Composti Carbonilici, Acidi Carbossilici e Polimeri: Struttura, Nomenclatura e Reattività

Aldeidi

• Gruppo funzionale: carbonilico (C=O). Carbonio ibridato sp2.
• Il doppio legame conferisce caratteristiche chimiche specifiche; è relativamente facile da rompere a causa della differenza di elettronegatività tra C e O.
• Il gruppo carbonilico è terminale (si trova sempre in posizione 1 della catena principale).

Nomenclatura

Il suffisso IUPAC è -ale (es. etanale, noto anche come aldeide acetica; metanale, noto anche come aldeide formica).

Chetoni

• Gruppo funzionale: carbonilico (C=O) posizionato all'interno della catena carboniosa.

Nomenclatura

Il suffisso IUPAC è -one.

• Presentano isomeria di posizione, specificando la posizione del gruppo funzionale nella catena.

Ottenimento di Aldeidi e Chetoni

• Ossidazione di alcoli primari: porta prima ad aldeide, che può essere ulteriormente ossidata ad acido carbossilico.
  Alcol primario --[O]--> Aldeide --[O]--> Acido Carbossilico
• Ossidazione di alcoli secondari: porta a chetone.
  Alcol secondario --[O]--> Chetone

Distinzione tramite Reagenti Specifici

• Reattivo di Fehling: Soluzione di colore azzurro (grazie agli ioni rame Cu²⁺). In presenza di un'aldeide, il Cu²⁺ si riduce a ossido di rame(I) (Cu₂O), un precipitato rosso mattone. I chetoni non reagiscono (la soluzione rimane blu).
• Reattivo di Tollens: Soluzione contenente ioni argento (Ag⁺) in complesso ammoniacale. In presenza di un'aldeide, lo ione Ag⁺ (incolore) si riduce ad argento metallico (Ag⁰), che si deposita sulle pareti della provetta creando uno "specchio d'argento". I chetoni non reagiscono (la soluzione rimane incolore).

Proprietà Fisiche di Aldeidi e Chetoni

Dipendono sia dal gruppo funzionale carbonilico sia dalla catena alchilica/arilica.

• Legami intermolecolari: Interazioni dipolo-dipolo dovute alla polarità del gruppo C=O. Non formano legami a idrogeno tra loro (a differenza degli alcoli), ma possono accettare legami a idrogeno dall'acqua. Le forze di London sono presenti e aumentano con la lunghezza della catena.
• Stato di aggregazione: Metanale ed etanale sono gas a temperatura ambiente. Gli omologhi superiori sono liquidi o solidi, a seconda della lunghezza della catena.
• Temperature di ebollizione (T_eb): Generalmente più alte di quelle degli idrocarburi di massa molecolare simile (a causa delle interazioni dipolo-dipolo), ma più basse di quelle degli alcoli corrispondenti (per l'assenza di legami a idrogeno intermolecolari). Aumentano all'aumentare della lunghezza della catena.

Proprietà Chimiche di Aldeidi e Chetoni

Sono dominate dalla reattività del doppio legame C=O e dall'elettronegatività dell'ossigeno.

• Le aldeidi sono generalmente più reattive dei chetoni per due motivi principali:
  • Minore ingombro sterico: L'atomo di idrogeno legato al carbonile nelle aldeidi occupa meno spazio rispetto ai due gruppi R (alchilici o arilici) nei chetoni, facilitando l'attacco dei nucleofili.
  • Fattori elettronici: I gruppi alchilici nei chetoni sono elettron-donatori e tendono a stabilizzare parzialmente la carica positiva sul carbonio carbonilico, rendendolo meno elettrofilo (e quindi meno reattivo) rispetto a quello delle aldeidi.
• Reazioni tipiche:
  • Addizione nucleofila: Reazione caratteristica del gruppo carbonilico.
  • Ossidazione: Le aldeidi si ossidano facilmente ad acidi carbossilici (vedi reattivi di Tollens e Fehling). I chetoni sono resistenti all'ossidazione in condizioni blande.
  • Riduzione: Le aldeidi si riducono ad alcoli primari. I chetoni si riducono ad alcoli secondari.
    Aldeide + [H] --> Alcol Primario
    Chetone + [H] --> Alcol Secondario

Acidi Carbossilici

• Gruppo funzionale: carbossile (-COOH), che combina un gruppo carbonilico (C=O) e un gruppo ossidrilico (-OH) legati allo stesso atomo di carbonio.
• Il carbonio carbossilico è ibridato sp2 ed è sempre terminale (ha la massima priorità nella nomenclatura IUPAC).
• Possono essere:
  • Alifatici: R-COOH (dove R è un gruppo alchilico)
  • Aromatici: Ar-COOH (dove Ar è un gruppo arilico)

Nomenclatura

Si premette "acido" al nome dell'idrocarburo corrispondente (includendo il carbonio del COOH nella catena principale) e si aggiunge il suffisso -oico.

Acidi Grassi

• Sono acidi carbossilici a lunga catena alifatica, generalmente con un numero di atomi di carbonio (nC) pari e ≥ 12.
• Costituenti fondamentali dei lipidi (biomolecole con funzioni strutturali, di protezione, isolamento e riserva energetica), tra cui i trigliceridi (esteri del glicerolo con tre acidi grassi), che possono accumularsi nei vasi sanguigni.
• Si distinguono in:
  • Saturi: Non presentano doppi legami C=C nella catena alchilica. Le molecole tendono ad impacchettarsi in modo ordinato, risultando solidi a temperatura ambiente (grassi animali).
  • Insaturi: Presentano uno o più doppi legami C=C nella catena alchilica (spesso in configurazione cis). I doppi legami introducono "pieghe" nella catena, impedendo un impacchettamento ordinato; risultano liquidi a temperatura ambiente (oli vegetali). L'idrogenazione degli oli li converte in grassi solidi (es. margarine).

Sintesi degli Acidi Carbossilici

Si ottengono principalmente per ossidazione delle aldeidi (o direttamente degli alcoli primari con ossidanti forti).

Proprietà Fisiche degli Acidi Carbossilici

• Stato di aggregazione: I primi termini (acido formico, acido acetico) sono liquidi a temperatura ambiente. Gli omologhi superiori sono solidi cerosi.
• Temperature di ebollizione (T_eb): Molto alte, superiori a quelle degli alcoli e idrocarburi di massa molecolare comparabile, a causa della formazione di dimeri stabili tenuti insieme da due legami a idrogeno intermolecolari.
• Solubilità in acqua: I primi termini (fino a 4-5 atomi di C) sono solubili in acqua grazie alla capacità di formare legami a idrogeno con essa. La solubilità diminuisce rapidamente all'aumentare della lunghezza della catena idrofobica.

Proprietà Chimiche degli Acidi Carbossilici

• Acidità: Dovuta alla rottura del legame O-H, con liberazione di uno ione H⁺. Reagiscono con le basi forti per formare sali.
  R-COOH + NaOH --> R-COO^-Na⁺ + H₂O
• Sostituzione nucleofila acilica: Il gruppo -OH può essere sostituito da un nucleofilo. La reazione con un alcol porta alla formazione di un estere. Il gruppo R-C=O è detto acile.
  R-COOH (Acido carbossilico) + R'-OH (Alcol) ⇌ R-COO-R' (Estere) + H₂O

Esteri

• Derivati degli acidi carbossilici in cui l'idrogeno del gruppo -OH è sostituito da un gruppo alchilico (R') o arilico (Ar'). Formula generale: R-COO-R'.
• Il gruppo funzionale -COO- è detto gruppo estereo.
• Si formano tipicamente per reazione di esterificazione tra un acido carbossilico e un alcol, con eliminazione di una molecola d'acqua (catalisi acida). Il legame che si forma è detto legame estereo.

Nomenclatura

Il nome deriva dall'acido carbossilico di partenza, sostituendo il suffisso "-oico" con "-oato", seguito dalla preposizione "di" e dal nome del gruppo alchilico/arilico (R') derivante dall'alcol. Esempio: esanoato di etile.

Possibili strutture: R-COO-R', Ar-COO-R', R-COO-Ar', Ar-COO-Ar'.

Ammidi

• Derivati degli acidi carbossilici in cui il gruppo -OH è sostituito da un gruppo amminico (-NH₂, -NHR', -NR'R'').
• Contengono il gruppo ammidico (-CO-N<).
• Sono composti azotati.
• Il legame ammidico (o legame peptidico nelle proteine) unisce il gruppo carbossilico di un amminoacido con il gruppo amminico di un altro.

Classificazione

• Ammidi primarie (I): R-CO-NH₂
• Ammidi secondarie (II): R-CO-NHR'
• Ammidi terziarie (III): R-CO-NR'R''

Nomenclatura

• Ammidi I: Si sostituisce "acido ...oico" con "...ammide". Es. Etanammide.
• Ammidi II e III: I sostituenti legati all'azoto sono indicati con il prefisso N-. Es. N-metiletanamide (II), N,N-dimetiletanamide (III).

Acidi Carbossilici Polifunzionali

Molecole che contengono, oltre al gruppo carbossilico, altri gruppi funzionali.

• Possono contenere carboni chirali, dando origine a enantiomeri.
• Esempio: Gruppo carbossilico + gruppo ossidrilico (-OH)
  • Acido 2-idrossipropanoico (Acido Lattico): Si forma nei muscoli durante uno sforzo intenso, quando l'apporto di ossigeno è insufficiente per completare l'ossidazione del glucosio (C₆H₁₂O₆) e produrre energia tramite la respirazione cellulare. La glicolisi anaerobica produce acido piruvico, che viene poi ridotto ad acido lattico.
• Esempio: Gruppo carbossilico + gruppo carbonilico (chetonico)
  • Acido 2-ossopropanoico (Acido Piruvico): Prodotto intermedio chiave del metabolismo del glucosio (glicolisi), dove una molecola di glucosio viene scissa in due molecole di acido piruvico.

Ammine

Composti organici azotati derivati dall'ammoniaca (NH₃) per sostituzione di uno o più atomi di idrogeno con gruppi alchilici (R) o arilici (Ar).

Classificazione

• Ammine primarie (I): R-NH₂ o Ar-NH₂
• Ammine secondarie (II): R₂NH, Ar₂NH, R-NH-Ar
• Ammine terziarie (III): R₃N, Ar₃N, R₂N-Ar, ecc.

Nomenclatura

• Ammine I: Si nomina il gruppo alchilico/arilico seguito da "-ammina" (es. metilammina) oppure si considera -NH₂ come sostituente "ammino-" (es. amminobutano).
• Ammine II e III simmetriche: Prefissi di-, tri- (es. dietilammina).
• Ammine II e III asimmetriche: Si considera il gruppo R/Ar più grande come catena principale. Gli altri gruppi legati a N sono trattati come sostituenti con prefisso N-. Es. N-metilbutanammina (II), N-etil-N-metilpropanammina (III).

Legami Intermolecolari nelle Ammine

• Ammine I e II: Possono formare legami a idrogeno intermolecolari (N-H···N).
• Ammine III: Non possono formare legami a idrogeno tra loro (manca H legato a N), ma possono accettare legami a idrogeno da molecole come l'acqua (attraverso la coppia solitaria su N).

Proprietà Fisiche delle Ammine

• Stato di aggregazione: Le ammine a basso peso molecolare (metil-, dimetil-, trimetil-, etilammina) sono gas a temperatura ambiente; le altre sono liquide o solide. Molte hanno odori sgradevoli (simile a pesce).
• Temperature di ebollizione (T_eb): Più alte degli idrocarburi di massa molecolare simile (a causa della polarità e dei legami H per I e II), ma più basse degli alcoli corrispondenti (il legame H N-H···N è più debole del legame O-H···O perché N è meno elettronegativo di O). Le ammine III hanno T_eb più basse delle I e II isomeriche.
• Solubilità in acqua: Le ammine a basso peso molecolare (fino a 5-6 atomi di C) sono solubili in acqua grazie alla formazione di legami a idrogeno con essa. La solubilità diminuisce all'aumentare della lunghezza della catena idrofobica.

Proprietà Chimiche delle Ammine

La coppia di elettroni non condivisa sull'azoto conferisce alle ammine carattere basico (basi di Lewis e di Brønsted-Lowry). Sono generalmente basi deboli.

Polimeri

Macromolecole costituite dalla ripetizione di unità strutturali più piccole dette monomeri.

• Possono essere naturali (es. cellulosa, proteine, DNA) o sintetici (prodotti in laboratorio, es. polietilene, PVC, nylon).
• Cenni storici:
  • 1907: Leo Baekeland sintetizza la prima resina termoindurente completamente sintetica, la Bachelite.
  • 1954: Giulio Natta sviluppa catalizzatori (Ziegler-Natta) che permettono di ottenere polipropilene isotattico con proprietà meccaniche superiori.

Tipi di Polimeri (in base ai monomeri)

• Omopolimeri: Formati dalla polimerizzazione di un solo tipo di monomero (es. A-A-A-A...).
• Copolimeri: Formati dalla polimerizzazione di due o più tipi diversi di monomeri (es. A-B-A-B...). La disposizione dei monomeri può essere:
  • Random (casuale): A-B-B-A-B-A-A...
  • Alternata: A-B-A-B-A-B...
  • A blocchi: A-A-A-A-B-B-B-B...
  • A innesto (graft): Catena principale di un tipo di monomero (A) con catene laterali di un altro tipo (B).
    ...-A-A-A-A-A-A-...
    |
    B-B-B-...

Formazione dei Polimeri (Polimerizzazione)

1. Polimerizzazione per Addizione

• Avviene per somma successiva di monomeri a una catena in crescita, senza eliminazione di piccole molecole.
• Richiede monomeri con doppi o tripli legami (tipicamente alcheni o derivati). Il legame π si rompe per formare nuovi legami σ.
• Procedono come reazioni a catena (iniziazione, propagazione, terminazione).
• Il meccanismo può essere: radicalico (es. polietilene da etilene, spesso innescato da perossidi organici R-O-O-R e raggi UV), cationico o anionico.

2. Polimerizzazione per Condensazione

• Avviene per reazione tra gruppi funzionali di monomeri diversi (o dello stesso monomero se bifunzionale), con eliminazione di piccole molecole (generalmente acqua, ma anche HCl, metanolo, etc.).
• Richiede monomeri con almeno due gruppi funzionali reattivi (es. dioli, diacidi, diamminne, amminoacidi).
• Esempio: Formazione di poliesteri come il PLA (acido polilattico) da monomeri di acido lattico (che possiede un gruppo -OH e un gruppo -COOH).
• Esempio: Formazione di poliammidi come il Nylon (es. Nylon 6,6 da esametilendiammina e acido adipico).
• Generalmente procedono a stadi, non necessariamente in una sola direzione.

Proprietà Fisiche dei Polimeri

Dipendono da molti fattori: natura chimica dei monomeri, lunghezza e struttura delle catene (linearità, ramificazioni, cross-linking), grado di cristallinità, presenza di additivi.

• Elastomeri: Polimeri con elevata elasticità; possono subire grandi deformazioni sotto sforzo e recuperare la forma originale quando lo sforzo cessa (es. gomma naturale, poliuretani).
• Plastomeri (Materie plastiche): Materiali che possono essere modellati sotto l'azione di calore e/o pressione.
  • Resine termoplastiche: Rammolliscono con il calore (diventando modellabili) e induriscono con il raffreddamento; il processo è reversibile (es. polietilene, PVC, polistirene).
  • Resine termoindurenti: Induriscono irreversibilmente con il calore o tramite agenti reticolanti; una volta indurite, non possono essere nuovamente fuse o modellate (es. bachelite, resine epossidiche, resine fenoliche).

Degradazione dei Polimeri

I polimeri sintetici, specialmente quelli basati su lunghe catene di carbonio e idrogeno (come il polietilene), sono molto resistenti alla degradazione ambientale perché i legami C-C e C-H sono forti e poco reattivi.

• L'ossigeno atmosferico, la luce UV, il calore e lo stress meccanico possono causare una lenta degradazione.
• Tipi di degradazione: termica (calore), meccanica (sforzo), ossidativa (ossigeno), fotochimica (luce UV).
• La difficoltà di degradazione è alla base dei problemi ambientali legati ai rifiuti plastici.

Educazione Civica: L'Impatto della Plastica

La plastica, inventata circa un secolo fa, è diventata onnipresente. Ad oggi, sono state prodotte circa 10 miliardi di tonnellate di plastica a livello globale.

Quasi l'80% dei rifiuti plastici prodotti finisce nelle discariche o disperso nell'ambiente. La plastica non è biodegradabile nel senso comune del termine; non viene decomposta dai microrganismi in tempi brevi.

L'azione dei raggi solari e degli agenti atmosferici frammenta la plastica in pezzi sempre più piccoli, che diventano irrecuperabili: le microplastiche (frammenti con diametro inferiore ai 5 mm) e le nanoplastiche vengono trasportate dal vento, dai fiumi e finiscono nei mari e negli oceani.

Nell'Oceano Pacifico è stata scoperta una gigantesca accumulazione di rifiuti galleggianti (il "Great Pacific Garbage Patch"), estesa forse quanto l'Europa. Il primo a documentarla ampiamente fu Charles Moore nel 1997. I detriti plastici vengono intrappolati dalle correnti oceaniche (vortici subtropicali), creando vere e proprie "isole di plastica".

La maggior parte della plastica, tuttavia, non galleggia ma affonda negli oceani. Può essere ingerita da uccelli e mammiferi marini, causando soffocamento (es. gabbiani, tartarughe) o blocco dell'apparato digerente.

Anche i pesci e altri organismi marini ingeriscono microplastiche, che possono così entrare nella catena alimentare e arrivare fino alle nostre tavole. In alcune aree oceaniche, la massa delle microplastiche supera quella dello zooplancton.

Le microplastiche sono estremamente difficili, se non impossibili, da rimuovere dall'ambiente una volta disperse.

Si prevede che nei prossimi anni le compagnie petrolifere aumenteranno la produzione di materie plastiche per compensare la prevista diminuzione della domanda di carburanti fossili dovuta alla diffusione dei veicoli elettrici.

Possibili Soluzioni

• Ridurre la produzione e il consumo di plastica, soprattutto quella monouso ("usa e getta").
• Promuovere l'utilizzo di alternative riutilizzabili (es. borse della spesa, borracce, contenitori).
• Introdurre normative più stringenti per limitare la produzione di plastica non essenziale e incentivare il riciclo e il riuso.
• Sviluppare e utilizzare bioplastiche, derivate da fonti rinnovabili (es. amido di mais, canna da zucchero). Tuttavia, anche le bioplastiche presentano sfide: possono essere più costose, richiedere grandi estensioni di terreno agricolo (sottraendolo alla produzione alimentare), e comportare un consumo significativo di acqua, energia e fertilizzanti. Inoltre, non tutte le bioplastiche sono biodegradabili in tutti gli ambienti (alcune richiedono impianti di compostaggio industriale).