Appunti di chimica organica

Idrocarburi

Idrocarburi: molecole che contengono solo C e H. Vi sono alcani, alcheni e alchini.

Alcani

Solo legami singoli σ (C_nH_2n+2).

Sempre ibridazione sp³, dunque il carbonio è tetravalente.

Trovo l'omologo superiore sommando un metilene (CH₂). 109.5°.

In base a quanti carboni è legato, classifichiamo il carbonio in 1°, 2°, 3°,...

Teoria dei gruppi di simmetria (I)

Attraverso I verifico se due molecole sono identiche, in 2 punti:

1. Le formule brute coincidono.
2. Che le sequenze carboniose coincidano (se ciò non è verificato ho isomeri di struttura).

I primi 10 alcani

• CH₄ metano.
• C₂H₆ etano.
• C₃H₈ propano GPL.
• C₄H₁₀ butano.
• C₅H₁₂ pentano.
• C₆H₁₄ esano Benzina.
• C₇H₁₆ eptano.
• C₈H₁₈ ottano.
• C₉H₂₀ nonano Diesel.
• C₁₀H₂₂ decano.

Idrocarburi

Molecole che contengono solo C e H. Vi sono alcani, alcheni e alchini.

Alcani

Solo legami singoli σ (C_nH_2n+2).

Sempre ibridazione sp³, dunque il carbonio è tetravalente.

Trovo l'omologo superiore sommando un metilene (CH₂).

I primi 10 alcani

• CH₄ metano.
• C₂H₆ etano.
• C₃H₈ propano.
• C₄H₁₀ butano.
• C₅H₁₂ pentano.
• C₆H₁₄ esano.
• C₇H₁₆ eptano.
• C₈H₁₈ ottano.
• C₉H₂₀ nonano.
• C₁₀H₂₂ decano.

In base a quanti carboni è legato, classifichiamo il carbonio in 1°, 2°, 3°,...

Teoria dei gruppi di simmetria (I)

Attraverso I verifico se due molecole sono identiche, in 2 punti:

1. Le formule brute coincidono.
2. Che le sequenze carboniose coincidano (se ciò non è verificato ho isomeri di struttura).

Cicloalcani

Sono idrocarburi saturi caratterizzati da una catena carboniosa ciclica (C_nH_2n, n≥3).

Ad esclusione del ciclopropano (Δ) che ha struttura planare, gli altri cicloalcani assumono conformazioni ripiegate, che si possono spiegare introducendo la tensione d'anello, che è data da 3 contributi:

1. Tensione angolare = derivante dalla deviazione dall’angolo tetraedrico classico (109,5° - α = T.A.).
2. Tensione torsionale = tensione derivata dal fatto che i carboni sono costretti nella conformazione eclissata.
3. Tensione sterica = derivante dalle repulsioni fra atomi o gruppi atomici che vengono a trovarsi a distanza inferiore rispetto alla somma dei corrispondenti raggi di Van Der Waals.

Questi 3 componenti definiscono la stabilità del ciclo.

Il cicloesano ha 4 conformeri:

• Sedia.
• Barca.
• Sedia rovesciata.
• Twist.

Alcheni

Sono caratterizzati da ibridazione sp², infatti troviamo doppi legami (C_nH_2n).

Questa è la rappresentazione dell'etilene, e notiamo che l'orbitale p_y non è coinvolto in legami con H: come crea legami π?

Ipotesi 1

I due orbitali p_y si flettono incontrandosi tangenzialmente e formando il legame π.

Ipotesi 2

Era proprio la teoria degli orbitali molecolari proposta da Hückel, secondo la quale gli orbitali non interessano più i singoli atomi, bensì l'intera molecola, che saranno tanti quanti sono gli orbitali atomici che interagiscono: questi possono essere posizionati in fase o in antifase in funzione del sistema di riferimento scelto, dando luogo all'orbitale legante o antilegante. Si trovano su due diversi livelli energetici.

Entrambe possono essere popolate, ma allo stato fondamentale si inizia a riempire prima il legante => si ha legame π.

I due orbitali σ₁ si annullano, formando gli orbitali con estesi a tutta la molecola.

Cicloalcheni

Sono due volte insaturi rispetto al cicloalcano corrispondente (C_nH_2n-2).

È molto più reattivo un cicloalchene di un cicloalcano, per via della tensione angolare.

120°-60°=60°.

109°5’-60°=49°5’.

Applicazione

Plastiche: si tratta di polimeri di poliaddizione.

Esempi:

• Polietene = CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-...
• Polipropene = CH₂-CH-CH₂-CH-CH₂-CH-...

Ha due possibili strutture:

• Isotattica.
• Sindiotattica (più stabile!).

Devo fare questo tipo di distinzione perché nei dimeri non c’è rotazione.

Bioplastiche

Bioplastiche: si tratta di polimeri di policondensazione (selezionati evolutivamente dai microrganismi per la degradazione).

Ma come polimerizza?

La polimerizzazione avviene tramite il processo radicalico => per interrompere la catena devo introdurre un donatore di H, come H₂O.

Alchini

Possiedono un carbonio ibridato sp³ (C_nH_2n-2).

Sono altamente instabili, poiché mancano 4 H rispetto all'alcano corrispondente (i 2 orbitali p saranno impiegati in 2 legami π).

Cicloalchini

Hanno come formula generale C_nH_2n-4.

Sono i più instabili tra gli idrocarburi ciclici.

TA = 180° - 60° = 120°.

Per questo motivo si formano solo durante processi ad alta energia, come la combustione.

Composti aromatici

I composti aromatici, inizialmente così classificati per l'aroma che sviluppano, sono estremamente stabili.

Sono state elaborate 3 teorie per spiegarne la natura nel corso della storia.

1) Teoria di Kekulé

Definisce la molecola aromatica come una molecola che esiste in equilibrio tra le sue due forme.

Si notò però che anche quelli che dovevano essere doppi legami avevano lunghezza uguale => questa teoria non poteva essere veritiera.

2) Strutture di risonanza

Con il termine risonanza si intende il fenomeno che permette di rappresentare una molecola con più strutture che differiscono solo per una diversa disposizione degli elettroni.

Queste strutture sono dette “strutture limite di risonanza” e nessuna di esse rappresenta la struttura reale della molecola, che invece può essere vista come un ibrido di risonanza fra le varie forme limite.

Per questo motivo il benzene può essere rappresentato così:

Teoria degli orbitali molecolari

Ogni atomo di carbonio è ibridato sp², dunque con geometria planare e angoli di 120°. I 6 orbitali p non coinvolti nell'ibridazione si combinano tra loro per formare altrettanti O.M.: 3 di legame e 3 di antilegame, che sono vuoti (per questo la molecola è stabile).

Ho davanti una molecola aromatica?

Formula di Hückel: 4n+2 → esiste una n>0 tale che inserita in tale formula mi permette di ottenere il numero di elettroni che ho dislocati nell'anello?

• Sì, è un composto aromatico.
• No, non è un composto aromatico.

Alogenuri alchilici

Alogenuri alchilici: composti che contengono almeno un legame σ tra un carbonio sp³ e un alogeno.

Alogeno: F, Cl, Br, I.

Conseguenze sulle proprietà chimico-fisiche:

Tra le molecole di metano l'interazione che troviamo è quella di Van Der Waals, direttamente proporzionale alla superficie di contatto.

Avendo una componente alchilica anche qui abbiamo interazione di Van Der Waals ma si va a sommare la forza di Coulomb a causa della differenza di elettronegatività tra alogeno e carbonio (si crea una parziale separazione di carica).

Applicazione

La quantità di alogeno nella molecola ne modifica gli effetti biologici, e un esempio è il cloroformio il cui prodotto vettoriale risultante gli permette di superare la barriera emato-encefalica, facendo perdere conoscenza.

* Farmacoforo = parte della molecola che ha effetto biologico.

→ Altro esempio sono le Tetraure, i detergenti a secco (in quanto apolari).

Alcoli

Alcoli: contengono il gruppo funzionale -OH ossidrile o idrossile.

Metanolo: oltre alle forze tipiche degli alogenuri alchilici troviamo il legame idrogeno.

Br-metano: come visto in precedenza, le forze che troviamo qui sono la forza di Coulomb e di Van Der Waals.

Si tratta di un legame elettrostatico (non covalente) tra un H e un atomo più elettronegativo che abbia una coppia di elettroni disponibile.

Questo tipo di legame è direzionato (180°).

Nomenclatura (IUPAC)

1. Trova la catena più lunga che contenga -OH.
2. La molecola prende il nome dall'alcano corrispondente.
3. Si aggiunge la radice -olo.

Composti carbonilici

I composti carbonilici sono caratterizzati dal gruppo funzionale carbonile.

A seconda della natura di R₁ e R₂ il composto carbonilico rientra in una delle due sottoclassi.

1) Aldeidi

Aldeidi: uno dei due sostituenti o entrambi sono H.

Nomenclatura (IUPAC):

1. Identificare la catena carboniosa più lunga che contenga il gruppo carbonilico.
2. Numerare la catena dando priorità al carbonile.
3. Aggiungere la radice -ale.

2) Chetoni

Chetoni: entrambi i sostituenti sono diversi da H.

Nomenclatura (IUPAC):

1. Identificare la catena carboniosa più lunga che contenga il carbonile.
2. Numerare la catena in modo che il carbonile abbia il numero più basso possibile.
3. Aggiungere il suffisso -one.

Zuccheri

Zuccheri: un caso particolare degli acidi carbonilici li troviamo nelle due seguenti forme.

Carboidrati:

• Polidrossialdeidi.
• Polidrossichetoni.

Dunque oltre ad essere aldeidi e chetoni devono avere nella loro struttura degli ossidrili (OH)-. Mentre la nomenclatura IUPAC rimane invariata, abbiamo una nuova nomenclatura.

Nomenclatura di Fischer

1. Comunicare che si tratta di un'aldeide o di un chetone usando gli appositi prefissi (Aldo- e Cheto-).
2. Comunicare quanti carboni sono presenti con parole (Di, Tri, Tetra, ...) e aggiungere la radice specifica per gli zuccheri (-oso).
3. Se ci sono centri chirali considero il carbonio più lontano dal carbonile e osservo l'ossidrile legato: se è a dx (D) o a sx (L).

Esempio: D-aldotrioso.

Muta rotazione

Muta rotazione: una sostanza chirale quando non è racemo o mesoforma ha sempre un potere rotatorio diverso da 0.

Anche per i carboidrati questo è vero, ma quando sono disciolti in acqua il potere rotatorio cambia nel tempo.

t₂ ↔ t₁.

Questo fenomeno è detto "muta rotazione": intuisco che devono essere coinvolte modificazioni strutturali.

Individuo le parti: -> C_nE⁺ = C₁NU^- = tutti gli O -> essendo in acqua la struttura cristallina si rompe e queste due parti possono interagire.

Ciclizzazione

Ciclizzazione: NU^- e E⁺ possono interagire ciclizzando, ma questa struttura è betainica: tramite la prototropia verrà neutralizzata -> C_e è sp², dunque planare, può ricevere il legame in 2 modi:

In base a questo avremo 2 cicli:

Anomeri (differiscono per un C^*).