La chimica organica e l'ibridazione

La chimica organica studia i composti del carbonio, costituiti principalmente da sei elementi non metallici: carbonio, idrogeno, ossigeno, azoto, fosforo e zolfo. Questi elementi formano legami covalenti molto forti grazie alle piccole dimensioni dei loro raggi atomici e alle minime differenze di elettronegatività.

I composti organici si dividono in tre gruppi principali:

• Idrocarburi: composti da C e H
• Derivati degli idrocarburi: contengono C, H e gruppi funzionali (O, N, S, alogeni)
• Biomolecole: principalmente C, H, O, N (carboidrati, lipidi, proteine, acidi nucleici)

La teoria dell'ibridazione è fondamentale per capire come il carbonio forma legami. Nello stato fondamentale, il carbonio ha configurazione $1s^22s^22p^2$ con solo due elettroni spaiati disponibili per i legami. Quando si eccita, un elettrone dell'orbitale 2s passa all'orbitale 2p, rendendo disponibili quattro elettroni spaiati.

⚡ Senza l'ibridazione, la chimica organica non esisterebbe! Questo fenomeno permette al carbonio di formare quattro legami stabili invece di soli due.

Il carbonio può ibridarsi in tre modi diversi:

• $sp^3$: forma 4 orbitali ibridi a forma tetraedrica (angolo 109,5°), tipici degli alcani
• $sp^2$: forma 3 orbitali ibridi planari (angolo 120°), tipici degli alcheni
• $sp$: forma 2 orbitali ibridi lineari (angolo 180°), tipici degli alchini

Caratteristiche del carbonio e rappresentazione delle molecole

Il carbonio presenta proprietà uniche che lo rendono fondamentale per la chimica organica:

• Numero di ossidazione variabile: può assumere valori diversi all'interno della stessa molecola $0 per legami C-C, -1 per legami con elementi meno elettronegativi, +1 per legami con elementi più elettronegativi$
• Elettronegatività intermedia: consente di formare legami covalenti forti e stabili
• Piccolo raggio atomico: permette la formazione di legami singoli, doppi e tripli
• Tendenza alla concatenazione: può formare catene con altri atomi di carbonio

Le catene carboniose possono essere:

• Aperte (aciclici): lineari o ramificate
• Chiuse (cicliche)

Nelle catene aperte, gli atomi di carbonio vengono classificati come primari (p), secondari (s) o terziari (t) in base al numero di atomi di carbonio a cui sono legati.

🔍 Per rappresentare le molecole organiche esistono diversi tipi di formule, ciascuna con vantaggi specifici!

Le formule più utilizzate sono:

1. Formula di Lewis: mostra tutti i legami chimici $H-C-C-C-H$
2. Formula razionale: evidenzia solo i legami tra atomi di carbonio $CH_3-CH_2-CH_3$
3. Formula condensata: mostra atomi e gruppi atomici $CH_3(CH_2)CH_3$
4. Formula topologica: rappresenta la catena carboniosa con segmenti

I gruppi funzionali e le classi di composti organici

I gruppi funzionali sono legami, atomi o gruppi di atomi che determinano le proprietà chimiche di un composto organico, permettendone il riconoscimento e la classificazione.

Gli alcani $suffisso -ano$ presentano ibridazione $sp^3$ con angolo di 109,5°. Il loro gruppo funzionale è il legame σ (semplice) che permette libera rotazione. La formula generale è $C_nH_{2n+2}$.

Gli alcheni $suffisso -ene$ hanno ibridazione $sp^2$ con angolo di 120°. Contengono un doppio legame (σ e π). La formula generale è $C_nH_{2n}$.

Gli alchini $suffisso -ino$ hanno ibridazione $sp$ con angolo di 180°. Contengono un triplo legame (σ e 2π). La formula generale è $C_nH_{2n-2}$.

💡 Ricorda che tutte le catene carboniose sono idrofobe per natura! Solo alcuni gruppi funzionali come -OH possono renderle idrofile.

Altri importanti gruppi funzionali includono:

• Alogenuri alchilici: X (F, Cl, Br, I)
• Alcoli: -OH (rende la molecola idrofila)
• Eteri: -O-
• Aldeidi: -CHO (gruppo carbonile all'estremità)
• Chetoni: gruppo carbonile all'interno della molecola
• Acidi carbossilici: -COOH
• Esteri: derivano dalla sostituzione dell'OH degli acidi
• Ammine: contengono il gruppo -NH₂

Gli areni o idrocarburi aromatici derivano dal benzene, hanno ibridazione $sp^2$ e presentano un anello aromatico caratteristico.

Gli alcani: struttura e proprietà

Gli alcani sono idrocarburi saturi con formula $C_nH_{2n+2}$ dove gli atomi di carbonio hanno ibridazione $sp^3$ e formano solo legami covalenti σ. L'alcano più semplice è il metano $CH_4$.

Gli alcani sono anche chiamati paraffine (dal latino "parum affinis", poco reattivi) perché sono relativamente poco reattivi a causa della stabilità dei loro legami C-C e C-H.

Le loro proprietà fisiche dipendono dalla lunghezza della catena carboniosa:

• Sono gassosi a temperatura ambiente da C₁ a C₄ (metano, etano, propano, butano)
• Sono liquidi a temperatura ambiente da C₅ a C₁₇
• Sono solidi a temperatura ambiente da C₁₈ in poi

🔥 Il punto di ebollizione degli alcani aumenta con il numero di atomi di carbonio. Perché? Più atomi di carbonio significano più interazioni intermolecolari e quindi serve più energia per separare le molecole!

Gli alcani sono generalmente molecole apolari, ma possono verificarsi momenti in cui gli elettroni si concentrano temporaneamente da una parte della molecola, creando un dipolo istantaneo che può influenzare le molecole vicine trasformandole in dipoli indotti.

Ricorda che gli atomi di carbonio negli alcani possono essere:

• Primari (1): legati a un solo altro atomo di carbonio
• Secondari (2): legati a due atomi di carbonio
• Terziari (3): legati a tre atomi di carbonio

La nomenclatura degli alcani

Per nominare correttamente un alcano, è necessario seguire le regole della nomenclatura IUPAC:

1. Identificare la catena carboniosa più lunga che diventa la base del nome
2. Numerare la catena in modo che i sostituenti siano legati ai carboni con numero più piccolo
3. Indicare la posizione e il nome di ciascun sostituente prima del nome della catena principale

I gruppi alchilici (o radicali alchilici) sono gruppi atomici derivati dagli alcani con un atomo di idrogeno in meno. Hanno il suffisso -ile e fungono da sostituenti.

I sostituenti più comuni sono:

• Metile $-CH₃$
• Etile $-CH₂-CH₃$
• Propile $-CH₂-CH₂-CH₃$ e isopropile $-CH(CH₃)₂$
• Butile $-CH₂-CH₂-CH₂-CH₃$, sec-butile, isobutile e terz-butile

📝 Quando scrivi la formula razionale, inizia costruendo lo scheletro carbonico e poi aggiungi i sostituenti nelle posizioni indicate dal nome!

Regole importanti da ricordare:

• Se lo stesso sostituente appare più volte, usa prefissi di- tri- tetra- ecc. e separa i numeri con virgole
• Se ci sono diversi sostituenti, elencali in ordine alfabetico (ignorando i prefissi numerici)
• Se sono presenti due catene di uguale lunghezza, scegli quella con il maggior numero di sostituenti

Le reazioni degli alcani

Gli alcani sono poco reattivi (da qui il nome "paraffine"), ma possono partecipare principalmente a due tipi di reazioni:

Sostituzione radicalica (alogenazione)

In questa reazione, un atomo di idrogeno viene sostituito da un atomo di alogeno (cloro o bromo). La reazione avviene attraverso un meccanismo radicalico:

1. Reazione di inizio: $Cl_2 \xrightarrow{luce} 2Cl \cdot$ (rottura omolitica)
2. Propagazione (reazione a catena):
   • $CH_4 + Cl \cdot \rightarrow CH_3 \cdot + HCl$
   • $CH_3 \cdot + Cl_2 \rightarrow CH_3Cl + Cl \cdot$
3. Termine: quando due radicali si incontrano formando prodotti stabili

⚠️ La rottura omolitica è fondamentale in queste reazioni: il legame si rompe in modo che ogni frammento mantiene un elettrone, creando radicali molto reattivi!

La reazione formale può essere scritta come: $R-H + X_2 \rightarrow R-X + H-X$

Combustione (ossidazione)

La combustione degli alcani produce sempre anidride carbonica e acqua con rilascio di energia reazione esotermica, $\Delta H < 0$:

$CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O$

Questa reazione è alla base del funzionamento dei combustibili fossili ed è anche uno dei principali contributori al riscaldamento globale.

Il cracking è un altro processo importante che consiste nella rottura delle molecole di idrocarburi più pesanti in molecole più piccole, utilizzato nell'industria petrolifera.

L'isomeria nei composti organici

L'isomeria si verifica quando due molecole hanno la stessa formula molecolare ma diversa disposizione degli atomi nello spazio. Esistono due categorie principali di isomeria:

1. Isomeria di struttura (costituzionale)

Si verifica quando gli atomi sono legati tra loro in modo diverso:

• Isomeri di catena: diversa disposizione degli atomi di carbonio nella catena
• Isomeri di posizione: diversa posizione di un legame multiplo o gruppo funzionale
• Isomeri di gruppo funzionale: presenza di gruppi funzionali diversi

2. Stereoisomeria

Riguarda la diversa disposizione degli atomi nello spazio:

• Conformazionale: le molecole possono interconvertirsi per rotazione attorno a un legame σ

  • Conformazione sfalsata: atomi di H alla massima distanza possibile
  • Conformazione eclissata: atomi di H alla minima distanza possibile

• Configurazionale: le molecole non possono interconvertirsi

  • Isomeri geometrici $cis/trans$: gruppi disposti dalla stessa parte o da parti opposte
  • Isomeri ottici (enantiomeri): immagini speculari non sovrapponibili

🔄 L'attività ottica è una proprietà degli enantiomeri che fa ruotare il piano della luce polarizzata. Questa proprietà si misura con un polarimetro!

Un concetto chiave è lo stereocentro: un atomo di carbonio legato a quattro gruppi diversi. Una molecola chirale contiene uno stereocentro ma non possiede un piano di simmetria. Queste molecole sono particolarmente importanti in biochimica, dove spesso solo uno degli enantiomeri è biologicamente attivo.

I cicloalcani

I cicloalcani sono idrocarburi aliciclici (a catena chiusa) con formula $C_nH_{2n}$ (n ≥ 3). Il più semplice è il ciclopropano $C_3H_6$.

Come gli alcani, i cicloalcani hanno atomi di carbonio con ibridazione $sp^3$, ma la loro disposizione ciclica conferisce loro proprietà particolari.

Il nome dei cicloalcani è formato dal prefisso ciclo- seguito dal nome dell'n-alcano con lo stesso numero di atomi di carbonio. Nella rappresentazione topologica, i cicloalcani sono rappresentati come poligoni regolari.

Quando ci sono sostituenti su un cicloalcano, si seguono queste regole:

• Con un solo sostituente, non si indica la posizione
• Con due o più sostituenti uguali, si numerano gli atomi di carbonio in modo che i sostituenti abbiano i numeri più bassi possibili
• Con sostituenti diversi, si elencano in ordine alfabetico

🔄 L'isomeria geometrica è particolarmente importante nei cicloalcani! Due sostituenti possono essere cis (dalla stessa parte del piano dell'anello) o trans (da parti opposte).

Gli isomeri cis e trans nei cicloalcani sono composti diversi con proprietà chimiche e fisiche differenti. A differenza degli alcani, questi isomeri non possono interconvertirsi facilmente perché la struttura ciclica impedisce la rotazione intorno ai legami.

Per esempio, il cis-1,2-dimetilciclopentano e il trans-1,2-dimetilciclopentano hanno temperature di fusione diverse (99°C e 92°C rispettivamente), dimostrando che sono composti distinti.

Gli alcheni

Gli alcheni sono idrocarburi insaturi con formula $C_nH_{2n}$ caratterizzati dalla presenza di un doppio legame C=C. L'alchene più semplice è l'etene $C_2H_4$, talvolta chiamato etilene.

Gli atomi di carbonio negli alcheni sono ibridati $sp^2$, formando un legame σ e un legame π. La struttura planare con angolo di 120° è tipica di questa ibridazione.

I nomi degli alcheni si formano con il prefisso corrispondente alla radice del nome degli alcani e il suffisso -ene. Per i primi tre della serie (etene, propene, butene) si possono usare anche i nomi etilene, propilene e butilene.

I gruppi alchenilici più noti sono:

• Vinile $-CH=CH₂$, derivato dall'etene
• Allile $-CH₂-CH=CH₂$, derivato dal propene

🧪 Gli alcheni sono molto più reattivi degli alcani grazie al doppio legame C=C. Questo li rende importanti intermedi in molte sintesi organiche!

La nomenclatura degli alcheni segue regole specifiche:

• La posizione del doppio legame deve essere indicata nel nome
• La catena si numera in modo che il doppio legame abbia il numero più piccolo possibile
• Se il doppio legame è equidistante dalle estremità, si parte dall'estremità più vicina al primo sostituente

Esempi di alcheni:

• Etene (C₂H₄): CH₂=CH₂
• Propene (C₃H₆): CH₂=CH-CH₃
• 1-butene (C₄H₈): CH₂=CH-CH₂-CH₃
• 2-butene (C₄H₈): CH₃-CH=CH-CH₃

L'isomeria negli alcheni

Gli alcheni presentano diversi tipi di isomeria che derivano dalla posizione del doppio legame e dai sostituenti.

Isomeria di posizione

A partire da C₄, gli alcheni possono avere il doppio legame in diverse posizioni della catena:

• 1-esene: CH₂=CH-CH₂-CH₂-CH₂-CH₃
• 2-esene: CH₃-CH=CH-CH₂-CH₂-CH₃
• 3-esene: CH₃-CH₂-CH=CH-CH₂-CH₃

Per assegnare il nome corretto, si identifica la catena più lunga contenente il doppio legame e la si numera in modo che il doppio legame abbia il numero più piccolo possibile.

🔍 La posizione dei sostituenti è cruciale! Il composto 3,5-dimetil-3-esene non è corretto; la numerazione giusta porta a 2,4-dimetil-3-esene.

Isomeria geometrica

Il doppio legame C=C impedisce la libera rotazione degli atomi di carbonio, creando configurazioni spaziali fisse. Negli alcheni disostituiti, questa caratteristica porta alla formazione di isomeri cis e trans:

• cis: i gruppi simili sono dalla stessa parte del doppio legame
• trans: i gruppi simili sono da parti opposte del doppio legame

Ad esempio, il 2-butene può esistere come:

• cis-2-butene: i due gruppi metile sono dalla stessa parte
• trans-2-butene: i due gruppi metile sono da parti opposte

Questi isomeri geometrici sono composti diversi con proprietà fisiche e chimiche differenti e non possono convertirsi spontaneamente l'uno nell'altro a temperatura ambiente.