Fondamenti della Chimica Organica

I composti organici si distinguono dagli inorganici per alcune caratteristiche fondamentali: hanno legami covalenti poco polari, sono solubili in solventi apolari e presentano basse temperature di fusione ed ebollizione. Generalmente hanno densità inferiore a 1, si decompongono facilmente e sono quasi tutti combustibili.

Il carbonio è l'elemento centrale della chimica organica con la sua configurazione elettronica $He$2s²2p². Ha un'elettronegatività intermedia (2,5) e forma quattro legami covalenti attraverso diverse ibridazioni: sp³, sp² e sp. Questa capacità di ibridazione permette al carbonio di formare legami singoli, doppi e tripli, conferendogli un'eccezionale capacità di catenazione - cioè di legarsi con altri atomi di carbonio creando catene lineari, ramificate o cicliche.

Molti composti organici contengono eteroatomi come ossigeno, azoto e alogeni che creano siti reattivi nella molecola. Ogni atomo forma un numero specifico di legami: l'ossigeno ne forma due, l'azoto tre, l'idrogeno uno, lo zolfo due e gli alogeni uno.

⚠️ Ricorda che mentre i legami C-C e C-H sono relativamente stabili, i legami tra carbonio ed eteroatomi sono generalmente polari e rappresentano punti di reattività chimica nella molecola.

Stati di Ossidazione e Reazioni

Nei composti organici il carbonio mantiene sempre valenza 4, ma il suo numero di ossidazione può variare da -4 a +4. Per calcolarlo, si valuta l'elettronegatività degli atomi legati: con atomi più elettronegativi si aggiunge +1, con atomi meno elettronegativi -1, mentre i legami C-C hanno contributo 0. Ogni carbonio della molecola avrà il suo specifico numero di ossidazione.

Le reazioni principali della chimica organica sono di tre tipi:

• Sostituzione: un gruppo funzionale viene rimpiazzato da un altro
• Addizione o eliminazione: si aggiungono due gruppi rompendo un legame multiplo o si eliminano due gruppi formando un legame multiplo
• Ossido-riduzione: il carbonio cambia stato di ossidazione

Gli isomeri sono composti con identica formula bruta ma diversa struttura molecolare. Gli idrocarburi, formati solo da carbonio e idrogeno, si classificano in alifatici (saturi come alcani e cicloalcani, o insaturi come alcheni, alchini e cicloalcheni) e aromatici.

💡 La chimica organica è molto più intuitiva di quanto sembri! Imparare a riconoscere i gruppi funzionali ti aiuterà a prevedere il comportamento delle molecole e a comprendere meglio le reazioni.

Idrocarburi: Alcani, Alcheni, Alchini e Aromatici

Gli alcani (formula CₙH₂ₙ₊₂) sono idrocarburi saturi con legami semplici di tipo sigma. Per la nomenclatura, si identifica la catena più lunga assegnandole un nome che termina con "-ano" (metano, etano, propano...) e si numerano gli atomi di carbonio partendo dall'estremità più vicina a una ramificazione. Sono poco solubili in acqua e relativamente poco reattivi, ma la loro combustione con ossigeno è fortemente esotermica.

Gli alcheni (CₙH₂ₙ) contengono almeno un doppio legame C=C. Il carbonio è ibridato sp² e presenta sia legami σ che π. I loro nomi terminano con "-ene" e la loro reazione caratteristica è l'addizione. Simili sono gli alchini (CₙH₂ₙ₋₂) con un legame triplo C≡C, ibridazione sp e suffisso "-ino".

I cicloalcani (CₙH₂ₙ) e i cicloalcheni (CₙH₂ₙ₋₂) sono idrocarburi con struttura ad anello, rispettivamente con ibridazione sp³ e sp².

Gli idrocarburi aromatici presentano:

• Struttura ad anello planare (ibridazione sp²)
• Due zone ad alta densità elettronica sopra e sotto il piano dell'anello
• 4n+2 elettroni π in orbitali p non ibridati (regola di Hückel)

🔍 Mentre gli alcheni e alchini tendono a dare reazioni di addizione, gli aromatici preferiscono le reazioni di sostituzione elettrofila per mantenere la loro stabilità (aromaticità).

Gruppi Funzionali: Ossigeno e Carbonio

Gli alcoli contengono il gruppo -OH legato a un carbonio. Si classificano come primari, secondari o terziari in base al numero di gruppi alchilici legati al carbonio che porta l'OH. I loro nomi terminano con "-olo". Gli alcoli hanno temperature di fusione ed ebollizione elevate per via dei legami a idrogeno intermolecolari. L'ossidazione di un alcol primario produce un'aldeide, mentre un alcol secondario si ossida a chetone.

Gli eteri $R₁-O-R₂$ hanno un atomo di ossigeno legato a due gruppi organici. Sono poco polari e poco reattivi, con proprietà fisiche simili agli alcani.

Le aldeidi $R-CHO$ e i chetoni $R₁-CO-R₂$ contengono il gruppo carbonilico $C=O$. Le aldeidi terminano con "-ale" e possono essere ossidate ad acidi carbossilici o ridotte ad alcoli primari. I chetoni terminano con "-one" e si ottengono dall'ossidazione di alcoli secondari.

Gli acidi carbossilici contengono il gruppo -COOH e sono acidi deboli con costante di dissociazione inferiore a 10⁻⁴. I loro nomi terminano con "-oico". La solubilità in acqua diminuisce all'aumentare del peso molecolare. I sali sodici o potassici degli acidi carbossilici a catena lunga sono noti come saponi.

🧪 La reattività dei gruppi funzionali dipende dalla distribuzione elettronica: il gruppo carbonilico è polare, con il carbonio parzialmente positivo che diventa un sito reattivo verso i nucleofili.

Esteri, Ammine e Polimeri

Gli esteri si formano dalla reazione di esterificazione tra un acido carbossilico e un alcol: R-COOH + R'-OH → R-COO-R' + H₂O. Prendono il nome dal radicale alchilico dell'alcol seguito dallo ione carbossilato dell'acido, o viceversa (es. "etile acetato").

Le ammine derivano dall'ammoniaca per sostituzione di uno o più atomi di idrogeno con gruppi alchilici o arilici. Si classificano come primarie, secondarie o terziarie in base al numero di sostituzioni. Sono basi deboli grazie al doppietto elettronico libero dell'azoto, con le ammine alifatiche più basiche delle aromatiche.

I polimeri sono macromolecole formate dalla ripetizione di unità strutturali dette monomeri. Si classificano per:

• Origine: sintetici o naturali
• Struttura: omopolimeri (un solo monomero) o copolimeri (più monomeri)
• Proprietà termiche: termoplastici o termoindurenti
• Meccanismo di polimerizzazione: condensazione o addizione

Il polietilene è una resina termoplastica con eccellenti proprietà isolanti e stabilità chimica, mentre il polistirene è rigido e trasparente a temperatura ambiente, diventa plastico sopra i 70°C e inizia a decomporsi a 270°C.

🌟 I polimeri sono ovunque intorno a noi! Dalle bottiglie di plastica ai tessuti sintetici, fino ai componenti elettronici - comprendere la loro struttura ti aiuta a capire le loro proprietà e impatto ambientale.