NOTE DI CHIMICA ORGANICA Gli idrocarburi I ... - Istituto Pontano

NOTE DI CHIMICA ORGANICA
Gli idrocarburi
Tranne rarissime eccezioni (ad esempio, CO e C2), il carbonio forma sempre 4 legami.
Gli idrocarburi sono i più semplici composti del carbonio con l'idrogeno. Sono le molecole di base della
chimica organica poiché, oltre ad essere molto numerosi, tutti gli altri composti si possono considerare
come derivati da essi per sostituzione di un atomo di idrogeno con un cosiddetto gruppo funzionale,
quel gruppo chimico, cioè, che conferisce al composto proprietà caratteristiche, diverse da quelle
dell'idrocarburo di origine e peculiari di una classe di composti.
I composti organici possono essere suddivisi in tre grandi gruppi:
Gli idrocarburi aromatici sono composti caratterizzati da proprietà chimiche del tutto particolari che,
come vedremo, ne fanno un gruppo omogeneo, completamente distinto dagli altri idrocarburi. Gli
aromatici in senso stretto sono gli idrocarburi che contengono almeno un anello benzenico.
Gli eterocicli, infine, sono composti ciclici che contengono nell'anello atomi diversi dal carbonio.
I gruppi funzionali
Per gruppo funzionale si intende quel gruppo chimico che determina le proprietà chimico-fisiche e la
reattività di un composto. I composti che contengono lo stesso gruppo funzionale, hanno
caratteristiche molto simili fra loro, tanto da costituire una classe di composti organici.
Tabella dei principali gruppi funzionali
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L'isomeria cis-trans Si definiscono infatti così quegli isomeri che differiscono soltanto per la
disposizione nello spazio degli atomi. Più precisamente sono diastereoisomeri perché non sono l'uno
l'immagine speculare dell'altro (non sono enantiomeri).
Questo tipo di isomeria si definisce isomeria geometrica Il fenomeno della isomeria geometrica è
possibile in tutte le classi di composti che contengono un doppio legame.
I cicloalcani appartengono alla categoria degli idrocarburi aliciclici, quei composti cioè caratterizzati da
una struttura ad anello costituito esclusivamente da atomi di carbonio. Vengono anche detti omocicli, in
contrapposizione agli eterocicli, il cui anello contiene anche atomi diversi dal carbonio. Hanno
caratteristiche che ricordano in larga parte quelle degli idrocarburi alifatici.
Dato il loro limitato interesse biologico, ci occuperemo quasi esclusivamente della loro struttura, in
particolar modo di quella del cicloesano, la cui conoscenza ci sarà utile in seguito per comprendere
meglio la struttura dei monosaccaridi.
Per quanto riguarda la nomenclatura, basta anteporre il prefisso ciclo- al nome del corrispondente
idrocarburo alifatico. La loro struttura si può rappresentare semplicemente con una figura geometrica,
omettendo gli atomi di carbonio dell’anello e gli idrogeni ad essi legati:
Ciclopropano e Ciclobutano sono molecole in forte tensione (tensione angolare) a causa del fatto che gli
angoli di legame degli atomi dell'anello sono molto distanti dal valore dell'angolo tetraedrico (109.5°),
caratteristico dell'ibridazione sp 3 . Per questo motivo, il ciclopropano e il ciclobutano sono molto reattivi
e tendono a dare facilmente reazioni di addizione che provocano l'apertura dell'anello. Ciclopentano e
Cicloesano sono invece stabiliAd esempio, il cicloesano può esistere in tre diverse conformazioni, "a
sedia", "a barca" e "twist", tutte prive di tensioni angolari. Delle tre, quella "a sedia" è la più stabile.
Le molecole aromatiche
Il termine «aromatico» fu usato inizialmente per designare i composti organici dotati di odore
gradevole. Oggi il termine ha piuttosto un significato “strutturale”, poiché con esso si indicando
molecole caratterizzate da un particolare assetto elettronico, che conferisce loro un determinato
comportamento chimico.
Il primo termine di questa famiglia è il benzene, che ha formula molecolare C6H6, con un rapporto C:H
uguale a 1. Il termine aromatico iniziò ad assumere un significato volto piuttosto a descrivere il loro
particolare comportamento chimico, cioè la tendenza a dare reazioni di sostituzione nonostante
l'elevato grado di insaturazione.
Condizione di aromaticità: (4n+2) elettroni π in un sistema ciclico planare
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Basandosi su calcoli applicati alla meccanica quantistica, Erich Hückel dimostrò che per essere
aromatico un composto deve avere nuvole elettroniche cicliche contenenti 4n+2 elettroni π
delocalizzati (regola di Hückel). La delocalizzazione elettronica in un sistema ciclico non è quindi
condizione sufficiente per l'aromaticità, ma occorre un determinato numero (2, 6, 10, 14, etc.) di
elettroni π. Un'ulteriore condizione di aromaticità è la planarità dell'anello.
Ad esempio, un composto come il cicloottatetraene non può avere carattere aromatico, non solo perché
contiene 8 elettroni π, ma anche perché non può assumere una struttura planare. I dati sperimentali
confermano questa ipotesi.
Effetto dei gruppi sostituenti
Il benzene non dà reazioni di addizione poiché queste lo trasformerebbero in un prodotto meno
stabile, Per questo motivo, il benzene tende a dare piuttosto reazioni di sostituzione. La reazione di
sostituzione elettrofila avviene sostanzialmente con lo stesso meccanismo, indipendentemente dal
sostituente: l'elettrofilo va a sostituire un idrogeno dell'anello che esce come protone.
I gruppi già legati all'anello benzenico ne influenzano la reattività e dirigono l'orientamento di una
successiva sostituzione. In altre parole, quando un elettrofilo attacca l'anello aromatico, è il gruppo già
legato che assume il controllo cinetico della reazione e stabilisce il punto d'attacco del nuovo
sostituente.
Per quanto riguarda la reattività, i gruppi sostituenti si possono classificare in attivanti e disattivanti.
Gli attivanti rendono il derivato più reattivo del benzene: hanno questo effetto i gruppi capaci di
"rifornire" di elettroni l'anello (elettrondonatori).
I disattivanti rendono il composto meno reattivo del benzene: hanno questo effetto i gruppi che
impoveriscono di elettroni l'anello (elettronattrattori).
Si tenga presente che i termini “più reattivo” o “meno reattivo” sono sempre riferiti al benzene e
relativamente a reazioni di sostituzione elettrofila. La
• gruppi attivanti sono tutti orto-para orientanti.
• I gruppi disattivanti sono tutti meta orientanti, ad eccezione degli alogeni che sono orto-para
orientanti.
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