Idrocarburi alifatici - liceoxxvaprile.it · Alcheni Gli alcheni, o olefine, sono idrocarburi...
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Idrocarburi alifatici
Gli idrocarburi
▪ Gli idrocarburi sono composti organici costituiti
esclusivamente da atomi di carbonio e idrogeno.
▪ In base alla loro struttura si suddividono in due grandi
gruppi: alifatici e aromatici.
▪ La distinzione si fa in base alla presenza o meno di una
particolare proprietà che viene detta aromaticità.
L’aromaticità di cui si parla non ha niente a
che vede con gli odori!
Gli idrocarburi alifatici
▪ Gli idrocarburi alifatici sono a loro volta distinti in:
idrocarburi a catena aperta (lineare o ramificata) e
idrocarburi a catena chiusa.
▪ Gli idrocarburi possono essere saturi oppure insaturi.
▪ Gli idrocarburi saturi contengono solo legami semplici
carbonio e, se a catena aperta, sono detti alcani.
▪ Gli idrocarburi insaturi hanno legami doppi (alcheni) o tripli
(alchini).
▪ Gli idrocarburi a catena chiusa saturi sono i cicloalcani,
quelli insaturi i cicloalcheni e i cicloalchini.
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Alcani
▪ Gli alcani, o paraffine, sono idrocarburi alifatici a catena
aperta, saturi per la presenza di soli legami semplici tra
atomi di carbonio perché tutti gli atomi di carbonio sono
ibridati sp3.
▪ Ad essi corrisponde quindi la formula molecolare generale:
CnH2n+2
Alcani - nomenclatura
▪ Il nome delle molecole organiche si attribuisce secondo le
regole IUPAC (International Union of Pure and Applied
Chemistry).
▪ Il nome degli alcani è costituito da un prefisso variabile e
dal suffisso -ano.
▪ Se la catena è lineare il prefisso, per i primi quattro
termini, è: met-, et-, prop-, but-
▪ Per i termini successivi, invece, deriva dal numero greco
corrispondente al numero di atomi di carbonio: penta-,
esa-, epta- e così via.
Alcani - nomenclatura
▪ Se la catena è ramificata le regole IUPAC prevedono la
singola denominazione di ogni ramificazione (dette anche
gruppi alchilici) e di ogni sostituente legato alla catena
carboniosa più lunga.
▪ I gruppi alchilici, o radicali alchilici, sono idrocarburi che
presentano un atomo di idrogeno in meno.
▪ I nomi dei gruppi alchilici derivano dal nome
dell’idrocarburo corrispondente per sostituzione del
suffisso tipico con il suffisso -ile.
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Alcani - nomenclatura
▪ Le regole per gli idrocarburi ramificati sono le seguenti:
1. si identifica la catena carboniosa più lunga, che viene
denominata con il nome corrispondente al numero di
atomi di carbonio che possiede;
2. se sono presenti due catene carboniose di uguale
lunghezza, si sceglie quella con il maggiore numero di
ramificazioni o sostituenti.
3. si numera la catena individuata a partire
dall’estremità che permette di utilizzare i numeri più
piccoli in corrispondenza dei sostituenti;
Alcani - nomenclatura
4. per ogni ramificazione o sostituente si riporta il
numero che ne indica la posizione e il nome;
5. se la stessa ramificazione o lo stesso sostituente è
presente più volte, i numeri che ne indicano la
posizione vanno separati da una virgola e il nome è
preceduto dai prefissi di-, tri-, tetra-;
6. se i sostituenti sono diversi, vanno indicati in ordine
alfabetico e non per numero di posizione.
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Alcani - proprietà fisiche
▪ A temperatura ambiente e a pressione atmosferica gli
alcani fino a quattro atomi di carbonio sono gas, quelli da
cinque a quindici sono liquidi, quelli con più di quindici
atomi di carbonio sono solidi.
Alcani - proprietà fisiche
▪ Gli alcani sono apolari e quindi insolubili in acqua, ma
solubili in solventi apolari (trielina, benzene…).
▪ Le forze intermolecolari sono molto deboli e di
conseguenza abbiamo bassi punti di ebollizione.
▪ I punti di ebollizione negli alcani a catena lineare
aumentano con l’aumentare della massa molecolare,
mentre in quelli a catena ramificata, a parità di numero di
atomi di carbonio, diminuiscono.
Alcani - proprietà fisiche
▪ Ciò accade perché le molecole assumono una forma più
compatta e quindi formano un minore numero di
interazioni molecolari.
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Alcani - reazioni
▪ Negli alcani i legami sono legami covalenti σ molto forti, la
cui rottura avviene difficilmente.
▪ Di conseguenza sono composti molto stabili e poco
reattivi, da qui il nome di paraffine.
▪ Solo in particolari condizioni (elevata temperatura,
radiazioni UV, particolari catalizzatori…) reagiscono
secondo due diversi tipi di reazioni:
1. combustione
2. alogenazione
Alcani - combustione
▪ La combustione degli alcani è una ossido-riduzione
fortemente esotermica (∆H molto negativo) che comporta
la formazione di CO2 e H2O.
▪ Se la combustione è condotta in difetto di ossigeno,
l’alcano si ossida parzialmente e si produce monossido di
carbonio CO, un gas velenoso e inodore in grado di legarsi
all’emoglobina al posto dell’ossigeno e causare la morte
per anossia.
Alcani - alogenazione
▪ L’alogenazione avviene in presenza di radiazioni UV o
fornendo calore.
▪ La reazione inizia dalla rottura omolitica dei legami σ
dell’alogeno e procede poi con un meccanismo di
sostituzione radicalica.
Cl2 → Cl + Cl
▪ Il Cl reagisce con l’alcano strappandogli l’idrogeno e
formando un radicale alchilico e un idracido:
Cl + R-CH3 → R-CH2 + HCl
▪ Quest’ultimo incontra poi un altro radicale:
Cl + R-CH2 → R-CH2Cl (alogenuro alchilico)
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Alcani - alogenazione
▪ Al termine della reazione si formano quindi alogenuri
alchilici e idracidi.
▪ La reazione continua sostituendo progressivamente tutti
gli atomi di idrogeno.
▪ Un classico esempio è la clorurazione del metano:
Cicloalcani - nomenclatura
▪ Sono idrocarburi saturi a catena chiusa.
▪ La formula molecolare generale è CnH2n.
▪ La nomenclatura costituita dal prefisso ciclo- cui segue il
nome dell’alcano avente lo stesso numero di atomi di
carbonio:
Cicloalcani - nomenclatura
▪ Nei cicloalcani possono essere presenti gruppi alchilici e/o
sostituenti (es. alogeni).
▪ In tal caso si devono numerare gli atomi di carbonio
dell’anello partendo da quello che consente di utilizzare i
numeri più piccoli in loro corrispondenza.
▪ La numerazione inizia sempre da un atomo di carbonio in
cui è presente gruppo alchilico o un sostituente.
▪ Se i gruppi o i sostituenti sono uguali, il loro nome è
preceduto dai prefissi di-, tri-, tetra-: se sono diversi, si
indicano in ordine alfabetico.
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Cicloalcani - stabilità
▪ La stabilità di un cicloalcano dipende dall’angolo di
legame, determinato dal numero degli atomi di carbonio.
▪ Gli atomi di carbonio sono infatti ibridati sp3 e quindi
formano quattro legami con disposizione tetraedrica ad
angoli di circa 109,5°.
Cicloalcani - stabilità
▪ Nel ciclopropano, con tre atomi di carbonio, e nel
ciclobutano, con quattro, l’angolo di legame deve
stringersi rispettivamente a 60° e 90°, valori molto minori
di 109,5°.
▪ Questi due cicloalcani sono quindi
poco stabili.
▪ Nel ciclopentano gli angoli di legame
sono di 105°, valore circa uguale
all’angolo tetraedrico. Ciò rende la
molecola molto più stabile.
Cicloalcani - stabilità
▪ Nel cicloesano si ha un ripiegamento della molecola che
consente di formare angoli molto vicini a 109,5°.
▪ In questo modo la struttura acquista stabilità.
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Cicloalcani - proprietà fisiche
▪ Come gli alcani, anche i cicloalcani sono apolari e non
solubili in acqua, ma sono buoni solventi per le sostanze
non polari.
▪ I punti di fusione ed ebollizione dei cicloalcani sono
sensibilmente più alti di quelli degli alcani corrispondenti.
Cicloalcani - reazioni
▪ Cicloalcani ed alcani presentano lo stesso comportamento
chimico, ad eccezione dei cicloalcani più piccoli,
ciclopropano e ciclobutano, che, a causa della forte
tensione nei legami, sono particolarmente reattivi.
▪ Le reazioni tipiche sono:
1. alogenazione
2. combustione
3. addizione (solo ciclopropano e ciclobutano)
Cicloalcani - addizione
▪ Il ciclopropano o il ciclobutano reagiscono con l’idrogeno
(in presenza di Pt come catalizzatore) o con bromo (in
condizioni di forte illuminazione).
▪ Si ha così l’apertura dell’anello e la formazione
rispettivamente di alcani (con H2) o di dialogenuri alchilici
(con Br2).
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Alcheni
▪ Gli alcheni, o olefine, sono idrocarburi insaturi con uno o
più doppi legami tra atomi di carbonio.
▪ Almeno due atomi di carbonio sono quindi ibridati sp2.
▪ Se è presente un solo doppio legame hanno formula
molecolare generale: CnH2n
▪ Se compare più di un doppio legame, si parla di polieni (la
formula generale varia con il numero dei doppi legami: per
ogni doppio legame in più vanno tolti due atomi di H.
▪ I polieni più comuni sono i dieni, con due doppi legami, e i
trieni, con tre doppi legami.
Alcheni - nomenclatura
▪ Il nome degli alcheni a catena lineare è identico a quello
dei rispettivi alcani, ma con il suffisso -ene.
▪ Anche per gli alcheni ramificati valgono le regole già viste:
1. si deve individuare la catena più lunga contenente il
maggior numero di doppi legami.
2. si deve numerare la catena partendo dall’estremità
che permette di utilizzare i numeri più piccoli per i
doppi legami. Se questi sono equidistanti dalle
estremità, la numerazione inizia dalla parte più
vicina al primo sostituente.
Alcheni - nomenclatura
3. al nome della catena individuata si antepone il numero
più basso del doppio legame.
4. si riportano le posizioni e i nomi di tutte le ramificazioni
e di tutti i sostituenti in ordine alfabetico.
▪ In caso di isomeria geometrica il nome è preceduto dai
prefissi cis- o trans- a seconda dei casi.
▪ Anche gli alcheni possono formare gruppi alchenilici, il più
noto è il vinile, con un atomo idrogeno in meno rispetto
all’etilene.
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Alcheni - proprietà fisiche
▪ Le molecole degli alcheni sono apolari, di conseguenza
questi composti sono insolubili in acqua e hanno punti di
ebollizione bassi, molto simili a quelli dei corrispondenti
alcani.
Alcheni - reazioni
▪ La particolare reattività degli alcheni è legata alla
presenza del doppio legame.
▪ La componente π può facilmente rompersi permettendo la
formazione di legami σ con altri atomi.
▪ Le reazioni tipiche degli alcheni sono:
1. addizione elettrofila
2. polimerizzazione
Alcheni - addizione elettrofila
▪ I più comuni reagenti per l’addizione elettrofila sono
idrogeno (idrogenazione), alogeni o idracidi
(alogenazione), acqua (idratazione).
▪ La reazione richiede la presenza di catalizzatori metallici
ed avviene per rottura eterolitica del doppio legame, con
formazione di carbocationi.
▪ Il catalizzatore serve per scindere il reagente in ioni
positivi e negativi.
▪ I primi si legano all’alchene in corrispondenza del doppio
legame.
▪ Si forma così un carbocatione che si legherà all’altro ione
con carica negativa del reagente.
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Alcheni - regola di Markovnikov
▪ Se l’addizione elettrofila avviene tra un alchene
asimmetrico (i due carboni del doppio legame legano un
diverso numero di atomi di idrogeno) ed un reagente
asimmetrico si dovrebbero ottenere due diversi prodotti.
▪ Per esempio, nella reazione tra il propene e l’acido
cloridrico si dovrebbero formare sia il 2-cloropropano che
l’1-cloropropano
▪ In realtà il prodotto di questa reazione è uno solo: il 2-
cloropropano.
Alcheni - regola di Markovnikov
Dall’osservazione sperimentale di un gran numero di reazioni
di questo tipo, il chimico russo Vladimir Markovnikov enunciò
la regola che porta il suo nome.
Alcheni - regola di Markovnikov
▪ La regola di Markovnikov si giustifica analizzando il
meccanismo di reazione.
▪ Dapprima un H+ (elettrofilo) si addiziona al doppio legame
e ciò può avvenire in due modi, generando due diversi
carbocationi:
R−CH=CH2 + H+→ R−CH2−CH+3 e R−CH+
2−CH3
▪ Ma il carbocatione secondario è più stabile del
carbocatione primario.
▪ Così lo ione Cl−, si legherà preferenzialmente a
R−CH+2−CH3 con formazione di 2-cloropropano.
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Alcheni - idrogenazione
▪ L’idrogenazione o riduzione catalitica, avviene con
idrogeno (H2) in presenza di un catalizzatore metallico (Ni,
Pd, Pt) e porta alla formazione di un alcano.
▪ Il catalizzatore favorisce la rottura del legame H−H
formando H+ e H–.
▪ I due ioni attaccano il doppio legame sullo stesso lato
(reazione con meccanismo SIN).
Alcheni - alogenazione
▪ L’alogenazione consiste nel far reagire un alchene con un
alogeno (Cl2, Br2) o con un idracido (HCl o HBr).
▪ Nel primo caso si forma un dialogenuro alchilico vicinale
(due alogeni legati a due carboni adiacenti).
▪ Nel secondo caso si forma un alogenuro alchilico in
accordo con la regola di Markovnikov.
Alcheni - addizione elettrofila
▪ La reazione di alogenazione con alogeni molecolari ha
bisogno di un catalizzatore per la formazione di ioni A+ e A–.
▪ La reazione con idracidi non ha bisogno di catalizzatori
perché essi, in soluzione acquosa, si dissociano in uno
ione H+ e uno ione negativo (Cl–, Br–…).
▪ In entrambi i casi gli ioni attaccano il doppio legame da lati
opposti (reazione con meccanismo ANTI).
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Alcheni - idratazione
▪ L’idratazione avviene in ambiente acido che fornisce gli H+
che si comportano da elettrofili.
▪ Dapprima si ha l’addizione di H+ al doppio legame con
formazione di un carbocatione.
▪ Successivamente si addiziona l’acqua con formazione di
un intermedio instabile: un alcol protonato.
▪ Dall’alcol poi si libera un atomo di idrogeno sotto forma di
ione H+ con ricostituzione del catalizzatore e formazione di
un alcol.
Alcheni - polimerizzazione
▪ La polimerizzazione è l’unione di più molecole tra loro così
da formare un polimero.
▪ Avviene in presenza di un catalizzatore (in genere un
perossido) e decorre con la formazione di radicali liberi.
▪ Ad esempio dall’etilene si può ottenere il polietilene,
indicato con la sigla PE, un materiale plastico con il quale
si realizzano contenitori trasparenti per alimenti e fogli per
imballaggi o per avvolgere cibi.
Cicloalcheni
▪ Si tratta di composti poco diffusi perché molto instabili.
▪ La molecola ciclica deve avere almeno due atomi di
carbonio ibridizzati sp2 con angoli di legame di 120°.
▪ Ciò causa una notevole tensione che comporta la facile
apertura dell’anello.
▪ Il cicloottene è il più piccolo cicloalchene abbastanza
stabile.
▪ La nomenclatura è simile a quella dei cicloalcani.
▪ Le reazioni sono le stesse degli alcheni.
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Alchini
▪ Gli alchini sono idrocarburi insaturi per la presenza di uno
o più tripli legami.
▪ La loro formula generale, nel caso di un solo triplo legame,
è: CnH2n-2.
▪ Possono tuttavia possedere più tripli legami e anche
legami doppi.
Alchini - nomenclatura
▪ Il nome IUPAC utilizza il suffisso -ino.
▪ Le regole sono le stesse degli alcheni, solo che si deve
individuare la catena più lungo contenente il maggior
numero di legami multipli, dei quali almeno un deve
essere triplo.
▪ Il più semplice alchino è l’etino (C2H2) detto anche
acetilene, un gas infiammabile
e incolore usato per produrre una
fiamma molto calda (circa 3300 °C)
utilizzata per la saldatura e il taglio
dei metalli.
Alchini - proprietà fisiche
▪ Gli alchini presentano proprietà fisiche simili a quelle degli
alcani e degli alcheni.
▪ Come tutti gli altri idrocarburi, sono anch’essi insolubili in
acqua e hanno punti di ebollizione bassi.
▪ Negli alchini con triplo legame terminale, il legame
carbonio-idrogeno è debolmente polarizzato per
l’attrazione che il carbonio ibridato sp esercita sugli
elettroni di legame.
▪ In questo caso una base molto forte come la sodioammide
(NaNH2) può determinare la rottura eterolitica di questo
legame con liberazione di H+.
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Alchini - proprietà fisiche
▪ In conseguenza di ciò gli alchini terminali hanno un
comportamento acido e formano un carbanione (R−C≡C−)
detto ione acetiluro.
▪ Questo si può legare con uno ione positivo metallico per
dare origine a un sale (composto organometallico).
▪ Questo comportamento acido non è presente negli alcheni
termina perché la forza di attrazione esercitata sugli
elettroni di legame dal carbonio ibridato sp2 è molto
minore.
Alchini - reazioni
▪ Il triplo legame ha un’elevata densità elettronica e
rappresenta un ottimo punto di attacco per gli elettrofili.
▪ Si hanno così reazioni di addizione elettrofila.
▪ Queste reazioni decorrono in due stadi:
1. dapprima si rompe uno dei due legami π con
formazione di un doppio legame;
2. successivamente si rompe l’altro legame π con
formazione di un legame semplice.
Alchini - idrogenazione
▪ L’idrogenazione degli alchini è simile a quella degli
alcheni: in presenza di un catalizzatore metallico si ha la
formazione del corrispondente alcano.
▪ In presenza di palladio e carbonato di calcio (catalizzatore
di Lindlar) si ha l’addizione di una sola molecola di
idrogeno e formazione di un cis-alchene perché la
reazione ha un meccanismo SIN.
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Alchini - alogenazione
▪ Avviene con alogeni o idracidi.
▪ Con alogeni porta alla formazione di prodotti diversi a
seconda che l’alchino reagisca con una o due molecole di
alogeno:
▪ con una molecola si forma
un alchene disostituito con
configurazione trans
(meccanismo ANTI)
▪ con due molecole si forma
un alcano tetrasostituito
Alchini - alogenazione
▪ Anche l’alogenazione con idracidi porta alla formazione di
prodotti diversi a seconda che l’alchino reagisca con una o
due molecole di acido:
▪ con una si forma un alchene monosostituito
▪ con due si forma un alcano disostituito
▪ In presenza di un alchino asimmetrico, la reazione di
addizione segue la regola di Markovnikov.
Alchini - idratazione
▪ L’idratazione si realizza in presenza di un acido e di ioni
Hg++.
▪ Si forma prima un intermedio instabile, un alcol vinilico o
enolo, che successivamente si trasforma in una molecola
più stabile (aldeide).
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Cicloalchini
▪ A causa del triplo legame, che forma angoli di 180°, i
cicloalchini presentano una tensione d’anello molto più
forte e possono quindi esistere soltanto se il numero di
atomi di carbonio è abbastanza grande da provvedere alla
necessaria flessibilità per permetterne la deformazione.
▪ Il cicloottino è il cicloalchino più piccolo in grado di essere
isolato come sostanza sufficientemente stabile.