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Friedrich Wohler e la prima sintesi organica

All’inizio del XIX secolo furono isolate allo stato puro molte sostanze organiche e ne venne determinata la composizione. Il chimico svedese J.J. Berzelius le catalogò a parte, e nacque in questo modo il vocabolo chimica organica. Poiché non era ancora possibile preparare i composti organici in laboratorio, si credeva che solo gli organismi viventi fossero in grado di riprodurli.

Fino al 1828 i chimici erano convinti che i composti si dividessero in due categorie o classi ben distinte: composti inorganici, provenienti dal mondo minerale, come per esempio il sale da cucina estratto dalle miniere o dalle acque marine, il cloruro di sodio, e composti organici, provenienti dagli organismi viventi sia animali che vegetali, come per esempio lo zucchero ottenuto dalla barbabietola o dalla canna da zucchero.

I composti inorganici e organici non si differenziano solo per la diversa origine, ma anche per le loro proprietà: le molecole inorganiche si decompongono con più difficoltà, ad esempio è necessario arrivare a temperature molto elevate prima che i sali si decompongano; le molecole organiche, al contrario, si decompongono facilmente, ad esempio lo zucchero si degrada a carbonio e acqua quando viene scaldato eccessivamente.

In passato, i chimici conoscevano diverse proprietà di alcune sostanze organiche e sapevano anche manipolarle e trasformarle: sapevano, ad esempio, estrarre l’alcol dalla frutta, alcuni zuccheri dalle piante, numerose sostanze medicamentose e numerosi coloranti. Tuttavia, a nessuno era mai venuto in mente di riprodurre queste sostanze in laboratorio ma tutti si erano limitati a utilizzare ciò che il mondo vivente e minerale potesse offrire. Infatti, una particolarità della storia della chimica è la difficoltà che i primi chimici incontrarono a sintetizzare composti organici in laboratorio. In effetti, la sintesi dei composti organici presenta maggiori difficoltà a differenza di molti derivati inorganici che al contrario possono essere sintetizzati facilmente.

Le difficoltà nella sintesi organica e il fatto che tali composti derivassero dagli organismi viventi portarono i primi chimici a ipotizzare che fosse una forza vitale (in latino vis vitalis) il potere mistico o soprannaturale che permetteva la loro sintesi. Questa teoria, nota con il nome di vitalismo, sembra spiegare la causa per la quale i chimici del XVIII secolo erano incapaci di sintetizzare il laboratorio materiale organico. La teoria del vitalismo crollò definitivamente grazie a un esperimento eseguito in Germania nel 1828 da un chimico tedesco, Friedrich Wohler  (1800-1882). In quell’anno Wohler riuscì a ottenere l’ urea, un composto prettamente organico presente nelle urine animali, riscaldando il cianato di ammonio, un reagente prettamente inorganico, secondo la reazione:

L’urea era una molecola organica già nota, che in passato era stata isolata dall’urina che viene prodotta nel metabolismo degli animali. Il semplice esperimento di Wohler fu un episodio chiave nella storia della chimica: era riuscito a dimostrare che le sostanze organiche seguono le normali leggi della scienza e della chimica.

A questa sintesi ne seguirono numerose altre e il numero di composti organici di origine non biologica divenne così elevato che il vocabolo chimica organica cominciò gradualmente ad avere un significato diverso.

Molti passi avanti sono stati compiuti dai tempi dell’esperimento di Wohler: è anche grazie a lui che oggi la chimica organica è un vastissimo campo di ricerca comprendente la produzione di molteplici sostanze. Numerose composti naturali sono stati ottenuti anche per via sintetica, come, per esempio, l’aspirina, che veniva estratta dalla corteccia del salice e perciò denominata salicilato. Oggi l’aspirina viene prodotta per sintesi dall’industria e immessa sul mercato in quantità di migliaia di tonnellate.

A seguito della sua esperienza, Wohler poté trionfalmente affermare: <<Riesco a produrre urea senza aver bisogno di un rene e neppure di un animale, uomo o cane che sia>>.

24 gennaio 2009 Pubblicato da Francesca Brigida 1

Gli alcheni: il doppio legame

Tra gli idrocarburi alifatici, oltre agli alcani e ai cicloalcani, che sono saturi, ne esistono altri che sono insaturi, aventi nella molecola uno o più legami tra atomi di carbonio.

Gli idrocarburi insaturi sono specie chimiche in cui solo una parte dei legami disponibili è saturata da atomi di idrogeno. Gli alcheni appartengono alla classe degli idrocarburi insaturi perché presentano un doppio legame carbonio-carbonio e quindi il numero di atomi di idrogeno in essi contenuti è inferiore a quello degli alcani con egual numero di atomi di carbonio.
Ad esempio, il termine a quattro atomi di carbonio ha la formula molecolare C4H8, mentre il corrispondente alcano ha la formula C4H10 perché ha due atomi di idrogeno in più.

Gli alcheni sono idrocarburi contenenti due atomi di carbonio sp2 tra i quali si instaura un doppio legame. La loro formula generale è CnH2n.

La presenza del doppio legame impedisce la libera rotazione dei carboni e costringe gli atomi che lo formano e quelli a essi legati a stare su un unico piano. Inoltre l’ibridazione sp2 impone angoli di legame di 120°.

Il nome tradizionale del nome del gruppo è olefine: il termine deriva dal fatto che questi idrocarburi, sommando gli alogeni, si trasformano in sostanze liquide di aspetto oleoso. In particolare deriva dal comportamento dell’etilene, il più semplice alchene che produce una sostanza di consistenza oleosa reagendo con il cloro.

Le regole IUPAC adoperate per la nomenclatura degli alcheni sono simili a quelle usate per gli alcani, ma occorre aggiungere qualche altra regola per consentire di assegnare il nome e fissare la posizione del doppio legame nella catena:

la presenza del doppio legame viene indicata dal suffisso -ene che sostituisce il suffisso ano del corrispondente alcano; per cui il nome dell’alchene si ottiene dal nome del corrispondente alcano. Ad esempio all’etano (C2H6) corrisponde l’etene o etilene (C2H4);
la numerazione degli atomi di carbonio nella catena deve essere fatta in modo che gli atomi di carbonio portanti il doppio legame abbiano i numeri più piccoli possibili; sebbene il doppio legame unisca due atomi di carbonio, per assegnare la sua posizione basta indicare il numero del primo atomo di carbonio impegnato nel doppio legame. Pertanto, l’alchene sarà denominato 1-butene perché il doppio legame che si è instaurato è tra il carbonio 1 e il carbonio 2;
– se alla catena sono anche legati dei gruppi alchilici, questi ultimi saranno contrassegnati da numeri corrispondenti agli atomi di carbonio ai quali sono legati.

All’etene segue, con tre atomi di carbonio, il propene o propilene con formula C3H6.

Bisogna inoltre ricordare che negli alcheni solo gli atomi di carbonio che partecipano al doppio legame sono ibridati sp2: gli altri sono sempre ibridati sp3.
Nello specifico, quando il carbonio forma doppi legami non può utilizzare, come nel caso degli alcani, i suoi quattro orbitali ibridi sp3. Anche il carbonio alchenico è ibridato, ma non tutti e quattro i suoi orbitali atomici di partenza si mescolano a formare orbitali ibridi: un orbitale atomico di tipo p deve infatti rimanere invariato per partecipare alla formazione del doppio legame.
I restanti orbitali (un orbitale s e due orbitali p) si mescolano e formano tre orbitali ibridi isoenergetici orientati a 120° verso i vertici di un tetraedro equilatero che prendono il nome di orbitali ibridi sp2. Il piano degli orbitali ibridi è perpendicolare al piano su cui giace l’orbitale p rimasto non ibridato. Due dei tre orbitali ibridi sp2 sono utilizzati per legami semplici; il terzo orbitale ibrido sp2 partecipa insieme al p non ibridato alla formazione del doppio legame.
Quando la catena di carbonio si allunga, è necessario indicare la posizione del doppio legame.

Il radicale che si ottiene sottraendo un atomo di idrogeno a un alchene, prende la desinenza in -enile. Ad esempio:

– se dall’etano CH3―CH3 saturo si ricava il radicale etilico o etile CH3―CH2―, dall’etene CH2=CH2 si ricava l’etenile CH2=CH― chiamato comunemente vinile o radicale vinilico;
– dal propene CH2=CH―CH3 si ricava il 2-propenile CH2=CH―CH2― chiamato comunemente allile o radicale allilico.

Il nome 2-propenile deriva dal fatto che nei radicali la numerazione comincia sempre dall’atomo di carbonio capace di legarsi a una catena principale.

Se nella molecola degli alcheni compare più di un doppio legame, essi vengono detti polieni e la loro formula generale varia con il numero k dei doppi legami presenti nella molecola. Ricordando che ogni doppio legame comporta due atomi di idrogeno in meno rispetto agli alcani saturi, un poliene ha (2n + 2) – 2k atomi di idrogeno, quindi la formula generale è CnH(2n+2)-2k.
I polieni più comuni sono:

– gli alcheni con due doppi legami e formula generale CnH2n-2, detti dieni;
– gli alcheni con tre doppi legami e quindi formula generale Cn H2n-4, detti trieni.

Essi si scrivono indicando il primo atomo di carbonio dei doppi legami.
Di particolare interesse sono i dieni: essi vengono ottenuti in grande quantità dal petrolio; costituiscono la materia prima per la produzione della gomma sintetica.
In generale, però, si può dire che tutti gli idrocarburi insaturi sono di notevole interesse per le reazioni di polimerizzazione.

L’etene è l’idrocarburo insaturo più importante dal punto di vista industriale: oltre che per la produzione di materie plastiche è utilizzato anche per la sintesi di alcool etilico.

Fanno parte degli alcheni anche i cicloalcheni. Analogamente ai cicloalcani, i cicloalcheni sono idrocarburi con struttura ad anello in cui è presente almeno un doppio legame tra due atomi di carbonio. La formula generale dei cicloalcheni è CnH2n-2.

14 dicembre 2008 Pubblicato da Francesca Brigida 0

Il cracking

Il cracking è il processo che spezza in due o più parti la catena di un idrocarburo, a causa della grande stabilità dei legami σ tra gli atomi di carbonio, il processo richiede notevoli quantità di energia oppure l’uso di opportuni catalizzatori.

Esistono due tipi di cracking, uno termico e l’altro catalitico.
Nel cracking termico si riscaldano gli alcani a temperatura superiore a 600 °C.
Nel cracking catalitico invece si riscaldano gli alcani a una temperatura di circa 400 °C in presenza di catalizzatori acidi (silice e allumina).
In entrambi i casi si ottengono miscele di alcani a catena più corta, idrogeno e idrocarburi insaturi, cioè con doppi legami C=C, che possono essere successivamente separati per distillazione frazionata.

Gli idrocarburi si ricavano dal petrolio greggio contenente in superficie idrocarburi gassosi (da 1 a 4 atomi di C), mentre la miscela liquida sottostante viene estratta e separata per distillazione, basandosi sul diverso punto di ebollizione dei componenti.

La distillazione del petrolio greggio fornisce:

– a 70 °C l’etere di petrolio, una miscela di idrocarburi da C5 a C7;
– a 130 °C la benzina, una miscela di idrocarburi da C6 a C12;
– a 230 °C il kerosene, una miscela da C9 a C15;
– a 320 °C il gasolio, una miscela da C14 a C18;
– a 380 °C l’olio combustibile, una miscela da C16 a C20;
– dopo distillazione sotto vuoto, olio pesante da C20 a C70;
– un residuo contenente paraffine, bitume, asfalto.

La benzina prodotta è meno del 20% e per aumentarne la produzione è necessario spezzare la catena di idrocarburi più pesanti per ottenere frammenti più corti a basso peso molecolare, che appunto costituiscono la benzina.
Le benzine vengono classificate secondo il numero di ottano, che misura il grado di comprimibilità di una miscela aria-benzina. Per una buona benzina, il numero di ottano deve essere alto, affinché la miscela non detoni nel cilindro del motore per semplice compressione, ma solo se la combustione è innescata dalla scintilla delle candele.
Il numero di ottano è basso per gli alcani lineari, alto per quelli a catena ramificata o a catena chiusa, perciò la comprimibilità della benzina viene confrontata con quella dell’eptano normale, cui si attribuisce numero di ottano 0 e quella dell’isottano (2,2,4-trimetil-pentano), cui si attribuisce numero di ottano 100. Una benzina con numero di ottano 90 corrisponde a una miscela composta per il 90% da isottano e per il restante 10% da eptano.
Si ottengono benzine ad alto numero di ottano con il reforming catalitico, riscaldando gli idrocarburi a 500 °C e a 20 atm di pressione in presenza di catalizzatore di platino.

14 dicembre 2008 Pubblicato da Francesca Brigida 0

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