in corrispondenza del primo piatto, che ha una temperatura elevata, sopra i 400 °C. Quei componenti che hanno la maggior temperatura di ebollizione sono così i primi a essere raccolti. Nei piatti successivi vengono raccolte catene da 18-15 atomi di carbonio, in seguito 15-12, successivamente la benzina con catene tra 10-5 atomi di carbonio, e nell'ultima frazione, sotto i 20 °C, si hanno gli idrocarburi a catena corta, l'ultimo dei quali il metano ($\ce{CH4}$, con un singolo atomo di carbonio).