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La chimica del carbonio

Gli idrocarburi a catena aperta

Gli idrocarburi a catena aperta si distinguono in quattro gruppi di composti: gli alcani, o paraffine, che sono idrocarburi saturi; gli alcheni, od olefine, che sono idrocarburi insaturi per la presenza di un doppio legame; gli alchini, che sono idrocarburi insaturi per la presenza di un triplo legame; gli alcadieni, o dieni, caratterizzati dalla presenza di due doppi legami.

Alcani (paraffine)

Possiedono tutti gli atomi di carbonio (C) nello stato di ibridazione sp3 e quindi sono idrocarburi saturi in quanto in essi si stabiliscono legami semplici di tipo σ, C — C e C — H. Hanno formula generale Cn H2n+2.

In base alle norme IUPAC, i nomi degli alcani hanno desinenza -ano e (a parte i primi quattro termini che hanno conservato la denominazione tradizionale) un prefisso che deriva dalla numerazione greca o latina (pent-, es-, ept- ecc.) (v. tab. 19.2).

Ciascun alcano con più di 3 atomi di carbonio presenta un numero di isomeri tanto maggiore, quanto maggiore è il numero di atomi di carbonio della catena. Per assegnare il nome a questi isomeri (tutti a catena ramificata) occorre definire il significato di radicale alchilico e seguire le norme IUPAC.

Un radicale alchilico è il residuo della molecola di un alcano privata di un atomo di idrogeno (viene indicato con R): prende il nome dell'alcano dal quale deriva sostituendo alla desinenza -ano la desinenza -ile, e possiede un elettrone spaiato. Per esempio, il radicale metile è , il radicale etile è , il radicale butile è .

a) Alcani

b) Radicali alchilici

Gli alcani si possono preparare:

  1. per addizione di idrogeno agli alcheni in presenza di un catalizzatore:

  2. per trattamento di un alogenuro alchilico con HCl e zinco:

  1. Combustione:

  2. Alogenazione (sostituzione radicalica):

Alcheni (olefine)

Sono idrocarburi insaturi per la presenza di un doppio legame tra due atomi di carbonio nello stato di ibridazione sp2. Il doppio legame alchenico, C = C, è formato quindi da un legame σ e da un legame π. Gli alcheni hanno formula generale CnH2n.

Oltre a quanto detto per gli alcani, si assegna la desinenza -ene (in sostituzione di -ano del corrispondente alcano) al nome dell'idrocarburo, identificando con un numero il primo atomo di carbonio interessato dal doppio legame:

Gli alcheni possono presentare isomeria cis-trans (v. cap. 18) quando possiedono sostituenti uguali legati a ciascun atomo di carbonio del doppio legame.

Gli alcheni si ottengono generalmente con una reazione di eliminazione, a partire da composti saturi.

  1. Eliminazione di acqua da un alcol in presenza di un acido (H+) come catalizzatore:

  2. Eliminazione di una molecola di idracido da un alogenuro alchilico, operando con idrossido di potassio, KOH, in soluzione alcolica:

Le reazioni tipiche degli alcheni sono quelle di addizione elettrofila al doppio legame. In certe condizioni (luce ultravioletta, presenza di perossidi), si possono avere reazioni di addizione radicalica. Nell'addizione elettrofila vale la regola di Markovnikov, secondo cui, nell'addizione di un composto contenente idrogeno, l'atomo di idrogeno si lega al carbonio del doppio legame unito al maggior numero di atomi di idrogeno.

  1. Addizione di un idracido (acido cloridrico, HCl):

  2. Addizione di H2O in presenza di catalizzatori (H+), con formazione di un alcol:

  3. Addizione di alogeni. Un alchene reagisce con un alogeno (cloro, bromo) in CCl4 (tetracloruro di carbonio) come solvente, sommando i due atomi di alogeno al doppio legame:

  4. Addizione di H2 in presenza di catalizzatore (Ni). Il doppio legame viene saturato e si ottiene un alcano:

  5. Addizione di ozono (O3). La molecola dell'alchene si rompe con formazione di due composti contenenti un gruppo carbonilico C = O (aldeidi):

  6. Addizione radicalica di HCl (in presenza di perossidi). In questo caso l'idrogeno si unisce al carbonio del doppio legame unito al minor numero di atomi di idrogeno (regola anti-Markovnikov):

Un particolare tipo di reazione di addizione è quella di polimerizzazione. Un alchene, in opportune condizioni di temperatura e pressione e in presenza di un catalizzatore radicalico, polimerizza con formazione di una macromolecola (polimero):

Alchini

Sono idrocarburi insaturi per la presenza di un triplo legame tra due atomi di carbonio nello stato di ibridazione sp. Il triplo legame alchinico è formato quindi da un legame σ e da due legami π.

Gli alchini hanno formula generale CnH2n-2. I loro nomi si ottengono aggiungendo al nome dei corrispondenti alcani la desinenza -ino:

La preparazione degli alchini avviene mediante reazioni di eliminazione analoghe a quelle degli alcheni.

Gli alchini danno reazioni di addizione al triplo legame.

  1. Addizione di HCl:

  2. Addizione di H2 in presenza di catalizzatore (Ni):

  3. Addizione di H2O in presenza di catalizzatori (H+, Hg2+):

Alcadieni (dieni)

Sono idrocarburi caratterizzati dalla presenza nella molecola di due doppi legami. Hanno formula generale CnH2n−2.

I doppi legami possono essere cumulati (se sono uno accanto all'altro), coniugati (quando sono separati da un solo legame semplice), isolati (quando sono separati da più di un legame semplice). Il nome degli alcadieni viene assegnato sostituendo la desinenza -diene alla desinenza -ene degli alcheni e indicando con numeri le posizioni dei doppi legami.

Importanti sono il primo termine della serie, l'1,3-butadiene CH2 = CH — CH = CH2, e l'isoprene o 2-metil-1,3-butadiene, CH2 = CCH3 — CH = CH2 impiegati nella fabbricazione della gomma sintetica. L'isoprene è anche l'unità molecolare semplice (monomero) che costituisce la gomma naturale. I metodi di preparazione e le reazioni degli alcadieni sono del tipo visto per gli alcheni.

Tab. 19.2: Proprietà dei primi dieci alcani lineari

Tabella 19.2 PROPRIETÀ DEI PRIMI DIECI ALCANI LINEARI
nome formula punto di
ebollizione (°C)
metano CH4 −161,5
etano C2H6 −88,6
propano C3H8 −42,1
butano C4H10 −0,5
pentano C5H12 36,1
esano C6H14 68,7
eptano C7H16 98,4
ottano C8H18 125,7
nonano C9H20 150,8
decano C10H22 174,1

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